直流电机调系统的设计.docx
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直流电机调系统的设计
直流电机调速系统的设计
课程设计说明书
系（部）：
信息工程系
班级：
电气工程及其自动化
学生姓名：
刘阳学号080819407
指导教师：
饶中洋
时间：
2010年11月15日到2010年11月26日
课程设计任务书
题目直流电机调速系统的设计
系（部）信息工程系
专业电气工程及其自动化
班级电气082
学生姓名刘阳
学号080819407
11月15日至11月25日共2周
指导教师（签字）
系主任（签字）
年月日
指导老师成绩
答辩小组成绩
总成绩
一、设计内容及要求
利用改变电机端电压调节电机转速，并实时显示电机转速。
改变端电压可用DA转换或PWM实现。
二、设计原始资料
单片机原理及应用教程范立南2006年1月
单片机原理及应用教程刘瑞新2003年07月
三、设计完成后提交的文件和图表
1．计算说明书部分
1）方案论证报告打印版或手写版
2）程序流程图
3）具体程序
2．图纸部分：
具体电路原理图打印版
四、进程安排
教学内容学时地点
资料查阅与学习讨论1天单片机实验室
分散设计5天单片机实验室
编写报告3天单片机实验室
成果验收1天单片机实验室
五、主要参考资料
《电子设计自动化技术基础》马建国、孟宪元编清华大学出版2004年4月
《实用电子系统设计基础》姜威2008年1月
《单片机系统的PROTEUS设计与仿真》张靖武2007年4月
摘要
本设计以AT89C51单片机构成的数字化直流变速系统，对一台26KW的直流电动机进行电流和转速双闭环的恒速调节，电路结构简单，控制精度高，成本低，各项性能指标优于模拟直流调速控制系统，系统通过计算机软件调试与仿真，经简单改进后可用于实际控制系统。
关键词：
单片机，PWM技术，直流电机，调速控制
ABSTRACT
AT89C51microcontrollerdesignedtoformthedigitalDCtransmissionsystem,thisdesignconductsaregulationofcurrentandtheconstantdoubleclosed-loopspeedregulationtoaDCmotorof26KW.Withasimplecircuitconfiguration,ahighprecisionofcontrolbutlowcost,theperformanceindexofthisdesignissuperiortoanalogDCdrivecontrolsystems.Debuggedandsimulatedthroughcomputersoftware,itcanbeusedfortheactualcontrolsystemwithsimpleimprovements.
Keywords:
microprocessorcontrolunit，PWMtechnology
，DCmotorspeedcontml,digitalcontrol.
摘要1
ABSTRACT2
第一章引言3
1.1概况3
1.2国内外发展现状4
1.3要求5
1.4设计目的和意义5
第二章直流调速系统概述6
2.1直流电机的工作原理6
2.2直流电机的调速方法7
2.3直流电机主要技术参数8
2.4直流电机调速技术指标8
2.4.1调速范围8
2.4.2调速的相对稳定性和静差度8
2.4.3调速的平滑性9
2.4.4调速时的容许输出9
第三章方案论证9
3.1直流电机控制原理9
3.2直流电机调速方案的设计10
3.3直流电机测速方案的设计11
第5章系统的软件设计13
5.1单片机选择13
6.1主程序设计14
6.2数码显数设计15
6.3功能程序设计17
第7章结束语21
参考文献22
第一章引言
1.1概况
现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。
在这一系统中可对生产机械进行自动控制。
随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。
以达到高速、优质、高效率地生产。
在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。
另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。
特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。
自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。
在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。
虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。
现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。
其应用领域极为广泛，例如：
军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。
随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流，脉宽调制技术表现出较大的优越性：
主电路线路简单，需要用的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势。
1.2国内外发展现状
电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。
近30年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。
驱动电动机的控制方案有三种：
工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。
在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。
到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。
利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。
后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替，明显地扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。
直流电机脉冲宽度调制（PulseWidthModulation-简称PWM）调速系统产生于70年代中期。
最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。
近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。
在国外，PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。
它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。
近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。
如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。
随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。
进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。
1.3要求
利用改变电机端电压调节电机转速，并实时显示电机转速。
改变端电压可用DA转换或PWM实现
1.4设计目的和意义
本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。
系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。
PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。
由定时器来产生宽度可调的矩形波。
通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。
增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。
本设计以AT89C51单片机为核心，以开关作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。
在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
第二章直流调速系统概述
调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。
电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。
由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。
所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。
在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。
而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
因此，我们先着重讨论直流调速系统。
2.1直流电机的工作原理
直流电动机，多年来一直用作基本的换能器。
绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。
图2-1为直流电机的物理模型图，其中，固定部分（定子）由磁铁（称为主磁极）和电刷组成；转动部分（转子）由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。
图2.1直流电机物理模型图
直流电动机的工作原理如图2-2所示。
给两个电刷加上直流电源，如图2-2（a）所示，有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；如果转子转到图2-2（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向，这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，这样的结构，就可使电动机连续旋转。
图2.2直流电机原理图
2.2直流电机的调速方法
根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：
（1）调节电枢供电电压U。
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。
变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。
（2）改变电动机主磁通
。
改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。
变化时间遇到的时间常数同
变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
（3）改变电枢回路电阻
。
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。
但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。
弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。
而我们本实验采用第一种方法，改变直流电机两端的端电压，从而达到调节直流电机的速度。
我们采用pwm晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。
脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
2.3直流电机主要技术参数
额定功率Pn：
在额定电流和电压下，电机负载能力。
额定电压Ue：
长期运行的最高电压。
额定电流Ie：
长期运行的最大电流。
额定转速n：
单位时间内的电机转动快慢。
励磁电流If：
施加到电极线圈上的电流。
2.4直流电机调速技术指标
2.4.1调速范围
调速范围是指在一定的负载转矩下，电动机可能运行的最大转速
与最小转速
之比，即
2.4.2调速的相对稳定性和静差度
所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围内变化时所引起的速度的变化，它决定于机械特性的斜率。
静差度（又称静差率）是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值，用百分数表示，即
，在一般情况下，取额定转矩下的速度落差
，有
2.4.3调速的平滑性
调速的平滑性是指在一定的调速范围内，相邻两级速度变化的程度，用平滑系数
表示，即
式中
和
——相邻两级，即i级与i－1级的速度。
2.4.4调速时的容许输出
调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴能够输出的功率和转矩。
第三章方案论证
3.1直流电机控制原理
当直流电动机接上直流电源时，使用电位器旋转按钮控制三极管集极的电压。
如直流电机控制原理图2-1
图2-1直流电机控制原理
1、当三极管的集极电压小于死区电压时三极管截止，则电动机不转动；
2、当集极电压大于死区电压而小于饱和电压时三极管处于放大状态，随着集极电压改变，从而改变了直流电动机两端的压降也就改变了电机的转速。
具体原理为集极的电压大小不一样，三极管的电压放大倍数也不一样从而起到调速作用改变直流电动机的旋转速度。
3.2直流电机调速方案的设计
直流电动机的转速控制方法可以分为2大类：
对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢电压法。
其中励磁控制法在低速时受磁饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器件结构强度的限制。
并且励磁线圈电感较大，动态性能响应较差，所以这种控制方法用的很少，多使用电枢控制法。
本设计将采用电枢控制方法对电动机的速度和转向进行控制。
电机调速控制模块的方案假设：
直流电机转速调节：
某些场合往往要求直流电机的转速在一定范围内可调节，例如，电车、机床等，调节范围根据负载的要求而定。
调速可以有三种方法：
（1）改变电机两端电压；
（2）改变磁通；（3）在电枢回路中，串联调节电阻。
采用第一种方法：
通过改变施加于电机两端的电压大小达到调节直流电机转速的目的。
采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
直流电机调速原理：
图2-4所示电枢电压为Va,电枢电流为Ia,电枢回路总电阻为Ra,电机常数Ca,励磁磁通量是Φ。
图2-2直流电机原理
那么根据KVL方程:
电机转速n=（Va-Ra）/CaΦ,其中,对于极对数为p,匝数为N,电枢支路数为a的电机来说:
电机常数Ca=pN/60a,意味着电机确定后,该值是不变的。
而在Va-IaRa中,由于Ra仅为绕组电阻,导致IaRa非常小,所以Va-IaRa≈Va。
由此可见我们改变电枢电压时,转速n即可随之改变。
方案的确定：
兼于直流电机工作原理，调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计的调速部分采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
3.3直流电机测速方案的设计
测速电路由附在电机转子上的光电编码盘及施密特整形电路组成。
电脉冲的频率与电机的转速成固定的比例关系,光码盘输出的电脉冲信号经放大整形为标准的TTL电平,输入到单片机的两个外部中断:
INT0和INT1,利用单片机内部计数器T1，使用栅格圆盘和光电门组成测速系统。
当直流电机通过传动部分带动栅格圆盘旋转时，测速光电门获得一系列脉冲信号。
这些脉冲信号通过单片机计数器计数，计算出单位时间内的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度。
直流电机转速计算公式：
n=60*m/N（rpm）
其中：
n为直流电机转速，N为栅格数，m为计数器T1在规定时间内测得的脉冲数。
使用系统提供的显示电路，可把电机的转速显示出来。
程序中直流电机初始速度较大（大约50转/秒），设运行速度设置为2400转/分，经过若干秒后，直流电机转速慢慢下降到运行速度，以设定的速度运行。
根据实验仪器的客观要求，本测速系统的关键是光电耦合器，它的组成是用一个发光二极管和一个光敏三极管构成。
光电耦合器的工作原理就是使发光二极管导通与截止状态进行发射红外线与不发射，让光敏三极管导通与截止。
具体过程为当发光二极管的两端电压大于死区电压时二极管发射出红外线同时光敏三极管栅极有驱动三极管导通的电压，使得三极管的源级电压降低由原来的高电平变为低电平，进而产生一个脉冲的形式转送给单片机。
通过单片机的外部中断进行计数脉冲个数从而得到直流电动机的旋转速度。
在改变电机转速的同时影响到发光二极管导通与截止。
只有这样才能产生脉冲的形式发送给光敏二极管，进而改变了外部中断P3.5口高低电位。
则单片机内部进行计数就可以获取转速。
光电耦合器的电路图如图2-5所示。
图2-3电耦合器的电路图
第四章系统硬件电路设计
硬件电路设计框图如下图所示，硬件电路结构初步设想由以下4部分组成：
时钟电路、复位电路、单片机、驱动电路。
驱动电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。
控制部分采用汇编语言编程控制，AT89C51芯片的定时器产生PWM脉冲波形，通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。
根据硬件系统电路设计框图，对各部分模块的原理进行分析，编写个子模块程序，最终将其组合。
图4.1硬件系统电路设计框图
第5章系统的软件设计
5.1单片机选择
20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。
尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的还是Intel公司的MCS—51系列单片机和美国Atmel公司的89C51单片机MCS—51系列单片机包括三个基本型8031、8051、8751。
8031内部包括一个8位CPU、128个字节RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器，但片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。
比较麻烦，不予采用。
8051是在8031的基础上，片内集成有4KROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。
ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。
所以8051适合与应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。
也不予采用。
8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4KB的小系统。
用户可以将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序。
但其价格相对8031较贵。
8031外扩一片4KBEPROM的就相当与8751，它的最大优点是价格低。
随着大规模集成电路技术的不断发展，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。
也不予采用。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。
功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
此设计就采用AT89C51。
6程序与电路设计
6.1主程序设计
该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态
hchequ30h;高电平时间
hclequ31h
lchequ32h;低电平时间
lclequ33h
cotequ34h;档位
k1equp1.0;启动
k2equp1.1;加速
k3equp1.2;减速
k4equp1.3;停止
org0000h
jmpmain
org000bh
ljmpttt
org0030h
main:
clrp2.03-1主程序流程图
movie,#83h;开外部中断和定时器中断
movtmod,#0d1h
movth0,#0b1h;给定时器中断赋初值
movtl0,#0e0h
movhch,#0b1h
movhcl,#0e0h
movlch,#0b1h
movlcl,#0e0h
movcot,#3h
start:
jnbk1,next
jmpstart
next:
lcalldelay10ms
jbk1,start
setbtr0
6.2数码显数设计
通过P2.1，P2.3口来控制数码，显示通过查表和调用延时实现数的显示
程序代码：
www:
movth1,#00h
movtl1,
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