毕业设计（论文）-基于单片机控制的直流调速系统的设计.doc

引 言电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的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。这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。常用的控制直流电动机有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000)高10倍;在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。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。在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。随着新型电力半导体器件的发展，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation,简称PWM）方向发展。 第一章 直流电机的介绍一、直流电机概述1.直流电机的分类应用电磁原理实现电能与机械能互换的旋转机械，统称为电机。把机械能转换为电能的电机，称为发电机；把电能转换为机械能的电机，称为电动机。按照产生或取用电能的不同，电机分为直流电机与交流电机。产生电能的称为发电机，取用电能的称为电动机。 电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电动机又分为单项的和三相的，异步的和同步的。直流电动机按照励磁方式的不同分为他励如下图（a）所示，并励如下图（b）所示，串励如下图（c）所示和复励如下图（d）所示四种。 （a）他励直流电机 （b）并励直流电机 （c）串励直流电机 （d）复励直流电机图1.1.1 直流电动机的分类原理图 交流电动机应用较为广泛，特别是异步电动机应用广泛，因为他的结构简单、坚固耐用、维护方便、价格便宜和工作可靠等。 直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机，虽然目前不如交流电动机应用广泛，但是直流电动机有比交流电动机较为优越的调速和启动性能。它的调速范围广，平滑性、经济性较好，采用晶闸管调速系统更为方便；它的启动转矩较大。这种性能对有些机械的拖动是十分重要的，例如大型机床、电动机床、大型轧钢机、大型起重设备等。直流电动机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，生产成本高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，可靠性较差，维护较麻烦。人们虽然做过很多研究工作来改善交流电动机的性能，但还不能全部用交流拖动来代替直流拖动。应而在某些机械拖动中，仍需用直流电动机。直流发电机过去是直流电的主要电源之一，广泛的用在电解、电镀、充电等设备中，也用作同步电动机的励磁和直流电动机的电源。由于晶闸管整流技术日益发展，在某些场合已经取代直流发电机。电动机除了较多的用作动力外，随着生产自动化的需要，在自动控制系统和计算装置中还用到一些控制电机和特殊的电机。例如测速发电机，步进电动机等。从理论上讲，电机既可作为发电机还可作为电动机，即具有可逆性。2.直流电机的运行原理1）直流电机的结构图1.2.1直流电机的物理模型图其中，固定部分有磁铁，这里称为主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便的表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)图1.2.1表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。2）直流电机的基本工作原理图1.2.2直流电机的基本工作原理图对图1.2.1所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。3）直流电机的调速原理众所周知，直流电机转速n的表达式为: （11）式中:U-电枢端电压I-电枢电流R-电枢电路总电阻-每极磁通量K-与电机结构有关的常数由上式（2-1）可知，直流电机转速n的控制方法有三种:(1)调节电枢电压U。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统;(2)改变电机主磁通中只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小;(3)改变电枢电路电阻R在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:弱磁调速范围不大，往往与调压调速配合使用;因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是论文中设计系统所采用的方法。改变电枢电压主要有三种方式:旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器(或称直流斩波器)。(l) 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。(2) 20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角。进而改变整流电压Ud的大小，达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。(3) 脉宽调制 (PWM)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。3.直流电机的调速控制方法1）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成图1.3.1 转速、电流双闭环直流调速系统ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压 Ui*-电流给定电压 Ui-电流反馈电压为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图1.3.1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。4. P.I.D控制简要介绍 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）控制: 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制: 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制: 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。如下图所示。 图1.4.1模拟PID控制系统原理图第二章 主电路的介绍一、三相桥式不可控整流1基本原理某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也想伏在供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，按指数规律下降。 图2.1.1 三相桥式不可控整流电路1）主要数量关系1）输出电压平均值在（2.342.45）之间变化2）输出电流平均值为：=/R二极管电流平均值为的1/3，即 =/3=/33）二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为。二、PWM（脉宽调制）技术 图2.2.1 PWM控制的基本原理示意图脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出率。1.直流电机PWM控制原理1)PWM调速系统的选择PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。比可控硅整流调速系统先进。直流电机的PWM制可以采用多种方式实现，总体可以分成硬件实现和软件实现两类。随着集成芯片工艺和功能水平的不对提高，现在已经出现了多种可准确发生PWM 波形控制直流电机调速的芯片，如SG3525、TL494等，这些芯片简单易用适合于单独的系统使用。现在电动机调速系统实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一，实现数字化后，整个调速系统结构简单,可靠性高,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于单片机性能优越,具有较佳的性能价格比,所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。因此，我们选用单片机作为本设计的控制核心。在许多单片机的测控系统中，需要PWM功能实现直流电机的调速控制。对此出路只有两条：要么就选用具有PWM功能的单片机，要么就是采用软件模拟的方法实现PWM输出。对于前着来说，虽然现在已经出现了不少具有PWM功能的新型单片机，但是它们的价格一般都比较高，并且它们开发器的价格目前也比较高。还有的是，目前我国应用最多的一种单片机系列是美国Intel公司的8位高档单片机MCS51系列，这个系列里机型多种，性能特点不错，加上我们学习的单片机课程是该类型的单片机，应用相对顺手。因而，本设计还是选用51系列单片机采用软件模拟的方法实现PWM输出。2.PWM脉冲波的产生通过以正玄波或矩形波为其波与三角波进行比较，取三角波与基波相交交点处制晶闸管的关断与开通从而得到相应的PWM脉冲波形。在8051单片机内，将4KW的电机额定值转速1500r/min通过单片机内部程序换算成基准电压。并将要达到的转速通过键盘输入单片机通过单片机内设置的系统程序使之成为标准的三角波，然后进行基波与三角波比较，在三角波与基波电压的交点处控制定时器的定时溢出和计数在此情况下就产生了一定宽度的脉冲波形。若要改变转诉则需在键盘上输入所需达到的转速通过单片机内指令转化为相应大小的三角波后与基准电压比较后。得到相应转速下的脉冲当量，来控制IGBT晶闸管的导通时间，达到改变电动机输入电压的目的。图2.4.1 在给定转速变化时由单片机转化的不同三角波对应的触发脉冲1)双闭环反馈信号进入单片机内的调制(1)电流负反馈电流检测元件检测到电动机前端电流大小后通过光电耦合将电流信号输入A/D转换为相应的脉冲信号当量与入的确定转速脉冲在8051设置程序内比较后输出准确的转速脉冲信号控制IGBT得到准确电压。(2)转速负反馈测速电机的输出电压U与转速N存在一定的线性关系即U = f ( n )当测速电机输出电压为U时通过光电偶合A/D转换得到回馈速度相应脉冲得到准确脉冲值。由P3.0输出通过光电偶合输出给IGBT，调节电压。在本设计中，对电机进行调速，产生PWM调速控制的基本流程图为下图所示： 图2.4.2 PWM控制的基本流程图 第三章 有关数值的确定一、参数计算1.直流电机调速系统对于直流电机调速系统的选择常采用：1）电枢电路串电阻调速；2）励磁电路串电阻调速；3）电枢电路调压调速。（1）电枢电路串电阻调速：因其串入电枢回路的电阻是恒定的即在调速过程中调速是间断的，所以调速不能达到理想的无级调速。且串入的电阻要消耗电源提供的电能使部分电能发热浪费在电阻上同时增加了电机的的温升影响电机正常工作。使调速不经济。但他可有效的解决起动电压与起动电流超过额定值的现象。从而省略了其动与制动电路。而对于本次设计因要达到宽泛的调速范围所以电枢电路串电阻调速在此不能选用。（2）励磁电路串电阻的弱磁调速：因其与电枢回路串电阻调速方式类似，即磁场不能均匀变化，而是在某一范围内做跳跃式变化所以同样不能达到无级调速。又因Ea/Ce 又由于的减少会使N的增加，使得电机在额定转速以上运行，而本次设计的要求是在额定转速以下的调速，所以励磁回路串电阻不适用于本次设计。（3）电枢回路调压调速：即变相的电枢电路串电阻调速，只不过不需要再串入电阻所以能量无须消耗作功的其他部分。调压调速一般均采用晶闸管组成的调压系统不仅在调压过程中解决线性调速的问题。且在主电路添加了保护电路及起动制动，正反转电路。使得电路达到一路使得系统更方便与经济。所以本次设计采用电枢回路调压调速。2.调压调速电动机的选取要采用调压调速的电动机应选用他励式，保持励磁不变只改变电枢电路的电压，电路如图3.1.2所示。 图3.1.2 调压调速电机模型 N=U/CenRaT/CeCt2 （31）3电机参数： 型号I212 功率：4kW 电压：220V 电流:22.7A 转速:1500r/min 励磁方式：他励励磁电压：220V 励磁电流：0.63A电枢电阻：0.84.电机的起动：起动时在电枢电路中串接几级电阻或变阻器R把IQ限制在电枢额定电流IA（1.52.5）倍内。即 IQ=UN/RA+RQ （32） =（1.52.5）IAN 由上式可得：220/0.8+RQ=（1.52.5）22.7A RQ=（3.08 5.67）1）启动电阻又因为本图为电阻三级切除法，所以R1=R2=R3=13Rq,R1=R2=R3=13(3.085.67)=(1.031.89).因电阻阻值是恒值所选对应值色环电阻为（黑黑棕金黑黑红金） VD1作用是防止电源突然断开时电动机处于发电状态将瞬间高压反馈回主电路从而烧坏电子元器件，选取额定正向平均电流IF IF=(1.52)IOM/1.57 IF=(1.52)22.7/1.57=(21.6828.92)A IF选取25A额定电压 Urrm=(23)Udm （33）图为调速是在电源额定电压220V以下调速所以Udm=220V则 Urrm=(23)220V Urrm=(440660)VUrrm选取500V图L1与C1组成低通滤波器，由低通滤波器在整流后使用且根据自动检测静态测量要求f1(010Hz)即 可得 （34）电源要想拖动电动机必须克服电动机的损耗，所以只有在电源电压U44V时电动机才能启动。 由L=K(1-K)和电机工作在连续导通工作模式下所以ILB=(iomax-iomix)在连续工作模式的末端iomix=0则有ILB=iomax即ILB=22.7=11.35A,给定T=100ms则L=100220211.350.2 (1-0.2)=155.05mH由=0.016 可得LC=0.000254故可知 C=2.540.0001155.050.001=1.64mF。5. Vd2续流二极管Urrn=(23)Udm （35） Urrm=(23) 220 取其值为500V IF=(1.52)Idm/1.5T=(1.52)22.7/1.57=(21.6828.92)A 取IF=25A。6. IGBT参数选取： 额定电流Ic实际应用中应考虑到一些因素影响Ic的取值留有余地，如输出电压脉动=20% Ic=222.7(1+20%)=77.03A，取Ic为80A。因电源电压为恒压220V，则器件额定电压600V。L2,L3整流后抑制电流的度化；C3滤波，稳压。 L2：由UL=LdiLdt WL=,因整流完后得到的波形为正玄波下半部分的反上的波形则Uc= （36） Uc= Uc=Uc= =198.17V。在电感中耗能为 220-198.17。7.RV压敏电阻标准电压U1mA： 因U1Ma=1.3V，V=220V 所以有 U1mA=1.3220v=404.46V整流桥及其保护算法：由整流输出Ud=220V Ia=22.7AUd= （37）=得U2=220V/=94V。则得变压器输入相电压为94V则一次侧电压为额定的电网电压380V/220V则变压器一次二次侧匝数比为110:47为-Y型连接。8.VD4整流二极管 UTM=U2=2.45U2=539V IdT平均值=Td/3=7.57A IT有效值=Id=13.1A由于VD4 VD5 VD6 VD7 VD8 VD9为同类型所以UTM IdT IT 上同R4 C3 过电压保护 经过整流的电源电压为100HZ.选取Cs为100mF.则WC=CsU2cc/2=100mF2202/2=2420j由电容储能在F一次导通将能量消耗于R4上 得 Wc=IU2cc /R4由T=1/100Hz=0.01sR4=0.012202/Wc 得R4=0.2。9. L8 和R5 过电流保护给定Ls为50mH则WL=L2Im2/2=50Mh22.72/2=12.88J由WL=TIm2R 得R=WL/(TIm2)得R=2.5。10.励磁回路： 由于励磁回路电流为0.63A.则变压器二次侧电流有效值 I2=Id=0.8160.63=0.51A流过二极管的平均电流IdJ 有效 IT Id=1/3Id=1/30.63=0.21AIT=(1/3)Id=x0.63=0.36A UTM=539V。第四章 控制回路的介绍一、反馈及控制回路1.测速发电机测速发电机是一种测量转速的微型发电机,它的功能是将机械转速信号变换成电压信号,并要求输出的电压信号与转速成正比.测速发电机在自动控制系统和计算装置中应用甚广,主要作校正元件和计算元件使用.按电流种类的不同,测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机两大类。本次设计采用直流测速发电机，下面简单介绍直流测速电机。直流测速发电机的基本结构和工作原理：直流测速发电机实际就是一种微型直流发电机,由装有磁极的定子,可以转动的电枢和换向器等组成.按磁极方式的不同,可分为电磁极(他励式)和永磁式两种直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机基本相同.它与直流伺服电动机正好是互为可逆的两种运行方式.原理电路如下图所式。 图4.1.1 直流测速发电机的原理电路工作时,直流测速发电机加他励磁,当转子在伺服电动机或其他电动机拖动下以转速n旋转时,电枢绕组切割磁通而产生感应电动势：E=Cen.空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势：Uo=E=Cen.只要磁通一定，输出电压Uo与转速n成正比。负载时，若电枢电阻为Ra，负载电阻为Rl，不计电刷和换向器间的接触电阻，则直流测速发电机的输出电压为： Uo=Ea-RaI=Ea-Uo/RLRa （41） Uo=n=Cn （42） 式中 C-直流测速发电机输出特性的斜率，。从式（88）可知，只要,Ra和Rl都保持不变，负载时直流测速发电机的输出电压Uo仍与转速n成正比。改变转子的转向，输出电压的极性随之改变。测速发电机参数：型号ZCF321;励磁电压100BV;电枢电压V;负载电阻1000;转速1500;输出电压不对称度不大于3%;输出电压线性误差不大于3%;质量不大于1.7Kg。2.按键及显示介绍：1）键盘简介键盘接口用于实现单片机应用系统中的数据和控制命令输入，常见的键盘设备包括BCD拨码盘、独立式键盘、矩阵式键盘等，基于矩阵式键盘的优点显著此次设计我们采用矩阵式键盘。矩阵式键盘： 矩阵式键盘是指有若干个按键组成的开关按键。3行4列矩阵式键盘连接图如下所示。这种键盘适合采取动态扫描的方式进行识别，即如果采用低电平扫描，会送必须被上拉为高电平；如果采用高电平扫描，则回送线需被下拉为低电平。下图给出了低电平扫描的电路。这种键盘的优点是使用较少的I/O口线可以实现对较多键的控制。 图4.1.2 3行4列矩阵式键盘连接图 2）显示部分LED数码管显示器常用的工作方式有静态显示和动态显示两种方式。下面主要介绍动态显示这种会显示方式。动态显示方式:动态显示方式是指一位一位的轮流点亮显示器（称为扫描），即每个数码管的位选被轮流选中多个数码管共用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关也与点亮时间与间隔时间的比例有关。通过调整电流和时间参数可以既保证亮度，又保证显示。若显示器的位数不大于8位，则显示器的公共端只需一个8位口进行动态扫描（称为扫描口），控制每位显示器所显示的字形也需要一个8位口（称为段码输出）。下图为采用8155实现动态现实的电路图： 图4.1.3 采用8155实现显示的电路图在该系统中，使用了8155的PA和PB，PA作为扫描口，PB作为段码输出口。8155的PA和PB都工作在基本输出方式下进行扫描，PA的高4位依次置1，依次选中了从左至右的显示器。图中使用了ULN2803作为段码输出驱动，ULN2803具有8路驱动，只需一片即可驱动8位段码。但ULN2803是反向驱动，所以在段数据表中的字形码应与共阳极数码管的字形码相同。3.光电耦合光电耦合一般制成管式成双列直插式结构,由于发光器件和光敏器件被相互绝缘地分置于输入和输出回路,故可实现两回路间的电气隔离.光电耦合器即可用来传递模拟信号也可作为开关器件使用,也就是它具有变压器和继电器的功能从测速发电机及霍尔电流传感器测出的模拟信号不能直接送入AD0809芯片，解决方案是用光电隔离实现强电到弱电的保护，下图即为这一过程的实现电路图： 图4.1.4 光电耦合电路图由计算得,光电耦合应选择型号:GD211A 表4-1-4最大工作电流Ifm=50A正向压降UF=1.1V反向耐压UR5V反向漏电流IR50A暗电流ID0.1光电流IL=250A电流传输比0.20.5隔离电阻1011极间耐压UIS0500极间电容CIS0400KHz4.模数转换的一般步骤原理：A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程须通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。1)采样和保持 采样（也称取样）是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量,其过程如图图4.1.5 A/D转换的采样过程图4.1.5所示。图中ui(t)为输入模拟信号，S(t)为采样脉冲，u0(t)为取样输出信号。2)量化和编码a.将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。b.量化后，需用二进制数码来表示各个量化电平，这个过程称为编码。量化与编码电路是A/D转换器的核心组成部分。3)AD0809的逻辑结构 ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成（见下图）。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 图4.1.6 ADC0809内部逻辑结构ADC0809引脚及说明：ADC0809是CMOS集成工艺制成的逐次比较型A/D转换芯片。分辨率10位，转换时间100S，输入模拟电压范围0至6.5V，片内含8通道多路开关，锁存逻辑控制调制器，具有三态输出锁存缓冲器，能与微机兼容，输出电平与TTL、CMOS兼容。单电源+5V6.5V工作。引脚排列见图8.20所示，各引脚功能为：(1) IN0IN7（第15 脚，第2628脚）：8路模拟量输入脚，可以从8个脚输入0V至+5V待转换模拟电。(2) CLOCK（第10脚）：时钟CP输入端，ADC0809只有在CP信号同步下,才能进行A/D转换。时钟频率的上限是640KHz。(3）ALE（第22脚）：地址锁存允许端。当ALE=1时地址锁存和译码部分把上面所述的CBA的值输入和译码并接通IN0IN7之一。当 ALE=0时，把CBA的值锁存起来。(4）START（第6脚）：当其取上升沿时，所有内部寄存器清零；下降沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。(5）VDD(第11脚)：电源输入端：+5V +6.5V。(6）GND（第13脚）：地(7）VREF（+）（第12脚）/ VREF(-)（第16脚）：分别为基准电压的高电平/低电平端。(8）EOC（第7脚）：转换结束信号端。EOC=0，表示转换正在进行，输出数据不可信。EOC=1表示转换已完成，输出数据可信。(9）D0D7（第8、14、15、1721脚）：转换所得八位输出数据，B7是最高位，BO是最低位。(10）OE（第9脚）：允许输出端。OE端控制输出锁存器的三态门。当OE=1时，转换所得的数据送到B0B7端，当OE=0时，B0B7脚对外呈高阻状态。(11）A、B、C（第2523脚）：通道地址输入端。例如当CBA=001时，模拟量IN1输至ADC0809，CBA=010时,IN2输入ADC0809依次类推。图4.1.7 ADC0809管脚分布图5. 80C51单片机引脚简介80C51单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。（如下图所示） 图4.1.8 Mcs-51单片机引脚图1) 电源(1)VCC:芯片电源，接+5V；(2)VSS:接地端；2)时钟:XTAL1、XTAL2：晶体振荡电路反相输入端和输出端。3)控制线:控制线共有4根(1)ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲a)ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址b)PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。(2)PSEN:外ROM读选通信号。(3)RST/VPD:复位/备用电源。a)RST（RESET）功能：复位信号输入端。b)VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。(4)EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。a)EA功能：内外ROM选择端。b)Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。4)I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。6.8155芯片介绍 8155是一种可编程并行接口芯片，除了具有IO接口扩展功能之外，8155还具有RAM扩展功能和定时/计数器扩展功能。因此，若系统中要求同时扩展上述资源，则可以考虑扩展并行接口芯片8155。1）8155的引脚定义8155的引脚定义如图4.1.9所示。 图4.1.9 8155芯片管脚分布2）8155主要包括如下片内资源。（1) 256B的静态RAM（2) 两个可编程的8位并行IO端口A口，B口和一个可编程的6位并行IO端口C口；（3) 一个可编程的14位减法计数器TC。3）8155的引脚功能如下： D0D7: 地址/数据线。 IO/ : 输入，用于选择IO或RAM。 ：输入，片选信号。 ALE ：地址锁存线，高电平有效。它常和单片机的ALE端相连，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息锁存到8155内部的地址锁存器中。因此，单片机的P0口和8155连接时，无需外接锁存器。： 输入，读取通信号，低电平有效。：输入，写选通信号，低电平有效。T1： 输入，8155内部减法计数器的计数脉冲输入。T0： 输出，8155内部减法计数器的输出信号线。RESET： 输入，复位控制信号，高电平有效。PA0PA7： 8位并行IO口线。PB0PB7： 8位并行IO口线。PC0PC7： 6位并行IO口线。Vcc/Vss： 电源/底线，8155使用单一5电源。 表4-1-6 8155芯片在系统中主要管脚的分配管脚名称管脚序号作用或功能PA0PA32124键盘输入的列扫描PA4PA72528数码管显示器的位选信号PB0PB72936数码显示器段码输出PC0PC23739键盘输入的行扫描D0D71219地址/数据线，与单片机相连，进行数据的交换二、软件流程图1.模数转换流程 (图a)2.键盘控制流程 (图b) （a）模数转换流程 (b) 键盘控制流程 图4-2-1 软件流程图第五章 电路中保护单元的介绍一、保护电路1.过电流保护由于电力电子器件管芯体积小，热容量大，特点是在高电压，大电流应用时，结温必须受到严格的控制，当晶闸管中流过大于额定直的电流时，热量来不及散失，是的结温速速升高，最总将导致阶层被烧坏。 产生过电流的原因多种多样，如交流装置本身功率器件损坏，驱动电路发生故障，控制系统发生故障，交流电压过高，过低或者缺项，等等。过电流保护方法有几种：（1）快速熔断器保护快速熔断器是最简单最有效的过电流保护器件。快速熔断器的熔体是由银质熔丝埋于石英沙内。它与普通熔断器相比，具有快速熔断的特性，在通常的短路过电流时，熔断时间小于20ms,可在晶闸管损坏之前熔断。选择快速熔断器时要注意：1）快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。2）快速熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。2.过电压保护过电压保护措施：（1）操作过电压的保护 针对形成过电压的不同原因.可以采用不同的拟制方法.如减少过电压源，使过电压幅值哀减；拟制过电压、能量上升的速率，延缓已产生的能量消耗速度，并增加其消散的途径，采用电子线路进行保护。最常用的是在回路中接入吸收能量的元件，称吸收回路或缓从回路。 图 5.1.1 吸收关断过电压的电路上图所示的组容元件是用于吸收晶闸管关断时的过电压，图中L为回路漏感，电容C起主要的吸收尖峰过电压能量的作用，为了防止LC串联谐振时在电容两端产生更高的谐振电压，在电容回路中串入阻尼电阻R。3.压敏电