【正文】 ............................................... 15 第 3 章直流電機單元電路設(shè)計與分析 ..................................................................... 17 設(shè)計思路 ............................................................................................................... 19 方案論證與比較 .................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 總電路圖 ............................................................................................................ 35 總電路功能介紹 .................................................................. 錯誤 !未定義書簽。眾所周知，與交流調(diào)速系統(tǒng)相比，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，變流裝置控制簡單，長期以來在調(diào)速傳動占統(tǒng)治地位。所以，今后一個階段在調(diào)速要求較高的場合，如軋鋼廠、海上鉆井平臺等，直流調(diào)速仍然處于主要地位。從小至數(shù)瓦 , 大到萬余千瓦 , 廣泛地用于冶金、礦山、煤炭、起重運輸、機床制造、紡織印染等各個部門中 , 特別是近幾年電子計算技術(shù)廣泛應(yīng)用在直流電機設(shè)計制造中。但發(fā)電機、電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。 從 20 世紀 80 年代中后期 起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。 隨著計算機，微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。所以應(yīng)用先進控制算法，開發(fā)全數(shù)字化智能運動控制系統(tǒng)將成為新一代運動控制系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展方向。比較簡單的電機微機控制，只要用微機控制繼電器或電子開關(guān)元件使電路開通或關(guān)斷就可以了。 目前， PWM 整流控制技術(shù)的研究取得了一 定的進展。該直流電機系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時鐘電路：這部分電路主要由 80C51 單片機和一些電容、晶振組成。這部分電路主要由 80C51 單片機的 I/O端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴展等控制直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機轉(zhuǎn)速的大小和了解電機的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。 AT89C2051 單片機介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字 節(jié) 閃 爍 可 編 程 可 擦 除 只 讀 存 儲 器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 目前，單片機正朝 著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著 CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3~6V 范圍內(nèi)工作。 高性能化 主要是指進一步改進 CPU 的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。隨著低價位 OTP（ One Time Program）及各種類型片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展，加 之外圍接口不斷進入片內(nèi)，推動了單片機 “單片 ”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。 51 單片機引腳圖和引腳功能 (1)51 單片機引腳圖 圖 21 51 單片機引腳 （ 2） 51 單片機引腳功能 40 個引腳按引腳功能大致可分為 4 個種類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳。 ⑷ EA/Vpp:內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。故，不采用數(shù)碼管顯示電路。容易開發(fā)，開發(fā)周期短，使用方便簡單。下面就看一下我們對兩套設(shè)計方案的簡要說明。轉(zhuǎn)速信號由光電傳感器拾取 ,使用時應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好光電標記 ,具體辦法可以是 :將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆 (或黑色膠布 ) 全部涂黑 ,再將一塊反光材料貼在其上作為光電標記然后將光電傳感器 (光電頭 ) 固定在正對光電標記的某一適當(dāng)距離處。從 PC 機發(fā)來的控制命令經(jīng)單片機系統(tǒng)接收后，產(chǎn)生電機控制信號，并提供給電機驅(qū)動電路控制直流電機正常運轉(zhuǎn)并正常顯示轉(zhuǎn)速。手動按鍵復(fù)位是通過按鍵將電阻 R2 與 VCC接通來實現(xiàn)。上電復(fù)位的工作過程是在加電時，電容加給 RST 端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著 Vcc 對電容的充電過程而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、 LED 數(shù)碼管、液晶顯示器。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過線圈中電流改變方向時，線圈的受方向也將改變，因此通過改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機的方向。 圖 39 直流電機的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式 ： U=EaIa（ Ra+Rc） …………………………………………… 式 式 中， Ra 為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和； Rc 是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。 圖 311 為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。輸出電流可達 2． 5 A，可驅(qū)動電感性負載。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。具體結(jié)構(gòu)與電路如 下圖所示。 脈沖觸發(fā)設(shè)置方法： SETB ITX＝ 1，為脈沖下降沿觸發(fā)方式。重要的是能夠?qū)纹瑱C與實際生活中的一些應(yīng)用聯(lián)系起來，同時通過畢業(yè)設(shè)計對 PC 機通過串口控制單片機有一定的了解。最后，感謝我的母校為我提供了這么一個優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境，培育我成長起來。另外，上位機不需要進行復(fù)雜的編程，直接用微機的通信串行口進行命令控制，并且命令符可自定義。 （ 3）外部優(yōu)先級設(shè)置 外部中斷 IN0、 INT1 的中斷優(yōu)先級的設(shè)置是通過設(shè)置 IP 寄存器實現(xiàn)的， IP 的PX0 對應(yīng) INT0， PX1 對應(yīng) INT1。操作開關(guān)通過中斷控制直流電機的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能，并通過 LCD 液晶顯示。所用元器件如下所示： ● 1N4006 : 二極管 ● AT89C51 : 單片機 (在此并未顯示 ) ● RES : 電阻 ●MOTORENCODER : 直流電機 0 X X 停止 1 1 0 正轉(zhuǎn) 1 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 1 剎停 1 0 0 停止 ● L298 : 電機驅(qū)動芯片 ● RESPACK8: 排阻 圖 313 直流電機及其驅(qū)動電路 霍爾元件測速電路 霍爾元件測速法是利用霍爾開關(guān)元件測轉(zhuǎn)速的。 L298 可驅(qū)動 2 個電動機， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。 由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機PWM 調(diào)速原理。 由 式和 式得 n =Ea/CeΦ……………………………………………… 式 r a Ea n T0 T2 I U T1 Φ Rc 說明 : U … …… …… … 電壓 Ea ……… 電樞電動勢 n …… … …… … … 轉(zhuǎn)速 I ……… …… … 電樞電流 r a ……… 電樞回路電阻 Rc ……… 外在電樞電阻 T1 ， T2 … … … 負載轉(zhuǎn)矩 T0 ……… … 空載轉(zhuǎn)矩 Φ ……… …… … 磁通量 由式 中可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機，當(dāng)勵磁電壓和負載轉(zhuǎn)矩恒定時，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓 Ea 決定，電樞電壓越高，電機轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到 0V 時，電機就停止轉(zhuǎn)動；改變電樞電壓的極性，電機就反轉(zhuǎn)。 額定電壓 Ue：長期運行的最高電壓。 圖 35 1602 液晶顯示模塊引腳分布 (2)引腳功能 1602 引腳功能如表 31 所示 表 31 1602 引腳功能 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS VSS 為地電源 9 D2 Data I/O 2 VDD VDD 接 5V 正電源 10 D3 Data I/O 3 VEE 液晶顯示偏壓信號 11 D4 Data I/O 4 RS 0 輸入指令， 1 輸入數(shù)據(jù) 12 D5 Data I/O 5 R/W 0 寫入指令或數(shù)據(jù)， 1 讀信息 13 D6 Data I/O 6 E 1 讀取信息， 1→0 執(zhí)行指令 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正極 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負極 （ 3） 1602 接線圖 1602 液晶顯示電路 圖 36 1602 接線圖 最小系統(tǒng)電路圖 圖 37 最小系統(tǒng)接線圖 直流電機驅(qū)動模塊 主要由一些二極管、電機和 L298 直流電機驅(qū)動模塊（內(nèi)含 CMOSS 管、三太門等）組成。上電時， Vcc 的上升時間約為 10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為 10MHz，起振時間為 1ms；晶振頻 率為 1MHz，起振時間則為 10ms。 無論用戶使用哪種類型的單片機 ,總要涉及到單片機復(fù)位電路的設(shè)計。通常在引腳 XTALl和 XTAL2 跨接石英晶體和兩個補償電容構(gòu)成自激振蕩器，系統(tǒng)時鐘電路結(jié)構(gòu)如圖所示，我們選擇 的石英晶體，補償電容通常選擇 2030pF 左右的瓷片電容。光電頭包含有前置電路，輸出 0— 5V的脈沖信號。本文介紹一種泵驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測量。不容易開發(fā)，在按鍵較多的時候，與獨立式鍵盤相比較經(jīng)濟，占用 IO 端口較少，但編程較獨立式鍵盤難的多，由于本設(shè)計要求的鍵盤按鍵數(shù)量較少，采用獨立式鍵盤較方便，開發(fā)難度大大降低，開發(fā)周期縮短，也比較經(jīng)濟?？梢燥@示字母和數(shù)字，以及簡單的圖像。 ② Vpp 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 ⒉ 時鐘 :XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 單片機的特點 單片機把微型計算機的主要功能都集成在一塊芯片上，即一塊芯片就是一個微型計算機。 小容量、低價格化 與上述相反，以 4 位、 8 位機為中心的小容量、低價格化也是發(fā)展動向之一。目前 供電的單片機已經(jīng)問世。 CMOS 化 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor）電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。由于將多功能 8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。其間是通過 80C51 單片機產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到 L298 驅(qū)動芯片來控制直流電機工作的。設(shè)計控制部分：主要由 80C51 單片機的外部中斷擴展電路組成。 在電流型 PWM 整流控制方面，相繼對電流型 PWM 整流器的 Dalta 調(diào)制、空間矢量調(diào)制、預(yù)測控制、電網(wǎng)不平衡條件下的控制、非線性控制進行了研究。對于復(fù)雜的電 機控制，則要用微機控制電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機按給定的指令準確工作。為了適應(yīng)時代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動機控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡(luò)化，信息化，模糊化的方向不斷前進