【正文】 ...................................................................... 31 系統(tǒng)調(diào)試與 結(jié)果分析 ............................................................................................ 31 故障調(diào)試及解決方式 ............................................................................................ 32 聯(lián)調(diào)結(jié)果 ................................................................................................................ 33 結(jié) 論 ................................................................................................................................. 36 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析 ............................................................................................................. 37 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 38 致 謝 ............................................................................................................................... 39 附錄 ? SPCE061A 系統(tǒng)原理圖 ............................................................................................ 40 附錄 ??單片機(jī)程序 ............................................................................................................... 41 附錄Ⅲ 元器件清單 ........................................................................................................... 51 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒 論 轉(zhuǎn)速測(cè)量 在 電機(jī)運(yùn)行的過程中，對(duì)其平穩(wěn)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效地反映電機(jī)的狀況。單片機(jī)的英文名稱是 Micro controller unit， 縮寫為 MCU，又稱為微控制器 。 它是一種面向控制的大規(guī)模集成電路芯片 ， 具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、應(yīng)用簡(jiǎn)單靈活，因而使用非常廣泛，有力地推動(dòng)各行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和更新?lián)Q代。 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，拖動(dòng)控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對(duì)電機(jī)調(diào)速的研究有著積極的意義 。 長(zhǎng)期以來，直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)中，而且一直在調(diào)速領(lǐng)域占居主導(dǎo)地位，這主要是因?yàn)橹绷麟姍C(jī) 不僅調(diào)速方便，而且在磁場(chǎng)一定的條件下，轉(zhuǎn)速和電樞電壓成正比，轉(zhuǎn)矩容易被控制；同時(shí)具有良好的起動(dòng)性能，能較平滑和經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)速度。因此采用直流電機(jī)調(diào)速可以得到良好的動(dòng)態(tài)特性。 由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起、制動(dòng)性能，宜與在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。在軋鋼機(jī)、礦井卷機(jī)、挖掘機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控硅電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。近年來交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)畢竟在理論上和在時(shí)間上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來，由于直流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)的 性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)，因此，直流調(diào)速系統(tǒng)一直在調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占重要位置。 變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓?？煽刂绷麟娫床捎渺o止可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷史 為： 1957 年，晶閘管問世，到了六十年代，已產(chǎn)生出成套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進(jìn)入晶閘管年代。到今天，晶閘管 —電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 V—M 系統(tǒng)中 V 是晶閘管可控硅整流器。它可以是單相、三相、或更多相數(shù)、半波、全波、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器裝置 GT 的開 展電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位、即可改變整流電壓的 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大的提高，而且在技術(shù)性能上也顯示較大的優(yōu)越性，晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 104 以上，其門極電流可以直接用晶體三極管來開展，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大裝置。在開展作用的快速性方面，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將會(huì)大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 直流電動(dòng)機(jī)因其可以方便地通過改變電樞電壓和勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速而得到廣泛的應(yīng)用，調(diào)節(jié)電樞串聯(lián)電阻 來改變電樞上的電壓，是最經(jīng)典的直流電機(jī)調(diào)速方法，有相當(dāng)部分的電能消耗在所串聯(lián)電阻上，很不經(jīng)濟(jì)在 80 年代，以晶閘管為功率開關(guān)器件的斬波調(diào)速器以其無級(jí)、高效、節(jié)能而得到大力推廣，但晶閘管斬波調(diào)速器不足之處是晶閘管一旦被觸發(fā)，其關(guān)斷必須依賴換流電容和換流電感振蕩產(chǎn)生反壓來實(shí)現(xiàn)，換流電容和電感增加了裝置的成本，也增加了換流損耗；電源電壓下降還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流失敗，使系統(tǒng)的可靠性降低；此外，由于晶閘管的開、關(guān)時(shí)間比較長(zhǎng)，加上存在換流環(huán)節(jié)，使得斬波器的工作頻率不能太高（一般在 300hz 以下），使得電機(jī)上的力矩脈動(dòng)和電流脈動(dòng)比 較嚴(yán)重，因此直流斬波調(diào)速呼喚快速自關(guān)斷器件。于是在 90 年代出現(xiàn)了以 IGBT 為代表，具有自關(guān)斷能力并可在高速下工作的功率器件作為開關(guān)元件的 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)成為更為先進(jìn)的直流調(diào)速方案。 近年來交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)畢竟在理論上和在時(shí)間上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)在調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)仍將占重要位置。 測(cè)速方法的發(fā)展 目前國內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生 過模擬測(cè)速法 ( 如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算 所得 ) 、同步測(cè)速法 ( 如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀 ) 以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。 傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式 ( 利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等 ) 、電容式 ( 對(duì)高 頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制 ) 等，還有一些特殊的測(cè)速器是利用置于旋 轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來發(fā) 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 生脈沖信號(hào)。其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測(cè)速系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率 和高精度的優(yōu)點(diǎn)。 由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、 CCD 器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。所以，本文選著數(shù)字測(cè)速的方法進(jìn)行試驗(yàn)。 測(cè)速系統(tǒng)的分類及組成 目前國內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測(cè)速法 (如 離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算所得 ) 、同步測(cè)速法 (如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀 ) 以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。 傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式 (利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等 )、電容式 (對(duì)高頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制 )等，還有一些特殊的測(cè)速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來發(fā)生脈沖信號(hào)。其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測(cè)速系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)。 由于數(shù)字測(cè)量方法靈活多樣， 可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵 、光學(xué)碼盤、 CCD 器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 課題任務(wù)及要求 本畢業(yè)設(shè)計(jì)要求利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和顯示。 主要內(nèi)容有： （ 1） 測(cè)速電路設(shè)計(jì)，包括測(cè)速脈沖產(chǎn)生、整形、計(jì)數(shù)等 ； 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 （ 2） 電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算，編程實(shí)現(xiàn)測(cè)速方法功能； （ 3） 轉(zhuǎn)速顯示功能實(shí)現(xiàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行方法改進(jìn)。 要求 直流電機(jī)速度測(cè)量 包括 下列功能： （ 1） 可設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速； （ 2） 可實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并在 LED 數(shù)碼管上顯示出來 。 基本要求： （ 1）學(xué)習(xí)直流電機(jī)基本理論和知識(shí)，閱讀主要參考文獻(xiàn)，收集有關(guān)資料，復(fù)習(xí)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)控制等相關(guān)知識(shí)，了解常規(guī)電機(jī)調(diào)速方法； （ 2）根據(jù)畢設(shè)任務(wù)要求學(xué)習(xí)數(shù)字測(cè)速方法并根據(jù)運(yùn)行情況進(jìn)行改進(jìn)，掌握基本的方案設(shè)計(jì)思路、軟件流程和相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式； （ 3）掌握一種編程語言，編寫程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能，細(xì)致調(diào) 試以達(dá)到預(yù)期效果，并會(huì)分析程序結(jié)果； （ 4）進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)； （ 5）撰寫論文 15000 字左右，翻譯 3000～ 5000 字外文資料。 本文內(nèi)容及章節(jié)安排 本文對(duì)直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，共分六章。第 1 章簡(jiǎn)要介紹了課題相關(guān)的的研究背景 及 整個(gè)任務(wù)的要求安排及 ；第 2 章是針對(duì)此次課題的任務(wù)進(jìn)行總體方案介紹；第 3 章具體介紹了直流電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)的總體方案設(shè)定，包括直流電機(jī)的測(cè)速方案、顯示方案，直流電機(jī)的控制方案的設(shè)計(jì)；第 4 章闡述了直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括 SPCE061A 最小系統(tǒng)， SPGT62C19B 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)芯片，轉(zhuǎn)速測(cè)量電路，數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)；第 5 章闡述了直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)速測(cè)量子程序 ，數(shù)碼管顯示子程序的設(shè)計(jì)；第 6 章是針對(duì)硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和整機(jī)連調(diào)的結(jié)果進(jìn)行了具體的分析和說明。 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 直流電機(jī) 數(shù)字 測(cè)速方法 數(shù)字測(cè)速方法 數(shù)字測(cè)速具有測(cè)速精度高、分辨能力強(qiáng)、受器件影響小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于調(diào)速要求高、調(diào)速范圍大的調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)。 數(shù)字測(cè)速方法主要有： 由光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測(cè)速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。 常用的脈沖數(shù)字（ P/D）轉(zhuǎn)換方法 有三種： （ 1 ） M 法 — 脈沖直接計(jì)數(shù)方法； （ 2 ） T 法 — 脈沖時(shí)間計(jì)數(shù)方法； （ 3 ） M/T 法 — 脈沖時(shí)間混合計(jì)數(shù)方法。 M 法測(cè)速 地 在一定的時(shí)間 Tc 內(nèi)測(cè)取光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù) 1M ，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作 M 法測(cè)速（如圖 所示）。把 1M 除以 Tc 就可得到脈沖發(fā)生器輸出脈沖的頻率 f1= 1M / Tc, 所以又稱頻率法 。電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn) 一圈共產(chǎn)生 Z 個(gè)脈沖（ Z＝倍頻系數(shù) *光電脈沖發(fā)生器碼盤孔數(shù)或光柵數(shù)），把 f1 除以 Z 就得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在習(xí)慣上，時(shí)間 Tc 以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù) r/min 為單位，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為： C1ZTM60?n （ ） 在上式中， Z 和 Tc 均為常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速 n 正比于脈沖個(gè)數(shù) 1M 。高速是 1M 大，量化誤差較小，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差增大，轉(zhuǎn)速過低時(shí) 1M 將小于 1，測(cè)速裝置便不能正常工作。所以 M 法測(cè)速只適用于高速段。測(cè)速時(shí)間、光電脈沖發(fā)生器輸出脈沖如 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 所示： 圖 M 法測(cè)速 T 法測(cè)速 在光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的間隔時(shí)間內(nèi)，用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率為 f0 的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由此來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作 T 法測(cè)速（如圖 所示）。在這里測(cè)速時(shí)間源于光電