电力电子课程设计-直流电机调速.doc

课程设计说明书 直流电机调速 系 部 电气与信息工程系 学生姓名 指导教师 职称 专 业 自动化 班 级 完成时间 2011 年 6 月 3 日 2 23 电电力力电电子技子技术课术课程程设计设计任任务书务书 系 电气与信息工程系 年级 自本 0802 专业 自动化 指导教师姓名学生姓名 课题名称直流电机调速 内 容 及 任 务 一 设计任务和要求 学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题 巩固和运用在 电力电 子技术 中所学的理论知识和实验技能 掌握整流和触发电路的基本原理 能够 运用所学的理论知识分析设计任务 提高设计能力和实践动手能力 为以后从事 电子电路设计 研发电子产品打下良好的基础 二 设计内容 制作一个直流电机调速装置 三 技术指标 要求电源输入电压为 220V 改变控制主电路开关器件的导通角 使负载侧的 电压有效值改变 从而控制直流电机的速度 观察当导通占空比 a 分别为 20 50 80 时电机转动速度改变情况 起止日期设计内容 5 28 构思大体框架 5 29 根据原理图用 protel 画出原理图 5 29 6 3改进并进行仿真 进 度 安 排 6 3 检查并进行最后修改 主要 参考 资料 王兆安 电力电子技术基础 第五版 答辩 成绩 指导 教师 评阅 意见 3 23 摘摘 要要 本文是对直流电机 PWM 调速器设计的研究 主要实现对电机的控制 为实 现系统的微机控制 在设计中 采用了 AT89C52 单片机作为整个控制系统的控 制电路的核心部分 用 PROTEUS 仿真软件以各种显示 驱动模块 实现对电动 机转速参数的显示和测量 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 不断给光电隔离电路发送 PWM 波形 在设计中 采用 PWM 调速方 式 通过改变 PWM 的占空比从而改变电动机的电枢电压 进而实现对电动机的 调速 关键词 AT89C52 单片机 PROTEUS PWM 4 23 目 录 第一章 直流电机调速方案论证 5 第二章 直流电机调速硬件系统 6 2 1 降压斩波电路 6 2 2 驱动电路 7 2 3 元器件清单 10 第三章 直流电机调速软件系统的设计 11 3 1 设计课题 PWM 信号的单片机程序清 单 11 第四章 仿真结果与分析 14 4 1 仿真结果 14 4 2 仿真结果分析 16 第五章 心得体会 17 参考文献 18 致谢 19 附录 1 20 附录 2 21 附录 3 22 附录 4 23 5 23 第一章 直流电机调速方案论证 直流电动机的转速控制方法可以分为 2 大类 对励磁磁通进行控制的励磁 控制法和对电枢电压进行控制的电枢电压法 其中励磁控制法在低速时受磁饱 和的限制 在高速时受换向火花和换向器件结构强度的限制 并且励磁线圈电 感较大 动态性能响应较差 所以这种控制方法用的很少 多使用电枢控制法 直流电机转速调节 某些场合往往要求直流电机的转速在一定范围内可调 节 例如 电车 机床等 调节范围根据负载的要求而定 调速可以有三种方 法 1 改变电机两端电压 2 改变磁通 3 在电枢回路中 串联调节 电阻 本次课程设计采用第一种方法 利用降压斩波电路与单片机驱动系统改 变电机两端的电压大小从而达到调节直流电机转速的目的 6 23 第二章 直流电机调速硬件系统的设计 2 1 降压斩波电路 工作原理 两个阶段 t 0时V导通 E向负载供电 uo E io按指数曲线上升 t t1时V关断 io经VD续流 uo近似为零 io呈指数曲线下降 为使io连续且脉动小 通常使L值较大 图2 1 降压斩波电路原理图 数量关系 电流连续时 负载电压平均值 a 导通占空比 简称占空比或导通比 Uo最大为E 减小a Uo随之减小 降压斩波电路 也称为Buck变换器 Buck Converter 负载电流平均值 电流断续时 uo平均值会被抬高 一般不希望出现斩波电路三种控制方式 1 脉冲宽度调制 PWM 或脉冲调宽型 T不变 调节ton 2 频率调制或调频型 ton不变 改变T 7 23 3 混合型 ton和T都可调 使占空比改变 降压斩波电路的仿真模型如图2 2所示 图2 2 降压斩波电路的仿真模型 2 2 驱动电路 2 1 1 单片机 本课程设计所用的芯片为 AT89C52 之所以选择这块芯片 是因为 AT89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储 器 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 兼容标准 MCS 51 指令 系统 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单芯 片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 AT89C52 为众多嵌入 式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 AT89C52 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指 针 三个 16 位定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片 内晶振及时钟电路 另外 AT89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件 可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串 口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片 机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 其包含中央处理器 程序 处理器 ROM 数据存储器 RAM 定时 计数器 并行接口 串行接口和中断 系统等几大单元及数据总线 地址总线和控制总线三大总线 其基本结构示意 图如图 2 1 所示 8 23 图 2 1 AT89C52 基本结构示意图 2 复位电路 复位电路利用电容充电来实现复位 此时电源 VCC 经电阻 R2 R1 分压 在 RESET 端产生一个复位高电平 图中 R1 取 200 欧 R2 取 1000 欧 电容为 22 F 3 晶振电路 在 AT89C52 芯片内部有一个高增益的反相放大器 其输入端为引脚 X1 输 出端为引脚 X2 而在 AT89C52 芯片 X1 和 X2 之间跨接晶体振荡器和微调电容 从而构成一个稳定的自激震荡器 这就是时钟电路 4 存储器结构存储器结构 MCS 51 器件有单独的程序存储器和数据存储器 外部程序存储器和数据存 储器都可以 64K 寻址 程序存储器 如果 EA 引脚接地 程序读取只从外部存储 器开始 对于 AT89C52 如果 EA 接 VCC 程序读写先从内部存储器 地址为 0000H 1FFFH 开始 接着从外部寻址 寻址地址为 2000H FFFFH 数据存储 器 AT89S52 有 256 字节片内数据存储器 高 128 字节与特殊功能寄存器重叠 也就是说高 128 字节与特殊功能寄存器有相同的地址 而物理上是分开的 当 一条指令访问高于 7FH 的地址时 寻址方式决定 CPU 访问高 128 字节 RAM 还 是特殊功能寄存器空间 直接寻址方式访问特殊功能寄存器 SFR 2 1 2 MOSFET MOSFET 又称金属 氧化层 半导体 场效晶体管 简称金氧半场效晶体管 要使增强型 N 沟道 MOSFET 工作 要在 G S 之间加正电压 VGS 及在 D S 之间加正电压 VDS 则产生正向工作电流 ID 改变 VGS 的电压可控制工作电流 9 23 ID 若先不接 VGS 即 VGS 0 在 D 与 S 极之间加一正电压 VDS 漏极 D 与衬底之间的 PN 结处于反向 因此漏源之间不能导电 如果在栅极 G 与源极 S 之间加一电压 VGS 此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板 而氧化物 绝缘层作为电容器的介质 当加上 VGS 时 在绝缘层和栅极界面上感应出正电 荷 而在绝缘层和 P 型衬底界面上感应出负电荷 这层感应的负电荷和 P 型衬 底中的多数载流子 空穴 的极性相反 所以称为 反型层 这反型层有可能 将漏与源的两 N 型区连接起来形成导电沟道 当 VGS 电压太低时 感应出来的 负电荷较少 它将被 P 型衬底中的空穴中和 因此在这种情况时 漏源之间仍 然无电流 ID 当 VGS 增加到一定值时 其感应的负电荷把两个分离的 N 区沟通 形成 N 沟道 这个临界电压称为开启电压 或称阈值电压 门限电压 用符号 VT 表示 一般规定在 ID 10uA 时的 VGS 作为 VT 当 VGS 继续增大 负电荷增 加 导电沟道扩大 电阻降低 ID 也随之增加 并且呈较好线性关系 如图 4 所示 此曲线称为转换特性 因此在一定范围内可以认为 改变 VGS 来控制漏 源之间的电阻 达到控制 ID 的作用 由于这种结构在 VGS 0 时 ID 0 称这种 MOSFET 为增强型 另一类 MOSFET 在 VGS 0 时也有一定的 ID 称为 IDSS 这种 MOSFET 称为耗尽型 它 的结构如图 5 所示 它的转移特性如图 6 所示 VP 为夹断电压 ID 0 耗尽 型与增强型主要区别是在制造 SiO2绝缘层中有大量的正离子 使在 P 型衬底的 界面上感应出较多的负电荷 即在两个 N 型区中间的 P 型硅内形成一 N 型硅薄 层而形成一导电沟道 所以在 VGS 0 时 有 VDS 作用时也有一定的 ID IDSS 当 VGS 有电压时 可以是正电压或负电压 改变感应的负电荷数量 从而改变 ID 的大小 VP 为 ID 0 时的 VGS 称为夹断电压 MOSFET 内部结构图如 2 2 所示 图 2 2 MOSFET 内部结构图 10 23 2 3 元器件清单 表 2 1 元器件清单 元器件个数 AT89C521 片 直流电动机1 台 MOSFET 1 个 发光二极管16 个 蜂鸣器1 个 按钮4 个 PNP 三极管 9012 3 个 晶体振荡器 12MHz 1 个 极性电容 22 F 1 个 普通电容 1 F 2 个 双面 PCB 板1 块 电感1 个 2 位共阳数码管1 块 电阻 470 欧 1K 欧 200 欧 8 个 2 个 1 个 二极管1 个 11 23 第三章第三章 直流斩波软件系统的设计直流斩波软件系统的设计 3 1 设计课题 PWM 信号的单片机程序清单 ORG 0000H LJMP START ORG 000BH LJMP TIME1 ORG 001BH LJMP TIME2 ORG 0030H START MOV SP 7FH MOV PSW 00H MOV TMOD 22H 定时器 0 和 1 工作方式 2 SETB EA SETB ET0 SETB ET1 MOV TH0 215 定时器 0 初值 MOV TL0 215 MOV TH1 95 定时器 1 初值 MOV TL1 95 MOV R0 40 MOV R1 200 MOV R2 160 SETB TR0 12 23 JS LCALL KEY JB 20H 0 JIAN1 按键判断 1 JB 20H 1 JIAN2 按键判断 2 LJMP JS JIAN1 INC R0 键功能 1 加脉宽 INC R0 LCALL CHULI LJMP JS JIAN2 DEC R0 键功能 2 减脉宽 DEC R0 LCALL CHULI LJMP JS TIME1 CPL P1 2 CLR TR0 SETB TR1 RETI TIME2 CPL P1 2 CLR TR1 SETB TR0 RETI 键扫子程序部分 KEY LCALL QUSHU JZ EXIT MOV B 20H KEYSF LCALL QUSHU JZ EXIT1 LJMP KEYSF EXIT1 MOV 20H B EXIT RET QUSHU PUSH PSW CLR RS1 13 23 SETB RS0 SETB P1 0 SETB P1 1 MOV A P1 CPL A ANL A 03H MOV 20H A POP PSW RET CHULI MOV A 0FFH SUBB A R0 MOV TH0 A MOV TL0 A MOV A R1 SUBB A R0 MOV R2 A MOV A 0FFH SUBB A R2 MOV TH1 A MOV TL1 A RET END 将程序经过 KEIL 编译生成 HEX 文件 导入到 PROTEUS 的单片机芯片里面 从而进行仿真 14 23 第四章第四章 仿真结果与分析 4 1 仿真结果 4 1 1 降压斩波电路仿真波形图 在参数设置完毕后即可以开始仿真 芯片加载软件 EXE 文件后 立即开始 仿真 在需要观察的点上放置示波器 点击开始后弹出示波器窗口显示输出波 形 在仿真中通过示波器来观察仿真的结果 得到如图 4 1 图 4 2 图 4 3 所 示波形 图 4 1 占空比 a 为 0 2 时的输出波形 图 4 2 占空比 a 为 0 5 时的输出波形 15 23 图 4 3 占空比 a 为 0 8 时的输出波形 4 1 24 1 2 直流电机调速仿真 图 4 4 占空比 a 为 0 2 时直流电机调速仿真结果 16 23 图 4 5 占空比 a 为 0 5 时直流电机调速仿真结果 图 4 6 占空比 a 为 0 8 时直流电机调速仿真结果 4 2 仿真结果分析 当仿真开始运行时 各个模块处于运行状态 电机开始转动 分别按动按 17 23 钮 1 2 改变 PWM 脉冲时的占空比 从电压表的读数上可以看到电机的工作电压 改变 电机转动速度得到了调节 因此 从仿真结果可以看出 按动按键 1 时 脉宽增加 占空比 a 增加 电机两端的电压增大 电机转速增加 按动按键 2 时脉宽减少 占空比 a 减少 电机两端的电压减小 电机转速减慢 本设计可 以得到预期的效果 第五章第五章 心得体会心得体会 经过这段时间的努力 我终于完成了这次的课程设计 在设计过程中 我 查阅了很多资料 更深的了解了直流电动机的工作原理以及其调速方法 同时 还了解了直流脉宽调速系统的工作原理 设计过程中出现了很多问题 比如基 础知识掌握的不够牢靠 细节掌握的不够好 但在同学的鼓励和自己的努力下 尽力完成了设计 通过本次课程设计 我学到了许多书本上无法学到的知识 也使我深刻体 会到电力电子技术应用领域的广泛 不仅让我对学过的知识有了更多的巩固 同时也让我对这门课程产生了更浓厚的兴趣 设计的初期阶段 难度很大 无 从下手 通过查阅书籍 搜索网站 询问同学 终于迈出了一步又一步 整个 设计过程中 不仅能学到很多电机调速相关的知识 还培养了自学能力 这对 我们今后的学习与工作有很大的帮助 只有通过自己亲手制作才能知道自己的不足 在这过程中我能感受到自己 在一些能力方面的欠缺 并希望自己以后能通过努力去改善这一情况 18 23