【正文】 效率高，具有節(jié)約空間、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 電力電子技術(shù)、功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展對(duì)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展影響極大，它們是密切相關(guān)、相互促進(jìn)的。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制方案有三種：工作在通斷兩個(gè)狀態(tài)的開關(guān)控制、相位控制和脈寬調(diào)制控制，在單向通用電動(dòng)機(jī)的電子驅(qū)動(dòng)電路中，主要的器件是晶閘管，后來是用相位控制的雙向可控硅。到 70和 80 年代才先后出現(xiàn)了全控型功率器件 GTO 晶閘管、 GTR、 POWERMOSFET 和 IGBT等。后來，諧波成分大、功率因數(shù)差的相控變流器逐步由斬波器或 PWM 變流器所代替，明顯地?cái)U(kuò)大了電機(jī)控制的調(diào)運(yùn)范圍，提高了調(diào)速精度，改善了快速性、效率和功率因數(shù) [1]。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用 。近十多年來，由于晶體管器件水平的提高及電路技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)又因出現(xiàn)了脈寬調(diào)速永中國地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 33 頁 磁直流電機(jī)，它們之間的結(jié)合促使 PWM 技術(shù)的高速發(fā)展，并使電氣驅(qū)動(dòng)技術(shù)推進(jìn)到一個(gè)新的高度 [2]。近八、九年來，進(jìn)一步擴(kuò)散到民用工業(yè)，特別是在 風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供電等 領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，客戶對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制要求越來越高，希望它的功能更強(qiáng)、噪聲更低、控制算法更復(fù)雜，而可靠性和系統(tǒng)安全操作也擺上了議事日程，同時(shí)還要求馬達(dá)恒速向變速發(fā)展，還要符合全球環(huán)保法規(guī)所要求的嚴(yán)格環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。 設(shè)計(jì)目的和意義 由于變頻技術(shù)的出現(xiàn)，交流調(diào)速一直沖擊直流調(diào)速，但綜觀全局，目前在國內(nèi)應(yīng)用局限性較大，在較短的時(shí)間內(nèi)難以取代較為落后的直流調(diào)速。 對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有穩(wěn)速、調(diào)速、加速或減速三個(gè)方面，而在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于后兩個(gè)要求已能很好地實(shí)現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不能達(dá)到預(yù)期的效果，穩(wěn)速要求即以一定的精度在所需要的轉(zhuǎn)速 穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng) [3]。系統(tǒng)主電路采用大功率 GTR 為開關(guān)器件、 H 橋單極式電路為功率放大電路的結(jié)構(gòu)。由定時(shí)器來產(chǎn)生固定寬度可調(diào)的矩形波。增加了系統(tǒng)的靈活性和精確性，使整個(gè) PWM 脈沖的產(chǎn)生過程得到了大大的簡(jiǎn)化。在設(shè)計(jì)中，采用了 PWM 技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。 直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性， 現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。 隨著單片機(jī)的發(fā)展，數(shù)字化直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，控制方法也日益成熟。因此該設(shè)計(jì)中 AT89C51 單片機(jī)做為控制芯片。中國地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 33 頁 2 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的概述 直流電機(jī)調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式不同，直流電動(dòng)機(jī)分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種類型。但是對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式： 2// ?? C rC eT em R aCeUn ?? （公式 21） 其中： U— 電壓； Ra— 勵(lì)磁繞組本身的電阻； ? — 每極磁通 (Wb)； Tem— 電磁轉(zhuǎn)矩；Ce— 電勢(shì)常數(shù)； Cr— 轉(zhuǎn)矩常量。磁場(chǎng)控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時(shí)受到磁極飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是多種多樣的 ,但任何直流電機(jī)都包括定子部分和轉(zhuǎn)子部分 ,這兩部分間存在著一定大 小的氣隙 ,使電機(jī)中電路和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) .直流電機(jī)定子部分主要由主磁極 ,電刷裝置和換向極等組成 ,轉(zhuǎn)子部分主要由電樞繞組 ,換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成，如圖 1 所示： 圖 1 直流電機(jī)的工作原理圖 電樞控制是在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置” [4]。 直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式 PWM 為主控電路的調(diào)速系統(tǒng)：基于單片機(jī)類由軟件 PROTUES 來實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)速，在PWM 調(diào)速系統(tǒng)中占空比 D 是一個(gè)重要參數(shù)在電源電壓 Ud 不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比 D 的大小，改變 D 的值可以改變電樞端電壓的平均值，其方法如下： A、 定寬調(diào)頻法：保持 1t 不變，只改變 t，這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變。 C、定頻調(diào)寬法：保持周 期 T(或頻率 )不變，同時(shí)改變 1t 和 t。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡(jiǎn)化硬件電路，操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。軟件延時(shí)法的基本思路是：設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī) 轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設(shè)占空比為 D=1t /T，則電機(jī)的平均速度為 Va = Vmax*D，其中 Va 指的是電機(jī)的平均速度； Vmax 是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度； D= 1t /T是指占空比。嚴(yán)格來說 ，平均速度 Va 與占空比 D 并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似的看成是線性關(guān)系。當(dāng)單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中 PWM 脈沖調(diào)制的中國地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 33 頁 控制流程如圖 3 所示： 圖 3 PWM 控制流程 中國地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 33 頁 3 總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思路 直流電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和急停，能夠很方便 的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。這部分電路主要由 AT89C51 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)，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。該直流電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)主要由以下電路模塊組成： 設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和急停控制，以及對(duì) PWM 占空比和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示。直流電機(jī) PWM 控制實(shí)現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機(jī)和 L298 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。 總體設(shè)計(jì)規(guī)劃 設(shè)計(jì)任務(wù) 基于 MCS51 系列單片機(jī) AT89C51，設(shè)計(jì)單片機(jī)控制的直流電動(dòng)機(jī) PWM 調(diào)速控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停、加速、減速的控制，以及 PWM 的占空比在 LED 上的實(shí)時(shí)顯示。 （ 2）使用定時(shí)器產(chǎn)生可控的 PWM 波，通過按鍵改變 PWM 占空比，控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 K1：“啟動(dòng) /停止”。 K3：“加速”。 （ 4）手動(dòng)控制。在手動(dòng)狀態(tài)下，每按一次鍵，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速按照約定的速率改變。 中國地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 33 頁 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 方案說明：直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)以 AT89C51 單片機(jī)為控制核心，由命令輸入模 塊、LED 顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成?；窘M成如圖 6 所示： 圖 6 AT89C51 基本結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī) AT89C51 與 MCS51 兼容，由中央處理器，存儲(chǔ)器， 32 位可編程 I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行口和 5 個(gè)中斷源構(gòu)成。全靜態(tài)工作頻率范圍 0Hz24Hz，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定，采用可編程串行通道，含有片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路，此外，擁有低功耗的閑置和掉電模式為使用提供了方便 [11]。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器： AT89C51 芯片中共有 256 個(gè) RAM 單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前 128 個(gè)單元，其地址為 00H— 7FH。 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器： AT89C51 芯片內(nèi)部 共有 4K 個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡(jiǎn)稱內(nèi)部 ROM。 中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有 5 個(gè)中斷源，即外部中斷 2 個(gè)，定時(shí) /計(jì)數(shù)中斷 2 個(gè)和串行中斷 1 個(gè)。如圖 8 所示： 圖 8 單片機(jī)最小系統(tǒng) 有時(shí)系統(tǒng) 在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛得情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位，所以本次設(shè)計(jì)選用手動(dòng)復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為 5V177。由于微機(jī)電路是時(shí)序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，因此在電源上電時(shí)，只有當(dāng) VCC 超過 低于 以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，復(fù)位信號(hào)才被撤除 ，微機(jī)電路開始正常工作 [12]。但是對(duì)系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻。適合頻率的晶振介入 XTAL1 和XTAL2 引腳，并聯(lián) 2 個(gè) 30pF 陶瓷電容幫助起振?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。 L298N 的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖如圖 9 所示： 圖 9 L298N 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖 感性負(fù)載。 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)，利用按鍵 K2 控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， K1 按鍵控制電機(jī)的停 轉(zhuǎn)， K K4 分別控制直流電機(jī)的加減速。當(dāng)使能端為低電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。線性放大驅(qū)動(dòng)方式是半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)，優(yōu)點(diǎn)是控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小，缺點(diǎn)為功率器件工作在線性區(qū)，功率低和散熱問題嚴(yán)重 [14]。另外還可以采用集成電路來完成對(duì)電機(jī)的驅(qū)I N 1I N 2E N AO U T 1O U T 2O U T 3O U T 4I N 3I N 4E N B6 V 動(dòng) 力 電 源中國地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 33 頁 動(dòng)，系統(tǒng)采用集成電路 L298 來驅(qū)動(dòng)電機(jī)， L298 引腳接線圖 如圖 10 所示： 圖 10 L298 引腳接線圖 L298 是雙 H 高電壓大電流功率集成電路。其內(nèi)部有兩個(gè)完全相同的功率放大回路 [15]。 L298 引腳符號(hào)及功能： SENSA、 SENSB：分別為兩個(gè) H 橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地 ENA、 ENB：使能端，輸入 PWM 信號(hào) IN IN IN IN4：輸入端， TTL 邏輯電平信號(hào) OUT OUT OUT OUT4：輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端同邏輯 VCC：邏輯控制電源， ~7V GND：地 VSS：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，最小值需比輸入的低電平電壓高 LED 數(shù)碼管顯示 LED 簡(jiǎn)介 LED（ Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是 P 型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是 N 型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。 中國地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 33 頁 當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向 P 區(qū)，在 P 區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。除半導(dǎo)體激光器外，當(dāng)電流激勵(lì)時(shí)能發(fā)射光學(xué)輻射的半導(dǎo)體二極管。 LED 數(shù)碼管和單片機(jī)的連接 LED 數(shù)碼管接線如圖 11 所示： 圖 11 LED 數(shù)碼管接線 電路的接法決定了必須采用逐位掃描顯示方式。然后選通下一位，直到所有位掃描完，完成對(duì)PWM 的占空比在 LED 上的實(shí)時(shí)顯示。因此，通過檢測(cè)輸入線 的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵按下了。但每個(gè)按鍵需要占用一個(gè)輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。一般按鍵在按下的時(shí)候有抖動(dòng)的問題，即鍵的簧片在按下時(shí)會(huì)有輕微的彈跳，需經(jīng)過一個(gè)短暫的時(shí)間才會(huì)可靠地接觸。因此，在程序中要考慮防抖動(dòng)的問題。這可通過調(diào)用 子程序來解決，當(dāng)系統(tǒng)中有顯示子程序時(shí)，調(diào)用幾次顯示子程序也能同時(shí)達(dá)到消除抖動(dòng)的目的。因此，軟件設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一系列周期固定、占空比可調(diào)的脈沖系列，由于每個(gè)脈沖的高電平時(shí)間和低電平時(shí)間之和必須等于周期數(shù)，所以輸出電平的維持時(shí)間必須由定時(shí)器來控制。 軟件主要由 3 部分組成：主程序、鍵盤掃描程序、中斷處理程序。 main() { Time0_int()。 //延時(shí)去抖 if(KSW==0) { SW=~SW。 //等待鍵釋放 } if(KLR==0) //檢測(cè)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn) { DelayM(20)。 } while(KLR==0)。 //延時(shí)去抖 if(KSPU==0) { pwmH++。 中國地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 33 頁 } } while(K