【正文】 第1章 前言 課題的研究意義現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，尤其是在石油、化工、電力、冶金、輕工、核能等工業(yè)生產(chǎn)中對電動機(jī)的控制更是起著舉足輕重的作用。因此調(diào)速系統(tǒng)成為當(dāng)今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速，而且，當(dāng)今控制系統(tǒng)已進(jìn)入了計算機(jī)時代，在許多領(lǐng)域已實現(xiàn)了智能化控制。對傳統(tǒng)的過程工業(yè)而言，利用先進(jìn)的自動化硬件及軟件組成工業(yè)過程自動化調(diào)速系統(tǒng)，大大提高了生產(chǎn)過程的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、提高了勞動生產(chǎn)率，企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，同時，也大大促進(jìn)了綜合國力的增強(qiáng)。對可調(diào)速的傳動系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流調(diào)速系統(tǒng)憑借優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、范圍寬、精度高、過載能力大、動態(tài)性能好、易于控制以及良好的起、制動性能等優(yōu)點，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用。為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng))。對調(diào)速指標(biāo)要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對調(diào)速指標(biāo)較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。本次設(shè)計是基于51系列單片機(jī)對直流電動機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，能實現(xiàn)對直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制的功能，實現(xiàn)控制目的同時還配有顯示裝置，能實時反映當(dāng)下直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，以優(yōu)化整個系統(tǒng)的完整性。通過這次設(shè)計，可以使我對51系列單片機(jī)的應(yīng)用和直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，增強(qiáng)知識的整合度使相關(guān)知識融匯貫通，為以后的工作奠定一定的知識基礎(chǔ)。 直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展由于直流電動機(jī)具有極好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但是長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。當(dāng)然，近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展快，在許多場合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。但是就目前來看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動場合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此加強(qiáng)對直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展有利于更進(jìn)一步發(fā)展交流調(diào)速系統(tǒng)，促進(jìn)調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。首先直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展過程是一個從簡單到復(fù)雜、從開環(huán)到閉環(huán)、從單環(huán)到多環(huán)、從單向調(diào)速到可逆調(diào)速的不斷豐富完善的過程。不僅存在從單一調(diào)速方式向多種調(diào)速方式的縱向發(fā)展過程，而且每一種調(diào)速系統(tǒng)本身也都在發(fā)展完善之中。如開環(huán)閉環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)、三環(huán)、有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)和無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)都在不斷的完善和發(fā)展之中。單閉環(huán)不僅是轉(zhuǎn)速閉環(huán)一種，根據(jù)應(yīng)用要求不同可以采用電壓負(fù)反饋、電流補(bǔ)償?shù)忍娲胧?。有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前有兩種，無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前有三種，它們都在不斷完善和發(fā)展之中。其次，直流調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展都與其他學(xué)科存在緊密聯(lián)系。第一它與電機(jī)學(xué)有緊密地聯(lián)系，因為對于調(diào)速來說，電機(jī)是控制對象，對控制對象的研究越深入控制效果才會越好。第二與半導(dǎo)體變流技術(shù)的發(fā)展密不可分，電力電子技術(shù)元器件的性能越好可供選擇的種類越多，調(diào)速系統(tǒng)的性能才會越好。微型計算機(jī)的發(fā)展，尤其是微控制器的發(fā)展為直流調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展插上了翅膀。微控制器在這里的應(yīng)用，改變了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改變了傳感元件的檢測技術(shù)，并且使各種先進(jìn)控制算法得以實現(xiàn)。任何設(shè)計都不是終極設(shè)計，都在隨著其他科技的發(fā)展而不斷完善。 設(shè)計任務(wù)內(nèi)容根據(jù)課題要求研制以單片機(jī)為核心的直流電機(jī)測速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計主要包含以下任務(wù)：實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量；通過按鍵調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速值，在電機(jī)轉(zhuǎn)速的可控范圍內(nèi)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；實時顯示直流電機(jī)轉(zhuǎn)速實際測量值；利用控制電機(jī)定子電壓接通和斷開的占空比（PWM），即脈寬調(diào)速；本設(shè)計采用紅外對射傳感器將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率與速度一一對應(yīng)的脈沖信號，將脈沖信號送給單片機(jī)進(jìn)行檢測，最終計算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用四位一體八段數(shù)碼管顯示器，顯示測量值。對于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，選擇合適的PWM方式驅(qū)動實現(xiàn)。設(shè)計的總體模塊化方案如圖11所示，整個設(shè)計采用模塊化設(shè)計、分布調(diào)試、整體組合的方法。AT89S52單片機(jī)（測速、調(diào)速、顯示、計算、按鍵輸入及系統(tǒng)控制）顯示器按鍵測速電路直流電機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動電路PWM圖11 系統(tǒng)設(shè)計總體模塊化方案第2章 系統(tǒng)組成模塊原理概述 直流電機(jī)概述 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖21所示。圖21 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)模型如圖22所示，磁極N,S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面固定著線圈abcd。當(dāng)線圈流過電流的時候，線圈受到電磁力的作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過線圈中電流改變方向時，線圈的受力方向也將改變，因此通過改變線圈電流的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。圖22 直流電機(jī)工作原理模型 直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機(jī)的負(fù)載能力。額定電壓Ue：長期運行的最高電壓。額定電流Ie：長期運行的最大電流。額定轉(zhuǎn)速n：單位時間里面電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。勵磁電流If：施加到電極線圈上的電流。 直流電機(jī)的調(diào)速的技術(shù)指標(biāo) 調(diào)速范圍是指最低可控轉(zhuǎn)速到最高可控轉(zhuǎn)速的范圍，最低可控轉(zhuǎn)速對最高可控轉(zhuǎn)速的比值，叫電機(jī)的調(diào)速比。 所謂相對穩(wěn)定性，是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩在給定的范圍里面變化所引起的速度的變化，它決定于機(jī)械特性的斜率。靜差度（又稱靜差率）是指當(dāng)電動機(jī)在一條機(jī)械特性上運行時，由理想空載到滿載時的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速n0的比值。用百分?jǐn)?shù)表示，即 （21）在一般的情況下，取額定轉(zhuǎn)矩下的速度落差，有 （22）調(diào)速的平滑性是在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，相鄰兩極速度變化的程度，用平滑系數(shù)Φ表示，即 (23)式中和相鄰兩極，即i級與i1級的速度 調(diào)速時的容許輸出是指電動機(jī)在得到充分利用的情況下，在調(diào)速的過程中軸能夠輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。 單片機(jī)概述 單片機(jī)的簡介單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī)的發(fā)展史1975年，美國德克薩斯公司首次推出4位單片機(jī)TMS1000，此后各個計算機(jī)公司競相推出4位單片機(jī)。日本松下公司的MN1400系列。美國洛克威爾公司的PPS/1系列等。4位單片機(jī)的主要的應(yīng)用的領(lǐng)域有：PC機(jī)的輸入裝置、電池的充電器、運動器材、帶液晶顯示器的音/視頻產(chǎn)品控制器、一般家用電器的控制及遙控器、電子玩具、鐘表、計算器、多功能電話等。1972年，美國Intel公司首先推出8位微處理器8008，并與1976年9月率先推出MCS48系列單片機(jī)。在這以后，8位單片機(jī)紛紛面世。例如莫斯特克和仙童公司合作生產(chǎn)的3870系列，摩托羅拉公司生產(chǎn)的6801系列等。隨著集成電路工藝水平的提高，一些高性能的8位單片機(jī)相繼問世，例如1978年摩托羅拉公司的MC6801。這類單片機(jī)的尋址能力達(dá)到64KB，片內(nèi)ROM的容量達(dá)48KB，片內(nèi)除帶有并行I/O口，甚至還有A/D轉(zhuǎn)換器的功能。8位單片機(jī)由于性能強(qiáng)大，被廣泛用于自動化裝置，智能接口，過程控制等各領(lǐng)域。1983年以后，集成電路的集成度可達(dá)幾十萬只管/片，各系列16位單片機(jī)紛紛面世，這一階段的代表產(chǎn)品有1983年Intel公司推出的MCS96系列，1987年Intel公司推出了80C96 ，美國半導(dǎo)體公司推出了HPC16040。16位單片機(jī)主要用于工業(yè)控制，智能儀器儀表等場合。隨著高新技術(shù)智能機(jī)器人，激光打印機(jī)，圖像與數(shù)據(jù)實時處理，復(fù)雜實時控制，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，20世紀(jì)80年代末，推出了32位單片機(jī)，如摩托羅拉公司的MC683XX系列。32位單片機(jī)是單片機(jī)的發(fā)展趨勢，隨著技術(shù)的發(fā)展和開發(fā)成本的降低，將會和8位單片機(jī)并駕齊驅(qū)。近年來，64位單片機(jī)在引擎控制，智能機(jī)器人，磁盤控制，算法密集的實時控制場所已有應(yīng)用。如英國的Inmos 公司的Transputer T800是高性能的64位單片機(jī)。 單片機(jī)的特點，體積小，高可靠性 單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。單片機(jī)程序指令，常數(shù)及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內(nèi)，故可靠性高。 為了滿足對對象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件，即分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 ，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，～，而工作電流僅為數(shù)百微安。 片內(nèi)具有計算機(jī)正常運行所必需的部件。芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機(jī)的性能極高。為了提高速度和運行效率，單片機(jī)已開始使用RISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也已突破64KB的限制，有的已可達(dá)到1MB和16MB，片內(nèi)的R