【正文】 ，便于控制等優(yōu)點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)是以數(shù)字 PI 為基本控制算法，以單片機(jī)（ AT89C51）為核心，產(chǎn)生占空比可調(diào)的 PWM 波，通過(guò)功率放大和驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)速度的控制。 齊 齊 哈 爾 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 大功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置設(shè)計(jì) 學(xué) 院 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 成 績(jī) 2020 年 6 月 18 日 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 直流電動(dòng)機(jī)由于易于調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)性能好，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)速裝置的任務(wù)，而且具有維護(hù)方便，便于檢修，算法靈活，穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 在設(shè)計(jì)中采用LCD1602 對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向進(jìn)行顯示，通過(guò)按鍵對(duì)其進(jìn)行輸入控制。 DC motor control 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 目 錄 摘 要 ........................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。伴隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高和生產(chǎn)量的不斷增大，越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備要求能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。 近年來(lái)，直流電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制方式都有了巨大的改變。但是，這些芯片往往都需要 10V或者更高的電壓，這給系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)增加了負(fù)擔(dān)。 綜合以上所述研究大功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置意義重大。對(duì)于那些復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)跟蹤控制，技術(shù)已經(jīng)成熟，特別是使用 PLC單片機(jī)等控制更容易操作、可靠性更強(qiáng)、參數(shù)便于調(diào)節(jié)。由于外國(guó)產(chǎn)品價(jià)格昂貴，所以國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展有一定的空間。按照一定規(guī)律調(diào)節(jié)每個(gè)脈沖的寬度，就能控制逆變電路輸出電壓的大小和輸出頻率的高低 [2]。 根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來(lái)代替正弦波，通過(guò)對(duì)矩形波的控制來(lái)模擬輸出不同頻率的正弦波。由此可見(jiàn)，這些脈沖的寬度都是按照正弦波的規(guī)律變化的。要改變等效后正弦波輸出的幅值時(shí)，只要按相同的比例系數(shù)改變各個(gè)脈沖的寬度就可實(shí)現(xiàn)，因此在交－直－交變頻器中，采用不可控二極管就可以進(jìn)行整流，直流側(cè)電壓的幅值就是脈寬調(diào)制逆變電路輸出的脈沖電壓。三種調(diào)速方法各有其特點(diǎn)：其中改變電樞回路中電阻只能對(duì)電動(dòng)機(jī)作有級(jí)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，調(diào)速系統(tǒng)效率低；減弱磁通調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但只能在基速以上的范圍調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速所得到的人為機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性 平行，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好能在轉(zhuǎn)速一下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速?，F(xiàn)在，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。 當(dāng) PWM控制電路工作時(shí) ， H橋的一測(cè)有相位相反 但占空比相同的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而且隨著控制信號(hào)的變化還具有互鎖功能。 已知旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出 N個(gè)脈沖（ N=1024），在被系統(tǒng)中用單片機(jī)的 INT0（ ）對(duì)在檢測(cè)周期內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行記數(shù)，記數(shù)值是 1M 則轉(zhuǎn)角 ? 可以表示成： NM12??? （ 24） 已知單片機(jī)的時(shí)鐘頻率是 0f ，用單片機(jī) INT1()在檢測(cè)周期 T 內(nèi)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值為 2M ,則檢測(cè)周期 T 可以寫(xiě)成： 02fMT? （ 25） 檢測(cè)周期 T 內(nèi)被測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角 ? ，則有： 602 nT??? （ 26） 綜合式（ 24） ,式（ 25）和（ 26）求出被測(cè)轉(zhuǎn)速為： 21060NMMfn? （ 27） 控制系統(tǒng)方案的選擇 單閉環(huán)系統(tǒng) 的 組成和分析 在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中如圖 23所示，應(yīng)用了 PI調(diào)節(jié)器之后可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差控制，應(yīng)用了電流截止負(fù)反饋環(huán)用來(lái)限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象。 對(duì) 于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)盡可能的減少啟動(dòng)制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間，達(dá)到圖 的理想過(guò)渡過(guò)程的曲線，完成最優(yōu)控制。所以為了滿足控制要求本設(shè)計(jì)采用了雙閉環(huán) PI調(diào)節(jié)。但是根據(jù)反饋控制原理，對(duì)某一變量對(duì)其作負(fù)反饋控制就能實(shí)現(xiàn)對(duì)該變量的無(wú)差控制。因此電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在這種控制要求下產(chǎn)生了 [4]。 （ 2）三相橋式電路中每個(gè)波頭的時(shí)間為 ，確保能夠?yàn)V平波頭，應(yīng)有（ 1~2） 個(gè) ，所以電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT =2ms=。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用 PI 型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 ： () ( 1)iiAC R s iKsW s?? ?? （ 29） 式中 iK —— 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) i? —— 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) 表 2 1 典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系 KT 阻尼比 ? 超調(diào)量 ? 0% % % % % 上升時(shí)間 rt ? 峰值時(shí)間 pt ? 相角穩(wěn)定裕度 ? ? ? ? ? ? 截止頻率 c? 檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：ilTT? ?? ，參表 21 的典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 第 3章 硬件電路的設(shè)計(jì) 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 根據(jù)任務(wù)要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，調(diào)速系統(tǒng)的方框圖如圖 31，其核心控制部件是單片機(jī)，通過(guò)鍵盤(pán)輸入一些參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單啟停，正反轉(zhuǎn)，加速減速操作；系統(tǒng)由單片機(jī)產(chǎn)生 PWM波，通過(guò) PWM波接口電路整形放大后，經(jīng)過(guò)光電隔離，有電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)改變 PWM波的占空比來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 。當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)輸出的直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓即向電容供電，也向負(fù)載供電。由于二極管的啟動(dòng)電壓比較小，所以經(jīng)過(guò)變壓器的電壓可以使 VD1和VD3二極管組成橋臂在正半周期導(dǎo)通， VD2和 VD4兩個(gè)二極管組成的橋臂在負(fù)半周期導(dǎo)通。電源電路設(shè)計(jì)如圖 33所示。 （ 1） RES：復(fù)位輸入。 （ 4） XTAL1：反向振蕩器的輸入，與外部晶振相連。 本設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器是用單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832輸出脈寬調(diào)制波形，再通過(guò)兩級(jí)信號(hào)放大和高頻率的模擬開(kāi)關(guān)對(duì)波形進(jìn)行整形，這樣得到較為完美的波形后經(jīng)過(guò)一組達(dá)林頓管對(duì)電流進(jìn)行放大得到功率相對(duì)較大的脈沖信號(hào) [5]，硬件框圖如圖 35所示。 （ 5） IOUT2：電流輸 出端 2，其值與 IOUT1值之和為一常數(shù)。由于 DAC0832的轉(zhuǎn)換速率比較高，為了能夠與其速度相匹配，在這里我們選擇了 LF357運(yùn)算放大器， LF357具有較高的轉(zhuǎn)換速率，而且具有低出入偏置電流，小的輸入偏移電流，低輸入噪聲電流，共模抑制比高，較寬的頻 帶增益這些優(yōu)點(diǎn)。要想得到較大功率的脈沖信號(hào)，必須對(duì)第二級(jí) 放大后的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大，這里選用兩只 JFET 管組成一對(duì)達(dá)林頓管進(jìn)行電流放大。 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 邏 輯 電 路 光 電 隔 離 電 路 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) 放 大 電 路 H 橋 功 率 驅(qū) 動(dòng) 電 路 E1 E2 M+ 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 38 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制組成圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路 的 設(shè)計(jì) 單片機(jī) I/O口送來(lái)的 DIR信號(hào)和 PWM接口電路送來(lái)的 PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)反向器 74LS04和與門(mén)器 74LS08運(yùn)算后，再驅(qū)動(dòng)光電隔離器，反向控制信號(hào)是 DIR,在它輸入時(shí)為 DIR1，經(jīng)反向后的 DIR2， DIR1和轉(zhuǎn)速控制信號(hào) PWM再通過(guò) 74LS08與運(yùn)算后，得到轉(zhuǎn)速控制信號(hào) PWM2； DIR2和轉(zhuǎn)速控制信號(hào) PWM相與后，得到轉(zhuǎn)速控制信號(hào) PWM1，這樣就得到了兩組控制信號(hào)： DIR1， PWM1和 DIR2， PWM2兩組信號(hào)分別去 驅(qū)動(dòng)光電隔離電路；DIR1和 DIR2用來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)向的， PWM1和 PWM2用來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中， 817C是低頻率 的光電隔離器，與 DIR1和 DIR2連接，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向； PS9713是快速光電隔離器，開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高，與 PWM1和 PWM2連接，用來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于光電編碼器 與 電 動(dòng) 機(jī)同軸，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán) 和 電機(jī) 以相同的速度旋轉(zhuǎn) ，經(jīng)過(guò)發(fā)光二級(jí)等組成 的 檢測(cè) 電路 輸出脈沖信號(hào)， 再計(jì)算光電編碼器每秒內(nèi)輸出的 脈沖數(shù) 就能夠 反映當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速，此外為了判斷 轉(zhuǎn)速的 方向，碼盤(pán)還可以提供相差 90176。 所以能夠很方便的 判斷方向，而 Z相位每一轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用 作 基準(zhǔn)點(diǎn)定位，它的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單， 平均機(jī)械壽命長(zhǎng) ， 很強(qiáng)的抗干擾能力 ，可靠性高，所以本設(shè)計(jì)選用增量型編碼器。6N137光電編碼器 的 OUT口 輸出電路 是 集電極開(kāi)路電阻， 還必須接上拉電阻 ，此外 6N137光電編碼器 的 A口 和 C口 之間是一個(gè) LED,還 必須 串接一個(gè)電阻 來(lái)限流 。具有低噪聲，響應(yīng)時(shí)間快能，使用方便，性價(jià)比高等特點(diǎn)。 由 ACS712輸出的電壓信號(hào)接到 TLC549A/D轉(zhuǎn)換器上，它是一種低價(jià)位、高性能的 8位 A/D轉(zhuǎn)換器，它以 8為開(kāi) 關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換的。 圖 312 電流轉(zhuǎn)換和 A/D轉(zhuǎn)換電路 按鍵和顯示模塊 顯示電路 在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，要對(duì)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，這樣便于操作人員進(jìn)行控制，所以顯示電路的設(shè)計(jì)也是非常必要的。本系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng) LCD，那么用 1K左右的就行了。在本設(shè)計(jì)中共用了 5個(gè)按鍵，名稱(chēng)和功能等如下，電路圖如圖 314所示。 Sbit Function=P1^0。 void delay(uchar t) //延時(shí)函數(shù) { while(t)。 delay(j)。 } if(Speed==0) //加速鍵按下 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 Void delay(uchar t) //延時(shí)去抖 if(Speed==0) { void delay(uchar t) i=i+5。 漢字的顯示 顯示漢字大都采用顯示圖形的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，先把你所顯示漢字的點(diǎn)陣碼提取出來(lái)，再把所顯示漢字位置的行列數(shù)找出來(lái)，確定對(duì)應(yīng)的 RAM區(qū)的地址，設(shè)立光標(biāo)，把所要顯示漢字的第一個(gè)字節(jié)送上去，光標(biāo)所在位置加 1，然后送下一個(gè)字節(jié)，這樣直到把一個(gè)完整的漢字顯示出來(lái)。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 45 LCD顯示流程圖 開(kāi) 始 初始化 LCD 延 時(shí) 20ms 寫(xiě) LCD 指令 寫(xiě) 顯 示 行 列 地 址 取顯示首地址 寫(xiě) 數(shù) 據(jù) 是否寫(xiě) 16 次？ 行 + 1 寫(xiě) 數(shù) 據(jù) 是否寫(xiě) 16 次？ 讀數(shù)據(jù)并顯示 返 回 N Y N Y 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 雙閉環(huán) PI控制軟件的設(shè)計(jì) 圖 46 雙閉環(huán)控制流程圖 在雙閉環(huán)控制程序中，先對(duì)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行電流和速度進(jìn)行采樣，分別調(diào)用電流環(huán)和速度環(huán)子程序進(jìn)行