晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng).doc

1前言我國(guó)從20世紀(jì)60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來(lái)，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對(duì)自動(dòng)化的需求也越來(lái)越高，直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。例如，軍事和宇航方面的雷達(dá)天線(xiàn)，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對(duì)太陽(yáng)得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專(zhuān)用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，印刷機(jī)械，繞線(xiàn)機(jī)，紡織機(jī)械，工業(yè)縫紉機(jī)，泵和壓縮機(jī)等設(shè)備的控制；計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，各種光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，繪圖儀，掃描儀，打印機(jī)，傳真機(jī)，復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，錄像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱，電扇等的控制。為了推廣直流電機(jī)在化工領(lǐng)域的使用，由于直流電機(jī)的功能已得到很大提高，因此更為人性化的設(shè)計(jì)勢(shì)必在操作和顯示方面。直流電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制一般采用模擬法，對(duì)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單控制應(yīng)用比較多。簡(jiǎn)單控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類(lèi)控制容易實(shí)現(xiàn)，并可通單片機(jī)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和開(kāi)關(guān)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以本課題采用此法。同時(shí)考慮到以前的直流電機(jī)只能通過(guò)數(shù)碼管來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單地顯示轉(zhuǎn)速，且不能清楚的了解其轉(zhuǎn)向，而LCD液晶顯示器可以彌補(bǔ)這一點(diǎn)，并且還添加一些更為人性化的提示，這是以前的數(shù)碼管所不能代替的，這必將是一個(gè)新的趨勢(shì)。1系統(tǒng)論述1.1設(shè)計(jì)思路：直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。其間，還包括直流電機(jī)的直接清零、啟動(dòng)（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。該直流電機(jī)系統(tǒng)由以下電路模塊組成：2振蕩器和時(shí)鐘電路：這部分電路主要由80C51單片機(jī)和一些電容、晶振組成。設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制部分：主要由80C51單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。設(shè)計(jì)顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成；LED數(shù)碼顯示部分由七段數(shù)碼顯示管組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。1.2基本原理主體電路：即直流電機(jī)PWM控制模塊。這部分電路主要由80C51單片機(jī)的I/O端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和了解電機(jī)的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。其間，還包括直流電機(jī)的直接清零、啟動(dòng)（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。其間是通過(guò)80C51單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到L298驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制直流電機(jī)工作的。該直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)控制部分：主要由80C51單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。設(shè)計(jì)顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。1.3總體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)組成：直流電機(jī)PWM調(diào)速方案如圖1.1所示：方案說(shuō)明：直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為控制核心，由命令輸入模塊、LCD顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送PWM波形，3H型驅(qū)動(dòng)電路完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)控制；同時(shí)單片機(jī)不停的將從鍵盤(pán)讀取的數(shù)據(jù)送到LCD顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知曉其轉(zhuǎn)向及一些溫心提示。AT89C51直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)AT89C51直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)加速控制端減速控制端正轉(zhuǎn)控制端反轉(zhuǎn)控制端停止控制端LCD液晶顯示P0口P2口P1口單片機(jī)圖1.1直流電機(jī)PWM調(diào)速方案2直流電機(jī)單元電路設(shè)計(jì)與分析2.1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（內(nèi)含CMOSS管、三太門(mén)等）組成。現(xiàn)在介紹下直流電機(jī)的運(yùn)行原理2.1.1直流電機(jī)類(lèi)型4直流電機(jī)可按其結(jié)構(gòu)、工作原理和用途等進(jìn)行分類(lèi)，其中根據(jù)直流電機(jī)的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機(jī)（將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能）、直流電動(dòng)機(jī)（將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)（將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）、直流伺服電動(dòng)機(jī)（將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)）。下面以直流電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象。2.1.2直流電機(jī)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定子上裝有磁極（電磁式直流電機(jī)磁極由繞在定子上的磁繞提供），其轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞繞組，繞組通過(guò)換向器和電刷引出,直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)2.1.3直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)電路模型如圖2.2所示，磁極N、S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線(xiàn)圈abcd。當(dāng)線(xiàn)圈中流過(guò)電流時(shí)，線(xiàn)圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過(guò)線(xiàn)圈中電流改變方向時(shí)，線(xiàn)圈的受方向也將改變，因此通過(guò)改變線(xiàn)圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。圖2.2直流電動(dòng)機(jī)電路模型+AB-abcdNS圖1.1直流電機(jī)工作52.1.4直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)直流電機(jī)的主要額定值有：額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機(jī)的負(fù)載能力。額定電壓Ue：長(zhǎng)期運(yùn)行的最高電壓。額定電流Ie：長(zhǎng)期運(yùn)行的最大電流。額定轉(zhuǎn)速n：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢。以r/min為單位。勵(lì)磁電流If：施加到電極線(xiàn)圈上的電流。2.1.5直流電機(jī)PWM調(diào)速原理（1）直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖2.3表示，由圖可見(jiàn)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動(dòng)勢(shì)；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0均與n相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖2.3直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動(dòng)勢(shì)平衡方程式1.1：U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式1.1中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和；Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=Ua-IR/Ce式1.2式1.2中，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，是磁通量。raEanT0T2IUT1Rc說(shuō)明:U電壓Ea電樞電動(dòng)勢(shì)n轉(zhuǎn)速I(mǎi)電樞電流ra電樞回路電阻Rc外在電樞電阻T1，T2負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0空載轉(zhuǎn)矩磁通量6由1.1式和1.2式得n=Ea/Ce式1.3由式1.3中可以看出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時(shí)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)；改變電樞電壓的極性，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。（2）PWM電機(jī)調(diào)速原理對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果加在電樞兩端的電壓為2.3所示的脈動(dòng)電流壓（要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對(duì)這一變化進(jìn)一步推導(dǎo)。圖2.3施加在電樞兩端的脈動(dòng)電壓設(shè)電機(jī)接全電壓U時(shí)，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動(dòng)電壓占空比為D=t1/T，則電樞的平均電壓為：U平=UD式1.4由式1.3得到：n=Ea/CeUD/Ce=KD；在假設(shè)電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下式中K=U/Ce，是常數(shù)。圖2.4為施加不同占空比時(shí)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。圖2.4占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系最大值Vmax平均值Vd最小值Vmint1t2T圖1.3PWM調(diào)速原理圖7ABABIN2IN1ENAD11N4006D21N4006D31N4006D41N4006Q12SK1058Q22SK1058Q32SK1058Q42SK1058R11KV1+9V231U174126231U274126直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)+88.8由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線(xiàn)性關(guān)系（圖中實(shí)線(xiàn)），原因是電樞本身有電阻，不過(guò)一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近視為線(xiàn)性關(guān)系。由此可見(jiàn)，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理。2.1.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)根據(jù)直流電機(jī)的工作原理，從PROTEUS選取元器件如下，放置元器件、放置電源和地連線(xiàn)，我們參此設(shè)計(jì)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖2.5所示2SK1058:CMOSS管74L26:三太門(mén)1N4006:二極管VSCOURCE:電源MOTOR-ENCODER:直流電機(jī)RES:電阻AT89C51:單片機(jī)(在此并未顯示)圖2.5直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路然而考慮市場(chǎng)的行情，既然已有專(zhuān)門(mén)地為電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的芯片，就沒(méi)必要8IN15IN27ENA6OUT12OUT23ENB11OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SENSB15GND8VS4VCC9U2L298+12VR4100R5100R6100+88.8234567891RP1RESPACK-8+12VD11N4003D31N4003D21N4003D41N4003直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片直流電機(jī)再?gòu)男聛?lái)設(shè)計(jì)；選用L298芯片來(lái)構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)基本上跟上圖一樣，由L298芯片組裝的驅(qū)動(dòng)模塊如圖2.6所示。所用元器件如下所示：1N4006:二極管AT89C51:單片機(jī)(在此并未顯示)RES:電阻MOTOR-ENCODER:直流電機(jī)L298:電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片RESPACK-8:排阻圖2.6直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路2.1.7程序設(shè)計(jì)流程圖9定時(shí)中斷服務(wù)設(shè)置一定的周期0FF00H將從鍵盤(pán)(中斷)讀取的數(shù)據(jù)送到TH0中,從而