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文檔簡(jiǎn)介
1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)題目:直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)院:電氣與電子工程專業(yè):自動(dòng)化班級(jí):100304組長(zhǎng):徐鵬 20100883組員:徐洋 20100885 許佩東 20100886 于思雨 20100888 韓振帥指導(dǎo)教師:白文峰 2013年6月7日第一章:摘要1.1 摘要:直流電機(jī)的定義:將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(直流電動(dòng)機(jī))或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能(直流發(fā)電機(jī))的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 近年來(lái),隨著科技的進(jìn)步,直流電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,直流具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑,方便,調(diào)速范圍廣,過(guò)載能力強(qiáng),能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn),需要滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求,
2、從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求,改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求,這是通過(guò)PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷:模擬電路容易隨時(shí)間飄移,會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗,以及對(duì)噪聲敏感等。而用PWM技術(shù)后,避免上述的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號(hào),可以大幅度減低成本和功耗。并且PWM調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平滑的直流電流,低速特性好;同時(shí),開(kāi)關(guān)頻率高,快響應(yīng)特性好,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng),可獲很寬的頻帶;開(kāi)關(guān)元件只需工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),主電路損耗小,裝置的效率高,具有節(jié)約空間、經(jīng)濟(jì)好等特點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和
3、文化事業(yè)的發(fā)展,在很多場(chǎng)合,都要求有直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行調(diào)速,諸如汽車行業(yè)中的各種風(fēng)扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動(dòng)門、自動(dòng)門鎖、自動(dòng)窗簾、自動(dòng)給水系統(tǒng)、柔巾機(jī)、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機(jī)、坦克、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車等場(chǎng)合。直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)電路模型如圖3.1所示,磁極N、S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體,圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈abcd。當(dāng)線圈中流過(guò)電流時(shí),線圈受到電磁力作用,從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知,當(dāng)流過(guò)線圈中電流改變方向時(shí),線圈的受方向也將改變,因此通過(guò)改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。圖3.1 直流電動(dòng)機(jī)電路模型直流電機(jī)PWM調(diào)
4、速原理(1)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖3.2表示,由圖可見(jiàn)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反,Ea為反電動(dòng)勢(shì);電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同,是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩;軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0均與n相反,是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖3.2 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律,得到電樞電壓電動(dòng)勢(shì)平衡方程式1.1:U=Ea-Ia(Ra+Rc)式1.1式1.1中,Ra為電樞回路電阻,電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和;Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為: n =Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中,Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù),是磁通量。由1.1式和1.2
5、式得n =Ea/Ce 式1.3 由式1.3中可以看出,對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī),當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí),它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定,電樞電壓越高,電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快,電樞電壓降低到0V時(shí),電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng);改變電樞電壓的極性,電機(jī)就反轉(zhuǎn)。(2)PWM電機(jī)調(diào)速原理對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō),如果加在電樞兩端的電壓脈動(dòng)電流壓(要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)),可以看出,在T不變的情況下,改變T1和T2寬度,得到的電壓將發(fā)生變化。圖3.3為施加不同占空比時(shí)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。圖3.3 占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關(guān)系(圖中實(shí)線),原因是電樞
6、本身有電阻,不過(guò)一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小,可以近視為線性關(guān)系。由此可見(jiàn),改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速成,這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理。1.2本設(shè)計(jì)任務(wù):任務(wù): 單片機(jī)為控制核心的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容以及技術(shù)參數(shù):功能主要包括:1) 直流電機(jī)的正轉(zhuǎn);2) 直流電機(jī)的反轉(zhuǎn);3) 直流電機(jī)的加速;4) 直流電機(jī)的減速;5) 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示;6) 直流電機(jī)的啟動(dòng);7) 直流電機(jī)的停止;第二章:總體設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。數(shù)碼管顯示按鍵控制單片機(jī)PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令,由單片機(jī)通過(guò)P1.0與P1.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)
7、速相應(yīng)的PWM脈沖,另一口輸出低電平,經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、光耦傳遞,驅(qū)動(dòng)H型橋式電動(dòng)機(jī)控制電路,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“三” ,其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速;反轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“F”,其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后開(kāi)始顯示,停止時(shí)數(shù)碼管顯示出“0000”。 1、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與分析電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路見(jiàn)下圖。本電路采用的是基于PWM原理的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路。PWM電路由復(fù)合體管組成H型橋式電路構(gòu)成,四部分晶體管以對(duì)角組合分為兩組:根據(jù)兩個(gè)輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個(gè)二極管在
8、電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護(hù)作用,防止電動(dòng)機(jī)兩端的電流和晶體管上的電流過(guò)大的保護(hù)作用。 在實(shí)驗(yàn)中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源,因此若復(fù)合管基極由控制系統(tǒng)直接控制,則控制電壓最高為5V,再加上三極管本身壓降,加到電動(dòng)機(jī)兩端的電壓就只有4V左右,嚴(yán)重減弱了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力?;谏鲜隹紤],我們運(yùn)用了TLP521-2光耦集成塊,將控制部分與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔離開(kāi)來(lái)。輸入端各通過(guò)一個(gè)三極管增大光耦的驅(qū)動(dòng)電流;電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)外接12V電源驅(qū)動(dòng)。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度,也使驅(qū)動(dòng)電流得到了大大的增強(qiáng)。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)方面,我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號(hào)控制。脈沖頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影
9、響,脈沖頻率高連續(xù)性好,但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn),但加負(fù)載后,速度下降明顯,低速時(shí)甚至?xí)^D(zhuǎn);脈沖頻率在10Hz以下,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象。而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過(guò)P10輸入高電平信號(hào),P11輸入低電平,電機(jī)正轉(zhuǎn);通過(guò)P10輸入低電平信號(hào),P11輸入高電平,電機(jī)反轉(zhuǎn);P10、P11同時(shí)為高電平或低電平時(shí),電機(jī)不轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)信號(hào)占空比的調(diào)整來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)編程部分工作采用KELI-C51語(yǔ)言完成,采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,與各子程序做為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過(guò)程的入口,完成鍵盤輸入、按鍵識(shí)別和功能、PW
10、M脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設(shè)計(jì)。單片機(jī)資源分配如下表:P0顯示模塊接口鍵盤中斷P1鍵盤模塊接口P1.0/P1.1PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口系統(tǒng)時(shí)鐘PWM脈寬控制:本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制,延時(shí)程序函數(shù)如下:/*延時(shí)函數(shù)*/delays()uchar i;for(i=5000;i0;i-);鍵盤中斷處理子程序:采用中斷方式,按下鍵,完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。要實(shí)現(xiàn)按住加/減速鍵不放時(shí)恒加或恒減速直到放開(kāi)停止,就需在判斷是否松開(kāi)該按鍵時(shí),每進(jìn)行一次增加/減少一定的占空比。顯示子程序:利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū),緩存區(qū)有8位,分別存放各個(gè)數(shù)碼管要顯示的值。定時(shí)中斷處理程序
11、:采用定時(shí)方式1,因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用12M晶振,可產(chǎn)生最高約為65.5ms的延時(shí)。對(duì)定時(shí)器置初值B1E0H可定時(shí)20ms,即系統(tǒng)時(shí)鐘精度可達(dá)0.02s。當(dāng)20ms定時(shí)時(shí)間到,定時(shí)器溢出則響應(yīng)該定時(shí)中斷處理程序,完成對(duì)定時(shí)器的再次賦值,并對(duì)全局變量time加1,這樣,通過(guò)變量time可計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。3、軟件設(shè)計(jì)中的特點(diǎn):對(duì)于電機(jī)的啟停,在PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整,即開(kāi)啟后由停止勻加速到默認(rèn)速度,停止則由于當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護(hù)電機(jī)。鍵盤處理上采用中斷方式,不必使程序?qū)︽I盤反復(fù)掃描,提高了程序的效率。第三章:系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)整體框圖如下:第四章:系統(tǒng)功能調(diào)試仿真整體圖如下:
12、直流電機(jī)的調(diào)試功能仿真如下圖:1、正轉(zhuǎn)時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn),數(shù)碼管最高位顯示“三”,其它三位先所給定頻率,如下圖:2、反轉(zhuǎn)時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn),數(shù)碼管最高位顯示“F”,其它三位先所給定頻率,第五章:程序見(jiàn)附件1見(jiàn)附件2第六章:元件清單見(jiàn)附件3第七章:心得體會(huì)略附件1/*基于單片機(jī)AT89C51的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)*/#include #include #include /* / /*自定義變量*/#define uint unsigned int /自定義變量#define uchar unsigned char char gw,sw,bw,qw;uchar j; /定時(shí)次數(shù),每次20msuchar
13、f=5; /計(jì)數(shù)的次數(shù)sbit P10=P10; /PWM輸出波形1sbit P11=P11; /PWM輸出波形2sbit P12=P12; /正反轉(zhuǎn)sbit P13=P13; /加速sbit P14=P14; /減速sbit P15=P15; /停止sbit P16=P16; /啟動(dòng)uchar k;uchar t; /脈沖加減/*/*/*控制位定義*/uchar code smg12=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71;/程序存儲(chǔ)區(qū)定義字型碼表char data led4=0x08,0x04,0x02,0x0
14、1; /位碼uint x; /數(shù)碼管顯示的數(shù)值display(); /數(shù)碼管顯示 delays(); /延時(shí)函數(shù)key();displays();/*/*主函數(shù)*/main (void) TMOD=0x51; /T0方式1 定時(shí)計(jì)數(shù)T1方式1計(jì)數(shù)TH0=0xb1; /裝入初值 20MSTL0=0xe0;TH1=0x00; / 計(jì)數(shù)567TL1=0x00;TR0=1; /啟動(dòng) t0TR1=1; /啟動(dòng)t1gw=sw=bw=qw=0; /數(shù)碼管初始化P0=0xc0;P2=1;while(1) /無(wú)限循環(huán) display(); /數(shù)碼管顯示 key(); /*/*數(shù)碼管顯示*/display()uc
15、har i; gw=x%10; /求速度個(gè)位值,送到個(gè)位顯示緩沖區(qū)sw=(x/10)%10; /求速度十位值,送到十位顯示緩沖區(qū)bw=(x/100)%10; /求速度百位值,送到百位顯示緩沖區(qū)qw=x/1000; /求速度千位值,送到千位顯示緩沖區(qū)for(i=0;i0;i-);/*/*t0定時(shí)*中斷函數(shù)*/void t0() interrupt 1 using 2TH0=0xb1; /重裝t0TL0=0xe0;f-;if(k=0) if(ft) P10=1; else P10=0; P11=0; else if(f=5)t=5;if(P14=0) /減速while(P14=0);t-;if(t1)t=1;if(P15=0) /停止while(P15=0);EA=0;P10=0;P11=0; /*/附件2:元件數(shù)量(個(gè))元件數(shù)量(個(gè))光電耦合器:TLP521-21三極管85504按鍵5三極管80505自鎖按鍵11N40074At89s521四位一體數(shù)碼管112M晶振1電容1041Led1直流電機(jī)1電阻1K3電容22P2電阻10K1電解電容47P/16V274LS041下載口1 參考文獻(xiàn) 1 王兆安等.電力電子技術(shù)M. 北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2000年.2 周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真M.北京.中
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