電機(jī)與拖動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)--直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)： </p><p>　　審定成績(jī)： </p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 校：

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

3、 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間： 2013 年 12 月</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的綜述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3</p>

4、<p>　　（二）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　?。ㄈ┲绷麟妱?dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．14</p><p>　?。ㄋ模┙Y(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31</p><p>　　參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

5、32</p><p>　　直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　直流電動(dòng)機(jī)的綜述</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)是人類(lèi)最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)。直流電機(jī)可作為電動(dòng)機(jī)用，也可作為發(fā)電機(jī)用。直流電動(dòng)機(jī)是將直流電轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的而帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的電器設(shè)備。與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流機(jī)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、價(jià)格較貴等缺點(diǎn)制約了它

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

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

8、　　直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：</p><p>　　n=（U-IR）/Kφ （1）</p><p>　　其中，對(duì)于極對(duì)數(shù)p，匝數(shù)為N，電樞支路數(shù)為a的電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)常數(shù)為</p><p>　　K=pN/60a （2） </p><p>　　意味著電機(jī)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(jiàn)我們改變電樞電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速n即可隨之改變，同時(shí)可以看出，轉(zhuǎn)速和U、I有關(guān)，并且可控量只有這兩個(gè)，因此我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)量來(lái)改變轉(zhuǎn)速。</p><p>　　公式（1）中的I可以通過(guò)改變電壓進(jìn)行改變，而我們常提到的PWM控制也就是用來(lái)調(diào)節(jié)電壓波形的常用方法，這里我們也用PWM控制來(lái)進(jìn)行點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。通過(guò)單片機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速大小。</p><p>　　直流電機(jī)原理圖如下所示：</p><p>　　本次設(shè)計(jì)所采用的電機(jī)為Z2-11：</p><p>　　Z2系列電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)（220伏，1500轉(zhuǎn)/分）</p><p><b>　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)</b></p><p>

11、;　　2.1直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性</p><p>　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)電源電壓、磁通為額定值，且電樞回路不串聯(lián)電阻時(shí)的機(jī)械特性，其表達(dá)式為</p><p>　　因?yàn)闄C(jī)械特性為一條向下傾斜的直線(xiàn)，故斜率較 小，所以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是硬特性，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性如下圖所示：</p><p>　　2.2直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)條件、啟動(dòng)方法

12、</p><p>　　2.2.1 直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件</p><p>　　電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)的一般條件是：</p><p>　　I≤（2~2.5）I,因?yàn)閾Q向最大允許電流為（2~2.5）I，式中I為啟動(dòng)電流。</p><p>　　T≥（1.1~1.2）T,這樣系統(tǒng)才能順利啟動(dòng)。</p><p>　　2.2.2直流電動(dòng)

13、機(jī)的啟動(dòng)方法 </p><p>　　1. 電樞回路串電阻啟動(dòng)</p><p>　　如圖2-2-1所示為電樞回路串電阻啟動(dòng)的原理圖。啟動(dòng)時(shí)，觸點(diǎn)KM1、KM2、KM3斷開(kāi)，分級(jí)電阻全部串入電樞回路，在啟動(dòng)的過(guò)程中，依次閉合觸點(diǎn)KM1、KM2、KM3。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，觸點(diǎn)KM1、KM2、KM3全部閉合，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。</p><p>　　電樞回路串電阻啟動(dòng)的機(jī)械特性如圖

14、2-2-2所示。電樞回路串電阻啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、可靠，缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)電阻消耗的電能較大、效率較低。</p><p><b>　　2. 降壓?jiǎn)?dòng)</b></p><p>　　所謂降壓?jiǎn)?dòng)，是指啟動(dòng)前降低電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓，以減小啟動(dòng)電流的啟動(dòng)方法。當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時(shí)，可以采用此方法，降壓?jiǎn)?dòng)機(jī)械特性如圖2-2-3所示。</p><p>

15、　　降電壓?jiǎn)?dòng)，有時(shí)為了保持啟動(dòng)過(guò)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(diǎn)為穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。實(shí)際上，電源電壓可以連續(xù)升高，啟動(dòng)更快，更穩(wěn)。</p><p>　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)或拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載啟動(dòng)，改變電源電壓U的方向或改變勵(lì)磁電流的方向，電動(dòng)機(jī)都要反方向啟動(dòng)，然后穩(wěn)定運(yùn)行。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中采用降電壓?jiǎn)?dòng)。&l

16、t;/p><p>　　2.3直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法</p><p>　　常見(jiàn)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于額定電壓和額定勵(lì)磁電流時(shí)，通過(guò)在電動(dòng)機(jī)電樞回路中串入不同的電阻而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法稱(chēng)為電樞回路

17、串電阻調(diào)速。</p><p>　　如圖2-3-1所示為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速的電路原理圖。電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，觸點(diǎn)KM1、KM2閉合，當(dāng)需要調(diào)速時(shí)，依次斷開(kāi)KM1、KM2，此時(shí)電樞回路串入電阻， 從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。其機(jī)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(diǎn)是方法簡(jiǎn)單、操作方便；缺點(diǎn)是相對(duì)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)的電車(chē)、煉鋼

18、車(chē)間等生產(chǎn)機(jī)械上。</p><p>　　2.降低電源電壓調(diào)速</p><p>　　當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁電流下運(yùn)行，且保證電樞電阻不變時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法稱(chēng)為降低電源電壓調(diào)速。由于電動(dòng)機(jī)的工作電壓不允許超過(guò)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(shí)的機(jī)械特性。</p><p>　　降低電源電

19、壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：由于電源電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，故可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。調(diào)速前后機(jī)械特性的斜率不變，負(fù)載變化時(shí)，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(guò)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(diǎn)：調(diào)速時(shí)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定電壓運(yùn)行，且保證電樞電阻不變時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流（磁通）而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法稱(chēng)為減弱磁通調(diào)速。由于電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，磁路已基本飽和，即使勵(lì)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(guò)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(shí)的機(jī)械特性。</p><p>　　減弱磁通調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：由于勵(lì)磁電流If<<Ia，因而控制方便且能耗較小。

21、</p><p>　　設(shè)備簡(jiǎn)單，平滑性好，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。</p><p>　　減弱磁通調(diào)速的缺點(diǎn)：由于受到電動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)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(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸

22、出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)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(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)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(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn).由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)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(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)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(jiǎn)單的PWM型變頻器工作原理如下圖：</p><p>　　2.5 H橋驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　H橋功率驅(qū)動(dòng)電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動(dòng)。所謂 H 橋驅(qū)動(dòng)電路是為直流電機(jī)而設(shè)計(jì)的一種常見(jiàn)電路，它主要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中很少用開(kāi)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(zhǎng)于有接點(diǎn)的開(kāi)關(guān)（繼電器）。</p><p>　　細(xì)分下來(lái)，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(shí)質(zhì)還是這兩種晶體管，只是為了設(shè)計(jì)、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(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管TA和TB同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒(méi)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?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開(kāi)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(gè)與門(mén)和2個(gè)非門(mén)。4個(gè)與門(mén)同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣，用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開(kāi)關(guān)。而2個(gè)非門(mén)通過(guò)提供一種方向輸人，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。（圖2-5-1所示不是一個(gè)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(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果DIR－L信號(hào)為0，DIR－R信號(hào)為1，并且使能信號(hào)是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)（如圖2-5-2所示）；如果DIR－L信號(hào)變?yōu)?，而DIR－R信號(hào)變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過(guò)電機(jī)。</p><p>　　圖2-5-2 使能信號(hào)與方向信號(hào)的使用</p>

28、<p>　　實(shí)際使用的時(shí)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(jī)和控制信號(hào)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(dòng)電路圖</p><p>　　集成電路L298驅(qū)動(dòng)電路圖</p><p>

29、　　直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)是利用一塊單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)一部直流電機(jī)的啟動(dòng)、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(pán)電路、電源電路、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、測(cè)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框

30、圖</b></p><p>　　圖3.2 電動(dòng)機(jī)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(guò)功率放大器，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，從而獲得輸出端的輸出轉(zhuǎn)速n，再由測(cè)速機(jī)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)比較器驚醒比較，與所需要的轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)比較，看是否滿(mǎn)足需要，托不滿(mǎn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行總控制，滑動(dòng)變阻器為手動(dòng)控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)對(duì)單片機(jī)AT89C51進(jìn)行控制，改變輸入，使單片機(jī)的一個(gè)I/O端口作為輸出指令端口，產(chǎn)生PWM控制波形，經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)工作，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)速度測(cè)量裝置，再反饋給單片機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，改變阻值，最后由點(diǎn)偏激再反應(yīng)給下一階段，再重復(fù)一開(kāi)始的步驟，最終達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成。復(fù)位電路為單片機(jī)系統(tǒng)提供可靠復(fù)位，使單片機(jī)能正常啟動(dòng)。時(shí)鐘電路采用外部時(shí)鐘方式，保證單片機(jī)個(gè)功能部件都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。</p><p>　　鍵盤(pán)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(jī)的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相連。實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。并且鍵盤(pán)上連接有發(fā)光二極管，以指示鍵盤(pán)狀態(tài)。</p><p>　　數(shù)碼顯示模塊采用共陰極數(shù)碼管來(lái)動(dòng)態(tài)顯示直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度。利用I/O口為數(shù)碼管的com端提供低電平。二號(hào)單片機(jī)的P1口提供數(shù)碼管的段選信號(hào)，P2.6和P2.7控制數(shù)碼管的位選信號(hào)。</p><p>　　測(cè)速模塊采用開(kāi)關(guān)霍爾片

34、對(duì)安放在直流電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)上的小磁片的磁信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)每次帶動(dòng)小磁片經(jīng)過(guò)霍爾片時(shí)，其都將有脈沖信號(hào)從霍爾片輸出。單片機(jī)外部中斷口對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。</p><p>　　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用驅(qū)動(dòng)芯片L298，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。該模塊與單片機(jī)的P1.0—P1.3相連。</p><p>　　電源模塊是通過(guò)將市電220V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2V和直流5V分別供給驅(qū)動(dòng)模塊和單片機(jī)模塊。采用電源模塊LM2

35、576和L7805</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1滑動(dòng)變阻器的作用與選擇</p><p>　　滑動(dòng)變阻器是電路中的一個(gè)重要元件，他可以通過(guò)移動(dòng)滑片的位置來(lái)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(dòng)變阻器既可以作為一個(gè)定值電阻，也可以作為一個(gè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。</p><p>　　圖3.4 分壓式滑動(dòng)變阻器原理圖</p><p>　　之所以采用分壓式滑動(dòng)變阻器，主要是因?yàn)楸倦娐芬蟠郎y(cè)用電器電流機(jī)器兩端電壓可變范圍較大，這樣電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍也可以相對(duì)較大，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。</p><p>　　3.2 AT89C51 單片機(jī)</p>

37、<p>　　3.2.1 AT89C51 單片機(jī)功能及引腳說(shuō)明</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)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(chēng)單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)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(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管

40、腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。</p><p>　　P1口：P1口是一個(gè)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(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)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(shí)，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(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。</p><p>　　P2口：P2口為一個(gè)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(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，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(shí)，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(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給

42、出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。    </p><p>　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)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(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)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(jì)數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫(xiě)入07H，其它專(zhuān)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(kāi)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(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止AL

45、E的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， 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(wú)效。</p><p>　　PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。    EA/VPP：

46、當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(shí)鐘工作電路的輸入。  

47、0; </p><p>　　XTAL2：來(lái)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(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)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(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“1”且在任何非空存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)再用PWM控制，因此需要一個(gè)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(jì)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(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、借口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單品a級(jí)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(jī)的一個(gè)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(hào)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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(xiàn)性功率放大器的最大缺點(diǎn)就是效率低，引起過(guò)熱，尤其在低電壓、大電流時(shí)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(shí)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(kāi)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(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。</p><p><b>　　3.5 驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　此電路設(shè)計(jì)的電機(jī)是利用PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)

60、速的方法，要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就要控制電機(jī)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(dòng)模塊。</p><p>　　L298直流電機(jī)/直流電機(jī)雙用驅(qū)動(dòng)器，</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器尺寸：寬42mm,長(zhǎng)78mm，

61、最大高度23mm</p><p>　　主要元件：恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)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(hào)端4.6V，控制端5.36V。</p><p>　　調(diào)速方式：直流電機(jī)采用PWM信號(hào)平滑調(diào)速。</p><

62、p><b>　　特點(diǎn)：</b></p><p>　　1.可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。</p><p>　　2.啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。</p><p>　　3.工作電壓可到達(dá)36V,4A。</p><p>　　4.可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)</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(dòng)電路圖如圖3.9所示：</p><p>　　圖3.9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　3.5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的原理</p><p>　　利用PWM產(chǎn)生高低電平來(lái)

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(shí)，電極正極接電源，負(fù)極接地。當(dāng)D極和S極斷開(kāi)時(shí)，電極正極和電源相戀，而負(fù)極通過(guò)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(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　3.5.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　這種控制電機(jī)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(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3.5.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的不足</p><p>　　二極管續(xù)流會(huì)嚴(yán)重影響電源，對(duì)電源和驅(qū)動(dòng)管的選取要求比較高，同時(shí)也有可能會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)。</p><p><b>　　3.6 電源設(shè)計(jì)</b></p><p>

66、;　　此系統(tǒng)中采用LM7805降為5V，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)中電路板上存在的大電源干擾問(wèn)題。</p><p>　　圖3.10 電源電路</p><p><b>　　3.7 直流電動(dòng)機(jī)</b></p><p>　　Z2系列電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)（220伏，1500轉(zhuǎn)/分）</p><p><b>　　作固有機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)的轉(zhuǎn)速為：=-β≈2151</p><p>　　所以，（0，） 和（，） 兩點(diǎn)分別為（0,2157）和（2.57,1500）.做出該直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性曲線(xiàn)如下圖所示：</p><p>　　Z2-11電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性圖 </p>&l

70、t;p><b>　　占空比的計(jì)算</b></p><p>　　n=500（r/min）時(shí)</p><p>　　=5000.102+2.6425.28=117(V)</p><p>　　占空比=100%=53.5%</p><p>　　n=1000(r/min)時(shí)</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(jī)A/D轉(zhuǎn)換器輸出控制直流電機(jī)兩端電壓，來(lái)控制轉(zhuǎn)速。可采用簡(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)量電路原理說(shuō)明和器件選擇</p><p>　　轉(zhuǎn)速時(shí)工程上一個(gè)常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的專(zhuān)屬來(lái)表示。其單位是r/min。轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)衡量的，因此采用霍爾元器件測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)較為常用的一種測(cè)量方法。</p><p>　　如

73、3.12圖所示，為速度測(cè)量電路的原理圖：</p><p>　　圖3.12 轉(zhuǎn)速測(cè)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(zhǎng)、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(chǎng)B，在沿l方向的兩個(gè)斷面加以外電場(chǎng)，則有一定的電流經(jīng)過(guò)。由于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)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(yùn)動(dòng)速度，B--磁感應(yīng)強(qiáng)度。</p><p>　　這樣使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過(guò)剩，形成霍爾電場(chǎng)，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面見(jiàn)的電位差稱(chēng)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(qiáng)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(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B方向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)強(qiáng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤(pán)的邊沿，轉(zhuǎn)盤(pán)隨被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤(pán)附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤(pán)隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件收到磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，古輸出脈沖信號(hào)，器頻率表和轉(zhuǎn)速成正比，測(cè)出脈沖的周期或頻率即可計(jì)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(kuò)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(guò)兩個(gè)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(gè)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(shí)鐘 (CP) 每次由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DSA和 DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長(zhǎng)度。</p><p>　　主復(fù)位 (MR) 輸入端上的一個(gè)低電平將使其它所有輸入端都無(wú)效，非同步地清除寄存器，強(qiáng)制所有的輸出為低電平。</

79、p><p><b>　　引腳說(shuō)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(jì)中，因?yàn)椴捎昧薖WM控制，所以具有PWM控制的特點(diǎn)：在

80、對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，課大大節(jié)省能量。PWM具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，可以大幅度降低成本和功耗。同時(shí)，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(dòng)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(xiàn)路簡(jiǎn)單。</p><p>　　總而言之就是：操作簡(jiǎn)單，成本低，可控性好，系統(tǒng)的隨動(dòng)性能優(yōu)秀，唯一不足的是對(duì)驅(qū)動(dòng)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(jī)與拖動(dòng).清華大學(xué)出版社.2008.</p><p>　　[2] 高玉芹.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51編程技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2011.</p><p>　　[3] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社.2012.</p><p&g