【正文】 ......................................................... 15 LED 顯示電路設(shè)計 .......................................................................................................... 16 四位一體數(shù)碼管顯示 ............................................................................................. 16 數(shù)碼管顯示電路 ..................................................................................................... 17 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .................................................................................................................. 19 IV 主程序流程圖 .................................................................................................................. 19 PWM 脈寬調(diào)速子程序流程圖 ........................................................................................ 19 按鍵處理子程序流程圖 .................................................................................................. 21 第六章 系統(tǒng)調(diào)試 .......................................................................................................................... 23 本系統(tǒng)的編譯器 .............................................................................................................. 23 綜合調(diào)試 .......................................................................................................................... 24 仿真演示 .......................................................................................................................... 24 結(jié)論 ................................................................................................................................................ 28 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................ 29 附錄一 ............................................................................................................................................ 30 致謝 ................................................................................................................................................ 37 1 第一章 緒論 課題研究的背景 在 當(dāng)代 的工業(yè) 生產(chǎn) 中， 電動機 是 很重 要的驅(qū)動設(shè)備， 特別 是直流電機， 因為其 平滑調(diào)速性 以及簡單的 結(jié)構(gòu)，使其成為許多電器，如洗衣機， 升降 梯等的驅(qū)動 。直流電機 擁有很好 的調(diào)速 特點 ， 其 調(diào)速平滑、 簡單 ，調(diào)速范圍 大 ， 可以抵抗多次 沖擊， 能夠完成 快速起動以及 反轉(zhuǎn)； 可以完成生活中生產(chǎn)的 要求，在 很多領(lǐng)域內(nèi) 得到 使用 [1]。 而對于直流電機的控制 方式 ，最 常用 的莫過于用可控硅 設(shè)備 向電動機供電，即 KZ— D拖動系統(tǒng)。 剛開始 的控制系統(tǒng) 為 發(fā)電機 — 電動機系統(tǒng)， 十分 的笨重。 由 單片機 以及 電力電子技術(shù) 廣泛 應(yīng) 用， 讓 直流電機調(diào)速系統(tǒng)從 以前 模擬化向 現(xiàn)在的 數(shù)字化 改 變。脈寬調(diào)制， 也成為 當(dāng)今 應(yīng) 用最 常用 的 方式 。它源于電力電子的橋式電路，通過單片機可進(jìn)行單 一 的模擬，而將它們 聯(lián)合 起來，進(jìn)行方向 的 控制 是通過 電力電子元件組橋，而由單片機 發(fā)出 PWM 波掌管 晶閘管的門極。調(diào)節(jié)占空比就 能夠 控制電機的平均電壓，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。 PWM控制即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值 ） [2]。 伴隨著 科學(xué)的 快速 發(fā)展 ， 模擬 以及 數(shù)字電路 現(xiàn)在已經(jīng) 被大規(guī)模集成電路 替代 ， 而因為這就 讓 數(shù)字 調(diào)制技術(shù) 得到發(fā)展 。 現(xiàn)在 ， 非常多采用 數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。 而 電動機調(diào) 節(jié) 速 度系統(tǒng)采用微機 完成 數(shù)字化 操控 ， 這也 是電氣發(fā)展的 重要 方向之一。 其 采用微機控制后， 讓調(diào)速系統(tǒng) 完成 全數(shù)字化 運作 ， 而且其 結(jié)構(gòu) 不復(fù)雜 、 安全性 高、操作 不難 ,其每個 指標(biāo) 都可以很好完成現(xiàn)實 生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求 [3]。 選題的目的和意義 直流電動機調(diào)速應(yīng)用于實際中 很多地方 ， 家電 ， 工業(yè) 等，因為它能夠在一個 非常 大的范圍內(nèi)平滑調(diào)速。但是早起 用 模擬元件 作 為 操控 裝置的系統(tǒng)， 因其 模擬元件 自身 的缺陷，讓其 功能簡單 ， 硬件復(fù)雜，誤差大，不靈活， 不能進(jìn)行 精 準(zhǔn) 的調(diào)速 [4]。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，即使能完成生產(chǎn)，但其器械操作時很容易被其他因素干擾，其線路結(jié)構(gòu)也相對不簡單，操控效果也能被濕度，環(huán)境等條件影響。所以其安全性不高。 單片機的使用解決了這個問題的一部分，誤差大的問題可以讓許多完善的算法來搞定，還能降低硬件的復(fù)雜性。讓直流調(diào)速慢慢從模擬化到數(shù)字化改變，讓直流調(diào)速步入一個更加智能和可靠的新階段。 研究現(xiàn)狀 電力電子技術(shù)、功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展對電機控制技術(shù)的發(fā)展影響極大，它們是密切 2 相關(guān)、相互促進(jìn)的。近 30 年來，電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動和改變著電機控制的面貌和應(yīng)用。 在單向電機的電子驅(qū)動電路中，主要的器件是晶閘管，后來是用相位控制的雙向可控硅。在這以后，這種半控型功率器件一直主宰著電機控制的市場。到 70 和 80 年代才先后出現(xiàn)全控型功率器件 GTO 晶閘管和 GTR 晶閘管等 [4]。利用這種有關(guān)斷能力的器件，取消了原來普通晶閘管系統(tǒng)所必須的換相電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了工作頻率，降低了噪音，也縮小了電力電子裝置的體積和重量。后來逐漸由 PWM 變流器所替代，明顯的擴大了電機控制的調(diào)運范圍，提高了調(diào)速精度，改善了效率 [5]。 常用的控制直流電機調(diào)速有以下幾種方法：第一，最初的直流調(diào)速系 統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便，價格低廉，但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二， 30 年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機 電動機，配合采用電磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等優(yōu)點，特別是當(dāng)電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易的將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的止動特性，另一方面又可以減少能量的損耗，提高效率。但 發(fā)電機 電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大，維修困難。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器代替上述發(fā)電機 電動機系統(tǒng)，是調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機 電動機所不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點：維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護(hù)人員會造成一定的危害等。第四， 1957 年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其他變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽 命長、維修簡單等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和可靠性有所提高，而且在技術(shù)上也能顯示出很大的優(yōu)越性 [6]。 從 20 實際 80 年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了遺忘的直流電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成了一次大的躍進(jìn)。同時，控制電路也實現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本 [7]。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。 隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對自動化的需求也越來越高，直流電機的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大 。例如，軍事和航空方面的雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，飛船光電池對太陽的跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，加工設(shè)備，數(shù)控機床，工業(yè)機器人，印刷機械，紡織機械和壓縮機；計算機外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的驅(qū)動器，繪圖儀，打印機，傳真機等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機，錄像機，數(shù)碼相機，洗衣機等 [8]。 數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上它能成功的做到從給定信號、調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機，同 3 一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對不同類型的 被控對象進(jìn)行控制，強大的通訊功能是它易于和其他各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，彌補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點，如查找故障迅速、維護(hù)簡單，使其具備了廣闊的應(yīng)用前景 [9]。 我國從 20 世紀(jì) 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管電流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟(jì)各 部門得到廣泛應(yīng)用。 我國關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要由：綜合性最優(yōu)控制，補償 PID 控制， PID 算法優(yōu)化 [10]。隨著 PWM 技術(shù)的發(fā)展，我國直流電機調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制方向發(fā)展。目前我國大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速設(shè)備還是依靠進(jìn)口。但由于進(jìn)口設(shè)備價格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間，所以國內(nèi)許多院校，科研單位和廠家都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。 課題的主要內(nèi)容 根據(jù)直流電機調(diào)速的控制要求確認(rèn)整體的設(shè)計方案，完成單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 [11]。該系統(tǒng)能實現(xiàn)用軟件產(chǎn)生 PWM 信 號，并且通過單片機對 L298 驅(qū)動芯片的信號傳輸達(dá)到對電機的啟動和停止，加速和減速。 本次設(shè)計的單片機的直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)完成的主要內(nèi)容如下： 設(shè)計單片機最小系統(tǒng)電路； 設(shè)計電機驅(qū)動電路； 設(shè)計 LED 顯示電路顯示轉(zhuǎn)速的等級； 設(shè)計鍵盤控制電路。實現(xiàn)對直流電機的轉(zhuǎn)速的控制。 設(shè)計掉電存儲電路，當(dāng)系統(tǒng)掉電后可以把當(dāng)前的信息存儲在存儲器中。 編寫單片機軟件程序，繪制電路原理圖。 4 第二章 直流電機的 工作 原理 直流電機的結(jié)構(gòu) 模型 中，不可以轉(zhuǎn)動的裝置有磁鐵、電刷，磁鐵裝置也叫做主 磁極?？梢赞D(zhuǎn)動的裝置有環(huán)形鐵心以及環(huán)形鐵心上的繞組。 (這里的 2 個小圓圈是為了簡明的示意該位置上的導(dǎo)體電勢或電流的方向 ) 圖 21 展現(xiàn) 的是兩極直流電機模型， 其 在不可以轉(zhuǎn)動裝置（定子）上安裝了兩個具有直流勵磁的靜止不動的主磁極 S 以及 N，在 其 可以轉(zhuǎn)動裝置（轉(zhuǎn)子）上安裝電樞鐵心。級直流電機模型中，轉(zhuǎn)子以及定子中間存有空隙。向電樞鐵心上安放了 A 以及 X 兩條導(dǎo)體連結(jié)成的電樞線圈，線圈開頭以及末尾各自連結(jié)到兩個銅片上，這銅片叫做換向片。兩個換向片必須要彼此絕緣，由換向片組成的裝置叫做換向器。安放裝置時，換向器一定要固定安放 在轉(zhuǎn)軸上面。在其上安置著兩個固定電刷 B1 和 B2，每次電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈就可以經(jīng)電刷 和 換向片來與外電路進(jìn)行接通 [12]。 圖 21 直流電機物理模型圖 直流電機的基本工作原理 在上段話描述的直流電機中