【正文】 ???? 0 （ ） 轉(zhuǎn) 矩 M速 度 n 0 n? M? nUU ?nUU ? HM 圖 直流電機(jī)速度－轉(zhuǎn)矩曲線圖 系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖 所示： 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 8 單片機(jī) 顯 示 鍵 盤 P C D / A轉(zhuǎn)換 電 路 伺 服 放大 器 整 形 電路V單片機(jī) EABM圖 直流電機(jī)多速控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)以 STC89C51 單片機(jī)為控制核心，通過鍵盤設(shè)置各段運(yùn)行參數(shù)，也可通過電腦設(shè)置下載到單片機(jī)。 伺服放大器選型 伺服放大器選用 maxon 集團(tuán)的 LSC/24－ Q－ DC 四象限直流伺服放大器，用于與帶永久磁鋼的直流微電機(jī)。目前國內(nèi)在使用單片機(jī)作控制系統(tǒng)的微處理器時多選擇 PIC 系列或 Motorola 系列單片機(jī)，而本系統(tǒng)選用的 STC89C51 單片機(jī)在多個方面較其它系列單片機(jī)有一定的優(yōu)越性。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，在滿足可行性和實(shí)時性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實(shí)現(xiàn)。下面對主要的電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 13 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 3 J u n 2 0 08 S he e t o f F i l e : C : \ D o c u m e n t s a n d S e t t i n gs \ 光明使者 \桌面 \原理圖 \大輝 . d dbD r a w n B y:c hAc hBG n d+ 5V + 1413 3 4 7 8+ S E T S E T電源2 5V D C+1615伺服放大器m a x o n m o t o r 圖 伺服放大器的連接電路 電源電路 控制系統(tǒng)需要一個穩(wěn)定的工作電壓才能可靠工作，本系統(tǒng)的伺服放大器需要 25V電源 。輸出電壓誤差? l%。轉(zhuǎn)換速率 300mV/uF。 RS232C 最初是為用來連接調(diào)制解調(diào)器作傳輸用的，因此它的腳位意義通常也和調(diào)制解調(diào)器傳輸有關(guān)。 MODEM 將接收下來的數(shù)據(jù)沿接收數(shù)據(jù)線送到計(jì)算機(jī)終端 。 典型應(yīng)用： 儀器儀表 工業(yè)控制器 條形顯示器 控制面板 特點(diǎn)： （ 1）串行接口無需外圍元件可直接驅(qū)動 LED （ 2）各位獨(dú)立控制譯碼 /不譯碼及消隱和閃爍屬性 （ 3）循環(huán)左移 /循環(huán)右移指令 （ 4）具有段尋址指令方便控制獨(dú)立 LED （ 5） 64 鍵鍵盤控制器內(nèi)含去抖動電路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 3 J u n 2 0 08 S he e t o f F i l e : C : \ D o c u m e n t s a n d S e t t i n gs \ 光明使者 \ 桌面 \ 原理圖 \ 大輝 . d dbD r a w n B y:1 0kV d d R E S E TV d d O S C 1NC O S C 2V s sD I G 7NCD I G 6CS D I G 5C L K D I G 4D A T A D I G 3K E Y D I G 2SG D I G 1SF D I G 0SE DPSD SASC SBZ L G 7 2 8 91 0k1 0k1 0kV c c1 0k1 0k1 0k1 0k1 0k1 0k1 0k1 0k1 0k1 0k1k1 0k1 0k1 0k1 0k1 . 0 F1 . 0 F1 . 0 F1 0k1 0k1 0k1 0k1 0k1 0k 圖 顯示和鍵盤輸入電路圖 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 18 ZLG7289A 應(yīng)連接共陰式數(shù)碼管，應(yīng)用中，無需用到的數(shù)碼管和鍵盤可以不連接 ,省去數(shù)碼管和對數(shù)碼管設(shè)置消隱屬性均不會影響鍵盤的使用。如果芯片無法正常工作，請首先檢查此振蕩電路在印刷電路板布線時所有元件，尤其是振蕩電路的元件應(yīng)盡量靠近 ZLG7289A，并盡量使電路聯(lián)線最短。因?yàn)樾酒?直接驅(qū)動 LED 數(shù)碼管顯示。 增量式光電編碼器的分辨率是以編碼器軸轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的輸出信號基本周期數(shù)，也就是用脈沖數(shù) /轉(zhuǎn)表示的，并以此定義編碼器的分辨率，因此光電 轉(zhuǎn)盤上的槽或窗口數(shù)目等于編碼器的分辨率。因此只需將正轉(zhuǎn)信號 CP+接入單片機(jī)的CO 端口即可測量各階段的轉(zhuǎn)速。由干電機(jī)本身是一個非線性的被控對象，許多拖動負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素 ,所以被控制對象的參數(shù)變化與非線性特性，使得線性的常參數(shù)的 PID調(diào)節(jié)器常常顧此失彼，難以使 系統(tǒng)在各種情況下都能保持設(shè)計(jì)時的性能指標(biāo)，系統(tǒng)的魯棒性差，難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求。無論是偏差還是偏差變化率，它們都是精確的輸入值，要采用模糊控制技術(shù)就必須首先把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。 “負(fù)零 ”(NZ)，可取在比零少小一點(diǎn)的地方 。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 23 圖 E（ EC）隸屬函數(shù) 模糊規(guī)則的形成是根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的操作者或者專家的控制知識和經(jīng)驗(yàn)制定出若干模糊控制規(guī)則，如果 E 和 EC 都分為 7 個等級的話，那么就可以形成 49 條規(guī)則。反模糊化常用方法有三種最大隸屬度函數(shù)法、重心法和加權(quán)平均法 。 圖 參數(shù)自整定模糊 PID 控制器 轉(zhuǎn)速環(huán)模糊控制器的設(shè)計(jì) 如圖 ,其輸入量為直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子角速度給定值和實(shí)際值的偏差 e以及偏差的變化量 de，其輸出為比例積分調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) KP和積分系數(shù) KI。 模糊規(guī)則表如 表一 所示 6 3 0 +3 +6 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 24 表 模糊規(guī)則表 E EC NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PB PB PM PS ZO NM PB PB PB PM PS ZO ZO NS PB PM PS PS ZO NS NS ZO PM PS PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NB PM ZO ZO NS NM NB NB NB PB ZO NS NM NB NB NB NB 通過模糊推理得到的結(jié)果是一個模糊集合或者隸屬函數(shù)，但在實(shí)際使用中，特別是在模糊邏輯控制中，必須要用一個確定的值才能去控制伺服機(jī)構(gòu)。例如變換后的值是 5，它對 “負(fù)大 ”的隸屬函數(shù)的隸屬度是 ，對 “負(fù)小 ”的隸屬函數(shù)的隸屬度是 ，對其他隸屬函數(shù)的隸屬度都是 0，諸如此類就完成了對精確輸入量的模糊化過程。 “正小， (PS)，可取在 +2 附近 。模糊邏輯控制器的結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 模糊控制結(jié)構(gòu) 模糊化 反模糊化 模糊推理 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 22 通常控制總是用系統(tǒng)的實(shí)際輸出值與設(shè)定的期望值相比較，得到一個偏差值 E，控制器根據(jù)這個偏差值來決定如何對系統(tǒng)加 以調(diào)整控制。本系 統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為若干個模塊，分別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能 。由圖可知，當(dāng) A 超前 B 到 T/4 周期時， CP+輸出信號，而 CP 沒有 信號輸出，相反，就只有CP 有信號輸出，從而實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的識別。光電轉(zhuǎn)盤與被測軸聯(lián)接，光源通過光電轉(zhuǎn)盤的透光孔射到光敏元件上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時光敏元件便發(fā)出與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號。 ZLG7289A 將輸出 0FFH （ 255）。數(shù)碼管的尺寸也不宜選的過大，一般字符高度不超過 1 英寸，如使用大型的數(shù)碼管應(yīng)使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路。 ZLG7289A 內(nèi)部含有譯碼器可直接接受 BCD 碼或 16 進(jìn)制碼并同時具有 2 種譯碼方式參看后文此外還具有多種控制指令如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。當(dāng)此信號出現(xiàn)時，表示 MODEM 己接收到通訊線路另一端 MODEM 送來的信號，也即與電話線路己連接好 。 PC 機(jī)上的串行口有兩個COM1 和 COM2，一般都是 9 針的接頭 (對于較新的計(jì)算機(jī)來說情況如此，而老式計(jì)算機(jī)可能有 25 針的接頭 )，這個接頭且為公接頭， 25 針的也是公接頭。偏置電流 700pA。 MC1403 是高精度、第溫度漂移的基準(zhǔn)電壓電路 。光電編碼器輸出的 A、 B 兩路脈沖信號送到伺服放大器的 1 14 端 。功能擴(kuò)展是否靈活是衡量一個系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能時，其響應(yīng)時間比用硬件實(shí)現(xiàn)長 ，還要占用 CPU 時間。 （ 5） 具有復(fù)位功能以確?？梢灾貜?fù)啟動 （ 6） 低消耗 ，在 5V 供電時功耗僅為 。單片機(jī)主要完成參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)速測量 、參數(shù)顯示和控制輸出等功能?？蛰d轉(zhuǎn) 速與堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩將隨著給定電壓的改變而成線性關(guān)系。因此電機(jī)的功率守恒可表述為 : jmechel PPP ?? （ ） 更詳細(xì)的也可描述為 : 2IRM30000 ????? nIU ? （ ） 圖 電機(jī)能量轉(zhuǎn)換圖 在能量轉(zhuǎn)化過程中，有兩個特性參數(shù)是至關(guān)重要的，他們是速度常數(shù) nK 和轉(zhuǎn)矩常數(shù) mK ，速度常數(shù)是指速度 n 和線圈感應(yīng)電壓 indU 之間的關(guān)系，是指在忽略摩擦的情況下的每個單位電壓下的速度變化， indU 與速度是成正比的，公式如下 : indn Ukn ?? （ ） 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 6 轉(zhuǎn)矩常數(shù)所聯(lián)系的是機(jī)械轉(zhuǎn)矩 M 和電流 I 之間的關(guān)系，是指轉(zhuǎn)矩和有效電流之比。計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以使復(fù)雜的控制規(guī)律較方便的實(shí)現(xiàn)，以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字控制技術(shù)成為自控領(lǐng)域的主流，也給直流電氣傳動的發(fā)展注入了新的活力，使電氣傳動進(jìn)入了更新的發(fā)展階段。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī) —電動機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。和異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比，它功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)子位置可測、效率高、定轉(zhuǎn)子氣隙大、控制性能好等特點(diǎn)。可以說，目前己形成了直流電動機(jī)、異步電動機(jī)和同步電動機(jī)三大調(diào)速系列。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 2 1 緒論 引言 電氣傳動是現(xiàn)代最主要的機(jī)電能量變化形式之一。 本論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，通過鍵盤設(shè)置各段運(yùn)行參數(shù)，也可通過電腦設(shè)置下載到單片機(jī)。 針對直流電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重的特點(diǎn)，從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行抗干擾的綜合考慮，并利用多種軟件和硬件技術(shù)來提高和改善系統(tǒng)的抗干擾能力，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個行業(yè)對直流電機(jī)的需求愈益增大，并對其性能提出了更高的要求。利用 STC89C51 芯片進(jìn)行低成本直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠 簡化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、滿足更多應(yīng)用場合的需要。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相 比，計(jì)算機(jī)控制具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行了上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，單片機(jī)程序編寫，對系統(tǒng)主程序的流程進(jìn)行了分析，說明各模塊的功能，最后調(diào)試通過，實(shí)現(xiàn)了各部分功能。而在交流調(diào)速系統(tǒng)中，又可分為異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。和同容量的直流電動機(jī)相比，它具有效率高、過載能力大、體積小、轉(zhuǎn)動慣量小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，并可做到大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓控制。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(jī) —電動機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。 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，電氣傳動領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。余下的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 mechP ，如圖 所示。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 :它是電機(jī)在堵轉(zhuǎn)條件下的轉(zhuǎn)矩值，也叫起動轉(zhuǎn)矩 )，如圖 所示。顯示部分顯示各段設(shè)定的時間值、轉(zhuǎn)速值和測量的轉(zhuǎn)速值 。 TLC5615 的管腳圖如圖 所示 D I NS C L KC SD O U TV c cO U TR E F I NA G N D12346758 圖 TLC5615 管腳圖 TLC5615 的主要性能特點(diǎn) 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 10 （ 1） 單 5V 電源工作 （ 2） 3 線串行接口 （ 3） 高阻抗基準(zhǔn)輸入 （ 4） DAC 最大輸出電業(yè)是基準(zhǔn)點(diǎn)壓值得兩倍，且單調(diào)變化。一些由硬件實(shí)現(xiàn)的功能可