【正文】 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 1 廈門南洋職業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 基于單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)歷層次 大專 教學(xué)院名稱 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)名稱 機(jī)電一體化技術(shù) 學(xué)生姓名 褚斌斌 指導(dǎo)教師 陳清泉 侯紅科 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 機(jī)電工程學(xué)院 機(jī)電一體化技術(shù) 專業(yè) 2 班 學(xué)生姓名（學(xué)號） 褚斌斌 10580202184 畢業(yè)設(shè)計（論文）時間：自 2021 年 12 月 11 日至 2021 年 3 月 29 日 答辯時間： 年 月 日 成績 指導(dǎo)教師： 摘 要 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 近年來由于微型機(jī)的快速發(fā)展，國外交直流系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)達(dá)到實用階段。由于以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的 影響。其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。所以微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)在各個方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應(yīng)用越來越廣泛。 本文介紹的是用一臺 26KW 的直流電動機(jī)， 8051 單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)。特點是用單片機(jī)取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及邏輯切換等硬件設(shè)備。最后進(jìn)行軟件編程、調(diào)試以及計算機(jī)仿真。實時控制結(jié)果表明，本數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)了電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的恒速調(diào)節(jié)，并具有結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，成本低，易推廣等特點，而且各 項性能指標(biāo)優(yōu)于模擬直流調(diào)速系統(tǒng)，從而能夠?qū)嶋H的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。 關(guān)鍵詞 ： 單片機(jī) 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) 數(shù)字方式 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 目錄 第 1 章 緒論 ……………………………………………… 1 第二章 方案論證 ……………………………………… ..3 第三章 直流調(diào)速控制系統(tǒng) …………………………… .5 單片機(jī)部分的組成 ……………………………………………………… ...5 時鐘電路 ………………………………………………………… .7 復(fù)位電路 ………………………………………………………… .8 存儲器 ……………………………………………………………… .8 外部中斷源 ………………………………………………………… .9 定時器 /計數(shù)器 …………………………………………………… .11 單片機(jī)的擴(kuò)展 ………………………………………………………………… .12 程序存儲器的擴(kuò)展 ……………………………………………… ..13 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 ……………………………………………… ..14 可編程鍵盤 /顯示器 ………………………………………… 16 模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 ………………………………………… .24 采樣和保持 ……………………………………………………… ..28 第四章 PID 的控制算法 ………………………………… .32 控制規(guī)律及其基本作用 ………………………………………………… ...32 控制算法的實現(xiàn) ……………………………………………………………… ..33 第五章直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計 ………………… ...36 直流電動機(jī)的調(diào)速方法 ……………………………………………………… .36 整流電路 ………… …………………………………………………………… ..37 觸發(fā)電路 ……………………………………………………………………… ..38 第六章 軟件設(shè)計 ……………………………………… 42 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析 .............................................................. 50 第七章系統(tǒng)的抗干擾技術(shù) …… ………………………… 46 第八章直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù) …………………………… 49 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 總結(jié) ……………………………………………………… .51 辭謝 ……………………………………………………… .53 參考文獻(xiàn) ………………………………………………… . 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 6 第 2 章 系統(tǒng)方案選擇和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 調(diào)速方案的選擇 系統(tǒng)控制對象的確定 本次設(shè)計選用的電動機(jī)型號 Z232 型，額定功率 ，額定電壓 230V，額定電流 ,額定轉(zhuǎn)速 1000r/min, 勵磁電壓 220V,運轉(zhuǎn)方式連續(xù)。 電動機(jī)供電方案的選擇 變壓器調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱 GM 系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、維護(hù)不便。靜止可控整流器又稱 VM 系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變 Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采 用 PWM 受器件各量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計的技術(shù)要求和特點選 VM 系統(tǒng)。 在 VM 系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓 Ud。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省 。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇 若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當(dāng)對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠 強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系 統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。 與帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性 ，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。 綜上所述，本系統(tǒng)用一臺單片機(jī)及外部擴(kuò)展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、電壓記憶環(huán)節(jié)、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。其硬件結(jié)構(gòu)如圖21 所示。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 8 圖 21 單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的工作原理 在此單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號是通過模擬光電隔離器、 A/D 轉(zhuǎn)換器送入計算機(jī)，計算機(jī)按照已定的控制算法計算產(chǎn)生雙脈沖，經(jīng)并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到晶閘管的控制級，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度。晶閘管正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 第 3 章 主電路設(shè)計與參數(shù)計算 電動機(jī)的額定電壓為 230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用 D/Y 聯(lián)結(jié)。 整流變壓器的設(shè)計 變壓器二次側(cè)電壓 U2 的計算 U2 是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角 α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即： )(co s 22m inm a x2 NshTd IICUAnUUU????? 式中 Udmax 整流電路輸出電壓最大值； nUT 主電路電流回路 n 個晶閘管正向壓降； C 線路接線方式系數(shù)； Usk 變壓器的短路比，對 10～ 100KVA， Usk =～ ； I2/I2N變壓器二次實際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。 在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即： ? ? BAUU d?~12 ? 式中 A理想情 況下，α =0176。時整流電壓 Ud0 與二次電壓 U2 之比，即 A=Ud0/U2；B延遲角為α?xí)r輸出電壓 Ud 與 Ud0 之比 ，即 B=Ud/Ud0； ε —— 電網(wǎng)波動系數(shù)； 1~—— 考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)； 根據(jù)設(shè)計要求，采用公式： ? ?BAUU d?~12 ? 由表查得 A=；取ε =；α角考慮 10176。裕量，則 B=cosα = ? ? VU 133~ ~12 ???? 取 U2=120V。 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 電壓比 K=U1/U2=380/120=。 一次、二次相電流 I I2 的計算 由表查得 KI1=, KI2= 考慮變壓器勵磁電流得： AK dIIKI ???? AdIIKI 1 ???? 變壓器容量的計算 S1=m1U1I1； S2=m2U2I2； S=1/2(S1+S2)； 式中 m m2 一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)； 由表查得 m1=3， m2=3 S1=m1U1I1=3179。 380179。 = KVA S2=m2U2I2=3179。 120179。 = KVA S=1/2(S1+S2)=1/2（ +） = KVA 晶閘管元件的選擇 晶閘管的額定電壓 晶閘管實際承受的最大峰值電壓 UTm，乘以（ 2～ 3）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓 UTN，即 UTN=（ 2～ 3） UTm 整流電路形式為三相全控橋，查表得 26UTmU ? ，則 ? ? ? ? ? ? VUUU TmTN 8 1~ 8 71 2 063~263~23~2 2 ?????? 取 VUTN 700? 廈門南洋職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 11 晶閘管的額定電流 選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的 額定電流有效值 TNI 大于實際流過管子電流最大有效值 TI ，即 TNI = )(AVTI TI 或 )(AVTI = ddII =KdI 考慮（ ～ 2）倍的裕量 )(AVTI =（ ～ 2） KdI 式中 K=TI /（ dI ） 電流計算系數(shù)。 此外，還需注意以下幾點： ①當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過 +40℃時，應(yīng)降低元件的額定電流值。 ②當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時，也應(yīng)降低元件的額定電流值。 ③關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。 由表查得 K=，考慮 ~2 倍的裕量 ? ? ? ? dAVT KII 2~? ? ?~ ~? ??? 取 ? ? AAVTI 5? 。故選晶閘管的型號為 75?pK 。 直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù) 晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設(shè)計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關(guān)鍵。 過電壓保護(hù) 以過電壓保護(hù)的 部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。