【正文】 .. 14 系統(tǒng)硬件組成 .............................................................................................................. 15 小結(jié) ............................................................................................................................ 16 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................................................................................ 17 AT89S51 單片機(jī)特性及管腳說(shuō)明 ................................................................................... 17 直流電源電路 .............................................................................................................. 19 PWM 波形發(fā)生原理 ...................................................................................................... 20 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 .............................................................................................................. 20 鍵盤電路 ..................................................................................................................... 22 LED 顯示電路 .............................................................................................................. 23 測(cè)速電路 ..................................................................................................................... 24 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路 .................................................................................................... 25 小結(jié) ............................................................................................................................. 26 4 軟件系統(tǒng) 設(shè)計(jì) ........................................................................................................................ 27 主程序 ......................................................................................................................... 27 鍵盤掃描子程序 ........................................................................................................... 28 PWM 信號(hào)發(fā)生程序 ..................................................................................................... 30 測(cè)速子程序 ................................................................................................................. 30 顯示子程序 ................................................................................................................. 32 小結(jié) ............................................................................................................................ 33 結(jié)論 ......................................................................................................................................... 35 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 37 致謝 ......................................................................................................................................... 39 附錄 A 硬件電路原理圖 .......................................................................................................... 41 1 緒論 化工學(xué)院 1 1 緒論 課題研究的背景 直流電機(jī)是最常見(jiàn)的一種電機(jī)，由于它具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因此在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，例如交通、機(jī)械、化工、航空等領(lǐng)域中。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，由運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，其控制系統(tǒng)的硬件部分復(fù)雜不靈活、功能單一 、調(diào)試?yán)щy、觸發(fā)精度易受外界影響以及觸發(fā)脈沖不對(duì)稱度較大等等，這些都阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著近代電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，單片機(jī)成為了直流電機(jī)調(diào)速不可或缺的一部分。單片機(jī)具有小巧靈活、成本低、可靠性好、適應(yīng)溫度范圍寬、易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件的模擬電路相比，使用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的控制器，使得電路更加簡(jiǎn)單。單片機(jī)有很強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度和精度高，有大容量的存儲(chǔ)單元，使用單片機(jī)微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn) 較復(fù)雜的控制。由于單片機(jī)的控制方式是由軟件完成的，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只需修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)時(shí)，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便且無(wú)零點(diǎn)漂移。所以在電氣傳動(dòng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中受到重視和普遍應(yīng)用。利用單片機(jī)邏輯功能強(qiáng)和軟件靈活的優(yōu)點(diǎn)，不僅可使很多控制硬件軟件化，便于參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整而且可以同時(shí)對(duì)系統(tǒng)工作中的各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷、檢測(cè)和及時(shí)處理，加強(qiáng)了實(shí)時(shí)維護(hù)和提高了控制系統(tǒng)的可靠性 [1]。在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要設(shè)備，因此要求其具有較好的能量轉(zhuǎn)換效率 和能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)調(diào)速性能決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。所以，電機(jī)調(diào)速一直是近些年來(lái)研究的熱點(diǎn)。 選題的目的和意義 近年來(lái)各種類型的電機(jī)層出不窮，然而在自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子儀器設(shè)備等方面，直流電機(jī)的應(yīng)用還是占有突出地位。直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，其調(diào)速平滑，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，抗沖擊負(fù)載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)、加 /減速和正 /反轉(zhuǎn)。為了滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)調(diào)速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電樞 電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，通過(guò) PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。 PWM 即脈寬調(diào)制技術(shù)，它是 利用半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的周期和寬度以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的周期和寬度以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。 PWM 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)擁有需用的功率元件少、線路簡(jiǎn)單、控制方便、開(kāi)關(guān)頻率高、低速性能好、穩(wěn)速精度高及調(diào)速范圍寬、控制方式多樣化、能與數(shù)字速度給定信號(hào)直接接口等優(yōu)點(diǎn)，在工廠企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，有利于國(guó)家工業(yè)化的發(fā)展 [2]。 近年來(lái)，電青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)： 基于單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 化工 學(xué)院 氣 傳動(dòng)的 PWM 控制技術(shù)已成為電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。 通過(guò)學(xué)習(xí)并熟練掌握這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)我今后的工作有十分重要的意義。 研究方法 文中主要介紹了利用 MCS51 系列單片機(jī)，通過(guò) PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法。 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。 本文就是利用這種控制方式來(lái)改變電壓的占空比實(shí) 現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。 設(shè)計(jì)中選用了AT89S51 單片機(jī)，基本實(shí)現(xiàn)了用軟件產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，并且通過(guò)單片機(jī)將信號(hào)傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小型直流電機(jī)的啟停、方向、加速和減速的控制。設(shè)計(jì)中還采用了霍爾傳感器 CS3020 來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)速。與以往的模擬測(cè)速相比較，這種方法不僅精度高，而且安全穩(wěn)定，維護(hù)方便。 國(guó)內(nèi)外電機(jī)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 常用的控制直流電機(jī)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(jī)電樞供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行設(shè)備制造方便 ，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)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(jī) —電動(dòng)機(jī)（也稱為旋轉(zhuǎn)變流組），配合采用電磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、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(diǎn)，特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過(guò)發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機(jī) —電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè) 備，因而體積大，維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī) —電動(dòng)機(jī)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(jī) —電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn)：維修還是不太方便，特別是水銀蒸氣對(duì)維護(hù)人員會(huì)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(dú)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(qiáng)大的生命力 [3]。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，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)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流器裝置的放大倍數(shù)在 10000 以上，比機(jī)組（放大倍數(shù) 10）高 1000 倍，比汞弧變流器（放大倍數(shù) 1000）高 10 倍；在響應(yīng)快速性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。 從 20 世紀(jì) 80 年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動(dòng)完成一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路也實(shí)現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。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(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā) 展。 1 緒論 化工學(xué)院 3 隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開(kāi)關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以及自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)控制裝置也不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使直流電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動(dòng)了電氣傳動(dòng)的發(fā)展。近年來(lái)，一些先進(jìn)國(guó)家陸續(xù)推出并大量使用以微機(jī)為控制核心的直流電氣傳動(dòng)裝置，如西門子公