【文章內容簡介】 的缺點是晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。最后，當系統(tǒng)處于低速運行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設備。 如圖 23 所示。 圖 23 晶閘管－電動機調速系統(tǒng)原理框圖（ VM 系統(tǒng)） 直流斬波器又稱直流調壓器，是利用開關器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負載上，通過通、斷時間的變化來改變負載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調的直流電源，亦稱直流－直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應用于地鐵、電力機車、城市無軌電車以及電瓶 搬運車等電力牽引設備的變速拖動中。 圖 24（ a） 為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中 VT 代表開關器件。當開關 VT 接通時，電源電壓 U。加到電動機上；當 VT 斷開時，直流電源與電動機斷開，電動機電樞端電壓為零。如此反復，得電樞端電壓波形如圖 24（ b）所示。 圖 24 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 （ a）原理圖 （ b）電壓波型 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受四川理工學院本科畢業(yè)設計 8 相位控制，而是工作在開關狀態(tài)。當晶閘管被觸發(fā)導通時，電源電壓加到電動機上，當晶閘管關斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調制（ Pulse Width Modulation），簡稱 PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調速 [3]。 與 VM 系統(tǒng)相比， PWM 調速系統(tǒng)有下列優(yōu)點： （ 1）由 于 PWM 調速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調速范圍較寬，可達 1： 10000 左右。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。 （ 2）同樣由于開關頻率高，若與快速響應的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強。 （ 3）由于電力電子器件只工作在開關狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 脈寬調速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調制式變換器，簡稱 PWM 變換器。脈寬調速也可通過單片機控制繼 電器的閉合來實現(xiàn)，但是驅動能力有限。 目前，受到器件容量的限制， PWM 直流調速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng) H 橋電機驅動的概述 采用 PWM 進行直流電機調速，其實就是把波形作用于電機驅動電路的使用端，因此有必要對電機驅動電路進行介紹。 如圖 25 所示。 圖 25 H 橋式電機驅動電路 上圖所示為一個典型的直流 電機控制電路。電路得名于“ H 橋式驅動電路”是因為它的形狀酷似字母 H。 4 個三極管組成 H 的 4 條垂直腿，而電機就是 H 中的橫杠（上圖及隨后的兩個圖都只是示意圖，而 不 是完整的電路圖）。電路中， H橋式電機驅動電路包括 4 個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至鄧賢彥：直流電機 控制系統(tǒng)設計 9 左流過電機，從而控制電機的轉向 ，如圖 26 所示 。 圖 26 H 橋式驅動電機順時針轉動 如上圖所示，當 Q1 管和 Q4 管導通時，電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右穿過電機 ，然后再經(jīng) Q4 回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管 Q1 和 Q4 導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動（電機周圍的箭頭指示為 順時針方向）。當三極管 Q2 和 Q3導通時，電流將從右至左流 過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向） ，如圖 27 所示 。 圖 27 H 橋式驅動電機逆時針轉動 驅動電機時，保證 H 橋上兩個同側的三極管不會同時導通非常重要。如果三極管 Q1 和 Q2 同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管 [4]。 本章小結 本章首先對直流電機控制系統(tǒng)進行了概述。然后闡述了 3 種直流電機調速方法，以及介紹了多種常用直流電源，并與 VM 系統(tǒng)相比，突出 PWM 調速系統(tǒng)的優(yōu)點。最后對 H 橋電機驅動的原理及元器件的注意事項作了簡單說明。 四川理工學院本科畢業(yè)設計 10 第 3 章 設計方案選擇 設計思路 根據(jù)要求我計劃將本設計分為兩個部分。第一部分控制直流電機轉速就是單片機的信號傳送 到 驅動模塊 ，經(jīng)驅動模塊放大 進而驅動直流電機轉動。第二部分則為電動機轉動的轉向、轉速、模式的顯示 ， 此部分可直接通過單片機 完成 。 此次設計的系統(tǒng)框圖如下圖 21 所示 電 動 機信 號 輸 入模 塊單片機顯 示 模 塊驅 動 模 塊電 源 電 路 圖 31 直流電機設計框圖 控制芯片的選擇 ： 方案一： 采用 MSP430 芯片來作為整體系統(tǒng)的控制處理芯片。 MSP430 系列單片機是美國德州儀器 1966 年開始推向市場的一種 16 位超低功耗，具有精簡指令集的混合信號處理器。 MSP430 系列單片機的各系列都集成了比較豐富的片內外設集成。例如有看門狗（ WDT）、模擬比較器 A、定時器 A0（ Timer_A0）、定時器 A1（ Timer_A1）、定時器 B0（ Timer_B0）、硬件乘法器、液晶驅動器、 10 位 /12 位 ADC、 16 位Σ Δ ADC、 DMA、 I/O 端口、基本定時器（ Basic Timer）、實時時鐘（ RTC）和 USB 控制器等若干外圍模塊的各種不同組合。其中，看門狗可以讓程序失控的時候迅速復位；模擬比較器可以進行模擬電壓的比較，配合定時器，可以設計出 A/D 轉換器； 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存器，可以用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更是具有可以實現(xiàn)異步、同步和多址訪問串行通信接口可很方便的實現(xiàn)多機通信等應用；它具有較多的 I/O 端口， P0、 P P2 端口都能夠接收外鄧賢彥：直流電機 控制系統(tǒng)設計 11 部上升沿或下降沿的中斷輸入； 10/12 位硬件 A/D 轉換器有著較高的轉換速率，最高的可達 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集應用；能夠直接驅動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉換等 [8]。 MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。但是盡管有如此多的優(yōu)點，但它有著高昂的價格，復雜的操作等問題，另很多人望而卻步。 方案二： 采用 AT89C52 芯片來作為整體系統(tǒng)的控制芯片 AT89C52 芯片是現(xiàn)如今工業(yè)上用的最多的一款控 制芯片，也是如今各種系列單片機比較基礎，比較易學的一款單片機控制芯片，基本上可以說， 52 單片機芯片是所有學習單片機控制的必學芯片。它是一款 8 位的單片機芯片，它共有個 32個雙向 I/O 口，輸出 +5v 電壓，有 8 個中斷源， 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷，雖然， 52 芯片的 I/O 口，定時計數(shù)器，中斷等沒有 msp430 芯片多，在功耗和運行速度上比不上 msp430 芯片，但是，它有著價格低廉，易學，穩(wěn)定性良好等特點，被很多人所認可。 方案選擇： 比較方案一和方案二，可以看出，方案一在運行速度和功能上優(yōu)于方案二，但在價格和易 操作性，穩(wěn)定性等方面。卻不如方案二。相比之下，我選擇方案二，因為方案二在功能和速度上已經(jīng)足以滿足我這次的系統(tǒng)設計，并且，方案二有著價格低廉，易操作等有點，這無疑降低了系統(tǒng)開發(fā)難度和開發(fā)周期，開發(fā)經(jīng)費。由于以上的三個原因，所以我選擇了方案二。 信號輸入 模塊 的選擇 方案一： 紅外線 信號 輸入 遙控器由紅外接收及發(fā)射 電路 、 信號 調理電路 、中央控制器 存儲器 、鍵盤及狀態(tài)指示電路組成。 遙控器有兩種狀態(tài)：學習狀態(tài)和控制狀態(tài)。當遙控器處于學習狀態(tài)時，使用者每按一個控制鍵，紅外線 接收 電路 就開始接收外來紅外 信號 ，同時將其轉換成電信號，然后經(jīng)過檢波、整形、放大，再由 CPU 定時對其采樣，將每個采樣點 的二進制數(shù)據(jù)以 8 位為一個單位，分別存放到指定的 存儲單元 中去，供以后對該設備控制使用。當遙控器處于控制狀態(tài)時，使用者每按下一個控制鍵， CPU 從指定的 存儲單元 中讀取一系列的二進制數(shù)據(jù)，串行輸出（位和位之間的時間間隔等于四川理工學院本科畢業(yè)設計 12 采樣時的時間間隔）給 信號 保持 電路 ，同時由調制電路進行信號調制，將調制信號經(jīng)放大后，由紅外線發(fā)射二極管進行發(fā)射，從而實現(xiàn)對該鍵對應設備功能的控制。 方案二：采用 按鍵信號輸入 按鈕是一種人工控制的 主令電器 。主要用來發(fā)布操作 命令 ，接通或開斷 控制電路，控制 機械 與電氣 設備 的運行。按鈕的工作 原理 很簡單（見 下 圖 22) 按 鍵abc 圖 32 按鈕工作原理示意 對于常開觸頭（圖 a） ,在按鈕未被按下前 ,電路 是斷開的 ,按下按鈕后 ,常開觸頭被連通 ,電路也被接通；對于常閉觸頭（圖 b），在按鈕未被按下前，觸頭是 閉合 的，按下按鈕后，觸頭被斷開，電路也被分斷。由于控制電路工作的需要，一只按鈕還可帶有多對同時動作的觸頭 (圖 c)。 按鈕的用途很廣，例如車床的起動與停機、正轉與反轉等；塔式吊車的起動，停止，上升，下降， 前、后、左、右、慢速或快速運行等，都需要按鈕控制。 方案選擇： 雖然紅外遙控更方便，但價格通常較高，而按鍵電路比較便宜，一般為大眾接受，故選擇第二種方案。 驅動 電路 選擇 方案一：自搭硬件驅動電路 應用所學的模擬電路知識，用三極管，電阻，電容，做 一個 H 橋電機驅動 ，從而驅動電機的 運轉，這種電路在很多地方都能找到，采用這種方案，能極大的鞏固和提高我們所學知識。 . 方案二： 芯片 L298 驅動 鄧賢彥：直流電機 控制系統(tǒng)設計 13 L298 是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機驅動，設計用于連接標準 TTL 邏輯電平，驅動電感負載（諸如繼電器、線圈 、 DC 和步進電機）。 L298提供兩個使能輸入端，可以在不依賴于輸入信號的情況下，使能或禁用 L298 器件。L298 低位晶體管的發(fā)射器連接到一起，而其對應的外部端口則可用來連接一個外部感應電阻。 L298 還提供一個額外的電壓輸入，所以其邏輯電路可以工作在更低的電壓下。 方案選擇： 方案一可以很好的鍛煉我們的基礎知識，能夠鞏固我們所學的數(shù)模電知識，但是，經(jīng)過實踐證明，第一種方案存在很多的問題，首先，就是自己搭建的電路在穩(wěn)定性上存在很大的問題，并且要設計一個完整的驅動電路，需要龐大的電路，這無疑增加了開發(fā)周期，而且， 使整個系統(tǒng)規(guī)模變得龐大。所以，并不可取，第二種方案，有著穩(wěn)定性好，使用簡單的優(yōu)勢，功能完善等優(yōu)勢，雖然，在價格上比方案一要貴，但由于它的優(yōu)勢遠遠超過了他的劣勢，所以我選擇方案二 。 液晶顯示的的選擇 方案一：采用液晶 LM016L LMO16L 是一款最簡單的液晶。它是一款工業(yè)型的字符液晶，能夠同時顯示３２個字符。很少的系列帶有中文字庫。 方案二：采用液晶１２８６４ 12864 是 128*64 的液晶模塊，它能夠顯示 128x64 個字符。帶中文字庫的液晶能夠顯示 32 個中文字符。 方案選擇： 經(jīng)過方案一和方案二的比 較可以看出，方案一能夠實現(xiàn)顯示要求，并且接線較為簡單，所以選擇方案一 。 直流電機的 選擇 方案一： 大功率 直流電機 大功率 直流 電動機是將電能轉化為機械能的設備，而直流電動機則是將直流電能轉化為機械能的設備。由于直流電動機具有優(yōu)良的調速特性以及超大的過載能力，另外還能實現(xiàn)快速起動、制動和逆向運轉，所以其在冶金工業(yè)、交通運輸、航空、國防中得到了極為廣泛的應用。 四川理工學院本科畢業(yè)設計 14 方案二： 小功率 直流電機 直流電動機 一般用在低電壓要求的電路中， 直流電源 可以方便攜帶如 電動自行車 就是用 直流電動機 ， 又如電腦風扇、 收錄機 電機 、電動小車 等 方案選擇： 大功率直流電機在各方面性能上都優(yōu)于小功率直流電機但是 從經(jīng)濟角度出發(fā)，本次直流電機的選擇即為 小功率 直流電機。 即方案二。 綜上所述，我們 此次設計 選擇 單片機為 AT89C52 芯片，選用橋式整流濾波電路作為電源電路，驅動用 L298，顯示器 用 LM016L,輸入電路選用獨立按鍵， 而直流電機選用小功率直流電機。 本章小結 本章根據(jù)設計要求初步設定設計方案。通過 元 件的性能、價格、適用特點 對比 選定 器件。本系統(tǒng)的電源由 橋式整流濾波電源電路為整個系統(tǒng)提供 ，通過按鍵輸入信號 控制單片機發(fā)出信號經(jīng) L298芯片放大 驅動小功率直流電動機實現(xiàn)各種 設計所要求的 功能，并由 LM016L