【正文】 論文題目：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器硬件設(shè)計(jì)專業(yè)：本科生： （簽名）＿＿＿＿指導(dǎo)教師： （簽名）＿＿＿＿直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器硬件設(shè)計(jì)摘 要 直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合,為使機(jī)械設(shè)備以合理速度進(jìn)行工作則需要對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。該實(shí)驗(yàn)中搭建了基于C8051F020單片機(jī)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，利用PWM信號(hào)改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓，并由軟件完成轉(zhuǎn)速單閉環(huán)PI控制，旨在實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并對(duì)PI控制原理及其參數(shù)的確定進(jìn)行更深的理解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，控制8位PWM信號(hào)輸出可平滑改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)升速、降速及反轉(zhuǎn)等功能。實(shí)驗(yàn)中使用霍爾元件進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)、反饋。期望轉(zhuǎn)速則可通過功能按鍵給定。、電機(jī)轉(zhuǎn)速可以在3秒左右達(dá)到穩(wěn)定。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，該單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，達(dá)到預(yù)期效果。關(guān)鍵字：直流電機(jī)， C8051F020，PWM，調(diào)速，數(shù)字式Subject: Hardware Design of Speed Regulator for DC motorMajor: Name: (Signature)＿＿＿＿Instructor: (Signature) ＿＿＿＿Hardware Design of Speed Regulator for DC motorAbstract The dc motor is a widely used machine in various speed regulaiting systerm is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment,the digital Closeloop control systerm is based on C8051F020 used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI to experiment ,the armature voltage can be controlled linearnized with regulating the 8 bit the dc motor can accelerate or decelerate or experiment, hall ponent is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by using the PI regulator,the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as and I value as . At last,the experiment shows that the speed regulating systerm can work as expected.Key words: dc motor,C8051F020,PWM,speed regulating,digital目錄第一章 緒論 1 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 2 國(guó)外發(fā)展概況 3 總結(jié) 4 本課題研究目的及意義 4 論文主要研究?jī)?nèi)容 4第二章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器工作原理 6 直流電機(jī)調(diào)速方法及原理 6(脈寬調(diào)制)調(diào)速工作原理 7 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理 11 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 11 12 13 14 采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) 15 數(shù)字式轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)原理 17 17 數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理 18第三章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器硬件設(shè)計(jì) 20 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體方案及框圖 20 20 總體框圖 20 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 20 C8051F020單片機(jī) 20 單片機(jī)簡(jiǎn)介 20 使用可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列獲得8位PWM信號(hào) 23 單片機(jī)端口配置 23 25 LED顯示電路 26 按鍵控制電路 27 轉(zhuǎn)速檢測(cè)、反饋電路 28 12V電源電路 30 31第四章 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果及討論 32 實(shí)驗(yàn)條件及運(yùn)行結(jié)果 32 開環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 32 單閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 32 結(jié)果分析及討論 32 實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及討論 33結(jié)論 34致謝 35參考文獻(xiàn) 36論文小結(jié) 38附錄1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器硬件設(shè)計(jì)電路圖 39附錄2 直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)程序清單 42附錄3 硬件實(shí)物圖 57第一章 緒論在現(xiàn)代工業(yè)中，電動(dòng)機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油化學(xué)、國(guó)防等工業(yè)部門中，隨著對(duì)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。在可調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，按照傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型來分，可分為兩大類：直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。交流電動(dòng)機(jī)直流具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維修簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，但主要缺點(diǎn)為調(diào)速較為困難。相比之下，直流電動(dòng)機(jī)雖然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較高、維修麻煩等缺點(diǎn)，但由于具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和良好的起、制動(dòng)性能以及易于在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，因此直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生翻天覆地的變化。其中電機(jī)的控制部分已經(jīng)由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)，并正向全數(shù)字控制方向快速發(fā)展。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分所用的功率器件亦經(jīng)歷了幾次更新?lián)Q代。目前開關(guān)速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動(dòng)機(jī)控制方法能夠得到實(shí)現(xiàn)。脈寬調(diào)制控制方法在直流調(diào)速中獲得了廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入70年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強(qiáng)、可靠性高的大規(guī)模集成電路微處理器已經(jīng)商品化，把電機(jī)控制推上了一個(gè)嶄新的階段，以微處理器為核心的數(shù)字控制（簡(jiǎn)稱微機(jī)數(shù)字控制）成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制器的主要形式。PWM常取代數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）用于功率輸出控制，其中，直流電機(jī)的速度控制是最常見的應(yīng)用。通常PWM配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大。在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。目前，電機(jī)調(diào)速控制模塊主要有以下三種：（1）、采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整直流電機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的；（2）、采用繼電器對(duì)直流電機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整；（3）、采用由IGBT管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制IGBT管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 我國(guó)從六十年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)開始得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。用于中、小功率的 ～200KW晶閘管直流調(diào)速裝置已作為標(biāo)準(zhǔn)化、系列化通用產(chǎn)品批量生產(chǎn)。目前，全國(guó)各大專院校、科研單位和廠家都在進(jìn)行數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)，提出了許多關(guān)于直流調(diào)速系統(tǒng)的控制算法：（1）、直流電動(dòng)機(jī)及直流調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)辯識(shí)的方法。該方法據(jù)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，應(yīng)用最小二乘法，即可獲得系統(tǒng)環(huán)節(jié)的內(nèi)部參數(shù)。所獲得的參數(shù)具有較高的精度，方法簡(jiǎn)便易行。（2）、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)?？刂品椒?。該方法依據(jù)內(nèi)?？刂圃恚槍?duì)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種內(nèi)?？刂破鳎〈Ｒ?guī)的PI調(diào)節(jié)器，成功解決了轉(zhuǎn)速超調(diào)問題，能使系統(tǒng)獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，而且設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，控制器容易實(shí)現(xiàn)。（3）、單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制的方法。該方法針對(duì)直流傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制策略。這種單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)不僅具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，而且還具有令人滿意的魯棒性與自適應(yīng)性。（4）、模糊控制方法。該方法對(duì)模糊控制理論在小慣性系統(tǒng)上對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了嘗試。，模糊控制理論可以用于直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的限流起動(dòng)和恒速運(yùn)行控制，并能獲得理想的控制曲線。上訴的控制方法僅是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用和研究的一個(gè)側(cè)面，國(guó)內(nèi)外還有許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了不同程度的研究。 國(guó)外發(fā)展概況 隨著各種微處理器的出現(xiàn)和發(fā)展，國(guó)外對(duì)直流電機(jī)的數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的研究也在不斷發(fā)展和完善，尤其80年代在這方面的研究達(dá)到空前的繁榮。大型直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)一般采用晶閘管整流來實(shí)現(xiàn)，為了提高調(diào)速系統(tǒng)的性能，研究工作者對(duì)晶閘管觸發(fā)脈沖的控制算法作了大量研究，提出了內(nèi)?？刂扑惴?、IP控制器取代PI調(diào)節(jié)器的方法、自適應(yīng)和模糊PID算法等等。 目前，國(guó)外主要的電氣公司，如瑞典ABB公司，德國(guó)西門子公司、AEG公司，日本三菱公司、東芝公司、美國(guó)GE公司等，均已開發(fā)出數(shù)字式直流調(diào)裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模版化的應(yīng)用產(chǎn)品供選用。如西門子公司生產(chǎn)的SIMOREGK 6RA24 系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數(shù)字控制裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊，用于直流電機(jī)電樞和勵(lì)磁供電，完成調(diào)速任務(wù)。設(shè)計(jì)電流范圍為15A至1200A，并可通過并聯(lián)SITOR可控硅單元進(jìn)行擴(kuò)展。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可選擇單象限或四象限運(yùn)行的裝置，裝置本身帶有參數(shù)設(shè)定單元，不需要其它任何附加設(shè)備便可以完成參數(shù)設(shè)定。所有控制調(diào)節(jié)監(jiān)控及附加功能都由微處理器來實(shí)現(xiàn)，可選擇給定值和反饋值為數(shù)字量或模擬量。 總結(jié) 隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)直流電氣傳動(dòng)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用直流調(diào)速系統(tǒng)。因此人們對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究將會(huì)更深一步。 本課題研究目的及意義直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來，直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。因此研究直流電機(jī)的速度控制，有著非常重要的意義。隨著單片機(jī)的發(fā)展，數(shù)字化直流PWM調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，控制方法也日益成熟。它對(duì)單片機(jī)的要求是：具有足夠快的速度；有PWM口，用于自動(dòng)產(chǎn)生PWM波；有捕捉功能，用于測(cè)頻；有A/D轉(zhuǎn)換器、用來對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、輸出電壓和電流的模擬量進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；有各種同步串行接口、足夠的內(nèi)部ROM和RAM，以減小控制系統(tǒng)的無力尺寸；有看門狗、電源管理功能等。因此該實(shí)驗(yàn)中選用Cygnal公司的單片機(jī)C8051F020。通過設(shè)計(jì)基于C8051F020單片機(jī)的直流PWM調(diào)速系統(tǒng)并調(diào)試得出結(jié)論，在掌握C8051F020的同時(shí)進(jìn)一步加深對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法、PI控制器的理解，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行鞏固。 論文主要研究?jī)?nèi)容 本課題的研究對(duì)象為直流電動(dòng)機(jī)，對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制?；舅枷胧抢肅8051F020自帶的PWM口，通過調(diào)整PWM的占空比，控制電機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為：以C8051F020為核心，由轉(zhuǎn)速環(huán)、顯示、按鍵控制等電路組成。 具體內(nèi)容如下：（1）、介紹直流電動(dòng)機(jī)工作原理及PWM調(diào)速方法。（2）、完成以C80