晶闸管直流调速系统.doc

1前言我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。为了推广直流电机在化工领域的使用，由于直流电机的功能已得到很大提高，因此更为人性化的设计势必在操作和显示方面。直流电机直流电动机调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制容易实现，并可通单片机，直流电机驱动芯片和开关元件来实现，所以本课题采用此法。同时考虑到以前的直流电机只能通过数码管来进行简单地显示转速，且不能清楚的了解其转向，而LCD液晶显示器可以弥补这一点，并且还添加一些更为人性化的提示，这是以前的数码管所不能代替的，这必将是一个新的趋势。1系统论述1.1设计思路：直流电机PWM控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：2振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成；LED数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。1.2基本原理主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。1.3总体设计框图系统组成：直流电机PWM调速方案如图1.1所示：方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，3H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示。AT89C51直流电机驱动模块直流电机直流电机驱动模块直流电机AT89C51直流电机驱动模块直流电机加速控制端减速控制端正转控制端反转控制端停止控制端LCD液晶显示P0口P2口P1口单片机图1.1直流电机PWM调速方案2直流电机单元电路设计与分析2.1直流电机驱动模块主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（内含CMOSS管、三太门等）组成。现在介绍下直流电机的运行原理2.1.1直流电机类型4直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。下面以直流电动机作为研究对象。2.1.2直流电机结构直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2.1所示。图2.1直流电动机结构2.1.3直流电机工作原理直流电机电路模型如图2.2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。图2.2直流电动机电路模型+AB-abcdNS图1.1直流电机工作52.1.4直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有：额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压Ue：长期运行的最高电压。额定电流Ie：长期运行的最大电流。额定转速n：单位时间内的电机转动快慢。以r/min为单位。励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。2.1.5直流电机PWM调速原理（1）直流电机转速直流电机的数学模型可用图2.3表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。图2.3直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1：U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为：n=Ua-IR/Ce式1.2式1.2中，Ce为电动势常数，是磁通量。raEanT0T2IUT1Rc说明:U>电压Ea>电枢电动势n>转速I>电枢电流ra>电枢回路电阻Rc>外在电枢电阻T1，T2>负载转矩T0>空载转矩>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，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。（2）PWM电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为2.3所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。图2.3施加在电枢两端的脉动电压设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：U平=U·D式1.4由式1.3得到：n=Ea/CeU·D/Ce=KD；在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/Ce，是常数。图2.4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图2.4占空比与电机转速的关系最大值Vmax平均值Vd最小值Vmint1t2T图1.3PWM调速原理图7ABABIN2IN1ENAD11N4006D21N4006D31N4006D41N4006Q12SK1058Q22SK1058Q32SK1058Q42SK1058R11KV1+9V231U174126231U274126直流电机驱动电路直流电机+88.8由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。2.1.6电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，从PROTEUS选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地连线，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图2.5所示2SK1058:CMOSS管74L26:三太门1N4006:二极管VSCOURCE:电源MOTOR-ENCODER:直流电机RES:电阻AT89C51:单片机(在此并未显示)图2.5直流电机驱动电路然而考虑市场的行情，既然已有专门地为电机驱动而设计的芯片，就没必要8IN15IN27ENA6OUT12OUT23ENB11OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SENSB15GND8VS4VCC9U2L298+12VR4100R5100R6100+88.8234567891RP1RESPACK-8+12VD11N4003D31N4003D21N4003D41N4003直流电机驱动芯片直流电机再从新来设计；选用L298芯片来构成的电路结构基本上跟上图一样，由L298芯片组装的驱动模块如图2.6所示。所用元器件如下所示：1N4006:二极管AT89C51:单片机(在此并未显示)RES:电阻MOTOR-ENCODER:直流电机L298:电机驱动芯片RESPACK-8:排阻图2.6直流电机及其驱动电路2.1.7程序设计流程图9定时中断服务设置一定的周期0FF00H将从键盘(中断)读取的数据送到TH0中,从而设置脉宽通过定时中断不停给电机驱动芯片输出脉冲初始设置RETI图2.7定时中断服务流程图2.2直流电机的中断键盘控制模块2.2.1外部中断设置（1）外部中断允许设置中断控制寄存器IE的EX0对应INT0，EX1对应INT1，EA为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。如：开放外部中断0的设置：SETBEX0SETBEA开放外部中断0和1的设置：SETBEX0SETBEX1SETBEA