【正文】 ............................................... 15 第 3 章直流電機(jī)單元電路設(shè)計(jì)與分析 ..................................................................... 17 設(shè)計(jì)思路 ............................................................................................................... 19 方案論證與比較 .................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 總電路圖 ............................................................................................................ 35 總電路功能介紹 .................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)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(jiǎn)單，長(zhǎng)期以來(lái)在調(diào)速傳動(dòng)占統(tǒng)治地位。所以，今后一個(gè)階段在調(diào)速要求較高的場(chǎng)合，如軋鋼廠、海上鉆井平臺(tái)等，直流調(diào)速仍然處于主要地位。從小至數(shù)瓦 , 大到萬(wàn)余千瓦 , 廣泛地用于冶金、礦山、煤炭、起重運(yùn)輸、機(jī)床制造、紡織印染等各個(gè)部門(mén)中 , 特別是近幾年電子計(jì)算技術(shù)廣泛應(yīng)用在直流電機(jī)設(shè)計(jì)制造中。但發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。 從 20 世紀(jì) 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(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動(dòng)完成一次大的躍進(jìn)。 隨著計(jì)算機(jī)，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(dòng)機(jī)的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。所以應(yīng)用先進(jìn)控制算法，開(kāi)發(fā)全數(shù)字化智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將成為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。比較簡(jiǎn)單的電機(jī)微機(jī)控制，只要用微機(jī)控制繼電器或電子開(kāi)關(guān)元件使電路開(kāi)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(jìn)展。該直流電機(jī)系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時(shí)鐘電路：這部分電路主要由 80C51 單片機(jī)和一些電容、晶振組成。這部分電路主要由 80C51 單片機(jī)的 I/O端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和了解電機(jī)的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。 AT89C2051 單片機(jī)介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字 節(jié) 閃 爍 可 編 程 可 擦 除 只 讀 存 儲(chǔ) 器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。 目前，單片機(jī)正朝 著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。允許使用的電壓范圍越來(lái)越寬，一般在 3~6V 范圍內(nèi)工作。 高性能化 主要是指進(jìn)一步改進(jìn) CPU 的性能，加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。隨著低價(jià)位 OTP（ One Time Program）及各種類(lèi)型片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的發(fā)展，加 之外圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi)，推動(dòng)了單片機(jī) “單片 ”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。 51 單片機(jī)引腳圖和引腳功能 (1)51 單片機(jī)引腳圖 圖 21 51 單片機(jī)引腳 （ 2） 51 單片機(jī)引腳功能 40 個(gè)引腳按引腳功能大致可分為 4 個(gè)種類(lèi)：電源、時(shí)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(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)周期短，使用方便簡(jiǎn)單。下面就看一下我們對(duì)兩套設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)要說(shuō)明。轉(zhuǎn)速信號(hào)由光電傳感器拾取 ,使用時(shí)應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好光電標(biāo)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(biāo)記然后將光電傳感器 (光電頭 ) 固定在正對(duì)光電標(biāo)記的某一適當(dāng)距離處。從 PC 機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)接收后，產(chǎn)生電機(jī)控制信號(hào)，并提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制直流電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)并正常顯示轉(zhuǎn)速。手動(dòng)按鍵復(fù)位是通過(guò)按鍵將電阻 R2 與 VCC接通來(lái)實(shí)現(xiàn)。上電復(fù)位的工作過(guò)程是在加電時(shí)，電容加給 RST 端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著 Vcc 對(duì)電容的充電過(guò)程而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。在單片機(jī)的人機(jī)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(guò)線(xiàn)圈中電流改變方向時(shí)，線(xiàn)圈的受方向也將改變，因此通過(guò)改變線(xiàn)圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。 圖 39 直流電機(jī)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(dòng)勢(shì)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(shí)實(shí)測(cè)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(dá) 2． 5 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)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(jī)與實(shí)際生活中的一些應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì) PC 機(jī)通過(guò)串口控制單片機(jī)有一定的了解。最后，感謝我的母校為我提供了這么一個(gè)優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境，培育我成長(zhǎng)起來(lái)。另外，上位機(jī)不需要進(jìn)行復(fù)雜的編程，直接用微機(jī)的通信串行口進(jìn)行命令控制，并且命令符可自定義。 （ 3）外部?jī)?yōu)先級(jí)設(shè)置 外部中斷 IN0、 INT1 的中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置是通過(guò)設(shè)置 IP 寄存器實(shí)現(xiàn)的， IP 的PX0 對(duì)應(yīng) INT0， PX1 對(duì)應(yīng) INT1。操作開(kāi)關(guān)通過(guò)中斷控制直流電機(jī)的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能，并通過(guò) LCD 液晶顯示。所用元器件如下所示： ● 1N4006 : 二極管 ● AT89C51 : 單片機(jī) (在此并未顯示 ) ● RES : 電阻 ●MOTORENCODER : 直流電機(jī) 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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 ● RESPACK8: 排阻 圖 313 直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路 霍爾元件測(cè)速電路 霍爾元件測(cè)速法是利用霍爾開(kāi)關(guān)元件測(cè)轉(zhuǎn)速的。 L298 可驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)電動(dòng)機(jī)， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。 由此可見(jiàn)，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機(jī)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(shuō)明 : U … …… …… … 電壓 Ea ……… 電樞電動(dòng)勢(shì) 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(fù)載轉(zhuǎn)矩 T0 ……… … 空載轉(zhuǎn)矩 Φ ……… …… … 磁通量 由式 中可以看出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到 0V 時(shí)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)；改變電樞電壓的極性，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 額定電壓 Ue：長(zhǎng)期運(yùn)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(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)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(hào) 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(xiě)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(fù)極 （ 3） 1602 接線(xiàn)圖 1602 液晶顯示電路 圖 36 1602 接線(xiàn)圖 最小系統(tǒng)電路圖 圖 37 最小系統(tǒng)接線(xiàn)圖 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 主要由一些二極管、電機(jī)和 L298 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（內(nèi)含 CMOSS 管、三太門(mén)等）組成。上電時(shí)， Vcc 的上升時(shí)間約為 10ms，而振蕩器的起振時(shí)間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為 10MHz，起振時(shí)間為 1ms；晶振頻 率為 1MHz，起振時(shí)間則為 10ms。 無(wú)論用戶(hù)使用哪種類(lèi)型的單片機(jī) ,總要涉及到單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。通常在引腳 XTALl和 XTAL2 跨接石英晶體和兩個(gè)補(bǔ)償電容構(gòu)成自激振蕩器，系統(tǒng)時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)如圖所示，我們選擇 的石英晶體，補(bǔ)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(hào)。本文介紹一種泵驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量。不容易開(kāi)發(fā)，在按鍵較多的時(shí)候，與獨(dú)立式鍵盤(pán)相比較經(jīng)濟(jì)，占用 IO 端口較少，但編程較獨(dú)立式鍵盤(pán)難的多，由于本設(shè)計(jì)要求的鍵盤(pán)按鍵數(shù)量較少，采用獨(dú)立式鍵盤(pán)較方便，開(kāi)發(fā)難度大大降低，開(kāi)發(fā)周期縮短，也比較經(jīng)濟(jì)?？梢燥@示字母和數(shù)字，以及簡(jiǎn)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(shí)鐘 :XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 單片機(jī)的特點(diǎn) 單片機(jī)把微型計(jì)算機(jī)的主要功能都集成在一塊芯片上，即一塊芯片就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)。 小容量、低價(jià)格化 與上述相反，以 4 位、 8 位機(jī)為中心的小容量、低價(jià)格化也是發(fā)展動(dòng)向之一。目前 供電的單片機(jī)已經(jīng)問(wèn)世。 CMOS 化 CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor）電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)格。由于將多功能 8 位CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的方案。其間是通過(guò) 80C51 單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到 L298 驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制直流電機(jī)工作的。設(shè)計(jì)控制部分：主要由 80C51 單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。 在電流型 PWM 整流控制方面，相繼對(duì)電流型 PWM 整流器的 Dalta 調(diào)制、空間矢量調(diào)制、預(yù)測(cè)控制、電網(wǎng)不平衡條件下的控制、非線(xiàn)性控制進(jìn)行了研究。對(duì)于復(fù)雜的電 機(jī)控制，則要用微機(jī)控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)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(jìn)