電機與拖動控制課程設(shè)計--直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　指導(dǎo)教師評定成績： </p><p>　　審定成績： </p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　設(shè)計題目：直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　學(xué) 校：

2、 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p>　　學(xué) 號：

3、 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p>　　設(shè)計時間： 2013 年 12 月</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　直流電動機的綜述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3</p>

4、<p>　?。ǘ┧麆钪绷麟妱訖C．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　　（三）直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．14</p><p>　?。ㄋ模┙Y(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31</p><p>　　參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

5、32</p><p>　　直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)課程設(shè)計</p><p><b>　　直流電動機的綜述</b></p><p>　　直流電動機是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機。直流電機可作為電動機用，也可作為發(fā)電機用。直流電動機是將直流電轉(zhuǎn)換成機械能的而帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的電器設(shè)備。與交流電動機相比，直流機因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、價格較貴等缺點制約了它

6、的發(fā)展，但是它具有良好的起動、調(diào)速和制動性能，因此在速度調(diào)節(jié)要求較要、正反轉(zhuǎn)和起動頻繁或多個單元同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械上，仍廣泛采用直流電動機拖動。在工業(yè)領(lǐng)域直流電動機仍占有一席之地。因此有必要了解直流電動的運行特性。在四種直流電動機中，他勵電動機應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　　直流電機它能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當(dāng)它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機

7、械能轉(zhuǎn)換為電能。</p><p>　　直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類，其中自勵又分為并勵、串勵和復(fù)勵3種。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.1直流電機調(diào)速控制原理</p><p>　　圖1.1所示點數(shù)電壓為U，電樞電流為I，電樞回路總電阻為R，電機常數(shù)為K，勵磁磁通量是φ。</p><p>

8、　　直流電機的轉(zhuǎn)速計算公式：</p><p>　　n=（U-IR）/Kφ （1）</p><p>　　其中，對于極對數(shù)p，匝數(shù)為N，電樞支路數(shù)為a的電機來說，電機常數(shù)為</p><p>　　K=pN/60a （2） </p><p>　　意味著電機確定后，該值是不變的。而

9、在（U-IR）中，由于R僅為繞組電阻，導(dǎo)致IR非常小，所以（U-IR）約等于U。由此可見我們改變電樞電壓時，轉(zhuǎn)速n即可隨之改變，同時可以看出，轉(zhuǎn)速和U、I有關(guān)，并且可控量只有這兩個，因此我們可以通過調(diào)節(jié)這兩個量來改變轉(zhuǎn)速。</p><p>　　公式（1）中的I可以通過改變電壓進(jìn)行改變，而我們常提到的PWM控制也就是用來調(diào)節(jié)電壓波形的常用方法，這里我們也用PWM控制來進(jìn)行點擊轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。通過單片機輸出一定頻率的方波，

10、方波的占空比大小決定電壓的大小，也決定了電機的轉(zhuǎn)速大小。</p><p>　　直流電機原理圖如下所示：</p><p>　　本次設(shè)計所采用的電機為Z2-11：</p><p>　　Z2系列電動機技術(shù)參數(shù)（220伏，1500轉(zhuǎn)/分）</p><p><b>　　他勵直流電動機</b></p><p>

11、;　　2.1直流電動機機械特性</p><p>　　他勵直流電動機的固有機械特性是指當(dāng)電動機電源電壓、磁通為額定值，且電樞回路不串聯(lián)電阻時的機械特性，其表達(dá)式為</p><p>　　因為機械特性為一條向下傾斜的直線，故斜率較 小，所以他勵直流電動機的固有機械特性是硬特性，他勵直流電動機固有機械特性如下圖所示：</p><p>　　2.2直流電動機啟動條件、啟動方法

12、</p><p>　　2.2.1 直流電動機的啟動條件</p><p>　　電動機拖動負(fù)載啟動的一般條件是：</p><p>　　I≤（2~2.5）I,因為換向最大允許電流為（2~2.5）I，式中I為啟動電流。</p><p>　　T≥（1.1~1.2）T,這樣系統(tǒng)才能順利啟動。</p><p>　　2.2.2直流電動

13、機的啟動方法 </p><p>　　1. 電樞回路串電阻啟動</p><p>　　如圖2-2-1所示為電樞回路串電阻啟動的原理圖。啟動時，觸點KM1、KM2、KM3斷開，分級電阻全部串入電樞回路，在啟動的過程中，依次閉合觸點KM1、KM2、KM3。啟動結(jié)束時，觸點KM1、KM2、KM3全部閉合，電動機穩(wěn)定運行。</p><p>　　電樞回路串電阻啟動的機械特性如圖

14、2-2-2所示。電樞回路串電阻啟動的優(yōu)點是操作簡單、可靠，缺點是啟動時電阻消耗的電能較大、效率較低。</p><p><b>　　2. 降壓啟動</b></p><p>　　所謂降壓啟動，是指啟動前降低電動機電樞繞組兩端的電壓，以減小啟動電流的啟動方法。當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時，可以采用此方法，降壓啟動機械特性如圖2-2-3所示。</p><p>

15、　　降電壓啟動，有時為了保持啟動過程中電磁轉(zhuǎn)矩一直較大及電樞電流一直較小，可以逐漸升高電壓U，直至最后升到U，特性如上圖所示。E點為穩(wěn)定運行點。實際上，電源電壓可以連續(xù)升高，啟動更快，更穩(wěn)。</p><p>　　他勵直流電動機空載啟動或拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載啟動，改變電源電壓U的方向或改變勵磁電流的方向，電動機都要反方向啟動，然后穩(wěn)定運行。</p><p>　　本次設(shè)計中采用降電壓啟動。&l

16、t;/p><p>　　2.3直流電動機調(diào)速方法</p><p>　　常見的調(diào)速方法有電樞回路串電阻調(diào)速、降低電源電壓調(diào)速和減弱磁通調(diào)速。</p><p><b>　　電樞回路串電阻調(diào)速</b></p><p>　　當(dāng)他勵直流電動機運行于額定電壓和額定勵磁電流時，通過在電動機電樞回路中串入不同的電阻而實現(xiàn)調(diào)速的方法稱為電樞回路

17、串電阻調(diào)速。</p><p>　　如圖2-3-1所示為他勵直流電動機串電阻調(diào)速的電路原理圖。電動機正常運行時，觸點KM1、KM2閉合，當(dāng)需要調(diào)速時，依次斷開KM1、KM2，此時電樞回路串入電阻， 從而實現(xiàn)調(diào)速。其機械特性如圖2-3-2所示。</p><p>　　電樞回路串電阻調(diào)速的優(yōu)點是方法簡單、操作方便；缺點是相對穩(wěn)定性差，而且串入電阻使能耗增大，經(jīng)濟(jì)性較差。常用于電動機拖動的電車、煉鋼

18、車間等生產(chǎn)機械上。</p><p>　　2.降低電源電壓調(diào)速</p><p>　　當(dāng)他勵直流電動機在額定勵磁電流下運行，且保證電樞電阻不變時，通過調(diào)節(jié)電動機電樞兩端的電壓而實現(xiàn)調(diào)速的方法稱為降低電源電壓調(diào)速。由于電動機的工作電壓不允許超過額定電壓，故電樞電壓只能在額定電壓以下進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖2-3-3所示為降低電源電壓調(diào)速時的機械特性。</p><p>　　降低電源電

19、壓調(diào)速的優(yōu)點：由于電源電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，故可以實現(xiàn)無級調(diào)速。調(diào)速前后機械特性的斜率不變，負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。調(diào)速范圍較寬，一般為 2.5~12。調(diào)速過程能耗低，且經(jīng)濟(jì)性好。</p><p>　　降低電源電壓調(diào)速的缺點：調(diào)速時需要一套電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電壓，設(shè)備投資大。</p><p><b>　　3.減弱磁通調(diào)速</b></p><p>

20、　　當(dāng)他勵直流電動機在額定電壓運行，且保證電樞電阻不變時，通過調(diào)節(jié)勵磁電流（磁通）而實現(xiàn)調(diào)速的方法稱為減弱磁通調(diào)速。由于電動機在額定狀態(tài)下運行時，磁路已基本飽和，即使勵磁電流增大很多，磁通也增加很少，而且一般也不允許磁路過飽和，故改變磁通只能在額定值以下的范圍調(diào)節(jié)。如圖2-3-4所示為減弱磁通調(diào)速時的機械特性。</p><p>　　減弱磁通調(diào)速的優(yōu)點：由于勵磁電流If<<Ia，因而控制方便且能耗較小。

21、</p><p>　　設(shè)備簡單，平滑性好，可實現(xiàn)無級調(diào)速。</p><p>　　減弱磁通調(diào)速的缺點：由于受到電動機機械強度和換向火花限制，調(diào)速范圍D不大，一般為1.2~1.5。</p><p>　　2.4 PWM控制技術(shù)</p><p>　　脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸

22、出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 </p><p>　　PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點.由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一

23、。</p><p>　　PWM控制方式可分為同步式、異步式和分段同步式。簡單的PWM型變頻器工作原理如下圖：</p><p>　　2.5 H橋驅(qū)動電路</p><p>　　H橋功率驅(qū)動電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機、交流電機及直流電機等的驅(qū)動。所謂 H 橋驅(qū)動電路是為直流電機而設(shè)計的一種常見電路，它主要實現(xiàn)直流電機的正反向驅(qū)動。實際應(yīng)用中很少用開關(guān)構(gòu)成橋臂，通常使用晶體管，因

24、為控制更為方便，速度壽命都長于有接點的開關(guān)（繼電器）。</p><p>　　細(xì)分下來，晶體管有雙極性和MOS管之分，而集成電路（例如L298）只是將它們集成而已，其實質(zhì)還是這兩種晶體管，只是為了設(shè)計、使用方便、可靠而做成了一塊電路。</p><p>　　雙極性晶體管構(gòu)成的 H 橋：</p><p>　　MOS管構(gòu)成的 H 橋：</p><p>

25、;<b>　　使能控制和方向邏輯</b></p><p>　　驅(qū)動電機時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。如果三極管TA和TB同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負(fù)極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。基于上述原因，在實際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。<

26、/p><p>　　圖2-5-1所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本H橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個與門和2個非門。4個與門同一個“使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。而2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個三極管能導(dǎo)通。（圖2-5-1所示不是一個完整的電路圖。）</p><p>　　圖2-5-1具有使能控制和方向邏輯的H橋電路</

27、p><p>　　采用以上方法，電機的運轉(zhuǎn)就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIR－L信號為0，DIR－R信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機（如圖2-5-2所示）；如果DIR－L信號變?yōu)?，而DIR－R信號變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機。</p><p>　　圖2-5-2 使能信號與方向信號的使用</p>

28、<p>　　實際使用的時候，用分立元件制作H橋是很麻煩的，現(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機和控制信號就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。</p><p>　　分立元件的H橋驅(qū)動電路圖</p><p>　　集成電路L298驅(qū)動電路圖</p><p>

29、　　直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計是利用一塊單片機，實現(xiàn)對一部直流電機的啟動、停止、加速、減速和轉(zhuǎn)向的控制，具體硬件部分由晶振電路、復(fù)位電路、顯示電路、鍵盤電路、電源電路、單片機、電機驅(qū)動電路、測速電路和電源電路等組成，系統(tǒng)框圖由圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 直流調(diào)速系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　電動機調(diào)速系統(tǒng)框

30、圖</b></p><p>　　圖3.2 電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖</p><p>　　其中U為給定值，從輸入端輸入，然后經(jīng)過功率放大器，帶動電動機工作，從而獲得輸出端的輸出轉(zhuǎn)速n，再由測速機測量電動機的轉(zhuǎn)速，通過比較器驚醒比較，與所需要的轉(zhuǎn)速經(jīng)過比較，看是否滿足需要，托不滿足，改變給定值的大小。</p><p><b>　　調(diào)速系統(tǒng)原理圖</

31、b></p><p>　　圖3.3 調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　在圖3.3中，由計算機進(jìn)行總控制，滑動變阻器為手動控制系統(tǒng)，由計算機對單片機AT89C51進(jìn)行控制，改變輸入，使單片機的一個I/O端口作為輸出指令端口，產(chǎn)生PWM控制波形，經(jīng)過電機驅(qū)動帶動直流電動機工作，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速經(jīng)過速度測量裝置，再反饋給單片機最終由顯示電路顯示，然后根據(jù)顯示器的顯示數(shù)值，與所需的輸出值進(jìn)行比較

32、，若不吻合，則通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，改變阻值，最后由點偏激再反應(yīng)給下一階段，再重復(fù)一開始的步驟，最終達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。</p><p>　　單片機最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時鐘電路組成。復(fù)位電路為單片機系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使單片機能正常啟動。時鐘電路采用外部時鐘方式，保證單片機個功能部件都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。</p><p>　　鍵盤控制模塊包括方向控制鍵、加速鍵和減

33、速鍵、啟停鍵，分別與單片機的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相連。實現(xiàn)對直流電機的控制。并且鍵盤上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤狀態(tài)。</p><p>　　數(shù)碼顯示模塊采用共陰極數(shù)碼管來動態(tài)顯示直流電機的實際轉(zhuǎn)動速度。利用I/O口為數(shù)碼管的com端提供低電平。二號單片機的P1口提供數(shù)碼管的段選信號，P2.6和P2.7控制數(shù)碼管的位選信號。</p><p>　　測速模塊采用開關(guān)霍爾片

34、對安放在直流電機轉(zhuǎn)盤上的小磁片的磁信號進(jìn)行檢測，直流電機轉(zhuǎn)盤每次帶動小磁片經(jīng)過霍爾片時，其都將有脈沖信號從霍爾片輸出。單片機外部中斷口對信號進(jìn)行采集。</p><p>　　直流電機驅(qū)動模塊選用驅(qū)動芯片L298，驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動。該模塊與單片機的P1.0—P1.3相連。</p><p>　　電源模塊是通過將市電220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2V和直流5V分別供給驅(qū)動模塊和單片機模塊。采用電源模塊LM2

35、576和L7805</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　3.1滑動變阻器的作用與選擇</p><p>　　滑動變阻器是電路中的一個重要元件，他可以通過移動滑片的位置來改變自身的電阻，從而起到控制電路的作用。在電路分析中，滑動變阻器既可以作為一個定值電阻，也可以作為一個變值電阻。</p><p

36、>　　在本電路系統(tǒng)中，主要充當(dāng)改變電阻值，從而改變電動機轉(zhuǎn)速的作用。</p><p>　　圖3.4 分壓式滑動變阻器原理圖</p><p>　　之所以采用分壓式滑動變阻器，主要是因為本電路要求待測用電器電流機器兩端電壓可變范圍較大，這樣電動機的調(diào)速范圍也可以相對較大，能夠滿足設(shè)計需要。</p><p>　　3.2 AT89C51 單片機</p>

37、<p>　　3.2.1 AT89C51 單片機功能及引腳說明</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM---Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1

38、000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集合輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p>　　引腳排列如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5

39、 89C51引腳圖</p><p>　　圖3.6 89C51的最小電路系統(tǒng)</p><p><b>　　VCC：供電電壓。</b></p><p><b>　　GND：接地。 </b></p><p>　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管

40、腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。</p><p>　　P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由

41、于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。</p><p>　　P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給

42、出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。    </p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口

43、將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時當(dāng)8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行

44、程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)。</p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止AL

45、E的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。</p><p>　　PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。    EA/VPP：

46、當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。    </p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。  

47、0; </p><p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</

48、p><p>　　芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。</p><p>　　3.3 PWM的輸出方式與端口的選擇</p><p>　　本實驗再用PWM控制，因此需要一個數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，即A/D轉(zhuǎn)換器。&l

49、t;/p><p>　　根據(jù)設(shè)計分析，選擇DAC0832芯片。DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、借口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單品a級應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。</p><p>　　最后在單片機的一個I/O端口設(shè)置為PWM輸出指令。其指令程序如下：（其

50、中使用了P10端口輸出PWM，定義變量pwmvalue為占空比數(shù)值，信號頻率為400H）</p><p>　　#include <at89x52.h></p><p>　　sbit PWM =P10;</p><p>　　unsigned char pwmflag = 0;</p><p>　　unsigned char pwmv

51、alue = 0;</p><p>　　//unsigned char pwmvalue2 = 0;</p><p>　　void Timer-Init (void);</p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Timer-In

52、it();</p><p><b>　　Tro = 1;</b></p><p><b>　　Pwm = 1 ;</b></p><p>　　pwmvalue = 9;//占空比90%，可由其它函數(shù)賦值</p><p><b>　　While（1）；</b></p>

53、<p><b>　　}</b></p><p>　　void timer0-Intr（void） interrupt 1</p><p><b>　　{</b></p><p>　　pwmflag++;</p><p>　　If(pwmflag<=pwmvalue)</p&

54、gt;<p><b>　　{</b></p><p><b>　　Pwm = 1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b>&l

55、t;/p><p><b>　　Pwm = 0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　If(pwmflag==10)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　pwmflag = 0 ;</p>

56、<p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　Void Timer-Init(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD |= 0x02;</p><p>　

57、　THO = 0x06;</p><p>　　TLO = 0x06;</p><p><b>　　EA = 1;</b></p><p><b>　　ETO = 1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　3.4 PWM功率

58、放大電路</p><p>　　此電路的作用是將從AT89C51單片機P10端口輸出的PWM脈沖波進(jìn)行放大，然后傳給下一階段的電機驅(qū)動電路。</p><p>　　其工作原理圖如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 PWM功率放大電路原理圖</p><p>　　由于線性功率放大器的最大缺點就是效率低，引起過熱，尤其在低電壓、大電流時特別突

59、出，因此采用晶體管放大器，而在采用晶體管放大器時必須降低晶體管本身的損耗。</p><p>　　晶體管有三種狀態(tài)：放大、飽和與截止，因此采用開放式功率放大器可以使其工作在飽和與截止?fàn)顟B(tài)，以斷續(xù)供電代替連續(xù)供電，可以滿足設(shè)計需要。</p><p><b>　　3.5 驅(qū)動電路</b></p><p>　　此電路設(shè)計的電機是利用PWM信號控制電機轉(zhuǎn)

60、速的方法，要控制電機的轉(zhuǎn)速，就要控制電機正負(fù)兩端的電壓以及電流。</p><p><b>　　3.5.1元件</b></p><p>　　MOS管、大的電解電容、許留二極管 。本系統(tǒng)采用L298驅(qū)動模塊。</p><p>　　L298直流電機/直流電機雙用驅(qū)動器，</p><p>　　驅(qū)動器尺寸：寬42mm,長78mm，

61、最大高度23mm</p><p>　　主要元件：恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L298，光電耦合器TLP521.4</p><p><b>　　工作方式：直流</b></p><p>　　工作電壓：信號端4.6V，控制端5.36V。</p><p>　　調(diào)速方式：直流電機采用PWM信號平滑調(diào)速。</p><

62、p><b>　　特點：</b></p><p>　　1.可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。</p><p>　　2.啟動性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大。</p><p>　　3.工作電壓可到達(dá)36V,4A。</p><p>　　4.可同時驅(qū)動兩臺直流電機</p><p><b>　　L298引腳圖<

63、;/b></p><p>　　圖3.8 L298引腳圖</p><p>　　表3.8 L298引腳功能表</p><p>　　驅(qū)動電路圖如圖3.9所示：</p><p>　　圖3.9 電機驅(qū)動電路</p><p>　　3.5.2 電機驅(qū)動的原理</p><p>　　利用PWM產(chǎn)生高低電平來

64、控制MOS管的G極，從而控制D極和S極之間的通斷，當(dāng)D極和S極導(dǎo)通時，電極正極接電源，負(fù)極接地。當(dāng)D極和S極斷開時，電極正極和電源相戀，而負(fù)極通過二極管通向電容的正極，給二極管充電，形成回路。這樣就可以達(dá)到一種平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)PWM方波的占空比就可以調(diào)節(jié)電極兩端的電流，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　3.5.3 電機驅(qū)動的優(yōu)勢</p><p>　　這種控制電機的方法使MOS管要么工

65、作在飽和區(qū)，要么工作在截止區(qū)，有效的控制了MOS管的發(fā)熱量，從而增加穩(wěn)定性，電路簡單，易實現(xiàn)。</p><p>　　3.5.4 電機驅(qū)動的不足</p><p>　　二極管續(xù)流會嚴(yán)重影響電源，對電源和驅(qū)動管的選取要求比較高，同時也有可能會產(chǎn)生一定的振動。</p><p><b>　　3.6 電源設(shè)計</b></p><p>

66、;　　此系統(tǒng)中采用LM7805降為5V，簡化了電路設(shè)計中電路板上存在的大電源干擾問題。</p><p>　　圖3.10 電源電路</p><p><b>　　3.7 直流電動機</b></p><p>　　Z2系列電動機技術(shù)參數(shù)（220伏，1500轉(zhuǎn)/分）</p><p><b>　　作固有機械特性圖</

67、b></p><p>　　R的估算式為： （3）</p><p>　　帶入數(shù)值得，=25.28()</p><p>　　理想空載轉(zhuǎn)速公式為： （4）</p><p><b>　　式中，=0.102</b></p><p>　　故，=2157（

68、r/min） </p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩公式為： (5) </p><p>　　帶入數(shù)值，得 =9.550.1022.64≈ 2.571 </p><p>　　直流電動機轉(zhuǎn)軸上輸出轉(zhuǎn)矩為： (6) </p><p>　　帶入數(shù)值，得 =9550 =2.55</p>

69、;<p>　　空載轉(zhuǎn)矩為： =2.57-2.55=0.02</p><p>　　故時的轉(zhuǎn)速為：=-β≈2151</p><p>　　所以，（0，） 和（，） 兩點分別為（0,2157）和（2.57,1500）.做出該直流電動機的固有機械特性曲線如下圖所示：</p><p>　　Z2-11電動機的固有機械特性圖 </p>&l

70、t;p><b>　　占空比的計算</b></p><p>　　n=500（r/min）時</p><p>　　=5000.102+2.6425.28=117(V)</p><p>　　占空比=100%=53.5%</p><p>　　n=1000(r/min)時</p><p>　　=100

71、00.102+2.6425.28=168（V）</p><p>　　占空比=100%=76.7%</p><p>　　利用單片機A/D轉(zhuǎn)換器輸出控制直流電機兩端電壓，來控制轉(zhuǎn)速。可采用簡單的比例調(diào)劑器，其公式為：Y=Kp*e（t）</p><p>　　其中：e(t)為偏差電壓，即輸入；Kp為比例系數(shù)；Y為輸出。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)是

72、最簡單最基本的方式，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入成正比，與調(diào)節(jié)比例系數(shù)成正比。</p><p>　　3.8 速度測量電路原理說明和器件選擇</p><p>　　轉(zhuǎn)速時工程上一個常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的專屬來表示。其單位是r/min。轉(zhuǎn)速的測量方法很多，由于轉(zhuǎn)速是以單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)來衡量的，因此采用霍爾元器件測量轉(zhuǎn)速時較為常用的一種測量方法。</p><p>　　如

73、3.12圖所示，為速度測量電路的原理圖：</p><p>　　圖3.12 轉(zhuǎn)速測量原理圖</p><p>　　霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁場B，在沿l方向的兩個斷面加以外電場，則有一定的電流經(jīng)過。由于電子在磁場中運動，所以將受到一個洛倫茲力，其大小為：</p><p><b

74、>　　fl=qvB</b></p><p>　　式中：fl--洛倫茲力，q--載流子電荷，v--載流子運動速度，B--磁感應(yīng)強度。</p><p>　　這樣使電子的運動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個側(cè)面見的電位差稱為霍爾電壓。 </p><p>　　霍爾電壓大小為： U=R（mv）

75、</p><p>　　式中：R---霍爾常數(shù)，d---元件厚度，B---磁感應(yīng)強度，I---控制電流</p><p>　　設(shè)K=R/d,則U=K（mv）</p><p>　　其中，K為霍爾器件的靈敏度系數(shù)（mv/mA/T），她表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強度B方向時，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍

76、爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強度而變化。根據(jù)這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動機的轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，霍爾元件收到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，古輸出脈沖信號，器頻率表和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉(zhuǎn)速。</p><p>　　3.9 顯示電路原理與芯片的選擇</p><p>　　顯示電路采用74LS164

77、串入并出的移位寄存器給出串行口擴展的3位LED顯示接口電路。如圖3.13所示，分別為74LS164寄存器的引腳圖和功能圖:</p><p>　　圖3.13 74LS164引腳圖和功能圖</p><p>　　74HCT164 是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端（DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)

78、輸入。兩個輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。</p><p>　　時鐘 (CP) 每次由低變高時，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個數(shù)據(jù)輸入端（DSA和 DSB）的邏輯與，它將上升時鐘沿之前保持一個建立時間的長度。</p><p>　　主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個低電平將使其它所有輸入端都無效，非同步地清除寄存器，強制所有的輸出為低電平。</

79、p><p><b>　　引腳說明：</b></p><p><b>　　顯示電路：</b></p><p>　　圖3.14 顯示電路</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　在本設(shè)計中，因為采用了PWM控制，所以具有PWM控制的特點：在

80、對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，課大大節(jié)省能量。PWM具有很強的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點，可以大幅度降低成本和功耗。同時，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標(biāo)比較好；電樞電流的脈動量小，容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作；系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬；使用元件少、線路簡單。</p><p>　　總而言之就是：操作簡單，成本低，可控性好，系統(tǒng)的隨動性能優(yōu)秀，唯一不足的是對驅(qū)動電路的要求比較高。</p>

81、<p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 戴文進(jìn).電機與拖動.清華大學(xué)出版社.2008.</p><p>　　[2] 高玉芹.單片機原理與應(yīng)用及C51編程技術(shù).機械工業(yè)出版社.2011.</p><p>　　[3] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社.2012.</p><p&g