【文章內(nèi)容簡介】 缺點是效率低、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 —電動機 (也稱為旋轉(zhuǎn)變流組 )，配合采用磁放大器、電機擴大機、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)電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機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特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。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，因而設(shè)備較多、體積大、費用高、效率低、安裝需要地基、運行有噪聲、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 —電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機 —電動機系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點 :維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。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 、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標(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，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。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，仍有采用機組供電、晶閘管勵磁系統(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，微機功能的不斷提高以及電力電子、計算機控 制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。計算機的發(fā)展可以使復(fù)雜的控制規(guī)律較方便的實現(xiàn)，以計算機為核心的數(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，使電氣傳動進入了更新的發(fā)展階段。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，計算機控制具有以下獨特優(yōu)點 : (l)對被控對象一電動機的各種狀態(tài)量可以實現(xiàn)快速、寬范圍、高分辨率、高精度的檢測，為高性能傳動系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了基本條件； (2)由計算機控制的各類電力電子功率變換裝置可以使電動機有接近理想的可控供電電源，為提高傳動系統(tǒng)的性能提供了保證； 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計（論文） 4 (3)以計算機為核心的控制裝置可以完成包括復(fù)雜計算和判斷在內(nèi)的高精度運算、變換和控制。軟件的模塊化結(jié)構(gòu)可以方便的對應(yīng)用程序?qū)崟r增加、更改、刪減，當(dāng)實際系統(tǒng)變化時也可以徹底更新。軟件控制的這種靈活性大大增強了控制器對被控對象的適應(yīng)能力，使各種新的控制策略和控制方法得以實現(xiàn)； (4)使用計算機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間大大長于分立元件電子電路； (5)精心設(shè)計的計算機控制裝置體積小、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、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)計并實現(xiàn)以 STC 單片機為核心的直流電機多速控制系統(tǒng)，主要工作內(nèi)容有 (l)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計； (2)選擇 STC89C51 單片機作為主控芯片，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； (4)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計； (5)在 PC 機上完成直流電機運行參數(shù)界面設(shè)計和串行通信軟件設(shè)計； 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計（論文） 5 2 系統(tǒng)方案設(shè)計 直流電機的能量轉(zhuǎn)化和特性曲線 直流電機將電能 elP ， (電流 I 和電壓 u)轉(zhuǎn)化為機械能 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)化為機械能 mechP ，如圖 所示。因此電機的功率守恒可表述為 : jmechel PPP ?? （ ） 更詳細的也可描述為 : 2IRM30000 ????? nIU ? （ ） 圖 電機能量轉(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（論文） 6 轉(zhuǎn)矩常數(shù)所聯(lián)系的是機械轉(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，我們可將上式進一步化為 : MkRUknmn????? 2300 00? （ ） 上式便是直流電機的轉(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 ，電壓單位是 0v 。 直流電機可以運行在額定范圍內(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 下電機的機械表現(xiàn)，該曲線可由兩點法給出 :空載轉(zhuǎn)速 n。和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 hM (空載轉(zhuǎn)速 :電機在額定電壓、空載的情況下的轉(zhuǎn)速 。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 :它是電機在堵轉(zhuǎn)條件下的轉(zhuǎn)矩值，也叫起動轉(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?？蛰d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（論文） 7 速度 — 轉(zhuǎn)矩曲線走勢是由斜率來表述的，與電壓無關(guān)，它是一項體現(xiàn)電機性能的重要參數(shù)，如下關(guān)系 : HMnMn 0??? （ ） 直流電機的速度與轉(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)計如圖 所示： 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計（論文） 8 單片機 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 EABM圖 直流電機多速控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)以 STC89C51 單片機為控制核心，通過鍵盤設(shè)置各段運行參數(shù)，也可通過電腦設(shè)置下載到單片機。單片機輸出二進制控制量，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換電路將對應(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應(yīng)的電壓來控制直流電機的轉(zhuǎn)速。和直流電機同軸的光電編碼器 E 輸出 A、 B 兩路方波信號送到伺服放大器和整形電路，通過整形電路送到單片機用于測量轉(zhuǎn)速。伺服放大器不斷比較設(shè)定值和實際值，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)定的時間值、轉(zhuǎn)速值和測量的轉(zhuǎn)速值 。單片機主要完成參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)速測量 、參數(shù)顯示和控制輸出等功能。 系統(tǒng)選型 直流電機選型 根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求，本文的直流電機選用 maxon 集團的高級精密電機 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（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 機械時間常數(shù) 20ms 轉(zhuǎn)子慣量 電機電感 機殼到環(huán)境的熱阻抗 轉(zhuǎn)子到機殼的熱阻抗 繞組的熱時間常數(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。 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)用場合中又有不同的要求，目前在國內(nèi)、外市場出現(xiàn)了多種型號的 D/A 轉(zhuǎn)換器芯片，本設(shè)計選用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 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計（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 （ 6） 低消耗 ，在 5V 供電時功耗僅為 。 （ 7） 數(shù)據(jù)更新速率為 ，典型建立時間為 單片機選型 由單片機實現(xiàn)檢測控制，其中一個首要的工作就是選擇合適的單片機。目前國內(nèi)在使用單片機作控制系統(tǒng)的微處理器時多選擇 PIC 系列或 Motorola 系列單片機，而本系統(tǒng)選用的 STC89C51 單片機在多個方面較其它系列單片機有一定的優(yōu)越性。下面對STC89C5 單片機作較詳細介紹。 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（論文） 11 STC89C51性能及特點 (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器（ Flash Memory）； (3)存儲器可循環(huán)寫入 /擦除 1000 次； (4)存儲數(shù)據(jù)保存時間為 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)程序存儲器具有 3 級加密保護； (8)128﹡ 8 位內(nèi)部 RAM； (9)32 條可編程 I/O 線； (10)兩個 16 位定時器 /計數(shù)器； (11)中斷結(jié)構(gòu)具有 5 個中斷源和 2 個優(yōu)先級； (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)保存存儲內(nèi)容。 本章小結(jié) 本章分析了直流電機的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線，依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求進行了整體方案設(shè)計，分析了系統(tǒng)工作原理，依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求和方案對直流電機、伺服放大器、光電數(shù)字編碼器、 D/A 轉(zhuǎn)換芯片、單片機等進行了選型。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè) 計（論文）