【正文】 指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語(yǔ)評(píng)閱人： （簽名）年 月 日 評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)： 湖 南 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄日期： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 題目： 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料：1 設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 共 頁(yè)2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁(yè)3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語(yǔ) 共 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)：答辯委員會(huì)主任： （簽名）委員： （簽名）（簽名）（簽名）（簽名） 答辯成績(jī)： 總評(píng)成績(jī)： 摘 要本文主要介紹了基于單片機(jī)的礦用電機(jī)車(chē)的調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，文中先對(duì)直流調(diào)速的原理，降壓斬波電路控制方式及調(diào)速特性，PWM基本原理及實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了闡述。為了提高控制系統(tǒng)的性能和可靠性。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分重要，為了能夠適應(yīng)發(fā)展的要求，單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。所以選用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可行性。機(jī)械部分包括：車(chē)架、輪對(duì)、軸承箱、彈簧托架、制動(dòng)裝置、撒砂裝置、連接緩沖裝置等。車(chē)架用彈簧托架支承在軸承箱上。前者的優(yōu)點(diǎn)是輪箍磨損到極限時(shí)，只更換輪箍不用整個(gè)車(chē)輪報(bào)廢。軌道不平時(shí)，輪對(duì)與車(chē)架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在軸箱的滑槽與車(chē)架的導(dǎo)軌之間，并依靠彈簧托架起緩沖作用。均衡梁在軌道不平或局部有凹陷時(shí)，起均衡各車(chē)輪上負(fù)荷的作用。而以往直流電動(dòng)機(jī)的控制只是簡(jiǎn)單的控制，很難進(jìn)行調(diào)速，不能實(shí)現(xiàn)智能化。所以在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我采用了由單片機(jī)控制單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)。靜止可控整流器和直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路。而且工作可靠，能耗小，效率高。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(guò)載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線(xiàn)性增長(zhǎng)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(dòng)過(guò)程。顯然靜特性?xún)?yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。如此反復(fù)。(1) 定寬調(diào)頻法。(3) 定頻調(diào)寬法。再時(shí)，VV同時(shí)導(dǎo)通T 秒后同時(shí)關(guān)斷；如此反復(fù)。（2）啟動(dòng)時(shí)保證系統(tǒng)在也許的最大電流下恒流啟動(dòng)。PWM調(diào)速系統(tǒng)采用PI算法的軟件調(diào)節(jié)電流，電壓環(huán)，由于采用飽和非線(xiàn)形控制，使兩個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)揮充分作用，系統(tǒng)具有很好的動(dòng)靜態(tài)特性，是一種非常實(shí)用的系統(tǒng)（2）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)速反饋由直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速后，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波電路濾去雜波，再進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后送入單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速環(huán)的作用：（1）使轉(zhuǎn)速環(huán)n跟隨給定電壓Un變化，達(dá)到靜態(tài)無(wú)差。三相交流電源經(jīng)三相橋式不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源,再經(jīng)直流PWM功率變換器得到可調(diào)的直流電壓,給直流電動(dòng)機(jī)供電。對(duì)于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時(shí)，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。為此，通常采用雙絞線(xiàn)來(lái)傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在使用IGBT的場(chǎng)合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(shí)(柵極處于開(kāi)路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止此類(lèi)故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。 盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場(chǎng)合； 在溫度發(fā)生急劇變化的場(chǎng)所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方； 保管時(shí)，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物； 裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。 IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線(xiàn)。如果無(wú)N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh 式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓， ～1V ；Udr ——擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。 （3） 動(dòng)態(tài)特性IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過(guò)程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。 IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。IGBT的開(kāi)啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。圖35 光電隔離及驅(qū)動(dòng)電路圖X359是一個(gè)帶有光電隔離器的功率放大電路，電路工作原理如下：當(dāng)VT 為“1”時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，于是 ，+5V電源通過(guò) VT和R輸出一驅(qū)動(dòng)電流，使GTR導(dǎo)通。取3倍裕量，則整流器輸出電流應(yīng)達(dá)到288A。另外脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)減速或停車(chē)時(shí)，儲(chǔ)存在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能將由電容器吸收，所以電容量較大（一般容量在幾千瓦系統(tǒng)中，電容要幾千微法）這里選兩個(gè)2000的電容并聯(lián)使用，使總?cè)萘窟_(dá)到4000，電壓按大于2倍電壓選取。電阻的額定功率選為10W，選取RJ系統(tǒng)金屬膜電阻。電動(dòng)機(jī)電樞電感一般較小，不能滿(mǎn)足電流連續(xù)的要求，故必須在絕緣柵雙極型晶體管輸出電路中串入電抗器。也稱(chēng)為Buck變換器（Buck Converter）。ATMEL公司生產(chǎn)的此型號(hào)單片機(jī)是一種低功耗、高性能的8位CMOS微處理器芯片。： AT89C51引腳圖它的特點(diǎn)可歸納為：與MCS51微控制器產(chǎn)品系列兼容。寬工作電壓范圍：Vcc可為：～6V。兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。且有豐富的尋址命令集。VPD是備用電源輸入端30ALE/ALE低字節(jié)地址鎖寸允許輸入端。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。在行線(xiàn)和列線(xiàn)的每個(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵。一般由16個(gè)按鍵組成，在單片機(jī)中正好可以用一個(gè)P口實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵功能，這也是在單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的形式，4*4矩陣鍵盤(pán)的內(nèi)部電路如圖2所示。當(dāng)有鍵閉合時(shí)，與閉合鍵相連的兩條I/O口線(xiàn)之間短路。但是鍵閉合一次只能進(jìn)行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進(jìn)行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會(huì)連續(xù)多次進(jìn)行同樣的鍵操作。89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外部接晶振（在頻率穩(wěn)定性要求不高而希望盡可能廉價(jià)時(shí)，選擇陶瓷振蕩器）和電容組成并聯(lián)諧振回路，不論HMOS還是CHMOS型的單片機(jī)其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。 內(nèi)部時(shí)鐘方式的時(shí)鐘電路圖 復(fù)位是單片機(jī)的初始操作。無(wú)論用戶(hù)使用哪種類(lèi)型的單片機(jī)，總要涉及到單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。為了達(dá)到完全復(fù)位和清除的目的，在振蕩器工作條件下，要在RST端至少維持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，才可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期（二個(gè)機(jī)器周期）以上。，其原理如下：保護(hù)主要有過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)，采用控制電路進(jìn)行能夠過(guò)壓過(guò)流保護(hù)時(shí)，存在一個(gè)過(guò)壓過(guò)流信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題。設(shè)考慮到轉(zhuǎn)速超調(diào)時(shí)的最高轉(zhuǎn)速為，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為，則測(cè)速分辨率為： (r/min) ()一定時(shí)，A/D的位數(shù)越多Rn越小，分辨能力越強(qiáng)。測(cè)速發(fā)電機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)速的精度，除決定于這兩個(gè)元件本身的精度外，還與測(cè)速機(jī)輸出電壓變換電路的誤差有關(guān)。轉(zhuǎn)速反饋值為： （數(shù)字量）由于分辨率與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，所以轉(zhuǎn)速系數(shù)值的確定與M法測(cè)速相同。測(cè)速發(fā)電機(jī)工作時(shí)需接負(fù)載電阻，負(fù)載電阻R的端電壓U就是我們得到的輸出電壓。電位器RP1用來(lái)改變前置放大器A1的輸出電壓，經(jīng)A2與二極管組成的絕對(duì)值放大器獲得標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓Ud。在其二次的取樣電阻上可獲得與二次側(cè)電流波形相同的電壓波形。設(shè)計(jì)中培養(yǎng)了我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，在自我分析和理解的基礎(chǔ)上再經(jīng)過(guò)指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，經(jīng)過(guò)三個(gè)月的不懈努力，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)終于是完成了。我相信這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)方法、正確的設(shè)計(jì)思想、實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真和高度責(zé)任感的工作作風(fēng)對(duì)以后的工作和學(xué)習(xí)是大有裨益的。形成了一個(gè)比較完整的基于單片機(jī)控制礦用電機(jī)車(chē)調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。在此，我向郭老師表示最衷心的感謝。在不斷的完善這個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中也不斷的完善了自我。附錄A：線(xiàn)路總