电动机设计方案.docx

电动机设计方案1.1 题目背景和意义电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子 功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。因电 机种类的不同分为直流电动机传动(简称直流传动)、交流电动机传动(简称交流传动)、步进电机传动(简称步进传动)、伺服电动机传动(简称伺服传动)等等。众所周知，与交流调速系统相比，由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在调速传动中占统治地位。在要求调速性能较高的场合，一般都采用直流电气传动。目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术已广泛应用于国民经济的各个领域。三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以，今后一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂、海上钻井平台等，直流调速仍然处于主要地位。 早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，直流传动系统已经广泛使用微机，实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字化控制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。所以，直流传动控制采用微机实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。1.2 国内外研究发展现状电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电机技术的迅猛 发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件-晶闸管(SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器 件-GTR、GTO、MOSFET，第三代复合场控器件-IGBT、MCT等，如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路(PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。早期直流传动的控制器由模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。20世纪70年代以来，利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用，如AT89C51等。在单片机控制系统中，单片机作为系统控制的核心，主要用来完成一些算法，同时还要处理一些输入/输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。微机出现于20 世纪70 年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的 迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电 机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开 关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普 遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的 电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题。交流电机不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方法之一。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，直流调速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。特别是采用了微机及其他先进技术， 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，在国内外得到广泛的应用。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。 数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转，能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。由于微机具有较佳的性能价格比，所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。第2章 系统设计方案2.1 概述本次毕业设计的主要内容是用单片机做控制器，完成对直流电动机控制系统的自动控制，系统采用单片机与三相桥式全控整流电路配合的控制方法由单片机键盘输入转速设定值，该数值与数字测速装置采样的转速值进行比较，得到一个差值，再经过转速环和电流环的PI调节控制程序运算，得到整流电路中可控硅对应的触发时刻，输出可变整流电压。 本课题的设计要达到的目标是以AT89C51单片机为核心以小型直流电机为控制对象，实现双闭环PI控制，通过改变三相电路中可控硅的移向触发脉冲来改变整流电路，进而实现调速的目的。2.2 直流调速系统的选择在现代化工业生产中，生产机械都不停的运动着，几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样，对传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。所以直流调速系统也在不断的发展，到现在为止有三种主要的控制系统G-M系统、V-M系统和PWM系统。2.2.1 G-M系统此系统由原动机(柴油机、交流异步或同步电动机)拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统。这种控制系统有很多缺点，包括设备多、体积大、费用高、效率低和运行有噪声等。2.2.2 V-M系统晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统)，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。与G-M系统相比较，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶闸管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，交流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。但是V-M系统也有缺点，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和高的dv/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。三种可控直流电源，V-M系统在上世纪60-70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。2.2.3 PWM系统此系统用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。在要求快速响应的直流调速场合PWM变换电源具有不可替代的优势。这种控制系统较前两种控制系统有很多优点，主电路线路简单，需要的功率器件少。开关频率高，电流容易连续，谐波少。低速性能好，调速范围宽，可达1：10000左右。若与快速响应的电机配合，动态响应快，动态抗扰能力强。功率开关器件工作在开关状态，道童损耗小，当开关频率适当时，开关损耗不大，因而装置效率较高。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。2.3 系统总体结构图比较以上三种控制系统，由于G-M系统缺点，本设计不考虑第一种控制系统。虽然V-M系统比较PWM系统来说也有很多缺点，但是由于本毕业设计的方向是用于大容量系统，而且考虑到经费的问题，所以本设计选择V-M系统作为主控制系统。2.3.1 双闭环调速系统结构图本设计为了实现转速和电流两种负反馈分别作用，在系统中设置了两个调节器，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，二者之间实行嵌套联接。把转速调节器的输出当作电流调节器输入，再用电流调节器的输出去控制触发器。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。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。结构图如图2.1。图2.1双闭环调速系统结构图2.3.2 系统整体结构图本控制系统的核心是数字控制器，选用 Atmel公司生产的AT89C51，与其它电路连接组成控制系统。由键盘电路实现转速的设定，显示电路实现转速的实时监控，测速发电机实现速度的检测和反馈，电流传感器实现电流的检测和反馈，过零检测实现零点电压的检测，报警电路实现异常报警，由三相全控整流电路与控制器相配和实现直流电动机的控制。结构图如图2.2。图2.2系统整体结构图第3章 硬件设计3.1 控制器3.1.1 控制器的选择本设计选用Atmel公司生产的AT89C51单片机，AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。单片机引脚图如图3.1所示。图3.1 AT89C51引脚图引脚说明如下：VCC：电源电压 GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。当“1”被写入P0口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。P0口在闪烁编程时，P0口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。P1口：P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程序校验时，P1口接收低8位地址。P2口：P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个运行期间不变。闪烁编程或校验时，P2口接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲故可驱动4个TTL电路。对P3口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的P3口将用电阻输出电流。P3口除作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示：表3.1 P3口第二功能 端口引脚 第二功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 （外中断0） P3.3 （外中断1） P3.4 T0（定时/计数器器0外部输入） P3.5 T1（定时/计数器器1外部输入） P3.6 （外部数据存储器写选通） P3.7 （外部数据存储器读选通）P3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当震荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。ALE/ ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电压VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。3.1.2 最小系统设计AT89C51可以采用片内震荡或者片外震荡。片内震荡：芯片中中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。用户也可以采用外部时钟。片外震荡：外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。本设计采用的是片内震荡，复位电路采用简单上电自动复位和手动复位电路，上电自动复位是在上电瞬间，电压VCC短时间内从0V上升到5V，这一瞬间相当于交流电，电容相当于导线，5V的电压全部加在10K电阻上，也就是说，这时RESET的电平状态为高电平。但是从上电开始，电容自己就慢慢充电，其两端电压呈曲线上升，最终达到5V，也就是说其正端电位为5V，负端电位为0V，其负端也就正好是RESET，此时RESET为低电平，单片机开始正常工作。手动复位是当按键按下时，电容两端构成回路并放电，使RST端重新变为高电平，按键抬起时电容又充电使RST变回低电平，从而达到复位效果。单片机最小系统如图3.2。图3.2 AT89C51最小系统3.2 键盘电路键盘电路分为独立式按键和矩阵式按键。独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一跟I/O口线，每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，这是一种最简单易懂的按键结构。独立式按键虽然电路配置灵活，硬件结构简单，但在每个按键必须占用一根I/O口线的情况下，在按键较多时，I/O口线浪费较大。故只在按键数量不多时采用这种按键电路。在此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。矩阵式按键也称行列是按键，矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这一点是识别矩阵按键是否被按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。矩阵式按键适用于按键较多的场合，可以减少对CPU的占用。1单片机在开发过程中，常常会因为资源不足而不得不使用扩展接口芯片以满足应用系统的需要，其中原因之一是人机界面中的键盘显示占用了系统太多资源，从而造成系统庞大，同时降低了系统的可靠性。在单片机应用系统中，键盘显示通常可采用以下几种方式：1采用并行接口的键盘显示专用芯片8279。但8279所需外围元件多（显示驱动、译码等）、占用电路板面积大、综合成本高，在中小系统中常常大材小用；2采用通用并行I/O扩展芯片（如用8155、8255等），但此方案同样需要驱动显示，同时键盘显示扫描还需占用CPU大量时间；3 采用专用显示控制器，并用CPU的I/O引脚完成键盘输入（如MC14499、PS7219、MAX7219、ICM7218、TLC5921等，大多是串行接口并有显示驱动能力，I/O占用少）。这种接口方式省去了显示的扫描，而且电路大多也很简单，通常在系统需要的按键较少时比较适用；4 采用带I2C总线的键盘显示芯片（如显示用SAA1066，键盘用PCF8574），不过这种方式对于无I2C总线接口的CPU来说，编程显得有些不便；5采用串行接口的键盘显示专用芯片，如BC728081、HD7279、CH451等。这类芯片占用CPU的资源少，传输速度较快，外围器件要求也较少，在中小系统中都可得到广泛的应用。综上所述，本设计采用44矩阵式键盘和CH451芯片组合构成键盘电路。3.2.1 CH451简介CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及P监控的多功能外围芯片。CH451内置RC振荡电路，可以直接动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码或不译码功能，可实现数据的左移、右移、左循环、右循环、各数字独立闪烁等控制功能。CH451内置大电流驱动级，段电流不小于30mA，字电流不小于160mA，并有16级亮度控制功能；在键盘控制方面，该器件内置64键键盘控制器，可实现88矩阵键盘扫描，并内置去抖动电路，可提供按键中断与按键释放标志位等功能；在外部接口方面，CH451可选择简洁的1线串行接口或高速4线串行接口，且内置上电复位，可提供高电平有效复位和低电平有效复位两种输出，同时内置看门狗电路Watch-Dog。（1）显示驱动：内置大电流驱动级，段电流不小于25mA,字电流不小于150mA。动态显示扫描控制，直接驱动8位数码管或64只发光LED。可选数码管的段与数据位相对应的不译码方式或者BCD译码方式。数码管的字数据左移、右移、左循环、右循环。各数码管数字独立闪烁控制。任意段位寻址，独立控制各个LED或者数码管的各个段的亮与灭。支持段电流上限调整，可以省去所有限流电阻。扫描极限控制，支持1到8个数码管，只为有效数码管分配扫描时间。（2）键盘控制：内置64键键盘控制器，基于8x8矩阵键盘扫描。内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖电路。键盘中断，低电平有效输出。提供按键释放标志位，可供按键按下查询释放。（3）其他：高速的4线串行接口，支持多片级联，时钟速度从0到10MHZ。串行接口中的DIN和DCLK信号线可以与其他接口电路共用，节约引脚。内置时钟振荡电路，不需外接晶体或阻容振荡。内置上电复位和看门狗，提供高电平有效和低电平有效复位输出。该芯片支持3V到5V电源电压。（4）电气特性：CH451显示扫描的周期最大为6.5毫秒，所以数码管不会出现闪屏现象。键盘扫描间隔，按键响应时间最大为70毫秒；数码管闪烁显示值0.7HZ；看门狗溢出范围300到930毫秒，典型值为550毫秒 6。3.2.2 键盘电路硬件连接本设计设置了16个按键，09键为数字键，AF为功能键，其中A为启动键，B为停止键，C为加速键，D为减速键，E为速度设定键，F为确定键。（1）CH451与单片机的连接与单片机连接一共需要4根控制线，其中DIN和单片机的P2.1连接， DCLK和单片机的P2.0连接，DOUT和单片机的中断口P3.3连接，LOAD和单片机的P3.6连接。连接图如图3.3。 图3.3 CH451与单片机的连接（2）CH451与矩阵键盘的连接CH451和矩阵键盘电路的连接如图3.4所示。CH451对应的键盘编码值如表3.2所示。图3.4 CH451与矩阵键盘的连接表3.2 按键编码按键代码DIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2DIG1DIG0 SEG047H46H45H44H43H42H41H40H SEG14FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H SEG257H56H55H54H53H52H51H50H SEG35FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H SEG467H66H65H64H63H62H61H60H SEG56FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H SEG677H76H75H74H73H72H71H70H SEG77FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H3.3 显示电路为方便人们的观察和监视单片机的运行情况，通常需要用一种显示器作为单片机的输出设备，用来显示单片机的键输入值、中间信息及运算结果等。常用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。这两种显示器具有耗电省、配置灵活、线路简单、安装方便、耐振动、寿命长等优点。两者相比，LED显示器价格更低廉，结构更简单，LCD显示功耗更低，显示清晰度更高。所以本设计选用LCD作为显示器，型号为LCD 1602。3.3.1 LCD1602显示器简介1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。实物图如图3.5。图 3.5 LCD 1602显示器正反面LCD1602引脚功能：第1脚：VSS为电源地，接GND。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选数据寄存器、低电平时选指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：EN为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：BLA背光电源正极(+5V)输入引脚。 第16脚：BLK背光电源负极，接GND。 引脚接口说明如表3.3 6。表3.3 引脚接口说明编号符号 引脚说明编号符号引脚说明 1VSS 电源地9D2数据口 2VDD 电源正极10D3数据口 3VO 液晶显示器对比度调整端11D4数据口 4RS 数据/命令选择端(H/L)12D5数据口 5R/W 读/写选择端(H/L)13D6数据口 6E 使能信号14D7数据口 7D0 数据口15BLA背光源正极 8D1 数据口16BLK背光源负极3.3.2 LCD 1602的性能指标LCD1602可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置含128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口，无串行接口。这种1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用161，162，202和402行等的模块。1602字符型LCD的主要技术参数为：（1）显示容量：162个字符；（2）芯片工作电压：4.55.5V；（3）工作电流2mA(5.0V)不包括背光电流；（4）模块最佳工作电压：5V；（5）字符尺寸：2.954.35(WH)mm。1602字符型LCD的基本操作时序： 读状态 输入：RS=L，R/W=H，E=H 输出：D0D7=状态字 读数据 输入：RS=H，R/W=H，E=H 输出：无写指令 输入：RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：D0D7=数据写指令 输入：RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。液晶显示模块有80个字节的显示缓冲区，分两行，地址分别为00H27H，40H67H，它们实际显示位置的排列顺序跟LCD的型号有关，LCD1602的显示地址与实际显示位置的关系如图3.6。 000102030405060708090A0B0C0D0E0F1027404142434445464748494A4B4C4D4E4F5067 图3.6 LCD1602的显示地址与实际显示位置的关系当向图中的000F、404F地址中任一处写入显示数据时，液晶都可立即显示出来，当写入到1027或5067地址处时，必须通过移屏指令将它们移入可显示区域方可显示正常 6。3.3.3 LCD1602与单片机的连接1602液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口，RS、R/W和E分别接单片机P2.5、P2.6和P2.7，D0D7接单片机P0.0P0.7，VO口接一个滑动电阻用于手动调节液晶显示器的对比度，VSS和BLK都接地，VDD接电源来给液晶供电，而BLA接+5V使背光亮，也可以在中间加一个滑动变阻器来调节背光的亮度，1602与单片机的连接如图3.7所示。图3.7 LCD1602与单片机的硬件连接3.4 报警电路报警电路的作用是在出现异常情况时及时地提醒工作人员尽快采取措施，减少危险避免灾难性后果的出现。因此，在设计报警电路时，应该让它的报警行为能够迅速被人察觉，以进一步采取相应措施，避免或减少危害带来的损失。电机的转速被测速发电机被采集，测速发电机会将此时的转速转换成电压值，该电压值经过匹配后送入A/D转换器。经过转换之后的数据送入单片机进行处理，单片机按照编制好的程序进行处理，如果确实此时的转速超过了人们凭借经验设定的阈值，单片机将通过指令使得扬声器产生报警信号。如图3.8。图3.8 报警电路3.5 A/D转换电路经过电流互感器和测速发电机转换后的输出电压值不能直接送入单片机中进行处理还必须在它们之间增加A/D转换装置。A/D 转换电路种类很多，在选择模/数转换器时，主要考虑以下的一些技术指标：转换时间和转换频率、量化误差与分辨率、转换精度、接口形式等。目前，较为流行的 AD 转换器件有很多都采用了串行接口，这使得这类芯片与单片机的硬件连接非常简单，而软件编程相对要复杂一些，本次设计采用TI 公司的TLC1543。 TLC1543 是由TI 公司开发的开关电容式AD 转换器，该芯片具有如下的一些特点：10 位精度、11 通道、三种内建的自测模式、提供EOC（转换完成）信号等。该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单。TLC1543 的引脚功能如下：（1）A0A10 是11路输入；（2）Vcc 和GND 分别是电源引脚；（3）REF+和REF-分别是参考电源的正负引脚，使用时一般将REF-接到系统的地，达到一点接地的要求，以减少干扰；（4）CS 为片选端，如不需选片，可直接接地；（5）I/O Clock 是芯片的时钟端；（6）Address 是地址选择端；（7）Data Out是数据输出端； （8）EOC 用于指示一次AD 转换已完成，CPU 可以读取数据，该引脚是低电平有效，可将该引脚接入一个普通的I/O 引脚，CPU 通过查询该引脚的状态来了解当前的状态，甚至该引脚也可以不接，在CPU 向TLC1543发出转换命令后，过一段固定的时间去读取数据即可。 A/D转换模块硬件连接如图3.9 5。图3.9 TLC1543硬件连接图3.6 三相全控整流电路整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。本设计采用的是三相全控整流电路 3。3.6.1 主电路的设计其原理图如图3.10所示。图3.10 三相桥式全控整流电路原理图习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角=0时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图3.11所示。图3.11 反电动势=0o时波形=0时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析Ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压Ud 1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压Ud 2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压Ud = Ud 1Ud 2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压Ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。图3.12给出了=30时的波形。从t1角开始把一个周期等分为6段，每段为60与0时的情况相比，一周期中Ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合上面得出的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30,组成Ud的每一段线电压因此推迟30，Ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120期间，ia为正，由于大电感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120期间，ia波形的形状也近似为一条直线，但为负值。图3.12 =30o时的波形由以上分析可见，当60时，Ud波形均连续，对于带大电感的反电动势，id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。当60时，如90时电阻负载情况下的工作波形如图3.13所示，Ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得Ud的值出现负值，当电感足够大时，Ud中正负面积基本相等，Ud平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的角的移相范围为90度 3。图3.13 90o时的波形3.6.2 触发电路的设计(1)过零点信号检测采用北京森社公司生产的CHV - 100 /300A 型号的电压传感器，其额定电压为300V（有效值），额定输出电流25mA。检测电路中，电压传感器接入220V的A相交流电，输出的电流信号经100欧姆的电阻后，转变为大小为0 2. 5V 的电压信号（实际输出为- 2. 5V 2. 5V），此电压信号接入LM258构成的加法器转换成0 5V的直流信号，此信号输入到AD 转换器TLC1543的模拟信号输入通道，TCL1543的输出信号即可接入AT89C51单片机，利用I2C总线进行数据传输，单片机经过软件检测，即可得知同步电压Us 过零点信号。其硬件电路如图3.14所示。图3.14 过零检测电路(2)触发脉冲的形成与放大脉冲的形成与放大电路如图3.15 所示。来自单片机P1. 0 P1. 5 的六路较弱的脉冲信号输入到反相器74HC04，经过光电隔离器4N25 隔离输出，最后经过脉冲变压器TB1 放大输出到相应晶闸管的门极g 和阴极k.图3.15触发脉冲的形成与放大电路图如图3.16 所示，六路触发脉冲形成过程如下。当单片机检测到A 同步电压Ua 从负到正的过零点信号时，它会接收到来自于INT1 的中断请求信号，这时，单片机会中断响应，服务子程序。这个子程序的功能是决定如何产生第一个触发脉冲的上升沿。当单片机检测到同步信号过零点时，单片机的16 位计数器/定时器1同时开始计时，它工作在工作方式1；由于AT89C51单片机的晶振是12MHz，它的一个机器周期是1m。定时的长度是由单片机的要产生的触发延时角 决定的。由于一个正弦波的周期是20ms，定时的长度由下式决定：t = 20 /360ms。定时器的初始化值可以根据t来设定。为了简单起见，本文定义了一个长度为180 的数组,它对应于触发延时角从0180 度的变化。这个数组保存在单片机的ROM 存储区。这样，定时器对应于每个触发角的初始化设定值就可以直接赋值给定时器1了。 定时器初始化之后，就启动定时器工作。当定时时间就一到，定时器的溢出标志位置1，单片机开始执行定时器1 的中断服务子程这子函数将P1.0 设置为高电平，用于触发VT1；这里定义脉冲的宽度为27，即1.5ms，则定时器1的TH1= FAH,TL1 =24H；于是开始启动定时器第二次计数；当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个函数中，P1.0设置为低电平，表示触发脉冲结束。由于第二个脉冲比一个脉冲滞后60，也即是3. 33ms；那么，第一个脉冲的下降沿到第二个脉冲的上升沿的时间间隔应为1.83ms。因此，定时器应设置为TH1 = F8H,TL1= DAH；这样就启动定时器第三次定时。当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个子函数中，P1.1引脚被置为高电平来触发VT2。P1.0引脚输出一个主脉冲给VT1的同时，P1.5引脚输出一个次脉冲给VT6；延时60后，P1.1引脚输出一个主脉冲给VT2，同时，P1. 0引脚输出一个次脉冲给VT1；至于其它晶闸管的触发，其过程亦是如此。图3.16六路触发脉冲的波形3.7 检测电路3.7.1 电流环检测电路电流检测电路的作用是将测量电机回路中的直流电流反馈到单片机，让单片机来进行PI运算。设计中使用的检测方法是用电流传感器来检测直流电流。电流传感器采用的是Allegro公司新推出的一种线性电流传感器，该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压。具有低噪声，响应时间快，50千赫带宽，总输出误差最大为4，高输出灵敏度，使用方便、性价比高、绝缘电压高等特点，主要应用于电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护等，特别是那些要求电气绝缘却未使用光电绝缘器或其它昂贵绝缘 技术的应用中。ACS712采用小型的SOIC8封装，其引脚图如图3.17所示，采用单电源5V供电。各引脚的功能介绍如表3.4所示，其中引脚1和2、3和4均内置有保险，为待测电流的两个输入端，当检测直流电流时，1 和2、3和4分别为待测电流的输入端和输出端。图3.17 ACS712引脚图表3.4 ACS712各引脚功能引脚名称功能描述1和2IP+被测电流输入或输出3和4IP-被测电流输入或输出5GND信号地6FILTER外接电容7VIOUT模拟电压输出8VCC电源电压ACS712主要由靠近芯片表面的铜制的电流通路和精确的低偏置线性霍尔传感器电路等组成。被测电流流经的通路（引脚l和2，3和4之间的电路）的内电阻通常是1.2M，具有较低的功耗。被测电流通路与传感器引脚（引脚58）的绝缘电压2.1kVRMS，几乎是绝缘的。流经铜制电流通路的电流所产生的磁场，能够被片内的霍尔IC感应并将其转化为成比例的电压。通过将磁性信号尽量靠近霍尔传感器来实现器件精确度的最优化。精确的成比例的输出电压由稳定斩波型低偏置BiCMOS霍尔集成电路提供，该集成电路在出厂时已进行了精确的