毕业设计（论文）-基于AT89S52单片机的电机直流调速硬件设计

攀枝花学院本科毕业设计 摘 要 I 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 电机直流调速硬件设计 学生姓名： 学生学号： 院 （系）： 年级专业： 指导教师： 助理指导教师： 攀枝花学院本科毕业设计 摘 要 要 直流调速系统目前已被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，理想的直流电机调速系统响应速度快，超调量小，系统稳定性好，并具有很强的抗干扰能力。 该实验中搭建了基于 片机的转速单闭环调速系统， 利用 由软件完成转速单闭环 在实现直流电动机的平滑调速，电动机升速、降速及反转等功能并对 关键字 ： 直流电机， 速 ，数字式 攀枝花学院本科毕业设计 he dc is a in he is to of dc be a in In is I WM to of dc of of dc is in a I to be o dc or or n is as a be by I dc a in .8 At as dc 枝花学院本科毕业设计 目 录 I 目 录 摘 要 . . 绪论 . 1 流调速系统发展概况 . 1 内外发展概况 . 2 内发展概况 . 2 外发展概况 . 2 结 . 3 课题研究目的及意义 . 3 文主要研究内容 . 3 2 电动机直流调速工作原理 . 5 机调速方法及原理 . 5 变电枢回路电阻 . 5 变励磁磁通 . 5 变电枢供电电压 U . 6 流电机 宽调制 )调速工作原理 . 7 速负反馈单闭环直流调速系统原理 . 9 闭环直流调速系统的组成 . 10 速负反馈单闭环直流调速系统的稳态特性 . 11 速负反馈单闭环系统的基本特征 . 14 速负反馈单闭环系统的缺点 . 15 用积分和比例积分调节器的单闭环无静差调速系统 . 16 字式转速负反馈单闭环系统原理 . 17 理框图 . 17 字式 节器设计原理 . 18 3 电动机直流调速器硬件设计 . 19 统硬件组成部分和框图 . 19 统硬件设计 . 19 片机 . 19 流电机控制电路 . 23 片机按键和接线电路 . 25 源电路 . 25 速检测反馈电路 . 26 件设计总结 . 27 4 运行结果及讨论 . 28 验条件及运行结果 . 28 环系统运行结果 . 28 闭环系统运行结果 . 28 攀枝花学院本科毕业设计 目 录 果分析及讨论 . 28 验中遇到的问题及讨论 . 28 结论 . 30 参考文献 . 31 附图 1 电动机直流调速器硬件设计电路图 . 32 附图 2 直流电动机调速器硬件实物图 . 34 致 谢 . 36 攀枝花学院本科毕业设计 1 绪 论 1 1 绪 论 流调速系统发展概况 在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺，产品质量的要求不断提高和产量的增长使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁地无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切屑机床，造纸机等需要 高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，到目前为止仍是调速系统的主要形式。 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，不能在较宽的范围内平滑调速，所以目前极少采用。 30年代末，出现了发电机 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，较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机轴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 而体积大，费用高，效率低，安装需有地基，运行有噪声，维修困难等。 直流调速系统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直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数 字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件 率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。 目前，电机调速控制模块主要有以下三种： 1 采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的； 2 采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整； 3 采用由 组成的 单片机控制 确调整电动机转速。 攀枝花学院本科毕业设计 1 绪 论 2 内外发展概况 单片机的功能不断加强，运算速度不断提高，价格降低且可靠性增强，数字控制技术的迅猛发展，给电力拖动自动控制系统增添了新的技术手段，数字控制可由通用的单片微型计算机来实现，单片微型计算机除完成数字运算外，还可以实现像其他各种特殊的控制规律，可以存储和计算不同条件下的速度设定值及变化规律，可兼对各种工艺参数进行检测、显示、越限报警 打印报表等，通过分时采样还可以用一台计算机控制多台调速装置，这些技术特点为直流调速控制器由模拟向数字化发展提供了契机，且全数字化控制系统的控制规律主要由软件实现，只需配备少量的接口电路就能形成一个完整的控制系统，其硬件结构简单，可以通过容易更改的软件来实现不同的控制规律。数字化系统除了能实现系统的控制外，还能实现系统的保护诊断和自检功能，结构简单、可靠性高。操作维护方便，使得电动机稳态运行时精度可达较高水平，静动态各项指标性能均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。此外，数字化是控制系统向集成化，小型 化，智能化方向发展，因此电动机调速控制装置采用以单片机为核心的数字控制系统，是电气传动发展的主要方向之一。 内发展概况 我国从六十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开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 200列化通用产品批量生产。用于大功率的 2000列产品也开始在某些大型轧机上试用。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。 目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法： 1 直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。 2 直流电动机调速系统的内模控制方法。 3 单神经元自适应智能控制的方法。 4 模糊控制方法。 上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。 外发展概况 目前，国外主要的电气公司，如瑞典 司，德国西门子公司、 本三菱 公司、东芝公司、美国 已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品供选用。如西门子公司生产的 枝花学院本科毕业设计 1 绪 论 3 6列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为 15A 至 1200A，并可通过并联 据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择 给定值和反馈值为数字量或模拟量。 结 随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。 课题研究目的及意义 现代社会中，电能是使用最广泛的一种能源。在电能的生产和使用等方面，电机起着重要的作用。 直流电机将电能转换为机械能，用来驱动各种用途的生产机械。机械制造工业，冶金工业，煤炭工业，石油工业，轻纺工业，化学工业，及其他各工矿企业中， 广泛地应用各种直流电动机。例如用电动机拖动各种机床，轧钢机，电铲，卷扬机，纺织机，造纸机等生产机械。 在交通运输中，铁道机车和城市电车的拖动；在农业方面电力排灌设备，打谷机等都由电机拖动。 在国防、文教、医疗及日常生活中也广泛应用各种小功率的电机。 许多生产机械，如矿井卷扬机，可逆轧钢机等，使用中要求传动电机既能正转又能快速反转，还要求进行快速的减速与停车。所以电机的调速系统起着至关重要的作用。 近三十年来，由于大功率电力电子器件以及微电子技术，微型计算机技术的一系列进展促进了直流调速技术的发展，已经生产许 多种直流调速系统，不仅生产机械的性能，而且节省了大量电能 长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。 文主要研究内容 攀枝花学院本科毕业设计 1 绪 论 4 本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是通过单片机自带的 接驱动电路，通过输出的信号调整 而控制直流电机的电枢电压达到控制转速的目的。 控制系统硬件设计为：以单片机为 核心，驱动电路为主要执行部件，由转速环、显示器、控制按键组成。 具体内容： 1 介绍直流电机调速的工作原理。 2 进行以单片机为控制核心的电机数组控制系统的应硬件设计。 3 进行分析，并有实验得到相关参数。 4 总结。 攀枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 5 2 电动机直流调速工作原理 机调速方法及原理 由直流电机的工作特性和运行原理得 a 式 ( a a I R 式 ( 把式（ 入式（ 可得 ( ) / (n U e ) 式（ 由式（ ： 要改变直流电机的转速可以通过改变电枢供电电压 U； 改变电枢回路电阻 R；改变励磁磁通 三种不同的方式。 变电枢回路电阻 在电压 不变的条件下，增大电枢回路的电阻为 。这时，理想空载转速0 / ，而机械特性的斜率增大。当 31时对应的机械特性曲线如图 ,3,2,1. 如果电动机带的是恒转矩负载，如图 2B 线。如果希望工作转速由高速的 要在电枢回路里串入电阻 能 做到。 图 变电阻转速和转矩关系图 这种调速方法，只能使转速往下调。如果所串电阻 动机调速也能平滑。至于调速范围，从图 负载转矩较小时，例如 速范围变小了。可见，在同样串联电阻的条件下，它的调速范围是随负载转矩而变化的。这种调速方法最主要的缺点，是调速后的效率大大降低了。例如，在负载特性为 速前后电枢电流 磁转 矩 电源输入的电功率 于转速降低。电磁功率 成正比的降低，因此效率降低了。能量多消耗在电阻 且，要求电阻箱能长时间运行，其体积是笨重的，也不可能做到连续调节。在大容量直流电动机中一般不用这个调速方法。 变励磁磁通 当电枢电压 U、电枢回路电阻 改变气隙磁通 时，也能改变攀枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 6 他励电动机 的机械特性。由于电动机在额定励磁电流时，磁路已经有点饱和，再增大气隙磁通 就比较困难。一般都是减小气隙磁通。从式 减小时，首先使理想空载转速 次使机械特性的斜率变大。图 时的机械特性。图 是固有机械特性，曲线 2,3,4的磁通逐一减小。 仍以恒转矩负载机械特性来分析此种调速，如图 B,F 线。一般情况下，减小磁通，转速升高。除非电枢回路里串联了很大的电阻，或者负载转矩非常大，减小磁通才可能把转速调低。如图 点。这在实际中是难遇到的。 这种调速方法是在励磁回路串联电阻来实现的。因此用的控制功率较少，设备也简易，比电枢回路串联电阻调速要方便得多。调速后，因 源输入功率1 () I还是增加了。电磁功率并不降低，这是它的优点。 图 小磁通转速的变化图 变电枢供电电压 U 当励磁电流、电枢回路总电阻都不变，仅改变电枢端电压 械特性曲线是一组与固有机械特性想平行的直线，如图 改变电枢端电压 U 调速时，输入功率 I，与电压 U 成正比。电磁功率与转速成正比。而电枢感应电动势 ,并且正比于 n。所以调速时效率基本不变。 M a I 式（ 改变电枢端电压目前主要有两种方法：一种是可控整流供电 ;一种是 直流斩波器供电。 图 果要求电动机能正反转，可用反并联整流电路，是用直流斩波器降压调速的直流电动机调速系统，它利用电力半导体元件的开关作用控制加在电动机两端得通电时间，从而控制电动机的输入电压。电动机电压随时间的变化电动机输入电压的平均值攀枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 7 式（ 式中， 是斩波器的占空比 . 1112 式（ 图 变电压转速的变化图 流电机 宽调制 )调速工作原理 在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来 控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。 在图 1（忽略其的管压降，这期间电源电压 然后关断 枢失去电源，经二极管 此周而复始，则电枢端电压波形如图 动机电枢端 1012 式（ 式中 为一个周期 T 中， 通时间与 T 的比率，称为 压的占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变 的值，从而达到调压的目的，实现电动机的平滑调速： 1 定宽调频法 :保持 1t 不变，改变 2t ，从而改变周期 T （或频率）。 2 调宽调频法：保持 2t 不变，改变 1t ，从而改变周期 T （或频率）。 3 定频调宽法：保持周期 T （或频率）不变，同时改变 1t 、 2t 。 攀枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 8 t 2U 图 输入输出电压波形图 前 2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动攀枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 9 机的控制中，主要 使用第 3种方法。 率开关器的驱动电路和保护电路组成，其中最关键的部件是脉宽调制器。 脉冲调制器是一个电压 控制电压 行控制，为 宽调制器的基本原理是将直流信号和一个调制信号比较，调制信号可以是三角波，也可以是锯齿波。脉宽调制信号也可方便地由数字方法来产生，目前有许多专用集成 制电路，它们为脉宽调制调速系统的设计提供了方便，而且提高了系统的可靠性。 产生 种，分别为： 1 分立电子元件组成的 这种方法是用分立的逻辑电子元件组成 是最早期的方式，现在已经被淘汰了。 2 软件模拟法 利用单片机的一个 I/过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现种方法要占用 要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。 3 专用 从 有芯片制造商生产专用的 在市场上已有许多种。这些芯片除了 由 号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机系统中，使用专用 成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。 4 单片机 新一代的单片机增加了许多功能，其中包括 片机通过初始化设置，使其能自动地发出 能在改变占空比时 其中常用后两中方法获得 验中使用方法 4 获得 号。 速负反馈单闭环直流调速系统原理 不同的生产机械，其工艺要求电气控 制系统具有不同的调速性能指标，概括为静态和动态调速指标。 静态调速指标 1 调速范围 电动机在额定负载下，运行的最高转速 攀枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 10 n 式（ 2 静差率 静差率是指电动机稳定运行时，当负载由理想空载增加至额定负载时，对应的转速降落理想空载转速0示为 000n o m n o mn n 式 (静差率反映了电动机转速受负载变化的影响程度，它与机械特性有关，特性越硬，静差率越小，转速的 稳定性越好。 3 调速范围与静差率的关系 在调速系统中，额定电压为最高转速，静差率为最低转速时的静差率，则最低转速 m i n 0 m i n( 1 )o m n o m n o n n n 式 (则调速范围与静差率满足下列关系式： (1 )n 式（ 由以上公式可知，当一个调速系统机械特性硬度一定时，对静差率要求越高，即静差率越小，允许的调速范围也越小。 闭环直流调速系统的组成 只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性： 1 通过控制可调直流电源的输入信号可以连续调节直流电动机的电枢电压现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。 2 开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围 于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。 3 开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差 为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图 闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向攀枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 11 系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。 图 环系统方框图 对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电机 出与输出量 转速成正比的负反馈电压转速给定电压 *到偏差电压经过放大器 A，产生驱动或触发装置的控制电压控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环调 速系统，如图 示。 图 速负反馈单闭环直流调速系统静态框图 速负反馈单闭环直流调速系统的稳态特性 为分析系统的静特性，突出主要矛盾，作如下假定：典型环节输入输出呈线性关系；系统在电流连续段工作；忽略直流电源和电位器内阻。 由此系统各环节输入输出量得静态关系如下： 电压比较环节： n n U 式 ( 比例放大器： 式（ 调节器 被控对象 扰动量 检测装置 输出量 反馈量 偏差 输入量 + 攀枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 12 晶闸管整流装置与触发装置： 112f n nR 式（ 系统开环机械特性： 0 式 ( 以上各式中 ， 速度调节器放大系数 晶闸管整流与触发装置的电压放大系数 转速反馈系数 x R 电枢回路总电阻 x i R 整流器内阻 +电抗器电阻 电动机电枢电阻 利用叠加原理，将给定电压 扰动作用 分 别单独作用时的响应进行叠加，可得系统的静特性方程。 *( 1 ) ( 1 ) 式（ 如果没有测速反馈回路，可得上述系统开环机械特性方程 0 0d P d o p o pe e Kn C 式（ 式中，0环系统的静态速降。而闭环 静特性 0( 1 ) ( 1 )PS n d c l c 式 ( 式中，0 闭环稳态速降 。 +1 + + 对 给 定 前 向 通 道 各 环 节 乘 积 对 扰 动 量 前 向 各 环 节 乘 积开 环 放 大 倍 数 1 开 环 放 大 倍 数攀枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 13 图 开、闭环系统静特性 以上两种形式上相似，但本质上却有很大不同，观察图 两者作一比较。在开环系统中，当负载电流增大时，电枢回 路电阻压降也增大，静态速降增大，电动机转速下降。闭环系统中加有转速反馈信号，当转速稍有降落，反馈电压 过比较和放大，提高了晶闸管整流装置的输出电压 系统在新的机械特性下工作，转速因此而回升。图 ，负载电流为负载增大到 于 d1，nd/,转速要下降，若开环系统则速度必然降至 闭环系统转速反馈电压 比较后大，通过放大后，使动机工作在 B 点，稳态速降较开环时少得多。由此，在闭环系统中，每次增加或减少负载，就相应提高或降低整流电压，改变一条机械特性，这样众多开环特性上各取一个相应的工作点连接成闭环系统的特性。就此也看出闭环系统具有以下优点： 1 静态速降小，特性 硬在同样负载下，两者的转速降落分别为 式 (1 )e R C 式 (它们之间关系为 (1 )式 (转速闭环后，在同一负载下的静态转速减小到开环时 11 K倍，因而闭环特性硬度大大提高。 攀枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 14 2 系统的静差率减小，稳速精度高 当空载转速相同时，开环与闭环系统的静差率分别为 0 式 ( 0 式 ( 当 时， 1 S K 式 (闭环时静差率较开环时降低至 倍。 3 系统的调速范围大大提高 如果电动机的最高转速都是额定转速开环调速范围 (1 )n式（ 闭环调速范围 (1 )n 式 ( 由上式可得 (1 )c l o 式 ( 为使以上优点充分显现，关键是提高闭环系统的放大系数 K，需设置检测反馈装置和足够大系数的调节器，这样闭 环系统便能获得较开环系统硬得多的静特性。 速负反馈单闭环系统的基本特征 转速单闭环调速系统是一种最基本的反馈控制系统，它具有反馈控制的基本规律，具体特征如下： 1 有静差系统就是使用比例调节器的闭环控制系统。 有静差系统的实际转速不等于给定转速，因为从闭环静特性得静态速降为 (1 )e R C 式 ( 当开环放大倍数 K 越 大，小，静特性越硬，但采用比例调节器闭环系统静态速降不可能为零。同时，具有比例调节器的闭环系统，主op cl=枝花学院本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理 15 要依靠偏差电压 U 来调节输出电压0 U =0则控制电压 0U K ,整流输出电压0 0，电动机也就 停止转动， 0U所以是有静差系统的一大特点。 2 闭环系统对于给定输入绝对服从 给定电压 是和反馈电压 U 相比较的量，又可称作参考输入量。显然给定电压的一些微小变化，都会直接引起输出量转速的变化。在调速系统中，改变给定电压就是在调整转速。 3 转速系统的抗扰动性能 在闭环系统中，当给定电压 变时，使电动机转速发生变化的所有因素统称为系统的扰动。在实际上除了负载之外还有许多因素会引起 转速的变化，包括交流电源电压波动，励磁电流变化，调节器放大倍数的漂移，周围环境温度变化引起电阻数值的变化等等。所有这些扰动对转速的影响，都会被测速装置检测出来，再通过反馈控制作用，减小它们对稳态转速的影响。 闭环系统对检测和给定环节本身的扰动五抑制能力，若测速发电机磁场不稳定，引起反馈电压 U 变化，使转速偏离原值，这种由测速发电机本身误差引起的转速变化，闭环系统无抑