【正文】 ........................................................................23 7 設(shè)計(jì)總結(jié) ..............................................................................................................................23 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................25 附錄 1......................................................................................................................................27 附錄 2......................................................................................................................................28 附錄 3......................................................................................................................................28 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 1 1 前 言 開發(fā)背景 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，目前在直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中已大量采用晶閘 管 (即可控硅 )裝置向電動(dòng)機(jī)供電的 KZ—D 拖動(dòng)系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動(dòng)一電動(dòng)機(jī)的 F—D 系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。直流電機(jī)調(diào)速基本原理是比較簡單的（相對(duì)于交流電機(jī)），只要改變電機(jī)的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。改變電壓的方法很多，最常見的一種 PWM 脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展 水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用， PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展 ， 到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。 選題的目的和意義 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng) 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 2 提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能 [2]。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)?元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。 目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。 2 總體方案設(shè)計(jì) 方案比較及論證 直流電機(jī)的調(diào)速方法 直流電機(jī)是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)，與交流電機(jī)相比，直流電機(jī) 因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、價(jià)格較貴等因素制約了他的發(fā)展，應(yīng)用不如交流電機(jī)廣泛，但是，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)性能，因此在工業(yè)領(lǐng)域中占有一席之地。 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 11 所示： 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 3 圖 211 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 雖然不同勵(lì)磁方式的電機(jī)機(jī)械特性不同，但他們的轉(zhuǎn)速都是由公式 ?E aaaC IRUn ?? (21) 計(jì)算而得 ,式中 aU — 電樞供電電壓（ V）； aI —— 電樞電流（ A）； Φ—— 勵(lì)磁磁通（ Wb）； aR —— 電樞回路總電阻（ Ω） ； EC —— 電勢(shì)系數(shù)。 apNCE 60? （ 22） 其中 p為電磁對(duì)數(shù)， a 為電樞并聯(lián)支路數(shù)， N為導(dǎo)體數(shù)。 由式可見， 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法可以分為 ， , 。 在上述三種方法中，電樞回路串電阻后機(jī)械特性變軟，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速受負(fù)載波動(dòng)的影響較大，空載和輕載時(shí)能夠調(diào)速的范圍非常有限。另一方面，因調(diào)速電阻容量較大， 一般多采用電器開關(guān)分級(jí)控制，不能連續(xù)調(diào)節(jié)，只能有級(jí)調(diào)速。同時(shí)所串的調(diào)速電阻上通過很大的電樞電流，會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗，轉(zhuǎn)速越低。需串入的電阻值越大，損耗越大，這樣使電動(dòng)機(jī)的效率大為降低。該方法多用于對(duì)調(diào)速性能要求不高，而且不經(jīng)常調(diào)速的設(shè)備上；勵(lì)磁控制方法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，換向越困難。電樞反應(yīng)和換向元件中電流的去磁效應(yīng)對(duì)于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的影響較大，并且勵(lì)磁線圈的電感較大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法一般不超過額定電壓 aU 。所以只能在低于額定轉(zhuǎn)速的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。在降低電樞端電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī) 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 4 械特性硬度不變，轉(zhuǎn)速受負(fù)載波動(dòng)的影響較小，速度的穩(wěn)定性好，而且不管拖動(dòng)哪一類負(fù)載，只要電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速就可以連續(xù)變化，該方法可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，多用于對(duì)調(diào)速性能要求較高的設(shè)備上。在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中．目前廣泛應(yīng)用的是通過改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值 f (占空比 )來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方法稱為 脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation)即 PWM控制 . 這里我采用了第一種改變電機(jī)兩端電壓的方法，采用脈沖控制 PWM，改變占空比，從而改變電機(jī)兩端電壓，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ??4 。 PWM 調(diào) 速 方式 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率 ,改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的一種方法。 PWM 調(diào)速可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。 占空比就是輸出的 PWM 中，高電平 保持的時(shí)間與該 PWM 的時(shí)鐘周期的時(shí)間之比。例如，一個(gè) PWM 的頻率是 1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是 1ms，就是 1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是 200us，那么低電平的時(shí)間肯定是 800us，那么占空比就是 200： 1000，也就是說 PWM 的占空比就是 1： 5。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱耍?PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。如圖 12 所示： 圖 212 PWM 方波 占空比的公式為 TtD 1? ,其中 1t 為一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通（即高電平）的時(shí)間，T 為一個(gè)周期。占空比 D 表示了在一個(gè)周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 5 值，變化范圍為 0≤D≤1。當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值為DVVD ?? max ，因此改變占空比 D 就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是 PWM 調(diào)速原理。 而改變占空比 D 的值有三種方法：調(diào)寬 調(diào)頻法：保持 t 不變，只改變 1t ，這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變。定寬調(diào)頻法：保持 1t 不變，只改變 t ，這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變。定頻調(diào)寬法：保持周期 T(或頻率 )不變，同時(shí)改變 1t 和 t 。 調(diào)寬調(diào)頻法和定寬調(diào)頻法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期 (或頻率 )，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，使電路不穩(wěn)定。因此常采用定頻調(diào)寬法來改變占空比從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。 方案選擇 由 上 所 述 ， 我 選 擇 的 基 于 L298 的 直 流 電 機(jī) 調(diào) 速 控 制 方 案 為 ： 利 用STC89C51 單片機(jī)進(jìn)行核心控制，因?yàn)樗目刂乒δ軓?qiáng)、可靠性高、易擴(kuò)展、市 場上較為普遍。由 L298 芯片組成的驅(qū)動(dòng)模塊，因?yàn)?L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；并可直接用單片機(jī)的 I/O 口提供信號(hào)；并且驅(qū)動(dòng)電路簡單， input1input4 輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)； Enable 控制電機(jī)停轉(zhuǎn)， OUT OUT2 之間分別接1 個(gè)電機(jī)；對(duì)于本設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，完全滿足于需要。 TFT 作為顯示模塊，它可以顯示英文字母、符號(hào)、漢字。由 C 語言程序驅(qū)動(dòng)單片機(jī)運(yùn)行，分別在按下加速、減速、停止、反轉(zhuǎn)鍵來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。其結(jié)構(gòu)模塊如下圖所示 ： 圖 22 結(jié)構(gòu)模塊圖 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 6 總體設(shè)計(jì)概述 單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速簡介：單片機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “接通 ”和 “斷開 ”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的 “占空比 ”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此， PWM 又被稱為 “開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ”。本 系統(tǒng)以 89C51 單片機(jī)為核心，通過單片機(jī)控制， C 語言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的平滑調(diào)速。 系統(tǒng)控制方案的分析：本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM 調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并通過單片機(jī)控制速度的變化。本文所研究的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。而軟件部分，是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)，加以采集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)控制器所要實(shí) 現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動(dòng)對(duì)電機(jī)速度的有效控制。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 本系統(tǒng)采用 89C51 控制輸出數(shù)據(jù)，由 PWM 信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，送到直流電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的控制，達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的。 圖 231 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 7 3 單元 模塊設(shè)計(jì) 電源模塊 設(shè)計(jì) 功能介紹 圖 311 直流穩(wěn)壓電源的原理框圖和波形變換 由于電路中需要兩個(gè)電壓： 12V 和 5V，電源中用了 7812 和 7805 兩個(gè) 三端集成穩(wěn)壓 塊。如圖 首先通過變壓器把生活用電交流 220V 降為交流 18V，其次經(jīng)由四個(gè) IN4007 構(gòu)成的橋式整流電路變?yōu)榉底兓绷麟?，再?jīng)電容濾波變?yōu)榉底兓^小的直流電，利用直流穩(wěn)壓器 7812 使輸出為穩(wěn)定的 +12V，最后經(jīng)電容濾波，又利用直流穩(wěn)壓器 7805 使輸出為穩(wěn)定的 +5V，最后經(jīng)電容濾波，輸出紋波較小的 +5V 直流電壓源。圖中 D D2 在電路中氣保護(hù)作用 ，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護(hù)電路，防止電路中的電容放電時(shí)的高壓把 集成穩(wěn)壓器 燒壞。 電路設(shè)計(jì) 電源模塊電路設(shè)計(jì)如圖： 電氣工程學(xué)院 2020 年“萌芽計(jì)劃”科創(chuàng)訓(xùn)練計(jì)劃報(bào)告 8 圖 312 電源模塊原理圖 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇 ① 對(duì)整流電路 輸出電壓平均值： 輸出電流平均值： 對(duì)二極管