【正文】 《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課 程 設(shè) 計(jì)單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)指導(dǎo)教師學(xué)院名稱工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)06自動(dòng)化（3）班設(shè)計(jì)提交日期2010年1月8日 設(shè)計(jì)答辯日期2010年1月8日 摘要在現(xiàn)實(shí)生活中的各個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)，都少不了電機(jī)的積極作用，所以，能夠控制好電機(jī)，一來能夠節(jié)約能耗，二來能使電機(jī)輸出我們所需要的效果，從而提高效率。本次課程設(shè)計(jì)本質(zhì)就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)輸出我們想要的轉(zhuǎn)速，為此，我們通過對(duì)STC89C52單片機(jī)的簡(jiǎn)單編程，同時(shí)與各種電路相互結(jié)合，達(dá)到對(duì)電機(jī)的手動(dòng)控制與自動(dòng)控制，同時(shí)可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行加、減速與正反轉(zhuǎn)控制，輸出轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)在硬件上采用了基于PWM技術(shù)的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路，解決了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率問題，在軟件上也采用較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法，提高了單片機(jī)的使用效率，且具有一定的防飛能力。在關(guān)于速度的反饋問題上，用光電開關(guān)作為測(cè)速反饋，以r/s表達(dá)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示，提供較為直觀的速度表示方式，與給定值進(jìn)行比較，可以更好地控制電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。目 錄1. 課程設(shè)計(jì)任務(wù) …………………………………………………………………………… 1 課程設(shè)計(jì)目的 ……………………………………………………………………… 1 課程設(shè)計(jì)要求 ……………………………………………………………………… 12. 設(shè)計(jì)方案 ………………………………………………………………………………… 1 驅(qū)動(dòng)方案 …………………………………………………………………………… 1 .觸發(fā)方案 …………………………………………………………………………… 7 .鍵盤方案 ……………………………………………………………………………10 顯示方案 ……………………………………………………………………………16 整體方案 ……………………………………………………………………………223. 調(diào)試及結(jié)果 ………………………………………………………………………………234. 過程、體會(huì)與收獲 ………………………………………………………………………235. 小組分工 …………………………………………………………………………………24附錄A 程序流程圖、系統(tǒng)程序參考文獻(xiàn) 課程設(shè)計(jì)目的1. 熟悉集成電路的引腳安排。2. 掌握各芯片、單片機(jī)的邏輯功能及使用方法。3. 了解電路板結(jié)構(gòu)及其接線方法。4. 了解單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制的組成及工作原理。5. 熟悉單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制的設(shè)計(jì)與制作。 課程設(shè)計(jì)要求1. 用鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的起/停、正/反轉(zhuǎn)控制。2. 速度調(diào)節(jié)要求既可用鍵盤數(shù)字量設(shè)定也可用電位器連續(xù)調(diào)節(jié)。3. 需要有速度顯示。4. 單閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制。5. 功能擴(kuò)展2. 設(shè)計(jì)方案 驅(qū)動(dòng)方案 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（簡(jiǎn)稱GM系統(tǒng)）1. 電路原理圖 2. 優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)：具有很好的調(diào)速性能、可逆運(yùn)行較容易，電機(jī)能在允許轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。缺點(diǎn)：需要的設(shè)備多、體積大、效率低、安裝需打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)不方便。 Cuk斬波電路1. 電路原理圖 電路圖 等效電路圖2. 電路原理分析V通時(shí)，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過電流V斷時(shí)，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分別流過電流輸出電壓的極性與電源電壓極性相反（），相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，也就是其對(duì)時(shí)間的積分為零，即（）的等效電路中，開關(guān)S合向B點(diǎn)時(shí)間即V處于通態(tài)的時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。開關(guān)S合向A點(diǎn)的時(shí)間為V處于斷態(tài)的時(shí)間toff，則電容電流和時(shí)間的乘積為I1 toff。由此可得從而可得當(dāng)電容C很大使電容電壓的脈動(dòng)足夠小時(shí)，輸出電壓Uo與輸入電壓E的關(guān)系可用以下方法求出：當(dāng)開關(guān)S合到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)電壓=0，A點(diǎn)電壓=；當(dāng)S合到A點(diǎn)時(shí)，=，=0因此，B點(diǎn)電壓uB的平均值為（UC為電容電壓uC的平均值），又因電感L1的電壓平均值為零，所以。另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為，且L2的電壓平均值為零，按圖2中輸出電壓Uo的極性，有。于是可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系：3. 優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)：輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波，只需要一個(gè)全控型開關(guān)器件，成本較低。缺點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)電源不能實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)，要想直流電機(jī)反轉(zhuǎn)必須兩個(gè)極性相反的電源，或需要一個(gè)變換電路以提供正負(fù)電源。 直流PWM變換器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)直流脈寬變換器，或稱直流PWM變換器，是在全控型電力電子器件問世以后出現(xiàn)的能取代相控整流器的直流電源。根據(jù)PWM變換器主電路的形式可分為可逆和不可逆兩大類。1. 可逆的PWM變換器1. 電路原理圖 2. 工作過程1）正向運(yùn)行狀態(tài)正脈沖電壓的寬度大于負(fù)脈沖的寬度 時(shí)，（說明：負(fù)載電流不是輕載） 時(shí)， 為正，VT1和VT4導(dǎo)通， 為負(fù)，VT2和VT3截止；，電樞電流 沿回路1流通。 時(shí)， 為負(fù)，VT1和VT4截止， 為正，VT2和VT3被鉗位保持截止； ， 沿回來2經(jīng)VD2和VD3續(xù)流。2）反向運(yùn)行狀態(tài) 正脈沖電壓的寬度小于負(fù)脈沖的寬度 時(shí)，（說明：負(fù)載電流不是輕載） 時(shí)， 為負(fù)，VT2和VT3截止。 為正，VT1和VT4被鉗位保持截止。 ，電樞電流 回路4經(jīng)VD1和VD4續(xù)流。 時(shí)， 為正，VT2和VT3流通。 為負(fù)，VT1和VT4截止。 ， 沿回路3流通。3）停止?fàn)顟B(tài) 正脈沖電壓的寬度等于負(fù)脈沖的寬度， 平均輸出電壓 ，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。3. 優(yōu)缺點(diǎn)分析 優(yōu)點(diǎn)：①電流一定連續(xù)；②電動(dòng)機(jī)能在四象限運(yùn)行；③電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，消除了靜磨擦死區(qū)；④低速平穩(wěn)性好，穩(wěn)速精度高，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1：20000左右；⑤低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 ⑥開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較少⑦系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)⑧主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高⑨直流電源采用不控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高缺點(diǎn)：①4個(gè)開關(guān)器件在工作中都處于開關(guān)狀態(tài)，在切換時(shí)容易容易發(fā)生上、下橋臂直通的事故②在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)③開關(guān)頻率f應(yīng)當(dāng)高于系統(tǒng)中所有回路的諧振頻率，防止引起共振④開關(guān)頻率f的上限受電力電子器件的開關(guān)損耗和開關(guān)時(shí)間的限制 驅(qū)動(dòng)芯片（AE2501B）1. 芯片AE2501B的原理AE2501B為集控制與電機(jī)驅(qū)動(dòng)于一體的兩功能推挽功率放大驅(qū)動(dòng)器，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該電路的兩個(gè)輸入端與TTL/CMOS電平兼容，具有良好的抗干擾性，兩個(gè)輸出端可直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道可通過500mA的持續(xù)電流，；同時(shí)具有較低的輸出飽和壓降，內(nèi)設(shè)抗浪涌保護(hù)電路適用于感性負(fù)載，使之在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管時(shí)安全可靠。引腳圖及接線圖如下： 引腳圖 功能表 接線圖特點(diǎn):1. 低靜態(tài)電流 2. 寬的電源電壓范圍：3—9V 3. 集控制與驅(qū)動(dòng)于一體 4. 峰值電流 ，持續(xù)工作電流 500mA 5. 內(nèi)置反相續(xù)流二極管，適于感性負(fù)載 6. 與標(biāo)準(zhǔn) TTL/CMOS 輸出電平兼容，方便接口 7. 當(dāng)輸入同為低時(shí)，馬達(dá)停止，電路處于低功耗待機(jī)狀態(tài) 8. 封裝形式為 SOP8/DIP82. 優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)：，電路耦合干擾小。，節(jié)省單片機(jī)輸入輸出接口。元件集成化更加穩(wěn)定可靠，成本也較低。、高頻特性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、安全工作區(qū)寬、無二次擊穿問題。，降低對(duì)濾波元器件的要求，減少了體積和重量。缺點(diǎn)： 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案選取由于本次課程設(shè)計(jì)時(shí)間有限，而且直流PWM變換器具有電流一定連續(xù)、低速平穩(wěn)性好、電機(jī)損耗和發(fā)熱都較少、快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，加上成本又不會(huì)高，實(shí)際應(yīng)用中電路故障也會(huì)比較少。所以我們選取直流PWM變換器。 觸發(fā)電路由555振蕩器構(gòu)成的鋸齒波發(fā)生器，2. 優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)： 1. 原理簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，穩(wěn)定性好； 2. 成本低，元器件簡(jiǎn)單，合格低廉。缺點(diǎn)：1. 線路較多，焊接時(shí)易出錯(cuò)； 2. 電路較復(fù)雜，不易于檢查，不易于維護(hù)； 3. 運(yùn)行故障率較高，易愛外界影響，從而影響了可靠性。 脈沖寬度調(diào)制器芯片對(duì)于此類用集成度極高的通用脈沖寬度調(diào)制器芯片有TL49SG3524，它由內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓源、鋸齒波振蕩器OSC、脈寬調(diào)制比較器C、功率管VT１和VT２以及邏輯輸出電路等組成。內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓源由15腳輸入840V的不穩(wěn)壓直流電壓，其穩(wěn)壓輸出為+5V，供片內(nèi)所有電路使用，并由16腳輸出5V的參考電壓供外部電路使用。鋸齒波振蕩器通過在6腳和7腳分別對(duì)地接上一個(gè)電阻和電容后，在7腳輸出一串頻率固定的鋸齒波，其振蕩頻率由下式?jīng)Q定：的單位為，為,f的單位為kHz。，為使充電電流在30—2,—100之間選擇。為了保證每一個(gè)方波脈沖都能使Ｄ觸發(fā)器可靠翻轉(zhuǎn)，應(yīng)在100—。SG3524的工作頻率為100Hz—300KHz.優(yōu)點(diǎn)：1. 電路集成化程度較高，簡(jiǎn)化了電路接線。2. 易于維修，成本降低。3. 更重要的是降低了運(yùn)行的故障率，提高了第統(tǒng)的可靠性。缺點(diǎn)：1. 電路一旦出現(xiàn)問題要整塊芯片要更換。 2. 不利于分步查錯(cuò)。 直流斬波電路負(fù)載平均電壓值為：其中，為V導(dǎo)通時(shí)間，為V關(guān)斷時(shí)間，T為開關(guān)周期，為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比。輸出到負(fù)載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。負(fù)載電流平均值為： 全可控器件V可以使用IGBT，門極電壓可由前面的鋸齒波脈沖寬度調(diào)制器產(chǎn)生的波形來控制。 直接電位器調(diào)速 直接電位器調(diào)速這種方式原理上是用一個(gè)可調(diào)電位器與直流電機(jī)串聯(lián)，通過調(diào)節(jié)電位器的阻值調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電樞電壓以實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。在具體實(shí)現(xiàn)上具有電路簡(jiǎn)單、方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是耗能比較大，調(diào)速不夠精確等不足之處。 觸發(fā)電路方案的選取 對(duì)于觸發(fā)電路方案的確定，由于這次課程設(shè)計(jì)的要求不高、調(diào)速