基于PIC16F877数字式直流调速系统毕业设计

兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计ILANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕 业 设 计题 目 ： 基 于 PIC16F877数 字 式 直 流 调 速 系 统 设 计学 生 姓 名 XXXXXXXXX 学 号 联 系 QQ244531079 专 业 班 级 电气工程及其自动化 指 导 教 师 XXXXX 学 院 继 续 教 育 答 辩 日 期 2016 年 9 月 第 页兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计II继续教育学院毕业设计（论文）任务书题目 基于 PIC16F877 数字式直流调速系统设计 学生姓名 XXXX 班级 电气工程及其自动化 学号联 系 QQ244531079 题目类型 工程设计 指导教师 XX 系主任 XX 一、毕业设计（论文）的技术背景和设计依据： 数字直流调速系统，主要用于解决电动机转速控制问题，其根本任务就是通过单片机控制可控硅的触发脉冲的脉冲宽度来改变电压的。在整个系统中通过按键来控制电动机的正转，反转，停车，并用交流电流互感器来测量主电路中的电流，通过三相整流桥将测得的交流电流整流成直流,通过取样电阻取样，再经过放大器放大，送入单片机进行 AD 转换，在程序中进行电机的软件保护。通过 PID 算法来调节电机的起动特性，限制起动电流，防止起动电流过大。电机的转速用光电编码器可以测出，测出的转速值用数码管显示出来。整个系统中通过四个按键来实现控制：正转按键，反转按键，停车按键，参数设定按键。参数设定按键是来改变 PWM 的占空比，产生的PWM 波通过滤波电压放大送给六路移相触发器作为移相电压，移相电压的大小可以改变六路可控硅触发脉冲的宽度，从而改变了电压，达到了调速的目的。二、毕业设计（论文）的任务1、熟悉题目要求，查阅相关科技文献2、方案设计（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容）3、硬件和软件设计（其中还包括硬件配置、设备及元器件选择、程序说明等）4、撰写设计说明书（毕业论文） ，绘制图纸三、毕业设计（论文）的主要内容、功能及技术指标1、 毕业设计（论文）的主要内容（1） 课题研究的意义及目的，国内外研究的现状；（2） 了解主要控制对象和控制功能；（3） 控制算法的研究及控制器设计；（4） 控制系统的总体设计；（5） 控制系统的硬件配置； 2、 设计实现的主要功能（1）单片机根据工作要求发出相关指令；（2）具有故障检测与保护功能；3、 主要技术指标本系统要求运行安全可靠，系统能够显示转速值，具有手动和自动控制功能。直流电机型号：Y2-90L-2 ；额定功率： 2.2KW； 额定电压： 380V ；额定频率： 50Hz 四、毕业设计（论文）提交的成果兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计III设计说明书（不少于 80 页，约 3 万字左右）（1） 摘要（中英文） ，目录（2） 概述（3） 控制系统总体方案设计及硬件配置；（4） 建立控制对象的数学模型及控制算法的研究；（5） PIC 控制程序；（6） 总结（7） 参考文献（8） 致谢 （9） 附录五、毕业设计（论文）的主要参考文献和技术资料参考文献1 陈伯时. 电力拖动控制系统（第三版）M.北京:机械工业出版社，2004.2 李华德. 电力拖动控制系统（运动控制系统）M.，2006.3 李仁定. 电机的微机控制M.北京:机械工业出版社，19994 王兆安. 电力电子技术（第四版）M. 北京:机械工业出版社，2002.5 天津电气设计研究所.电气传动自动化技术手册（第二版）M. 北京:机械工业出版社,19926 何耀三，唐卓 .电气传动的微机控制M.重庆:重庆大学出版社，1997.2.7 李宏.电力电子设备用其器与集成电路应用指南M.北京:机械工业出版社，20018 秦继安.M .北京:机械工业出版社，1993.119 李忠文.实用电机控制电路M. .北京:化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心，2003.4六、毕业设计（论文）各阶段安排设 计 内 容 周数 完成情况熟悉工艺要求和论文内容，查阅资料 第 1-3 周总体方案设计和硬件配置 第 4-7 周接线图设计 第 8-9 周控制程序软件设计试 第 10-11 周控制程序软件调试 第 12-15 周绘图，整理说明书 第 16-18 周指导教师签字：电信学院毕业设计开题报告兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计IV姓 名 XXX 专业 电气工程及其 自动化 班级 电气工程学 号 联系QQ244531079 指导教师 XXX 题目类型 工程设计题 目 基于 PIC16F877 数字式直流调速系统设计一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）从 80 年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速装置已发展到一个很高的技术水平；功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是由于采用了 16 位（或 32 位）微处理器及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外已得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势，全数字化直流调速装置不断推出，为工程应用提供了优越的条件。目前，国外主要电气公司如瑞典的 ABB 公司，德国的西门子公司，AEG 公司，日本的三菱公司、东芝公司，美国的 GE 公司、西屋公司等，均已开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品供选用。全数字直流调速装置的普及发展，使直流电机拖动进入了一个新的时期，这些装置给出丰富的控制软件，供用户重新组态和整定参数。应用这类装置，人们完全可以实现一些以前未有过的新的控制方法，使系统性能得到进一步的提高。根据目前的发展，展望未来，全数字直流调速系统必将向高性能指标方面发展，朝调试手段先进，控制，通讯功能智能化的方面迈进，尤其是它的动态性能指标还可以得到进一步的提高与交流传动展开全面竞争。本文主要参考文献为电力拖动控制系统 、 电力拖动控制系统 、 电气传动自动化技术手册（第二版） 、 现代直流伺服控制技术及其系统的设计等。二、主要设计（研究）内容、设计（研究）思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案及工作流程本设计介绍的是用一台 2.2KW 的直流电动机 Y2-90L-2，PIC16F877 单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并且具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计V生活中，满足现代化生产的需要。自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。调压调速的实现需要有专门的可控直流电源。自 20 世纪 70 年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产出多种既能控制其导通又能控制其关断的性能优良的全控型器件，由它们构成的脉宽调制（PWM）直流调速系统近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展，与老式的可控直流电源调速系统相比，进行设计。目前，受到器件容量的限制，PWM 直流调速系统只用于中、小功率的系统。 无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令 Vc 的高低。当 Vc 设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压变小，调制波的占空比就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，占空比减小，电枢电流减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在 1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。转速不受电压与负载变动的影响. 由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，没有激磁损耗的问题,由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，综合效率比同容量异步电动机高出 1020%左右(依据功率大小而定)。 过去，由于稀土永磁体价格比较高等因素，限制了稀土永磁无刷直流电动机的应用领域，但是随着技术的不断创新，其价格已迅速下降，稀土永磁无刷直流电动机的优势更加显现，在仪器仪表领域的运用日益广泛。无刷直流电动机的优良调速性能、在调速范围内恒转矩运行、低电磁干扰等特性使其很适合作为微型泵的驱动机构。我国微型真空泵行业领军企业成都“气海”机电公司一直致力于先进技术的研发，在国内率先推出了配备国际先进无刷直流电机的调速微型泵。气海公司对无刷直流电机进行了严格的测试筛选，电机装泵通过了 24h 不停机长时间运转。对电机进行了极限工况、长时间交变载荷的考验。电机在不同转速下转矩波动很小，能很好满足泵的要求。最新研发的调速微型泵，型号众多，适用面广，有调速真空泵、调速气泵（VML、VLC、VLK 系列，FML、FAL 系列）、调速水泵（WKY、WPY、WNY 系列，抽水抽气两用），泵的压力、流量范围宽而且调节方便。具有长寿命、低干扰、能输出电机转速反馈信号（FG)等优点。 三、毕业设计（论文）工作进度安排兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计VI第 1-3 周 熟悉工艺要求和论文内容，查阅资料第 4-7 周 总体方案设计和硬件配置第 8-9 周 接线图设计第 10-11 周 控制程序软件设计试第 12-15 周 控制程序软件调试第 16-18 周 绘图，整理说明书指 导教 师意 见指导教师签字_ 年 月 日兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计VII摘 要本设计介绍的是用一台 2.2KW 的直流电动机 Y2-90L-2，PIC16F877 单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并且具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。关键词 直流调速；PIC16F877；双闭环。兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计VIIIAbstractIn recent years, Domestic diplomacy DC system due to the rapid development of microcomputers, digital has reached the stage to use. As the microprocessor as the core digital control system hardware circuit high degree of standardization, low production costs, and not affected by the device temperature drift. The control software logic and complex operations can be different from the general linear regulator optimized, adaptive, nonlinear, and intelligent control law. The microcomputer control system in all aspects of performance far superior to the analog control system and more widely.This design introduces a 75KW DC motor, constitute a PIC16F877 microcontroller digital DC speed control system. Feature is replaced with single-chip analog triggers, current regulator, speed regulator and logic switching hardware. Finally, the software programming. Real-time control results show that the digital DC speed control system to achieve a constant speed adjustment of the current and speed closed-loop, and has a simple structure, high control accuracy, low cost, easy promotion, but the performance is better than analog DC tune speed system, allowing the practical application to the production life, to meet the needs of modern production.KEYWORD: DC speed control； PIC16F877； Double Closed Loop目录兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计IX第一章 绪论 .11.1 课题背景及意义 .11.2 数字化直流调速系统的发展状况 .21.3 调速系统实现数字化的必要性 .2第二章 方案比较与选择 .42.1 直流电动机调速方式 .42.2 方案比较 .4第三章 闭环逻辑无环流调速系统的分析 .63.1 直流调速的基本原理 .63.2 单闭环直流调速系统 .83.2.1 闭环调速系统的组成及其静特性 .83.2.2 开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系 .93.2.3 单闭环调速系统的动态数学模型 .103.3 单环无静差调速系统 .123.4 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 .133.4.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 .133.4.2 转速、电流双闭环调速系统的静特性 .143.4.3 各变量的稳定工作点和稳态参数计算 .153.5 双闭环直流调速系统的动态性能分析 .163.5.1 双闭环直流控制系统的起动过程分析 .163.5.2 动态抗扰性能分析 .183.5.3 转速和电流两个调节器的作用 .183.6 逻辑无环流可逆调速系统 .193.6.1 逻辑控制无环流可逆调速系统的组成和工作原理 .193.6.2 无环流逻辑控制环节 .20第四章 PIC16F877 单片机概述 .224.1 单片机的发展和应用 .224.1.1 单片机的历史发展概况 .224.1.2 单片机发展趋势 .234.2 PIC16F877 单片机简介