【正文】 .................19 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 LED 簡介 ...............................................................................................................19 LED 七段數(shù)碼管的結(jié)構(gòu) .......................................................................................20 鍵盤電路設(shè)計 ............................................................................................................20 整體硬件電路圖 …………………………………………………………………… 21 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ...................................................................................................................22 主程序流程圖 ........................................................................................................22 直流電機(jī)速度控制程序設(shè)計 ................................................................................22 鍵盤程序程序流程 ................................................................................................24 定時程序流程 ........................................................................................................25 6 系統(tǒng)調(diào) 試 …………… .......................................................................................................27 keilc51 軟件簡介 ……………………………………………………………… ..27 系統(tǒng) Proteus 仿真 …………………… ...................…………………………… ...27 仿真結(jié)果分析 ………………………………………………………………… .....30 總結(jié)與展望 ......................................................................................................................… ..34 致 謝 ....................................................................................................................................35 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................36 附 錄 ....................................................................................................................................37 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 1 頁 共 51 頁 1 緒論 課題背景 直流電動機(jī)電力拖動與交流電動機(jī)電力拖動在 19 世紀(jì)中葉先后誕生，直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單，轉(zhuǎn)矩易于控制。其換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦。 1960年以來，晶閘管整流器的應(yīng)用，使得直流拖動控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對滯留拖動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計也有了一套實用的工程設(shè)計方法。電機(jī)在各行各業(yè)發(fā)揮著重要的作用，而電機(jī)轉(zhuǎn)速是電機(jī)重要的性能指標(biāo)之一，因而測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的調(diào)速，使它滿足人們的各種需要，更顯得重要。隨著科技的發(fā)展， PWM 調(diào)速成為電機(jī) 調(diào)速的新方式，并憑借它的開關(guān)頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點，在電機(jī)調(diào)速中被普遍運用。利用單片機(jī)對直流電機(jī)進(jìn)行直接的控制具有準(zhǔn)確的自動調(diào)節(jié)作用。 在實際應(yīng)用中，電動機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟動制動性能良好，且能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在電力、冶金、機(jī)械制造等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小但低 速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。 傳統(tǒng)的改變端電壓的方法是通過調(diào)節(jié)電阻來實現(xiàn)的，但這種調(diào)壓方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展。創(chuàng)造了許多新的電樞電壓控制方法。其中脈寬調(diào)制 (Pulse Width Modulation， PWM)是常用的一種調(diào)速方法，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 直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，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)速還是交流拖湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 2 頁 共 43 頁 動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電 動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、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，為直流電動機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。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，但是因為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，直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没殡S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)入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。 研究方法 本文主要研究了利用 MCS51 系列單片機(jī)，以鍵盤作為輸入達(dá)到控制直流電機(jī)的啟停、速度和方向，完成了基本要求和發(fā)揮部分的要求。在設(shè)計中，采用了 PWM 技 術(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制，通過對占空比的計算達(dá)到精確調(diào)速的目的。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為 PWM 控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。 本文介紹了直流電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型、脈寬調(diào)制（ PWM）控制原理，根據(jù)模型，利用 PROTEUS 軟件對各個子電路及整體電路進(jìn)行了仿真，確保設(shè)計的電路能夠滿足性能指標(biāo)要求，并給出了仿真結(jié)果。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 3 頁 共 43 頁 2 基本原理闡述 直流電機(jī)調(diào)速 直流電機(jī) 原理 直流電動機(jī)，多年來一直用作基本的換能器。絕大多數(shù)的直流電動機(jī)都是由電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩而實現(xiàn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動的。圖 21 為直流電機(jī)的物理模型圖，其中，固定部分（定子）由磁鐵（稱為主磁極）和電刷組成；轉(zhuǎn)動部分（轉(zhuǎn)子）由環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由 A 和 B 兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置 著一對固定不動的電刷 B1 和 B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向器和電刷與外電路接通。 圖 21直流電機(jī)的物理模型圖 直流電動機(jī)的工作原理如圖 22 所示。給兩個電刷加上直流電源，如圖 22 所示，有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab和 cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動；如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖 22 所示的位置，電刷 A 和換向片 2 接觸，電刷 B 和換向片1 接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是 dcba，從電刷 B 流出。此時載流導(dǎo)體 ab 和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N 極下，其中通過電流的方向總是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下時，總是從電刷 B 流出的方向，這就保證了每個磁極下線圈邊中的電流始終是一個方向，這樣的結(jié)構(gòu)，就可使電動機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 4 頁 共 43 頁 圖 22 直流電機(jī)原理圖 直流電機(jī)調(diào)速方法 根據(jù)勵磁方式不同，直流電機(jī)分為自勵和他 勵兩種類型 。不同勵磁方式的直流電機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。對于直流電機(jī)來說，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速方程式為： ?eK IRUn ?? （ 21） 式中 n— 轉(zhuǎn)速 （ r/min）； U— 電樞電壓 （ V）； I— 電樞電流 （ A）； R— 電樞回路總電阻 （ ? ）； ? — 勵磁磁通 （ Wb）； K? — 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。 由公式（ 21）可知，直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。 aI 變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需 要大容量可調(diào)直流電源。 （ 2）改變電動機(jī)主磁通 ? 。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。 fI 變化時間遇到的時間常數(shù)同 aI 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。 （ 3）改變 電樞回路電阻 R。在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。 基于以上特性，改變電樞電壓，實現(xiàn)對直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。改變電樞湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計 第 5 頁 共 43 頁 電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，如晶閘管供電速度控制系統(tǒng)大功率晶體管速度控制系統(tǒng)、直流發(fā)電機(jī)供電速度控制系統(tǒng)及晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等。 調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種： （ 1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī) 組。用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 （ 2）靜止可控整流器 （簡稱 VM 系統(tǒng)） 。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。 （ 3）直流斬