電力電子課程設(shè)計(jì)-直流電機(jī)調(diào)速

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p><b>　　直流電機(jī)調(diào)速</b></p><p>　　系 、 部： 電氣與信息工程系 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 職稱(chēng)

2、</p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　完成時(shí)間： 2011年6月3日 </p><p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</p><p>　　系：電氣與信息工程系

3、 年級(jí)：自本0802 專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文是對(duì)直流電機(jī)PWM調(diào)速器設(shè)計(jì)的研究，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微機(jī)控制，在設(shè)計(jì)中，采用了AT89C52單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，用PROTEUS仿真軟件以各種顯示、驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)

4、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測(cè)量；采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形.在設(shè)計(jì)中，采用PWM調(diào)速方式，通過(guò)改變PWM的占空比從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。</p><p>　　關(guān)鍵詞：AT89C52單片機(jī)，PROTEUS, PWM</p><p><b>　　目 錄</b></p>&

5、lt;p>　　第一章 直流電機(jī)調(diào)速方案論證……………………………………………………5</p><p>　　第二章 直流電機(jī)調(diào)速硬件系統(tǒng)……………………………………………………6</p><p>　　2.1降壓斬波電路……………………………………………………………6</p><p>　　2.2 驅(qū)動(dòng)電路…………………………………………………………………7<

6、/p><p>　　2.3元器件清單……………………………………………………………10</p><p>　　第三章 直流電機(jī)調(diào)速軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) …………………………………………11</p><p>　　3.1設(shè)計(jì)課題PWM信號(hào)的單片機(jī)程序清單…………………………………11</p><p>　　第四章 仿真結(jié)果與分析……………………………………………

7、…………14</p><p>　　4.1 仿真結(jié)果………………………………………………………14</p><p>　　4.2 仿真結(jié)果分析…………………………………………………16</p><p>　　第五章 心得體會(huì)…………………………………………………………………17</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………

8、…………………18</p><p>　　致謝…………………………………………………………………………………19</p><p>　　附錄1………………………………………………………………………………20</p><p>　　附錄 2………………………………………………………………………………21</p><p>　　附錄 3………………………

9、………………………………………………………22</p><p>　　附錄 4………………………………………………………………………………23</p><p>　　第一章 直流電機(jī)調(diào)速方案論證</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為2大類(lèi)：對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制的電樞電壓法。其中勵(lì)磁控制法在低速時(shí)受磁飽和的限制，在高速時(shí)受換向

10、火花和換向器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。并且勵(lì)磁線(xiàn)圈電感較大，動(dòng)態(tài)性能響應(yīng)較差，所以這種控制方法用的很少，多使用電樞控制法。</p><p>　　直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)：某些場(chǎng)合往往要求直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，例如，電車(chē)、機(jī)床等，調(diào)節(jié)范圍根據(jù)負(fù)載的要求而定。調(diào)速可以有三種方法：（1）改變電機(jī)兩端電壓；（2）改變磁通；（3）在電樞回路中，串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻。本次課程設(shè)計(jì)采用第一種方法：利用降壓斬波電路與單片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改變電機(jī)兩

11、端的電壓大小從而達(dá)到調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。</p><p>　　第二章 直流電機(jī)調(diào)速硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 降壓斬波電路</p><p>　　工作原理，兩個(gè)階段：</p><p>　　t=0時(shí)V導(dǎo)通，E向負(fù)載供電，uo=E，io按指數(shù)曲線(xiàn)上升；</p><p>　　t=t1時(shí)V關(guān)斷，io經(jīng)VD

12、續(xù)流，uo近似為零，io呈指數(shù)曲線(xiàn)下降；</p><p>　　為使io連續(xù)且脈動(dòng)小，通常使L值較大。</p><p>　　圖2.1 降壓斬波電路原理圖</p><p><b>　　數(shù)量關(guān)系：</b></p><p>　　電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓平均值</p><p>　　a——導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱(chēng)占空比或

13、導(dǎo)通比</p><p>　　Uo最大為E，減小a，Uo隨之減小——降壓斬波電路。也稱(chēng)為Buck變換器（Buck Converter）。</p><p><b>　　負(fù)載電流平均值</b></p><p>　　電流斷續(xù)時(shí)，uo平均值會(huì)被抬高，一般不希望出現(xiàn)斬波電路三種控制方式</p><p>　　（1）脈沖寬度調(diào)制（PWM

14、）或脈沖調(diào)寬型——T不變，調(diào)節(jié)ton</p><p>　?。?）頻率調(diào)制或調(diào)頻型——ton不變，改變T</p><p>　　（3）混合型——ton和T都可調(diào)，使占空比改變</p><p>　　降壓斬波電路的仿真模型如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 降壓斬波電路的仿真模型</p><p><b>

15、　　2.2 驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p><b>　　2.1.1 單片機(jī)</b></p><p>　　本課程設(shè)計(jì)所用的芯片為AT89C52。之所以選擇這塊芯片，是因?yàn)锳T89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。片上Fla

16、sh允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯

17、操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。其包含中央處理器、程序處理器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷</p><p>　　圖2.1 AT89C52基本結(jié)構(gòu)示意圖</p><p><

18、;b>　　2) 復(fù)位電路</b></p><p>　　復(fù)位電路利用電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位，此時(shí)電源VCC經(jīng)電阻R2,R1分壓，在RESET端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。圖中R1取200歐，R2取1000歐，電容為22µF。</p><p><b>　　3) 晶振電路</b></p><p>　　在AT89C52芯片內(nèi)部有一個(gè)

19、高增益的反相放大器，其輸入端為引腳X1，輸出端為引腳X2，而在AT89C52芯片X1和X2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激震蕩器，這就是時(shí)鐘電路。</p><p><b>　　4) 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　MCS-51器件有單獨(dú)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可以64K尋址。程序存儲(chǔ)器：如果EA引腳接地，程序

20、讀取只從外部存儲(chǔ)器開(kāi)始。對(duì)于 AT89C52，如果EA 接VCC，程序讀寫(xiě)先從內(nèi)部存儲(chǔ)器（地址為0000H～1FFFH）開(kāi)始，接著從外部尋址，尋址地址為：2000H~FFFFH。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：AT89S52 有256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。高128 字節(jié)與特殊功能寄存器重疊。也就是說(shuō)高128字節(jié)與特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分開(kāi)的。當(dāng)一條指令訪(fǎng)問(wèn)高于7FH 的地址時(shí)，尋址方式?jīng)Q定CPU 訪(fǎng)問(wèn)高128 字節(jié)RAM 還是特殊功能寄存器

21、空間。直接尋址方式訪(fǎng)問(wèn)特殊功能寄存器（SFR）。</p><p>　　2.1.2 MOSFET</p><p>　　MOSFET,又稱(chēng)金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)效晶體管。</p><p>　　要使增強(qiáng)型N溝道MOSFET工作，要在G、S之間加正電壓VGS及在D、S之間加正電壓VDS，則產(chǎn)生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。 　

22、　若先不接VGS(即VGS＝0)，在D與S極之間加一正電壓VDS，漏極D與襯底之間的PN結(jié)處于反向，因此漏源之間不能導(dǎo)電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS。此時(shí)可以將柵極與襯底看作電容器的兩個(gè)極板，而氧化物絕緣層作為電容器的介質(zhì)。當(dāng)加上VGS時(shí)，在絕緣層和柵極界面上感應(yīng)出正電荷，而在絕緣層和P型襯底界面上感應(yīng)出負(fù)電荷。這層感應(yīng)的負(fù)電荷和P型襯底中的多數(shù)載流子(空穴)的極性相反，所以稱(chēng)為“反型層”，這反型層有可能將漏與源的兩N型區(qū)連

23、接起來(lái)形成導(dǎo)電溝道。當(dāng)VGS電壓太低時(shí)，感應(yīng)出來(lái)的負(fù)電荷較少，它將被P型襯底中的空穴中和，因此在這種情況時(shí)，漏源之間仍然無(wú)電流ID。當(dāng)VGS增加到一定值時(shí)，其感應(yīng)的負(fù)電荷把兩個(gè)分離的N區(qū)溝通形成N溝道，這個(gè)臨界電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓(或稱(chēng)閾值電壓、門(mén)限電壓)，用符號(hào)VT表示(一般規(guī)定在ID＝10uA時(shí)的VGS作為VT)。當(dāng)VGS繼續(xù)增大，負(fù)電荷增加，導(dǎo)電溝道擴(kuò)大，電阻降低，ID也隨之增加，并且呈較好線(xiàn)性關(guān)系</p><p&

24、gt;　　由于這種結(jié)構(gòu)在VGS＝0時(shí)，ID＝0，稱(chēng)這種MOSFET為增強(qiáng)型。另一類(lèi)MOSFET，在VGS＝0時(shí)也有一定的ID(稱(chēng)為IDSS)，這種MOSFET稱(chēng)為耗盡型。它的結(jié)構(gòu)如圖5所示，它的轉(zhuǎn)移特性如圖6所示。VP為夾斷電壓(ID＝0)。耗盡型與增強(qiáng)型主要區(qū)別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離子，使在P型襯底的界面上感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，即在兩個(gè)N型區(qū)中間的P型硅內(nèi)形成一N型硅薄層而形成一導(dǎo)電溝道，所以在VGS＝0時(shí)，有VDS作用時(shí)

25、也有一定的ID(IDSS)；當(dāng)VGS有電壓時(shí)(可以是正電壓或負(fù)電壓)，改變感應(yīng)的負(fù)電荷數(shù)量，從而改變ID的大小。VP為ID＝0時(shí)的-VGS，稱(chēng)為夾斷電壓。MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如2.2所示。</p><p>　　圖2.2 MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.3 元器件清單</p><p>　　表2.1 元器件清單</p><p&g

26、t;　　第三章 直流斬波軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)課題PWM信號(hào)的單片機(jī)程序清單</p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p>　　LJMP START</p><p><b>　　ORG 000BH</b></p><p>

27、;　　LJMP TIME1</p><p><b>　　ORG 001BH</b></p><p>　　LJMP TIME2</p><p><b>　　ORG 0030H</b></p><p>　　START: MOV SP, #7FH</p><p>　　MOV PS

28、W,#00H</p><p>　　MOV TMOD,#22H ;定時(shí)器0和1，工作方式2</p><p><b>　　SETB EA</b></p><p><b>　　SETB ET0</b></p><p><b>　　SETB ET1</b></p>&l

29、t;p>　　MOV TH0,#215 ;定時(shí)器0初值</p><p>　　MOV TL0,#215 </p><p>　　MOV TH1,#95;定時(shí)器1初值</p><p>　　MOV TL1,#95</p><p>　　MOV R0,#40</p><p>　　MOV R1,#200</p>

30、<p>　　MOV R2,#160</p><p><b>　　SETB TR0</b></p><p>　　JS:LCALL KEY</p><p>　　JB 20H.0, JIAN1；按鍵判斷1</p><p>　　JB 20H.1, JIAN2；按鍵判斷2</p><p>

31、<b>　　LJMP JS</b></p><p>　　JIAN1:INC R0；鍵功能1加脈寬</p><p><b>　　INC R0</b></p><p>　　LCALL CHULI</p><p><b>　　LJMP JS</b></p><

32、;p>　　JIAN2:DEC R0；鍵功能2減脈寬</p><p><b>　　DEC R0</b></p><p>　　LCALL CHULI</p><p><b>　　LJMP JS</b></p><p>　　TIME1: CPL P1.2</p><p&g

33、t;<b>　　CLRTR0</b></p><p><b>　　SETB TR1</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　TIME2:CPLP1.2</p><p><b>　　CLRTR1</b></p&

34、gt;<p><b>　　SETB TR0</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　;*********鍵掃子程序部分*********</p><p>　　KEY:LCALL QUSHU</p><p><b>　　JZ EXIT<

35、/b></p><p>　　MOV B, 20H</p><p>　　KEYSF:LCALL QUSHU</p><p><b>　　JZ EXIT1</b></p><p>　　LJMP KEYSF</p><p>　　EXIT1:MOV 20H, B</p><p

36、><b>　　EXIT:RET</b></p><p>　　QUSHU:PUSH PSW</p><p><b>　　CLR RS1</b></p><p><b>　　SETB RS0</b></p><p><b>　　SETB P1.0</b&g

37、t;</p><p><b>　　SETB P1.1</b></p><p>　　MOV A, P1</p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　ANL A,#03H</p><p>　　MOV 20H, A</p><p>

38、;<b>　　POP PSW</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>　　CHULI:MOV A,#0FFH</p><p><b>　　SUBB A,R0</b></p><p><b>　　MOV TH0,A</b><

39、;/p><p><b>　　MOV TL0,A</b></p><p><b>　　MOV A,R1</b></p><p><b>　　SUBB A,R0</b></p><p><b>　　MOV R2,A</b></p><p>

40、　　MOV A,#0FFH</p><p>　　SUBB A, R2</p><p><b>　　MOV TH1,A</b></p><p><b>　　MOV TL1,A</b></p><p><b>　　RET</b></p><p><b&

41、gt;　　END</b></p><p>　　將程序經(jīng)過(guò)KEIL編譯生成HEX文件，導(dǎo)入到PROTEUS的單片機(jī)芯片里面從而進(jìn)行仿真。</p><p>　　第四章 仿真結(jié)果與分析</p><p><b>　　4.1 仿真結(jié)果</b></p><p>　　4.1.1 降壓斬波電路仿真波形圖</p>

42、;<p>　　在參數(shù)設(shè)置完畢后即可以開(kāi)始仿真。芯片加載軟件EXE文件后，立即開(kāi)始仿真。在需要觀察的點(diǎn)上放置示波器，點(diǎn)擊開(kāi)始后彈出示波器窗口顯示輸出波形，在仿真中通過(guò)示波器來(lái)觀察仿真的結(jié)果。得到如圖4.1、圖4.2、圖4.3所示波形。</p><p>　　圖4.1 占空比a為0.2時(shí)的輸出波形</p><p>　　圖4.2 占空比a為0.5時(shí)的輸出波形</p>&

43、lt;p>　　圖4.3 占空比a為0.8時(shí)的輸出波形</p><p>　　4.1.2 直流電機(jī)調(diào)速仿真</p><p>　　圖4.4占空比a為0.2時(shí)直流電機(jī)調(diào)速仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.5占空比a為0.5時(shí)直流電機(jī)調(diào)速仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.6占空比a為0.8時(shí)直流電機(jī)調(diào)速仿真結(jié)果</p><

44、p>　　4.2 仿真結(jié)果分析</p><p>　　當(dāng)仿真開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，各個(gè)模塊處于運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。分別按動(dòng)按鈕1、2改變PWM脈沖時(shí)的占空比，從電壓表的讀數(shù)上可以看到電機(jī)的工作電壓改變，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度得到了調(diào)節(jié)。因此，從仿真結(jié)果可以看出，按動(dòng)按鍵1時(shí)脈寬增加，占空比a增加，電機(jī)兩端的電壓增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加；按動(dòng)按鍵2時(shí)脈寬減少，占空比a減少，電機(jī)兩端的電壓減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢，本設(shè)計(jì)可以得到預(yù)期的效果。

45、</p><p><b>　　第五章 心得體會(huì)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)這段時(shí)間的努力，我終于完成了這次的課程設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我查閱了很多資料，更深的了解了直流電動(dòng)機(jī)的工作原理以及其調(diào)速方法。同時(shí)，還了解了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題，比如基礎(chǔ)知識(shí)掌握的不夠牢靠，細(xì)節(jié)掌握的不夠好，但在同學(xué)的鼓勵(lì)和自己的努力下盡力完成了設(shè)計(jì)。<

46、/p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了許多書(shū)本上無(wú)法學(xué)到的知識(shí)，也使我深刻體會(huì)到電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。不僅讓我對(duì)學(xué)過(guò)的知識(shí)有了更多的鞏固，同時(shí)也讓我對(duì)這門(mén)課程產(chǎn)生了更濃厚的興趣。設(shè)計(jì)的初期階段，難度很大，無(wú)從下手，通過(guò)查閱書(shū)籍、搜索網(wǎng)站、詢(xún)問(wèn)同學(xué)，終于邁出了一步又一步。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅能學(xué)到很多電機(jī)調(diào)速相關(guān)的知識(shí)，還培養(yǎng)了自學(xué)能力，這對(duì)我們今后的學(xué)習(xí)與工作有很大的幫助。</p><

47、p>　　只有通過(guò)自己親手制作才能知道自己的不足，在這過(guò)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過(guò)努力去改善這一情況。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 翟玉文，梁偉，艾學(xué)忠，施云貴. 電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐. 中國(guó)電力出版社.2005.</p><p>　　ZhaiYuWen, Liang

48、Wei, YiXueZhong, ShiYunGui. Electronic design and practice. China power press. 2005. </p><p>　　[2] 鄧星鐘. 機(jī)電傳動(dòng)控制.華中科技大學(xué)出版社.2004.</p><p>　　DengXingZhong. Mechanical and electrical transmission cont

49、rol. Huazhong university of science and technology press. 2004.</p><p>　　[3] 張毅剛. 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：高等教育出版社.2004.</p><p>　　Yigang zhang. Single-chip microcomputer principle and application. Beijing:

50、higher education press. 2004. </p><p>　　[4] 陳潤(rùn)泰，許琨. 檢測(cè)技術(shù)與智能儀表. 湖南：中南工業(yè)大學(xué)出版社.2002.</p><p>　　ChenRunTai, XuKun. Testing technology and intelligent instrument. Hunan: south industrial university pr

51、ess. 2002. </p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　感謝老師的教導(dǎo)，也感謝同學(xué)的幫助，設(shè)計(jì)中遇到了許多的問(wèn)題，在你們的幫助下才得以順利完成。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附錄1: PCB圖</b><