【正文】 . 29 電機運行子程序 ................................................................................... 31 電機加減速程序 ................................................................................... 31 恒速運行子程序 ................................................................................... 32 按鍵設置參數(shù)子程序 ............................................................................ 33 下載參數(shù)子程序 ................................................................................... 34 轉速測量子程序 ................................................................................. 35 16 位二進制向 4 位 BCD 碼轉換程序 ................................................. 38 本章小結 ......................................................................................................... 39 5 結論與展望 ............................................................................................................... 40 工作總結 ......................................................................................................... 40 研究與 展望 ..................................................................................................... 40 3 參 考 文 獻 ................................................................................................................. 41 致 謝 ...................................................................................................................... 42 北華大學畢業(yè)設 計（論文） 1 引 言 電氣傳動是現(xiàn)代最主要的機電能量變化形式之一，在當今社會中廣泛使用著各式各樣的電氣傳動系統(tǒng)。實現(xiàn)了對直流電動機轉動參數(shù)的設置 、啟動、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計和系統(tǒng)選型，針對所設計的控制方案對控制系統(tǒng)的軟、硬件設計作了詳細論述。它廣泛應用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人等工廠自動化設備中。長期以來，直流電動機因其轉速調節(jié)比較靈活，方法簡單，易于大范圍平滑調速，控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統(tǒng)治地位。 本文設計開發(fā)了一套基于單片機的直 流電機多速控制器，作為其配套的試驗裝置。論述了軟件的設計思想和方法 。 運行結果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了電機的高精度多速度控制，達到了性能指標要求。 而現(xiàn)在隨著微電子技術的發(fā)展，微機功能的不斷提高以及電力電子、計算機控制技術的發(fā)展，電氣傳動領域出現(xiàn)了以微機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。單片機輸出二進制控制量，經(jīng) D/A 轉換電路將對應模擬電壓送到直流伺服放大器的設定值輸入端。顯示部分顯示各段設定的時間值、轉速值和測 量的轉速值。在當今社會中廣泛使用著各式各樣的電氣傳動系統(tǒng)，其中許多系統(tǒng)有調速的要求 :如車輛、電梯、機床、造紙機械等等。各部分之間的不同組合，可構成多種多樣的電機調速系統(tǒng)。 異步電動機調速系統(tǒng) 異步電動機結構簡單、堅固耐用、維護工作量小、運行效率高、轉動慣量小、動態(tài)響應快，可以做到高電壓、大容量、高轉速控制。數(shù)字化集成電路尤其是微處理器的廣泛應用，使調速系統(tǒng)的參數(shù)調整由硬件變成了軟件，調整 PID 參數(shù)甚至自尋最優(yōu)都變得非常方便，實現(xiàn)了模擬控制中無法實現(xiàn)的各種復雜控制要求以及故障監(jiān)視、保護功能、自診斷功能。 直流電機調速系統(tǒng)的發(fā)展 直流電氣傳動系統(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，最初的直流調速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改北華大學畢業(yè)設 計（論文） 3 變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調速。特別是當電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機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 :維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。在快速響應性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，計算機控制具有以下獨特優(yōu)點 : (l)對被控對象一電動機的各種狀態(tài)量可以實現(xiàn)快速、寬范圍、高分辨率、高精度的檢測，為高性能傳動系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了基本條件； (2)由計算機控制的各類電力電子功率變換裝置可以使電動機有接近理想的可控供電電源，為提高傳動系統(tǒng)的性能提供了保證； 北華大學畢業(yè)設 計（論文） 4 (3)以計算機為核心的控制裝置可以完成包括復雜計算和判斷在內的高精度運算、變換和控制。 本文所做的主要工作 本文在選定直流電機、編碼器 、直流伺服放大器的基礎上，完成系統(tǒng)整體方案設計并實現(xiàn)以 STC 單片機為核心的直流電機多速控制系統(tǒng)，主要工作內容有 (l)控制系統(tǒng)總體方案設計； (2)選擇 STC89C51 單片機作為主控芯片，熟悉它的功能、硬件結構和接口電路； (3)控制系統(tǒng)的硬件設計； (4)控制系統(tǒng)的軟件設計； (5)在 PC 機上完成直流電機運行參數(shù)界面設計和串行通信軟件設計； 北華大學畢業(yè)設 計（論文） 5 2 系統(tǒng)方案設計 直流電機的能量轉化和特性曲線 直流電機將電能 elP ， (電流 I 和電壓 u)轉化為機械能 mechP (速度 v 和轉矩 M)。公式如下 : IKM m ?? （ ） 速度常數(shù) k。 直流電機可以運行在額定范圍內的任何電壓下，速度 轉矩曲線表述的是在一恒定電壓 U 下電機的機械表現(xiàn)，該曲線可由兩點法給出 :空載轉速 n。它相當于速度一轉矩曲線在特性曲線上平移，如圖所示。和直流電機同軸的光電編碼器 E 輸出 A、 B 兩路方波信號送到伺服放大器和整形電路，通過整形電路送到單片機用于測量轉速。 系統(tǒng)選型 直流電機選型 根據(jù)系統(tǒng)技術要求，本文的直流電機選用 maxon 集團的高級精密電機 Amax 32Ф32rnrn，石墨電刷，性能指標如下所示 : 標稱功率 15w 額定電壓 空載轉速 5860rPm 堵轉轉矩 129mNm 速度 /轉矩斜率 空載電流 74mA 堵轉電流 3370mA 電機電阻 最大允許轉速 6000rPm 最大連續(xù)電流 1020mA 最大連續(xù)轉矩 北華大學畢業(yè)設 計（論文） 9 最大輸出功率 19200mw 最大效率 72% 轉矩常數(shù) 速度常數(shù) 250rpm/V 機械時間常數(shù) 20ms 轉子慣量 電機電感 機殼到環(huán)境的熱阻抗 轉子到機殼的熱阻抗 繞組的熱時間常數(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 轉換器，其輸出為電壓型。 （ 7） 數(shù)據(jù)更新速率為 ，典型建立時間為 單片機選型 由單片機實現(xiàn)檢測控制，其中一個首要的工作就是選擇合適的單片機。 本章小結 本章分析了直流電機的能量轉換和特性曲線，依據(jù)系統(tǒng)技術要求進行了整體方案設計，分析了系統(tǒng)工作原理，依據(jù)系統(tǒng)技術要求和方案對直流電機、伺服放大器、光電數(shù)字編碼器、 D/A 轉換芯片、單片機等進行了選型。但是用軟件實現(xiàn)硬件的功能可以簡化硬件結構，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。 (3)靈活的功能擴展。 根據(jù)系統(tǒng)要求及上面幾個硬件設計原則，系統(tǒng)以單片機 STC89C51 為中央處理單元，由鍵盤輸入電路， D/A 轉換電路，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 +Set 與 Set 間的電壓為 0—10V 時，通過調節(jié)伺服放大器的調諧電位器使電機轉速為 0—4000rPm。D/A 轉換芯片 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畢業(yè)設 計（論文） 14 GB=600kHz。 MC1403 輸出 電壓，滿足 TLC5615 的要求。 PC 機的串行口傳輸速度一般只能達到 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 921600ms。下面以 DB9 為例，如圖 所示，介紹 PC 機串行接口的引腳功能定義，其中 DTE 可以是計算機， DCE 一般指調制解調器，表示 MODEM。RxD 第 2 引腳接收數(shù)據(jù)，由 MODEM 到計算機。DTR 第 20 引腳，數(shù) 據(jù)終端就緒，由計算機到 MODEM，計算機收到 RI 信號，作為回答，就發(fā)出 DTR 信號到 MODEM， O 有效。 ZLG7289A 具有片選信號 可方便地實現(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 ZLG7289A 的訪問次數(shù)，可以使得程序更有效率。一個完善的閉環(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)對測量元件的質量要求北華大學畢業(yè)設 計（論文） 19 相當高。為了適應可逆控制以及轉向的判別，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盤順時針轉時 A相超前 B 相，則逆時針轉 /時 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行設計的，即將光電編碼器輸出的兩路信號，分別輸入到一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和一個非門，之后再將信號經(jīng)過一次與邏輯，得到反映電動機正轉信號 (CP+)和反轉信號 (CP)。 ABC P +C P ABABABC P +C P 圖 整形辯相波形 由于本系統(tǒng)不需要測量電機的正反轉。著重分析了 D/A 轉換電路、鍵盤 顯示電路、轉速測量電路、單片機與上位機串行電路通訊 電路 的原理。 模糊 PID調速 在直流電動機閉環(huán)調速系統(tǒng)中 ,大多采用結構簡單、性能穩(wěn)定的常規(guī) PID控制技術。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)轉換器把它轉換成精確的數(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 來進行綜合判斷。再把在 區(qū)間 [+6， 6]上的量根據(jù)需要劃分成若干等級，每個等級作為一個模糊變量，并對應一個模糊子集合或者隸屬函數(shù)。 “正零 ”(PZ)，可取在比零稍大一點的地方 。 如果需要簡化，可以把 “正零 ”和 “負零 ”合并為 “零 ”（ ZO）取七個等 級。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相對最能代表這個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) 加權平均法 系數(shù)加權平均法的輸出如下 : u= ?? ?111 /)( kuk （ ） 北華大學畢業(yè)設 計（論文） 25 這里權系數(shù) k，的選擇要根據(jù)實際情況而定，不同的系數(shù)決定著系統(tǒng)有不同的響應特性。 圖 參數(shù)自整定的模糊控制器