直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

1、（學校名字）計算機控制技術(shù)課程設(shè)計直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計學生姓名xxx學 號xxx學院名稱xxx專業(yè)名稱xxx指導教師xxxxx年xx月xx日 徐州工程學院課程設(shè)計目 錄1 系統(tǒng)方案設(shè)計.11.1 直流電機調(diào)速控制原理說明.11.2 直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖.21.2.1 電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖.21.2.2 調(diào)速系統(tǒng)原理圖.22 系統(tǒng)硬件設(shè)計.42.1 滑動變阻器的作用與選擇.42.2 AT89C51單片機.42.2.1 AT89C51單片機功能及引腳說明.42.2.2 PWM的輸出方式與端口的選擇.62.3 PWM功率放大電路.82.4電機驅(qū)動.82.4.1元器件的選擇.82.4.2電機驅(qū)

2、動的原理.82.4.3電機驅(qū)動的優(yōu)勢.92.4.4電機驅(qū)動的不足.92.5 直流電動機.92.6 速度測量電路原理說明和器件選擇.102.7 顯示電路原理與芯片的選擇.11結(jié)論.13參考文獻.14131 系統(tǒng)方案設(shè)計1.1 直流電機調(diào)速控制原理說明圖1.1所示電樞電壓為Ua，電樞電流為Ia，電樞回路總電阻為Ra,電機常數(shù)K，勵磁磁通量是。直流電機的轉(zhuǎn)速計算公式如下：n=(Ua-IaRa)/K，其中Ua為電樞端電壓，Ia為電樞電流，Ra為電樞電路總電阻，為每極磁通量，K為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，對于極對數(shù)p，匝數(shù)為N，電樞支路數(shù)為a的電機來說：電機常數(shù)K=pN/60a,意味著電機確定后，該值是不變

3、的。而在Ua-IaRa中，由于Ra僅為繞組電阻，導致IaRa非常小，所以Ua-IaRa約等于Ua。由此可見我們改變電樞電壓時，轉(zhuǎn)速n即可隨之改變，同時可以看出，轉(zhuǎn)速和Ua、Ia有關(guān)，并且可控量只有這兩個，因此我們可以通過調(diào)節(jié)這兩個量來改變轉(zhuǎn)速。我們知道，公式中的Ia可以通過改變電壓進行改變，而我們常提到的PWM控制也就是用來調(diào)節(jié)電壓波形的常用方法，這里我們也就是用PWM控制來進行電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的。通過單片機輸出一定頻率的方波，方波的占空比大小絕對平均電壓的大小，也決定了電機的轉(zhuǎn)速大小。直流電機原理圖如下所示：圖1.1 直流電機原理圖1.2 直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖1.2.1 電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖

4、圖1.2.1 電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖其中Ui為給定值，從輸入端輸入，然后經(jīng)過功率放大器，帶動電動機工作，從而獲得輸出端的輸出轉(zhuǎn)速n，再由測速機測量電動機的轉(zhuǎn)速，通過比較器進行比較，與所需要的轉(zhuǎn)速經(jīng)過比較，看是否滿足需要，若不滿足，改變給定值的大小。1.2.2 調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖1.2.2 調(diào)速系統(tǒng)原理圖在圖1.2.2的原理中，由計算機進行總控制，滑動變阻器為手動控制系統(tǒng)，由計算機對單片機AT89C51進行控制，改變輸入，使單片機的一個I/O端口作為輸出指令端口，產(chǎn)生PWM控制波形，經(jīng)過電機驅(qū)動帶動直流電動機工作，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速經(jīng)過速度測量裝置，再反饋給單片機最終由顯示電路顯示，然后根據(jù)顯示器的顯示數(shù)值，

5、與所需的輸出值進行比較，若不吻合，則通過調(diào)節(jié)活動變阻器，改變阻值，最后由單片機再反應(yīng)給下一階段，再重復一開始的步驟，最終達到改變轉(zhuǎn)速的目的2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 滑動變阻器的作用與選擇滑動變阻器是電路中的一個重要元件，它可以通過移動滑片的位置來改變自身的電阻，從而起到控制電路的作用。在電路分析中，滑動變阻器既可以作為一個定值電阻，也可以作為一個變值電阻。在本電路系統(tǒng)中，主要充當改變電阻值，從而改變電動機轉(zhuǎn)速的作用。圖2.1 分壓式滑動變阻器原理圖之所以采用分壓式滑動變阻器，主要是因為本電路要求待測用電器電流及其兩端電壓可變范圍較大，這樣電動機的調(diào)速范圍也可以相對較大，能夠滿足設(shè)計需要。2.2

6、AT89C51單片機2.2.1 AT89C51單片機功能及引腳說明AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89

7、C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。引腳排列如圖所示。圖2.2 AT89C51引腳圖VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可

8、用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH 編 程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八

9、位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，例如：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST：復位輸入。當振蕩器復位器

10、件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器

11、（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.2.2 PWM的輸出方式與端口的選擇本實驗采用PWM控制，因此需要一個數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，即A/D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)設(shè)計分析，選擇DAC0832芯片。DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

12、D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。最后在單片機的一個I/O端口設(shè)置為PWM輸出指令。其指令程序如下：（其中使用了P10端口輸出PWM，定義變量pwmvalue為占空比數(shù)值，信號頻率為400Hz）#include <at89x52.h>sbit PWM = P10;unsigned char pwmflag = 0;unsigned char pwmvalue = 0;/unsigned char pwmvalue2 = 0;void Timer_Init(void);void main(void)Timer_Init();TR0

13、= 1;PWM = 1;pwmvalue = 9;/占空比90%，可由其它函數(shù)賦值while(1);void Timer0_Intr(void) interrupt 1 pwmflag+;if(pwmflag <= pwmvalue)PWM = 1;elsePWM = 0;if(pwmflag = 10)pwmflag = 0;void Timer_Init(void)TMOD |= 0x02;TH0 = 0x06;TL0 = 0x06;EA = 1;ET0 = 1;2.3 PWM功率放大電路此電路的作用是將從AT89C51單片機P10端口中輸出的PWM脈沖波形進行放大，然后傳給下一階段

14、的電機驅(qū)動電路。其工作原理圖如圖2.3所示：圖2.3 PWM功率放大電路原理圖由于線性功率放大器的最大缺點就是效率低，引起過熱，尤其在低電壓、大電流時特別突出，因此采用晶體管放大器，而在采用晶體放大器時必須降低晶體管本身的損耗。晶體管有三種狀態(tài)：放大、飽和與截止，因此采用開放式功率放大器可以使其工作在飽和與截止狀態(tài)，以斷續(xù)供電代替連續(xù)供電，可以滿足設(shè)計需要。2.4 電機驅(qū)動此電路設(shè)計的電機是利用PWM信號控制電機轉(zhuǎn)速的方法，要控制電機的轉(zhuǎn)速,就要控制電機正負兩端的電壓以及電流。2.4.1 元器件的選擇MOS管、大的電解電容、續(xù)流二極管2.4.2 電機驅(qū)動的原理利用PWM產(chǎn)生高低電平來控制MOS

15、管的G極，從而控制D極和S極之間的通斷，當D極和S極導通時，電極正極接電源，負極接地。當D極和S極斷開時，電極正極和電源相連，而負極通過二極管通向電容的正極，給二極管充電，形成回路。這樣就可以達到一種平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)PWM方波的占空比就可以調(diào)節(jié)電極兩端的電流，從而控制電極的轉(zhuǎn)速。2.4.3電機驅(qū)動的優(yōu)勢這種控制電極的方法使MOS管要么工作在飽和區(qū)，要么工作在截止區(qū)，有效的控制了MOS管的發(fā)熱量，從而增加穩(wěn)定性，電路簡單，易實現(xiàn)。2.4.4 電機驅(qū)動的不足二極管續(xù)流會嚴重影響電源，對電源和驅(qū)動管的選取要求比較高，同時也有可能會產(chǎn)生一定的振動。2.5 直流電動機 如圖2.5所示，為直流電動機的技術(shù)參

16、數(shù)：圖2.5 直流電動機的技術(shù)參數(shù)直流電動機的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為n=(Ua-IaRa)/K式中 Ua電樞供電電壓（V）；Ia 電樞電流（A）；勵磁磁通（Wb）；Ra電樞回路總電阻（）；可知調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra；(2)改變電樞供電電壓Ua；(3)改變勵磁。由第二種方法知道，直流電機轉(zhuǎn)速與加在電機兩端電壓有關(guān)，故可選用單片機產(chǎn)生PWM方波，經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。利用單片機AD轉(zhuǎn)換器輸出控制直流電機兩端電壓，來控制轉(zhuǎn)速?？刹捎煤唵蔚谋壤{(diào)節(jié)器，其公式為： Y=Kp*e(t) 其中：e(t)為偏差電壓，即輸入，Kp為比例系數(shù)，Y為輸出。比例調(diào)節(jié)是最簡單最基本的方式

17、，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入成正比，與調(diào)節(jié)比例系數(shù)成正比。2.6 速度測量電路原理說明和器件選擇轉(zhuǎn)速是工程上一個常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表示。其單位為r/min。轉(zhuǎn)速的測量方法很多，由于轉(zhuǎn)速是以單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)來衡量的，因此采用霍爾元器件測量轉(zhuǎn)速是較為常用的一種測量方法。如下圖所示，為速度測量電路的原理圖：圖2.6 轉(zhuǎn)速測量原理圖霍爾器件是有半導體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁場B，在沿l方向的兩個端面加以外電場，則有一定的電流經(jīng)過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛侖磁力，其大小為：flqVB式中：fl洛侖磁力

18、，q載流子電荷，V載流子運動速度，B磁感應(yīng)強度。這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面間的電位差稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋篣H = RH×I×B/d(mV) 式中： RH-霍爾常數(shù)，d-元件厚度，B-磁感應(yīng)強度，I-控制電流設(shè)KH = RH /d ，則UH = KH×I×B (mV)其中，KH為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV/mA/T),它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應(yīng)注意，當電磁感應(yīng)強度B反向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍

19、爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強度而變化，根據(jù)這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動機的轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，故輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速。2.7 顯示電路原理與芯片的選擇顯示電路采用74LS164串入并出的移位寄存器給出串行口擴展的3位L ED 顯示接口電路，如圖2.7所示，分別為74LS164寄存器的引腳圖和功能圖:圖2.7.1 74LS164寄存器的引腳圖和功能圖74LS164為串入并出的8位移位寄存器,其主要電特性的典型值如下：54/74164  185mW     54/74LS164 80mW當清除端（CLEAR）為