【導(dǎo)讀】直流電機(jī)作為最常見的一種電機(jī)，具有非常優(yōu)秀的線性機(jī)械特性、個(gè)領(lǐng)域中都得到了十分廣泛的應(yīng)用。作原理、運(yùn)行特性及其設(shè)計(jì)方法。制作了以SPCE061A與SPGT62C19B為核心芯。本設(shè)計(jì)主要研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，從而對(duì)電機(jī)的控制精。度、響應(yīng)速度以及節(jié)約能源等都具有重要意義。在軟件部分首先介紹了整體設(shè)計(jì)，畫出程序流程圖，接著詳細(xì)論述了軟件。實(shí)現(xiàn)方面的幾個(gè)問題。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)合理功能完善，占用系統(tǒng)資源

　　

【正文】 針 獲 取 當(dāng) 前位 的 緩 沖 區(qū) 內(nèi) 容在 當(dāng) 前 位 上 顯 示 緩 沖區(qū) 中 的 內(nèi) 容位 指 針 處 于 最 后 一 位 ？位 指 針 指 向 下 一 位 位 指 針 指 向 第 一 位返 回YN 圖 44 LED數(shù)碼管顯示流程 直流電機(jī)控制和測(cè)速模塊 根據(jù) SPGT62C19B控制原理，只需利用單片機(jī) I/O端口向 SPGT62C19B的 I01和 I11引腳輸出不同占空比的 PWM信號(hào)即可控制電機(jī)以不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然SPCE061A 具有兩路 PWM輸出功能，但這要占用 TimerA 和 TimerB 兩個(gè)定時(shí)器，浪費(fèi)了寶貴的定時(shí)器資源，因此這里采用軟件生成 PWM 的方法，利用 4KHz 時(shí)基中斷，改變 I/O 端口的 電平狀態(tài)，從而模擬出特定占空比的 PWM 波形。其流程如圖 65所示。 33 P W M 計(jì) 數(shù) 值 達(dá)到 預(yù) 置 數(shù) 值輸 出 低 電 平 輸 出 高 電 平P W M 計(jì) 數(shù) 值 加 1開 始返 回NY 圖 45 利用 4KHz 時(shí)基生成 PWM 電機(jī)測(cè)速工作也是利用 4KHz 時(shí)基中斷完成的。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤的挖空部分經(jīng)過紅外對(duì)管時(shí)，與之連接的單片機(jī) I/O 口將輸入低電平；而光柵轉(zhuǎn)盤阻隔紅外對(duì)管時(shí)，該 I/O 口將輸入低電平。以 4KHz 為采樣頻率，檢測(cè)該 I/O端口的電平狀態(tài)并計(jì)數(shù)，即可通過一段時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。 34 開 始返 回檢 測(cè) 到 低 電 平測(cè) 速 計(jì) 數(shù) 值 加 1定 時(shí) 計(jì) 數(shù) 值 加 1到 達(dá) 定 時(shí) 時(shí) 間保 存 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速測(cè) 速 計(jì) 數(shù) 值 清 0定 時(shí) 計(jì) 數(shù) 值 清 0NNYY 圖 46 利用 4KHz 時(shí)基實(shí)現(xiàn)電機(jī)測(cè)速 利用 PID 算法實(shí)現(xiàn)調(diào)速 35 在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，數(shù)字 PID 是一種比較成熟的算法。數(shù)字 PID算法的大致原理是，將設(shè)定速度與實(shí)際速度之間的偏差記為 e，利用 e 的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成的控制量 U去控制對(duì)象。數(shù)字 PID算法的表達(dá)式如下： 其中 為第 k 個(gè)采樣時(shí)刻的速度偏差值。上式可演化為增量式數(shù)字 PID 算法表達(dá)式： 這樣，只需確定 Cp、 Ci和 Cd的值即可實(shí)現(xiàn)對(duì) Uk 的控制。在本系統(tǒng)中， Uk可作為控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的 PWM 信號(hào)的占空比。 Cp、 Ci 和 Cd 可通過實(shí)際 測(cè)試調(diào)整獲得，經(jīng)實(shí)測(cè)，當(dāng) Cp=1/2， Ci=3/16， Cd=1/16 時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度可控制在177。 1轉(zhuǎn) /秒以內(nèi)。為避免在程序中出現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算，這里將各參數(shù)值擴(kuò)大 16倍，最后將結(jié)果縮小為 1/16 再返回。其程序流程圖如下： 36 開 始返 回計(jì) 算 當(dāng) 前 速 度 偏 差 e 0套 用 P I D 公 式 計(jì) 算輸 出 值 U 0U 0 超 過 輸 出 上 限 U 0 等 于 輸 出 上 限U 0 低 于 輸 出 下 限 U 0 等 于 輸 出 下 限e 2 e 1e 1 e 0U 1 U 0YYNN 圖 47 PID 計(jì)算流程 主程序流程 主程序在系統(tǒng)初始化（初始化時(shí)鐘、中斷、變量等）之后，顯示默認(rèn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值，并等待按鍵輸入。當(dāng)有鍵按下后，調(diào)用對(duì)應(yīng)的子程序，完成特 37 定的功能。其流程如下。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化顯 示 當(dāng) 前 設(shè) 定 的 轉(zhuǎn) 速等 待 按 鍵K e y 1 按 下 ？K e y 2 按 下 ？K e y 3 按 下 ？調(diào) 用 轉(zhuǎn) 速 設(shè) 定 子 程 序調(diào) 用 方 向 設(shè) 定 子 程 序調(diào) 用 電 機(jī) 啟 動(dòng) 子 程 序YYYNNN 圖 48 主程序流程圖 在轉(zhuǎn)速設(shè)定子程序中，數(shù)碼管閃爍顯示當(dāng)前設(shè)定轉(zhuǎn)速，并通過 Key1 和 Key2鍵對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行增減設(shè)置。 當(dāng)按下 Key3 后返回主程序。 38 開 始返 回閃 爍 顯 示 當(dāng) 前 轉(zhuǎn) 速 設(shè) 定 值等 待 按 鍵K e y 1 按 下 ？K e y 2 按 下 ？K e y 3 按 下 ？轉(zhuǎn) 速 設(shè) 定 值 加 2轉(zhuǎn) 速 設(shè) 定 值 減 2YYNNNY 圖 49 轉(zhuǎn)速設(shè)定子程序 方向設(shè)定子程序與轉(zhuǎn)速設(shè)定類似，數(shù)碼管顯示滾動(dòng)的“ ”，滾動(dòng)方向代表當(dāng)前設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 Key1 與 Key2 鍵分別設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)椤罢D(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”。按 Key3鍵返回主程序。 39 開 始顯 示 當(dāng) 前 轉(zhuǎn) 動(dòng) 方 向等 待 按 鍵K e y 1 按 下 ？K e y 2 按 下 ？K e y 2 按 下 ？設(shè) 定 為 正 向 轉(zhuǎn) 動(dòng)設(shè) 定 為 反 向 轉(zhuǎn) 動(dòng)返 回YYNNNY 圖 410 方向設(shè)定子程序 40 電機(jī)啟動(dòng)子程序控制電機(jī)按照設(shè)定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中可按 Key1和 Key2 鍵對(duì)轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行增減， Key3鍵使電機(jī)停止，并返回主程序。 41 開 始完 成 一 次 測(cè) 速顯 示 測(cè) 得 的 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速調(diào) 用 P I D 子 程 序 ， 更新 電 機(jī) 速 度 等 級(jí) 設(shè) 定獲 取 按 鍵 值K e y 1 按 下 ？K e y 2 按 下 ？K e y 3 按 下 ？電 機(jī) 停 止 轉(zhuǎn) 動(dòng)轉(zhuǎn) 速 設(shè) 定 值 加 2轉(zhuǎn) 速 設(shè) 定 值 減 2返 回NYYYNYNN 圖 411 電機(jī)啟動(dòng)子程序 42 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益性分析 在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人們?nèi)粘Ｉ钪卸计鹬种匾淖饔?。直流電機(jī)作為最常見的一種電機(jī)，具有非常優(yōu)秀的線性機(jī)械特性、較寬的調(diào)速范圍、良好的起動(dòng)性以及簡(jiǎn)單的控制電路等優(yōu)點(diǎn)，因此在社會(huì)的 各個(gè)領(lǐng)域中都得到了十分廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的整體方案，主要研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，從而對(duì)電機(jī)的控制精度、響應(yīng)速度以及節(jié)約能源等都具有重要意義，為進(jìn)一步研究和優(yōu)化直流電機(jī)控制方法提供基礎(chǔ) 目前，中國(guó)正在大力發(fā)展輕、重工業(yè)，而電機(jī)又是工業(yè)中必不可少的一個(gè)重要壞接，科技在進(jìn)步，各種新技術(shù)層出不窮，電機(jī)的控制技術(shù)也在日新月異的發(fā)生變化，而用最簡(jiǎn)單的技術(shù)制造出最實(shí)用的直流電機(jī)控制系統(tǒng)是大家最為期待的，本設(shè)計(jì)就是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的，本設(shè)計(jì)課題有如下優(yōu)點(diǎn)： ，技術(shù)可行。 ，并且具有相當(dāng)?shù)膶?shí)際可操作性。 ，對(duì)直流電機(jī)控制實(shí)踐將起到一定的積極推動(dòng)作用，并且其市場(chǎng)前景也極其廣闊，該項(xiàng)目的完成以及后續(xù)的推廣一定會(huì)有很好的經(jīng)濟(jì)效益。 綜上所述，該課題的研究具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的推廣前景，是個(gè)十分有意義的產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目。 43 總結(jié) 本文設(shè)計(jì)了直流電機(jī)控制系統(tǒng)的整體方案， 闡述了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行特性及其設(shè)計(jì)方法。制作了以 SPCE061A 與 SPGT62C19B 為核心芯片的控制、測(cè)量及顯示電路， 實(shí)現(xiàn)對(duì)普通直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量 ，利用 PID算法實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)速，并且通過 LED 顯示等功能， 各個(gè)控制部分簡(jiǎn)潔明了，便于修改和調(diào)試。 本設(shè)計(jì)主要研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，從而對(duì)電機(jī)的控制精度、響應(yīng)速度以及節(jié)約能源等都具有重要意義。 本設(shè)計(jì)所做的具體工作如下： （ 1）本文深入分析了 直流電機(jī)及直流電機(jī)控制系統(tǒng)的工作 原理， 對(duì)該控制系統(tǒng)設(shè)置了 電機(jī) 轉(zhuǎn)速 及轉(zhuǎn)向的控制、轉(zhuǎn)速的測(cè)量、轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速數(shù)值的LED 顯示等功能，并對(duì)這些功能進(jìn)行了具體的分析設(shè)計(jì)。 （ 2） 在 硬件平臺(tái)幾個(gè)主要方面如： CPU 主系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集 和 開關(guān)量輸入輸出等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和介紹。針對(duì)現(xiàn)在 電 機(jī)控制 系統(tǒng)的需求，使其適應(yīng) 電機(jī)控制 系統(tǒng)的發(fā)展，設(shè)計(jì)出了一套 適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展的直流電機(jī)控制 硬件模塊化方案。 （ 3）在軟件設(shè)計(jì)方面，采用模塊化的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于理解，便于調(diào)試。 盡管在硬件和軟件設(shè)計(jì)上做了很大的努力，但由于時(shí)間有限以及自身水平的局限性 ， 本裝置還有一些地方可以繼續(xù)努力，如 該設(shè)計(jì)方案還可以繼續(xù)擴(kuò)展，在控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，可以計(jì)量點(diǎn)擊的運(yùn)行溫度，進(jìn)行溫度預(yù)警、溫度顯示等功能。 這些都有待于今后繼續(xù)改進(jìn)和完善。 綜上所述，本文所提出和設(shè)計(jì)的直流電機(jī)控制方案經(jīng)分析達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。 44 致謝 值此論文完成之際，首先向我的導(dǎo)師 衣濤 老師致以最誠(chéng)摯的感謝。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)階段， 衣 老師無論在學(xué)習(xí)和生活上都給了我極大的關(guān)心和支持， 他 淵博的學(xué)識(shí)、豐富的科研經(jīng)驗(yàn)和無窮的人格魅力，使我得到了深深的教益和啟迪。 在此還要感謝電氣教研室所有關(guān)心和幫助過我的老師，在我學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中都給予了我巨大的幫助，使我受益匪淺。感謝學(xué)院為我們提供良好的學(xué)習(xí)條件。 最后，對(duì)一直關(guān)注、鼓勵(lì)、幫助我的家人、同學(xué)和朋友表示最誠(chéng)摯的謝意 ！ 45 參考文獻(xiàn) 1 辜承林，陳喬夫，熊永前． 電機(jī)學(xué)．華中科技大學(xué)出版社， 2021： 3957 2 張?。绷麟妱?dòng)機(jī)原理及應(yīng)用 . 第二版．機(jī)械工業(yè)出版社， 2021： 1,26 3 趙良炳．現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)．清華大學(xué)電力電子工程研究中心， 1992 4 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