【正文】 ............................................... 32 小結(jié) ............................................................................................................................ 33 結(jié)論 ......................................................................................................................................... 35 參考文獻 .................................................................................................................................. 37 致謝 ......................................................................................................................................... 39 附錄 A 硬件電路原理圖 .......................................................................................................... 41 1 緒論 化工學(xué)院 1 1 緒論 課題研究的背景 直流電機是最常見的一種電機，由于它具有良好的起動、制動性能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因此在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，例如交通、機械、化工、航空等領(lǐng)域中。與為了實現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件的模擬電路相比，使用單片機作為電動機的控制器，使得電路更加簡單。所以在電氣傳動實時控制系統(tǒng)中受到重視和普遍應(yīng)用。所以，電機調(diào)速一直是近些年來研究的熱點。 PWM 即脈寬調(diào)制技術(shù)，它是 利用半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的周期和寬度以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的周期和寬度以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。 研究方法 文中主要介紹了利用 MCS51 系列單片機，通過 PWM 方式控制直流電機調(diào)速的方法。 設(shè)計中選用了AT89S51 單片機，基本實現(xiàn)了用軟件產(chǎn)生 PWM 信號，并且通過單片機將信號傳輸給電機驅(qū)動芯片，以實現(xiàn)對小型直流電機的啟停、方向、加速和減速的控制。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便 ，價格低廉。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機 —電動機系統(tǒng)，是調(diào)速性能指標(biāo)又進一步提高。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡單等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系 統(tǒng)經(jīng)濟指標(biāo)和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā) 展。 隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對自動化的需求也越來越高，直流電動機應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大 。 我國從 20 世紀(jì) 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前我國大部 分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置還是依靠進口。本節(jié)主要通過PWM 變頻調(diào)速技術(shù)與其他傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)的優(yōu)缺點對比，進而介紹變頻調(diào)速技術(shù)的特性。變極調(diào)速 只能實現(xiàn)有級調(diào)節(jié)（一般有兩個速度），如電機由兩極切換到四極，速度就會由大約 3000轉(zhuǎn) /分降到大約 1500轉(zhuǎn) /分。 （ 2）變轉(zhuǎn)差調(diào)速 異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為 )1(60)1(1 sPN fsnn ???? （ 11） 由式（ 11）可以看出，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率 s，可改變電動機轉(zhuǎn)速 n。變轉(zhuǎn)差率則是轉(zhuǎn)差功率與轉(zhuǎn)差率成正比改變，根據(jù)轉(zhuǎn)差功率是否全部消耗掉，分為轉(zhuǎn)差功率消耗型和轉(zhuǎn)差功率回饋型兩類。 （ 3）交 交變頻調(diào)速 交 交變頻調(diào)速就是在該系統(tǒng)中每一相的正弦波都使用三相的電壓波形，通過兩組晶閘管變流電路，調(diào)制出近似正弦波的輸出 。調(diào)極提速的平滑性不好而交 交變頻調(diào)速的調(diào)速范圍有限。 現(xiàn)代的變頻器采用了通信技術(shù)領(lǐng)域中的脈寬調(diào)制技術(shù)，具體一點就是應(yīng)用了采樣控制理論中的一個重要理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。 由上所知恒磁通調(diào)速，其實是要達(dá)到恒力矩輸出的效 果。 總的來說 PWM 變頻調(diào)速技術(shù)頻調(diào)速靈活。該系統(tǒng)需能實現(xiàn)用軟件產(chǎn)生 PWM 信號，并且通過單片機對 L298 的信號傳輸達(dá)到對電機的啟動和停止，加速和減速，正傳和反轉(zhuǎn)的控制；直流電機的轉(zhuǎn)速在 LED 顯示器上正確實時顯示。 小結(jié) 首先 主要分析了 直流電機調(diào)速系統(tǒng)研究的背景和研究的目的及意義；并且介紹了直流電機控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展情況； PWM 變頻調(diào)速的發(fā)展前景；研究方法；以及課題主要研究內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)做了簡要說明。通過改變直流電機電樞上電壓的 “占空比 ”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。文中所研究的直流電機 調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。 系統(tǒng)的主體電路是直流電機 PWM 控制模塊。 控制模塊：主要由 AT89S51 單片機的外部擴展電路組成。那么如果其輸入電壓減小，其轉(zhuǎn)動速度也相應(yīng)地減小。本設(shè)計需要使用的軟件資源比較簡單，只需完成霍爾元件采樣部分、鍵盤控制部分以及顯示輸出功能。 AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位微控制器，片內(nèi)含 4K Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，所以 ATMEL 的 AT89S51 是一種高效微控制器 [6]。所以，此處的電路在速度的顯示上失去了其真實性。但是電阻網(wǎng)路只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格昂貴， 更主要的問題是一般電機的電阻很少，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)困難。用單片機控制復(fù)合三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。其中定子由主磁極、換向磁極、機座等幾部分組成；轉(zhuǎn)子主要由：電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。對于直流電機 來說人為機械特性方程式為： nnTCC RCUn TE aE a ????? 02?? （ 21） 式中： 0n 是電動機的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為?EaCUn ?0； n? 是轉(zhuǎn)速差； aU 是電樞供電電壓（ V）；aR 是電樞回路總電阻（ Ω）； ? 是勵磁磁通（ Wb）； EC 是電勢系數(shù)； TC 轉(zhuǎn)矩系數(shù)[7]。 NE555 產(chǎn)生的信號要通過功率放大才能驅(qū)動后級電路。 青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計： 基于單片機控制直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 10 化工 學(xué)院 （ a） （ b） 圖 23 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其波形 假設(shè) V1 先導(dǎo)通 T1 秒，然后又關(guān)斷 T2 秒，如此反復(fù)進行，可得到圖 23（ b）的波形圖， 可以得到電機電樞端的平均電壓da UTTU 1?。改變 ? 有三 種方法：第一種就是 T1保持不變，使 T2 在 0 到 ∞之間變化，這叫定寬調(diào)頻法；第二種就是 T2 不變，使 T1 在 0 到 ∞之間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻法；第三種就是 T 保持一定，使 T1在 0 到 T 間變化，這叫定頻調(diào)寬法。 綜合考慮選方案二，采用定頻調(diào)寬法。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。 因為運動中的電荷收到磁場中洛倫磁力的作用而產(chǎn)生霍爾效應(yīng)。 在設(shè)計中，使用者可通過鍵盤對電機進行啟動和制動、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、加速和減速控制。獨立鍵盤如圖 25 所示。鍵的閉合與否反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)高電平或者低電平。獨立式鍵盤的特點是，一鍵一線，各鍵相互獨立，每個按鍵各接一條 I/O 口線，通過檢測 I/O 輸入線的電平狀態(tài)，可以很容易地判斷哪個按鍵被按下。 按鍵的開關(guān)狀態(tài)通過一定的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)。為了避免 CPU 多次處理按鍵的一次閉合，應(yīng)采用措施消除抖動。由此可以看到行列式鍵盤在按鍵較多時，可以節(jié)省 I/O口線。若向所有的列線 I/O 口輸出低電平，然 后將行線的電平狀態(tài)讀入累加器 A 中，若無鍵按下，行線仍保持高電平狀態(tài)，若有鍵按下，行線至少應(yīng)有一條為低電平 [9]?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。同理。 從驅(qū)動 IC 的輸出腳到像素點之間實行 “點對點 ”的控制叫做靜態(tài)驅(qū)動， 靜態(tài)顯示接口因為每一位數(shù)碼恒定顯示一位數(shù)據(jù)，亮度較高，而且編程簡單。要實現(xiàn)以上的功能，應(yīng)用比較廣泛的是由四個開關(guān)管構(gòu)成的 H 型橋式驅(qū)動電路。 L298 內(nèi)含的功率輸出器件設(shè)計制作在一塊石英基 片上，由于制作工藝的同一性，因而具有分立元件組合電路不可比擬的性能參數(shù)一致性，工作穩(wěn)定。內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計： 基于單片機控制直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 14 化工 學(xué)院 電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端口，分別控制兩個電機的啟動和制動；有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低 電壓下工作；它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電路。 方案二：利用一個能夠反光的小圓片，在它的徑向上開一個小缺口，利用紅外光電耦合器，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個上脈沖，然后 用單片機在單位時間里面來采集上升源的個數(shù)，這樣就完成速度的采集。同事還可以采用定時的方法：是通過定時器記錄脈沖的周期 T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速： M=60/T。如圖 1 所示是 CS3020 的外形圖，將有字面對準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是 Vcc，地，輸出。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。硬件電路組成框圖如圖 29 所示： 圖 29 直流電機調(diào)速系統(tǒng)硬件 設(shè)計是由單片機 AT89S51 接受鍵盤的信號并通過計算占空比產(chǎn)生出對應(yīng)的 PWM 信號輸出和控制信號輸出，其中一路信號控制 L298 的使能和方向，一路 PWM 波形送 L298 控制直流電機的速度。本章將基于上一章為基礎(chǔ)對硬件系統(tǒng)各部分作進一步分析，并且對硬件各部分電路加以呈現(xiàn)和分析。 （ 1） ATMEL 公司的 AT89S51 芯片具有以下特性： ●指令集和芯片引腳與 Intel 公司的 8051 兼容； ●4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程 Flash 程序存儲器； ●時鐘頻率為 0～ 33MHz； ●128字節(jié)片內(nèi)隨機讀寫存儲器（ RAM）； ●32個可編程 I/O 引腳； ●2個 16 位定時 /計數(shù)器； ●6個中斷源， 2 級優(yōu)先級； ●全雙工串行通信接口； ●監(jiān)視定時器； ●低功耗的閑置和掉電模式。當(dāng) EA 端保持高電平時，單片機復(fù)位后訪問片內(nèi)存儲器 ROM。當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許 ALE (address latch enable)信號的輸出用于鎖存低 8 位地址的控制信號，此信號頻率為 振蕩器的 1/6。此端定時輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。 P0 口第一功能是作為通用的 I/O 口， CPU 在傳送輸入 /輸出數(shù)據(jù)時，輸出數(shù)據(jù)可以鎖存，輸入數(shù)據(jù)可以緩存； P0 口第二功能是當(dāng) CPU 訪問片外存儲器時，分時提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)的復(fù)位總線。 P2口第一功能是當(dāng)不帶片外存儲器時，作為通用 I/O 口； P2口第二功能是當(dāng)帶片外存儲器時，與 P0 口配合 ，傳送片外存儲器的高 8 位地址，共同選中片外存儲器單元。所以設(shè)計中采用雙路輸出的線性直流穩(wěn)壓電源，如圖 32 所示： 圖 32 雙路輸出的線性直流穩(wěn)壓電源 青海大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計： 基于單片機控制直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 20 化工 學(xué)院 由圖 32 可見，這個雙路輸出的線形直流穩(wěn)壓電源只用了一個 220V 變 12V 的變壓器，一個整流橋，兩塊穩(wěn)壓集成電路（ 7812 和 7805）和四個電容。 PWM 波形發(fā)生原理 設(shè)計中 PWM 波形是用 AT89S51 單片機編程實現(xiàn)的，這部分硬件比較少，主要保證 AT89S51 正常工作的最少模式就行了， AT89S51 的