【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 缺點(diǎn)是效率低、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī) —電動(dòng)機(jī) (也稱為旋轉(zhuǎn)變流組 )，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍 (十比一至數(shù)十比一 )、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等。特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。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，因而設(shè)備較多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需要地基、運(yùn)行有噪聲、維修困難等。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(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī) —電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn) :維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。第四， 1957 年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長 、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在 10000 以上，比機(jī)組 (放大倍數(shù) 10)高 1000倍，比汞弧變流器 (1000)高 10 倍。在快速響應(yīng)性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。因此，目前在直流調(diào)速系統(tǒng)中，除某些特大容量的設(shè)備而且供電電路容量較小的情況下，仍有采用機(jī)組供電、晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)以外，幾乎絕大部分都已改用晶閘管相控整流供電了。 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(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。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(dòng)的發(fā)展注入了新的活力，使電氣傳動(dòng)進(jìn)入了更新的發(fā)展階段。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) : (l)對(duì)被控對(duì)象一電動(dòng)機(jī)的各種狀態(tài)量可以實(shí)現(xiàn)快速、寬范圍、高分辨率、高精度的檢測(cè)，為高性能傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了基本條件； (2)由計(jì)算機(jī)控制的各類電力電子功率變換裝置可以使電動(dòng)機(jī)有接近理想的可控供電電源，為提高傳動(dòng)系統(tǒng)的性能提供了保證； 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 4 (3)以計(jì)算機(jī)為核心的控制裝置可以完成包括復(fù)雜計(jì)算和判斷在內(nèi)的高精度運(yùn)算、變換和控制。軟件的模塊化結(jié)構(gòu)可以方便的對(duì)應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)增加、更改、刪減，當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)變化時(shí)也可以徹底更新。軟件控制的這種靈活性大大增強(qiáng)了控制器對(duì)被控對(duì)象的適應(yīng)能力，使各種新的控制策略和控制方法得以實(shí)現(xiàn)； (4)使用計(jì)算機(jī)可以顯著改善和提高控制裝置的可靠性。集成電路和大規(guī)模集成電路的平均無故障時(shí)間大大長于分立元件電子電路； (5)精心設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制裝置體積小、重量輕、耗能少，能降低硬件成本。 本文所做的主要工作 本文在選定直流電機(jī)、編碼器 、直流伺服放大器的基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)以 STC 單片機(jī)為核心的直流電機(jī)多速控制系統(tǒng)，主要工作內(nèi)容有 (l)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)； (2)選擇 STC89C51 單片機(jī)作為主控芯片，熟悉它的功能、硬件結(jié)構(gòu)和接口電路； (3)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)； (4)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)； (5)在 PC 機(jī)上完成直流電機(jī)運(yùn)行參數(shù)界面設(shè)計(jì)和串行通信軟件設(shè)計(jì)； 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 5 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化和特性曲線 直流電機(jī)將電能 elP ， (電流 I 和電壓 u)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 mechP (速度 v 和轉(zhuǎn)矩 M)。其中損耗可分為摩擦損耗和熱損耗 jP (熱損耗是由于線圈電阻 R 產(chǎn)生 )。余下的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 mechP ，如圖 所示。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(gè)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(gè)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。公式如下 : IKM m ?? （ ） 速度常數(shù) k。和轉(zhuǎn)矩常數(shù) kM 有如下關(guān)系 : ?30000?? mn kk （ ） 如果用轉(zhuǎn)矩 M 和轉(zhuǎn)矩常數(shù) kM 來表示電流，可得如下關(guān)系 : 2)(30000mm kMRMnkMU ???? ? （ ） 考慮到 Kn 和 Km 之間的關(guān)系，我們可將上式進(jìn)一步化為 : MkRUknmn????? 2300 00? （ ） 上式便是直流電機(jī)的轉(zhuǎn) 速、轉(zhuǎn)矩、電阻、轉(zhuǎn)矩常數(shù)和速度常數(shù)之間的關(guān)系。這里轉(zhuǎn)矩單位是 mNm。電流單位是 A，速度單位是 rpm ，電壓?jiǎn)挝皇?0v 。 直流電機(jī)可以運(yùn)行在額定范圍內(nèi)的任何電壓下，速度 轉(zhuǎn)矩曲線表述的是在一恒定電壓 U 下電機(jī)的機(jī)械表現(xiàn)，該曲線可由兩點(diǎn)法給出 :空載轉(zhuǎn)速 n。和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 hM (空載轉(zhuǎn)速 :電機(jī)在額定電壓、空載的情況下的轉(zhuǎn)速 。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(dòng)轉(zhuǎn)矩 )，如圖 所示?？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。它相當(dāng)于速度一轉(zhuǎn)矩曲線在特性曲線上平移，如圖所示。空載轉(zhuǎn)速與電壓有如下關(guān)系 : Unkn ??0 （ ） 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 7 速度 — 轉(zhuǎn)矩曲線走勢(shì)是由斜率來表述的，與電壓無關(guān)，它是一項(xiàng)體現(xiàn)電機(jī)性能的重要參數(shù)，如下關(guān)系 : HMnMn 0??? （ ） 直流電機(jī)的速度與轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系可用下式表示 : MMnnn ????? 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)。單片機(jī)輸出二進(jìn)制控制量，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換電路將對(duì)應(yīng)模擬電壓送到直流伺服放大器的設(shè)定值輸入端。伺服放大器根據(jù)輸入的模擬電壓而輸出對(duì)應(yīng)的電壓來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。和直流電機(jī)同軸的光電編碼器 E 輸出 A、 B 兩路方波信號(hào)送到伺服放大器和整形電路，通過整形電路送到單片機(jī)用于測(cè)量轉(zhuǎn)速。伺服放大器不斷比較設(shè)定值和實(shí)際值，根據(jù)比較獲得的誤差調(diào)節(jié)伺服放大器的輸出電壓。顯示部分顯示各段設(shè)定的時(shí)間值、轉(zhuǎn)速值和測(cè)量的轉(zhuǎn)速值 。單片機(jī)主要完成參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)速測(cè)量 、參數(shù)顯示和控制輸出等功能。 系統(tǒng)選型 直流電機(jī)選型 根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求，本文的直流電機(jī)選用 maxon 集團(tuán)的高級(jí)精密電機(jī) Amax 32Ф32rnrn，石墨電刷，性能指標(biāo)如下所示 : 標(biāo)稱功率 15w 額定電壓 空載轉(zhuǎn)速 5860rPm 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 129mNm 速度 /轉(zhuǎn)矩斜率 空載電流 74mA 堵轉(zhuǎn)電流 3370mA 電機(jī)電阻 最大允許轉(zhuǎn)速 6000rPm 最大連續(xù)電流 1020mA 最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 9 最大輸出功率 19200mw 最大效率 72% 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 速度常數(shù) 250rpm/V 機(jī)械時(shí)間常數(shù) 20ms 轉(zhuǎn)子慣量 電機(jī)電感 機(jī)殼到環(huán)境的熱阻抗 轉(zhuǎn)子到機(jī)殼的熱阻抗 繞組的熱時(shí)間常數(shù) 17S 光電數(shù)字編碼器 光電數(shù)字編碼器選用 maxon 集團(tuán)的數(shù)字 MR 編碼器， L 型。 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)。 D/A轉(zhuǎn)換器芯片選擇 D/A 轉(zhuǎn)換器是一種線性器件，將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為之成正比的模擬量輸出。由于實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換原理，電路結(jié)構(gòu)和工藝技 術(shù)等不同，并且在不同的應(yīng)用場(chǎng)合中又有不同的要求，目前在國內(nèi)、外市場(chǎng)出現(xiàn)了多種型號(hào)的 D/A 轉(zhuǎn)換器芯片，本設(shè)計(jì)選用TLC5615。此芯片是 10 位具有串行接口的 D/A 轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型。它的性能比較高，器件使用簡(jiǎn)單。 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。 （ 5） 具有復(fù)位功能以確?？梢灾貜?fù)啟動(dòng) （ 6） 低消耗 ，在 5V 供電時(shí)功耗僅為 。 （ 7） 數(shù)據(jù)更新速率為 ，典型建立時(shí)間為 單片機(jī)選型 由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)控制，其中一個(gè)首要的工作就是選擇合適的單片機(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(shí)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(gè)方面較其它系列單片機(jī)有一定的優(yōu)越性。下面對(duì)STC89C5 單片機(jī)作較詳細(xì)介紹。 其芯片引腳圖 如圖 所示： P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 4P 1 . 3P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 3 . 0R S TP 3 . 1P 3 . 2P 3 . 3P 3 . 5P 3 . 4P 3 . 6P 3 . 7X T A L 2G N DX T A L 1V c cP 0 . 1P 0 . 2P 0 . 4P 0 . 3P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7A L EV P PF S E NP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 0P 2 . 1P 0 . 0STC89C51 圖 管腳圖 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 11 STC89C51性能及特點(diǎn) (1)與 MCS51 微控制器產(chǎn)品系列兼容； (2)片內(nèi)有 4KB 可在線重復(fù)編程的快閃擦寫存儲(chǔ)器（ Flash Memory）； (3)存儲(chǔ)器可循環(huán)寫入 /擦除 1000 次； (4)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間為 10 年； (5)寬工作電壓范圍： Vcc 可為 ~6V； (6)全靜態(tài)工作：可從 0HZ 到 16MHZ； (7)程序存儲(chǔ)器具有 3 級(jí)加密保護(hù)； (8)128﹡ 8 位內(nèi)部 RAM； (9)32 條可編程 I/O 線； (10)兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； (11)中斷結(jié)構(gòu)具有 5 個(gè)中斷源和 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)； (12)可編程全雙工串 行通道； (13)空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容。 本章小結(jié) 本章分析了直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線，依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求進(jìn)行了整體方案設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)工作原理，依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求和方案對(duì)直流電機(jī)、伺服放大器、光電數(shù)字編碼器、 D/A 轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)等進(jìn)行了選型。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文）