【正文】 . 29 電機(jī)運(yùn)行子程序 ................................................................................... 31 電機(jī)加減速程序 ................................................................................... 31 恒速運(yùn)行子程序 ................................................................................... 32 按鍵設(shè)置參數(shù)子程序 ............................................................................ 33 下載參數(shù)子程序 ................................................................................... 34 轉(zhuǎn)速測量子程序 ................................................................................. 35 16 位二進(jìn)制向 4 位 BCD 碼轉(zhuǎn)換程序 ................................................. 38 本章小結(jié) ......................................................................................................... 39 5 結(jié)論與展望 ............................................................................................................... 40 工作總結(jié) ......................................................................................................... 40 研究與 展望 ..................................................................................................... 40 3 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................. 41 致 謝 ...................................................................................................................... 42 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 1 引 言 電氣傳動(dòng)是現(xiàn)代最主要的機(jī)電能量變化形式之一，在當(dāng)今社會(huì)中廣泛使用著各式各樣的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置 、啟動(dòng)、停止、加速、減速和顯示等功能。論文根據(jù)系統(tǒng)的要求完成了整體方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)選型，針對(duì)所設(shè)計(jì)的控制方案對(duì)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)論述。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等工廠自動(dòng)化設(shè)備中。長期以來，直流電動(dòng)機(jī)因其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比較靈活，方法簡單，易于大范圍平滑調(diào)速，控制性能好等特點(diǎn)，一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。 本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于單片機(jī)的直 流電機(jī)多速控制器，作為其配套的試驗(yàn)裝置。論述了軟件的設(shè)計(jì)思想和方法 。 運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高精度多速度控制，達(dá)到了性能指標(biāo)要求。 而現(xiàn)在隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)功能的不斷提高以及電力電子、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。單片機(jī)輸出二進(jìn)制控制量，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換電路將對(duì)應(yīng)模擬電壓送到直流伺服放大器的設(shè)定值輸入端。顯示部分顯示各段設(shè)定的時(shí)間值、轉(zhuǎn)速值和測 量的轉(zhuǎn)速值。在當(dāng)今社會(huì)中廣泛使用著各式各樣的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，其中許多系統(tǒng)有調(diào)速的要求 :如車輛、電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械等等。各部分之間的不同組合，可構(gòu)成多種多樣的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、維護(hù)工作量小、運(yùn)行效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可以做到高電壓、大容量、高轉(zhuǎn)速控制。數(shù)字化集成電路尤其是微處理器的廣泛應(yīng)用，使調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整由硬件變成了軟件，調(diào)整 PID 參數(shù)甚至自尋最優(yōu)都變得非常方便，實(shí)現(xiàn)了模擬控制中無法實(shí)現(xiàn)的各種復(fù)雜控制要求以及故障監(jiān)視、保護(hù)功能、自診斷功能。 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展 直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下幾種 :第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過改北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 3 變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn) :維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。在快速響應(yīng)性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) : (l)對(duì)被控對(duì)象一電動(dòng)機(jī)的各種狀態(tài)量可以實(shí)現(xiàn)快速、寬范圍、高分辨率、高精度的檢測，為高性能傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了基本條件； (2)由計(jì)算機(jī)控制的各類電力電子功率變換裝置可以使電動(dòng)機(jī)有接近理想的可控供電電源，為提高傳動(dòng)系統(tǒng)的性能提供了保證； 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 4 (3)以計(jì)算機(jī)為核心的控制裝置可以完成包括復(fù)雜計(jì)算和判斷在內(nèi)的高精度運(yùn)算、變換和控制。 本文所做的主要工作 本文在選定直流電機(jī)、編碼器 、直流伺服放大器的基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)以 STC 單片機(jī)為核心的直流電機(jī)多速控制系統(tǒng)，主要工作內(nèi)容有 (l)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)； (2)選擇 STC89C51 單片機(jī)作為主控芯片，熟悉它的功能、硬件結(jié)構(gòu)和接口電路； (3)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)； (4)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)； (5)在 PC 機(jī)上完成直流電機(jī)運(yùn)行參數(shù)界面設(shè)計(jì)和串行通信軟件設(shè)計(jì)； 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 5 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化和特性曲線 直流電機(jī)將電能 elP ， (電流 I 和電壓 u)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 mechP (速度 v 和轉(zhuǎn)矩 M)。公式如下 : IKM m ?? （ ） 速度常數(shù) k。 直流電機(jī)可以運(yùn)行在額定范圍內(nèi)的任何電壓下，速度 轉(zhuǎn)矩曲線表述的是在一恒定電壓 U 下電機(jī)的機(jī)械表現(xiàn)，該曲線可由兩點(diǎn)法給出 :空載轉(zhuǎn)速 n。它相當(dāng)于速度一轉(zhuǎn)矩曲線在特性曲線上平移，如圖所示。和直流電機(jī)同軸的光電編碼器 E 輸出 A、 B 兩路方波信號(hào)送到伺服放大器和整形電路，通過整形電路送到單片機(jī)用于測量轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng)選型 直流電機(jī)選型 根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求，本文的直流電機(jī)選用 maxon 集團(tuán)的高級(jí)精密電機(jī) Amax 32Ф32rnrn，石墨電刷，性能指標(biāo)如下所示 : 標(biāo)稱功率 15w 額定電壓 空載轉(zhuǎn)速 5860rPm 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 129mNm 速度 /轉(zhuǎn)矩斜率 空載電流 74mA 堵轉(zhuǎn)電流 3370mA 電機(jī)電阻 最大允許轉(zhuǎn)速 6000rPm 最大連續(xù)電流 1020mA 最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 9 最大輸出功率 19200mw 最大效率 72% 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 速度常數(shù) 250rpm/V 機(jī)械時(shí)間常數(shù) 20ms 轉(zhuǎn)子慣量 電機(jī)電感 機(jī)殼到環(huán)境的熱阻抗 轉(zhuǎn)子到機(jī)殼的熱阻抗 繞組的熱時(shí)間常數(shù) 17S 光電數(shù)字編碼器 光電數(shù)字編碼器選用 maxon 集團(tuán)的數(shù)字 MR 編碼器， L 型。此芯片是 10 位具有串行接口的 D/A 轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型。 （ 7） 數(shù)據(jù)更新速率為 ，典型建立時(shí)間為 單片機(jī)選型 由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測控制，其中一個(gè)首要的工作就是選擇合適的單片機(jī)。 本章小結(jié) 本章分析了直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線，依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求進(jìn)行了整體方案設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)工作原理，依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求和方案對(duì)直流電機(jī)、伺服放大器、光電數(shù)字編碼器、 D/A 轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)等進(jìn)行了選型。但是用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能可以簡化硬件結(jié)構(gòu)，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。 (3)靈活的功能擴(kuò)展。 根據(jù)系統(tǒng)要求及上面幾個(gè)硬件設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)以單片機(jī) STC89C51 為中央處理單元，由鍵盤輸入電路， D/A 轉(zhuǎn)換電路，數(shù)字顯示，串行通信電路，直流伺服放大器連接電路等組成。直流 25V 電源 連接到伺服放大器的 4 端，為伺服放大器供電 。圖 路輸出的模擬電壓加到伺服放大器的 7 端，當(dāng) +Set 與 Set 間的電壓為 0—10V 時(shí)，通過調(diào)節(jié)伺服放大器的調(diào)諧電位器使電機(jī)轉(zhuǎn)速為 0—4000rPm。D/A 轉(zhuǎn)換芯片 TLC5615 電源要 +5V。輸出電壓 +。輸入電壓范圍 —40V。增益帶寬積北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 14 GB=600kHz。 MC1403 輸出 電壓，滿足 TLC5615 的要求。 PC 機(jī)的串行口傳輸速度一般只能達(dá)到 115200ms，而有些較高檔的串行芯片可以提供到較高的傳輸速度，例如可達(dá) 921600ms。下面以 DB9 為例，如圖 所示，介紹 PC 機(jī)串行接口的引腳功能定義，其中 DTE 可以是計(jì)算機(jī)， DCE 一般指調(diào)制解調(diào)器，表示 MODEM。RxD 第 2 引腳接收數(shù)據(jù)，由 MODEM 到計(jì)算機(jī)。DTR 第 20 引腳，數(shù) 據(jù)終端就緒，由計(jì)算機(jī)到 MODEM，計(jì)算機(jī)收到 RI 信號(hào)，作為回答，就發(fā)出 DTR 信號(hào)到 MODEM， O 有效。 ZLG7289A 具有片選信號(hào) 可方便地實(shí)現(xiàn)多于 8 位的顯示或多于 64 鍵的鍵盤接口。下拉電阻的取值范圍是 10K100K，位選電阻的取值范圍是 1K10K。 ZLG7289A 需要一外接晶體振蕩電路供系統(tǒng)工作，其典型值分別為 F=16MHz C=15P。上電后所有的顯示均為空，所有顯示位的顯示屬性均為顯示及不閃爍。程序中盡可能地減少 CPU 對(duì) ZLG7289A 的訪問次數(shù)，可以使得程序更有效率。一個(gè)完善的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，其定位精度和測量精度主要由測量元件決定，因此，高精度伺服系統(tǒng)對(duì)測量元件的質(zhì)量要求北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 19 相當(dāng)高。為了適應(yīng)可逆控制以及轉(zhuǎn)向的判別，光電編碼器輸出兩路 (A 相、 B 相 )相隔 T/4 脈沖周期的正交脈沖若轉(zhuǎn)盤順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí) A相超前 B 相，則逆時(shí)針轉(zhuǎn) /時(shí) B 相超前 A 相。整形辨相電路如圖 所示，它是采用邏輯門組合電路的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的，即將光電編碼器輸出的兩路信號(hào)，分別輸入到一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和一個(gè)非門，之后再將信號(hào)經(jīng)過一次與邏輯，得到反映電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)信號(hào) (CP+)和反轉(zhuǎn)信號(hào) (CP)。 ABC P +C P ABABABC P +C P 圖 整形辯相波形 由于本系統(tǒng)不需要測量電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。著重分析了 D/A 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤 顯示電路、轉(zhuǎn)速測量電路、單片機(jī)與上位機(jī)串行電路通訊 電路 的原理。 模糊 PID調(diào)速 在直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 ,大多采用結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的常規(guī) PID控制技術(shù)。第一是先通過傳感器把要監(jiān)測的物理量變成電量，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字量，精確輸入量輸入至模糊邏輯控制器后，首先要把這些精確的輸入量轉(zhuǎn)換成模糊 集合的隸屬函數(shù)，這一步稱為精確量的模糊化。很多情況下還需要根據(jù)該偏差的變化率 EC 來進(jìn)行綜合判斷。再把在 區(qū)間 [+6， 6]上的量根據(jù)需要?jiǎng)澐殖扇舾傻燃?jí)，每個(gè)等級(jí)作為一個(gè)模糊變量，并對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集合或者隸屬函數(shù)。 “正零 ”(PZ)，可取在比零稍大一點(diǎn)的地方 。 如果需要簡化，可以把 “正零 ”和 “負(fù)零 ”合并為 “零 ”（ ZO）取七個(gè)等 級(jí)。輸出控制量模糊化和輸入量模糊化方法類似。 U 。在推理得到的模糊集合中取一個(gè)相對(duì)最能代表這個(gè)模糊集合的單值的過程稱作反模糊化。在輸出是離散值集合的情況下，控制作用可以用下式求得 : u= ???? ?nr rrnr r uuu 11 )(/)( ?? （ ） 3) 加權(quán)平均法 系數(shù)加權(quán)平均法的輸出如下 : u= ?? ?111 /)( kuk （ ） 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 25 這里權(quán)系數(shù) k，的選擇要根據(jù)實(shí)際情況而定，不同的系數(shù)決定著系統(tǒng)有不同的響應(yīng)特性。 圖 參數(shù)自整定的模糊控制器