毕业设计数字式直流调速控制系统设计.docx
《毕业设计数字式直流调速控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计数字式直流调速控制系统设计.docx（67页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
毕业设计数字式直流调速控制系统设计
毕业设计说明书
题目：
数字式直流调速控制系统设计
二级学院：
学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
评阅教师：
职称：
2013年6月
摘要
现在，自动控制系统在很多领域得到了广泛的应用，而直流调速控制系统作为电气传动的重要部分在现代生产中起到了很多作用。
直流调速调速范围宽平滑性好、启动转矩大的优点，因而在工业传动系统中得到了广泛的应用，微机数字控制系统的控制软件能进行逻辑判断与复杂的运算。
该系统主要由三部分组成，包括控制部分、驱动部分和直流电动机。
控制部分采用STC90C516RD单片机，通过单片机和D/A转换电路产生适合频率的正弦波，把正弦波和三角波发生器产生的三角波输入比较器，产生PWM波，驱动部分PWM波通过L9110芯片将电压加在直流电动机上，使其旋转，通过单片机输出不同频率的正弦波来调节电动机的转速。
直流电机采用130型玩具电机，该系统主电路线路简单，电流较连续，谐波少，电机损耗及发热都较小，低速性能好，调速范围广，系统频带宽，系统动态响应快。
关键词：
数字控制系统，单片机，三角波，D/A转换。
Abstract
Nowadays,theautomaticcontrolsystemhasbeenwidelyusedinmanyfields,however,asanimportantpartoftheelectricaldrive,DCspeedcontrolsystemhashadalotofeffectinthemodernproduction.Ithasawiderangeofspeedregulation,aglidingpropertyandabigstarttorque.Thus,itiswidelyusedinIndustrialtransmissionsystem.Thecontrolsoftwareofcomputernumericalcontrolsystemcanperformlogicaljudgmentandcomplicatedoperation.
Thecontrolsystemismostlymadeupofthreeparts,includingthecontrolpart,thedrivepartandthemotor.ThecontrolsystemuseSTC90C516MCUandD/Aconvertertoproducesinewave.WeputsinewaveandtriangularwavewhichproducedfromtrianglegeneratorintocomparatortoproducesuitablePWMwave.PWMwaveisexertedontheDCmotorbytheL9110chipsothatthemotorcanrotate.TheMCUproducediferentkindsofsinewavesothatitcancontrolthespeedofmotor.Weselect130motorastheDCmotor.Thesystemhasasimplemaincircuit,constantcurrentandlittleharmonicwave.Thecostandheatwhichcomesfromthemotorarebothlittle.Ithasagoodfeatureoflowspeedandawiderangeofcontrollingspeed.Thesystemhasawideareaoffrequencyanditresponsesrapidly.
Keywords:
numericalcontrolsystem,microcontroller,triangularwave,
D/Aconvert.
第一章绪论
1.1直流电机概述
电动机简称电机，是使机械能与电能相互转换的机械，直流电机把直流电能转化为机械能。
作为机电执行元件，直流电机内部有一个闭合的主磁路。
主磁通在主磁路中流动，同时与两个电路交联，其中一个电路是用以产生磁通的，称为激磁电路；另一个电路是用来传递功率的，称为功率回路或电枢回路。
现行的直流电机都是旋转电枢式的，也即，激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极为定子，带换向单元的点数绕组和电枢铁芯结合构成直流电机的转子。
直流电机有一下4个方面的优点：
（1）调速范围广，且易于平滑调节。
（2）过载、起动、制动转矩大。
（3）易于控制，可靠性高。
（4）调速时的能量损耗性较小。
所以，在调速要求高的场所，如轧钢机、轮船推进器、电车、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织、拖动、吊车、挖掘机、卷扬机拖动等方面，直流电机均得到了广泛的应用。
直流电机的基本参数：
1.转矩——电机得以旋转的力矩，单位为kg.m或N.m。
2.转矩系数——电机所产生转矩的比例系数，一般表示每安培电枢电流所产生的转矩大小。
3.摩擦转矩——电刷、轴承、换向单元等因摩擦而引起的转矩损失。
4.启动转矩——电机启动时所产生的旋转力矩。
5.转速——电机旋转的速度，工程单位为r/min,即转每分。
在国际单位制中为rad/s,即弧度每秒。
6.电枢电阻——电枢内部的电阻，在有刷电机里一般包括电刷与换向器之间的接触电阻，由于电阻中流过电流会发热，因此总希望电枢电阻尽量小。
7.电枢电感——因为电枢绕组由金属线圈组成，必然存在电感，从改善电机运行性能的角度来说，电枢电感越小越好。
8.电气时间常数——电枢电流从0开始达到稳定值的63.2%时所经历的时间。
测定电气时间常数时，电机应处于堵转状态并施加阶跃性质的驱动电压。
工程上，常常利用电枢绕组的电阻Ra和电感La求出电气时间常数：
Te=La/Ra
9.机械时间常数——电机从启动到转速达到空载转速的63.2%时所经历的时间。
测定机械时间常数时，电机应处于空载运行状态并施加阶跃性质的阶跃电压。
工程上，常常利用电动机转子的转动惯量J，电枢电阻Ra、电机反电动势系数Ke和转矩系数Kt求出机械时间常数:
Tm=（J*Ra）/（Ke*Kt）
10.转动惯量——具有质量的物体维持其固有运动状态的一种性质。
11.反电动势常数—电机旋转时，电枢绕组内部切割磁力线所感应的电动势相对于转速的比例系数称发电系数或感应电动势系数
1.2数字直流调速控制技术
微机出现于20世纪70年代，随着大规模和超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。
此外，电力电子技术的发展，使大功率电子器件的性能迅速提高，因此就给普遍使用微机带来了可能，完成各种高性能、新颖的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，其性能更加符合使用要求，还可以制造出各种特定功能的新型电机，使电机出现新的面貌，较为简单的微机控制，只需要用微机控制继电器或者电力电子开关元件控制通断即可，在各种机床设备及生产流水线上，现已采用带微机的控制系统，按一定的规律控制各类电机的动作。
对于复杂的电机控制，则要用微机控制其电压、转矩、电流、转速、转角等等，使电机按设定的命令准确工作。
通过微机控制，可以使电机的性能有很大的提高，传统的直流电机与交流电机各有各有它们的优缺点，直流电机调速性能较好，但由于有换向器，存在机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不管是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作可靠性也比直流电机好很多。
但是在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便经济的进行调节。
目前在数控伺服系统等自动化控制系统中应用较多，为提高其性能，已采用先进的DSP高速处理芯片，其指令执行速度达到每秒几百兆以上，并且具有适用于矩阵运算的指令。
数字式直流调速控制器由软件编程控制，工作稳定，不易受外界干扰，可靠性高。
对被控制的对象——电机的各种状态量可以实现快速、宽范围、高分辨率、高精度的检测，为实现高性能传动系统提供了基本条件。
数字控制不但可以实现例如数字给定和比较、数字PID运算。
数字触发和相位控制，电枢电流和励磁电流的控制，速度控制，逻辑切换和各种保护功能，在系统硬件不变的情况下，很方便引入各种先进的控制规律，如非线性控制，最优控制等，自动适应不同控制对象和控制规律的要求，实现最优化控制，增强设备通用性，实现硬件设备的标准化，以微机为核心的控制装置可以完成复杂的计算和判断在内的高精度运算、变换和控制。
软件的模块化结构可方便地对应用程序实时增加、更改，当实际系统变化时也可以彻底更新。
软件控制的灵活性增强了控制器对被控对象的适应能力，使各种新的控制策略和控制方法得以实现。
数字式传动装置控制器内有多种形式的存储器，可以存储大量的实时数据，实现系统的监保护护、故障自诊断、报警显示、波形分析、故障自动复原等功能。
数字式控制器有很强的通讯组网功能，不仅可以和上位机通讯，而且在数字式直流传动装置之间、PLC之间、数字式交流传动装置之间都可以通过网络进行通讯，实现生产过程的自动化。
数字控制不但简化了系统的硬件结构，使维修方便，减少了故障的发生率，而且可以方便地对外部或内部信息实现数字滤波，提高抗干扰能力。
目前，很多电机微机控制系统都是由数字器件和模拟器件组成的混合系统，而全数字控制系统是当前的主要发展方向。
电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一，从20世纪80年代中后期开始，数字式调速传动装置发展很快。
使用晶闸管制作功率器件；在表面安装控制面板；通过电源换相、相位控制来控制。
特别采用了微机及其他先进技术，数字式直流调速系统精度高、抗外界干扰，在国内外应用广泛，全数字式直流调速系统的推出，为工程应用提供了优越的条件。
1.3本文主要工作
1.3.1硬件设计
搭建STC89C516RD单片机硬件控制单元，用单片机与DAC0832通过编程产生占空比可变的正弦波与三角波发生器产生的三角波通过比较器合成SPWM波，通过控制SPWM波的占空比来达到控制电机转速的目的。
利用LG9110芯片来驱动电机的运转，将单片机的I/O口与驱动芯片上的端子相连接，达到驱动电机正反转、加减速的目的。
利用独立按键控制电机的正反转、加减速，利用数码管和LED灯显示转速和正反转状态，并用光电编码器将所测速度反馈至单片机，控制电机恒速运行。
1.3.2软件设计
用C语言编写电机正反转、加减速、数码管和LED送显、测速程序、并根据电机转速和控制电压设计用STC89C516RD单片机和DAC0832产生SPWM波的程序。
第二章硬件控制方案
2.1单片机控制单元
本设计采用STC90C516RD单片机作为控制器（如图2-1所示），单片机是宏晶科技的新一代超高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，有12时钟机器周期、6时钟机器周期两种机器周期可选，内部有MAX810复位电路，时钟的频率在12MHz以下时，复位脚可以直接接到地线上。
它共含有40个引脚，按其功能分为3类。
第一类，电源和时钟引脚。
第二类，编程控制引脚。
第三类，I/O口引脚。
Vcc、GND是电源引脚和接地端。
XTAL1、XTAL2是外接时钟引脚。
RST是单片机的复位引脚。
PSEN（低电平有效）是程序存储器允许输出控制端。
ALE/PROG（低电平有效）地址锁存器和编程脉冲输入端。
EA（低电平有效）/Vpp访问存储器控制端。
P0口：
双向8位三态I/O口，P1口：
准双向8位I/O口，P2口：
准双向8位I/O口，P3口：
准双向8位I/O口，作为第一功能使用时当做普通I/O口，与P1口相似。
另外它还有第二功能，分别是:
P3.0是串行数据口，P3.1是串行数据口，P3.2是外部中断0，P3.,3是外部中断1，P3.4是定时/计数0外部输入端，P3.5是定时/计数1外部输入端，P3.6是外存储器写脉冲，P3.7是外存储器读脉冲。
图2-1单片机电路
本系统采用P1^3、P1^4、P1^5、P1^6、P3^0分别作为电机加速、减速、正转、反转、停止的输入口，把P2^0、P2^1作为正反转输出口，将P3^4作为计数脉冲输入口。
2.2按键电路设计
键盘是常用的输入器件，实现键盘的功能有2种方法：
一、使用现有芯片实现，如8279等，二、使用软件实现。
使用现有芯片可以少用CPU的资源，但成本提高，使用软件来做灵活性较好，CPU开销也很少，从而降低开发成本。
本文采用软件进行键盘的扫描。
键盘有独立式键盘和行列式键盘两种。
独立的使用在按键少的情况，按键和单片机的输入/输出口线直接相连。
而行列式的用在按键需求较多的情形下。
由于本设计用到的键盘数量少，单片机I/O端口充足，所以使用独立键盘。
键盘原理图如图2-2所示。
图2-2键盘图
将5个按钮的连接到单片机的接地端，然后将按钮的另一端分别连接到单片机的P1^3、P1^4、P1^5、P1^6、P1^7口。
独立按键的原理是：
单片机的I/O既可以作为输出也可以作为输入使用，当检测按键时用的是它的输入功能，因为独立按键的一端接地，另一端与单片机的I/O相接，开始时先给该I/O口赋一个高电平，然后让单片机不断地检测该I/O口是否变为低电平，当按键闭合时，即相当于该I/O口通过按键与地相接，变为低电平，程序一旦检测到I/O口变为低电平表示按下了按键，然后执行相应的指令。
当按键被按下或弹起时，可以产生低电平或高电平，但实际情况不是这样。
键盘按键一般都是触点式的。
不管按键被按下还是被弹起，按键触点因为弹性会导致抖动。
也就是说当按下按键时，触点不会快速稳定接通，释放按键时，触点也不会马上断开，必须经过一段时间的抖动才能稳定，不同的按键材料，抖动时间也各不相同。
按键抖动示意图如图2-3所示。
图2-3按键抖动示意图
2.3数码管显示设计
采用七段数码管来显示转速。
（如图2-4）该数码管是共阴极数码管，其工作原理如下：
数码管的内部一共有8个发光二极管和一个公共端，对于共阴极数码管来说，其8个发光二极管的阴极在数码管内部全部连接在一起，所以称为“共阴”。
当我们把数码管的任一阳极加一个高电平时，对应的这个发光二极管就亮了，如果想要显示一个“8”字，并且把右下角的小数点也点亮的话，可以给8个阳极全部送高电平。
想让它显示几，就给对应的发光二极管送高电平，因此我们在显示数字的时候首先做的就是给0~9十个数字编码，在要它亮什么数字的时候直接把这个编码送到它的阳极就行了。
数码管内部发光二极管点亮时，需要5mA以上的电流，而且电流不可过大，否则会烧坏发光二极管，由于单片机的I/O口不可能输出如此大的电流，所以数码管与单片机相连时需要加驱动电路，可以用上拉电阻或专门的数码管驱动芯片来驱动，本设计采用74HC573锁存器。
多位一体的数码管，它们内部的公共端是独立的，而负责显示什么数字的段线全部是连接在一起的，独立的公共端可以控制多位一体的哪一个数码管点亮，而连接在一起的段线可以控制这个能点亮数码管亮什么数字，通常我们把公共端叫做“位选线”，连接在一起的段线称为“段选线”本设计采用74HC138译码器作为数码管的位选。
数码管有10个引脚，二位数码管也是10个引脚，四位数码管是12个引脚。
图2-4数码管原理图
图2-5显示整体电路图
利用数码管显示时，用六个数码管来显示，其中最高位是标记位，用来显示“运行”状态和“调节”状态，如果是调节状态，则显示“C”,如果是运行状态，则显示“S”。
所有位的显示则通过位选编码和段选编码来实现。
2.4PWM波驱动电机设计
本设计采用PWM波驱动电机的运转，它是按一定规律改变脉冲序列的脉冲信号宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式，我们在控制系统中最常用的是矩形波PWM信号，在控制时需要调节PWM波的占空比。
如图2-5所示，当信号处于高电平时，电机通电转动，由于电机轴具有惯性，当信号处于低电平时，电机仍会继续转动，等待下一个高电平的到来，电机就这样转动下去。
占空比是高电平持续时间在一个周期内的百分比，控制电机的转速时，占空比越大，速度越快，如果全为高电平，占空比为100%时，速度达到最快，因为，高电平时间越长，意味着在一个周期内，脉冲给电机加速的时间就越长，电机的转速就越快。
本设计采用51单片机和DAC0832构成“单缓冲”电路产生正弦波，与三角波发生器产生的三角波进行合成产生PWM波，如图2-6所示。
在正弦波高于三角波的部分，输出高电平，如图2-6的1，2，3，4部分。
在正弦波低于三角波的部分，输出低电平，如图2-6的5,6,7部分，通过调节正弦波的频率，来调节PWM波的频率，进而控制PWM波的占空比，达到调速的目的。
占空比越大，速度越快。
图2-6三角波和正弦波合成PWM波原理图
图2-7PWM驱动电机原理图
2.5DAC0832电路设计
DAC0832是使用非常普遍的8位D/A转换器，其转换时间为1us,工作电压为+5V到+15V,基准电压为正负10V。
它主要由两个8位寄存器和一个8位D/A转换器组成。
使用两个寄存器（输入寄存器和DAC寄存器）的好处是可以进行两级缓冲操作，使该操作有更大的灵活性，其转换原理与T型解码网络一样，因为片内存在输入数据寄存器，故可径直和单片机接口相接，DAC0832输出的是电流，当输出需要转换为电压时，可外接运算放大器。
属于该系列的芯片还有DAC0830，DAC0831,它们可以相互代换。
DAC0832主要特性如下：
1.8位分辨率；
2.电流创建耗时1us;
3.可用双缓冲、单缓冲和直通方式进行数据输入；
4.可在满量程调节电流线性度；
5.逻辑电平输入与TTL电平兼容；
6.单一电源供电（+5V~+15V）;
7.低功耗，20mW;
DAC0832芯片为20管脚直插封装，其引脚分部如图2-7所示，
各引脚定义如下：
—片选输入，低电平有效。
—输入寄存器写选通输入，负脉冲信号有效（脉宽不小于500ns）。
当CS为0时，ILE为1，WR1有效时DI0到DI7状态被锁存到输入寄存器。
DI0到DI7—数据输入端，TTL晶体管电平，有效时间应该至少90ns。
Vref—基准电压输入口，电压范围在-10V和10V之间。
Rfb—反馈电阻端，芯片内部此端与Iout1接有一个15kohm的电阻。
Iout1——电流输出口，当输入全为1时，其电流最大。
Iout2——电流输出口，其值与Iout1端电流之和为一个常数。
——数据传控信号输入口，低电平有效。
——DAC寄存器的写选通输入口，负脉冲有效（脉冲宽度应大于500ns）。
当XFER=0且WR2有效时，把输入寄存器的数据传到DAC寄存器中。
ILE——数据锁存控制信号输入口，高电平有效。
Vcc——电源电压端，电压范围+5V到+15V。
GND——模拟地和数字地，模拟地为模拟信号与基准电源参考地；数字地为工作电源地与数字逻辑地（两地最好在基准电源处一点共地）。
图2-7DAC0832管脚图
DAC0832是采用CMOS工艺制成单片直流输出型8位数/模转换器。
由倒T型R—2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。
输出电压
。
由上式可见，输出的模拟量与输入的数字量
成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。
8位D/A转换器有8个输入口（每一个输入口是8位二进制数中的一位），一个模拟输出端。
输入可有
个不同的状态，输出为256个电压中的一种。
DAC0832输出的是电流，一般要求输出的是电压，所以必须外接运放转换成电压。
本设计采用“单缓冲”方式输出模拟正弦波信号，通过连接ILE、
、
、
和
引脚，使得两个锁存器中的一个处于直通状态，另外一个处于受控制状态，或者两个同时被控制，DAC0832就工作于“单缓冲”方式，连接线路如图2-8所示。
图2-8DAC0832构成“单缓冲”电路图
2.6光电编码器原理
本设计采用的测速装置为对射式光电传感器，其型号为ITR9608ITR-9608DIP-4槽型光耦，它可实现快速响应，光敏感性高，结电容小，功耗低，抗干扰，分辨率高，符合国际通用标准。
反射式光电开关也属于光电传感器的一种，它主要的原理是发射端和接收端之间光的强弱变化转化成电流的变化达到被检测的目的。
由于光电开关输出回路和输入回路是电气隔离的，所以它可以在许多场合得到应用。
如传真机、打印机、车载导航、出卡机、车辆检测器等场合。
它的检测原理是：
电机主轴带动光电码盘转动，码盘上的4个间隙将依次通过对射式光电传感器中间的狭缝，如图2.9所示，当光束通过间隙射到光敏三极管上，使三极管能够导通，使通过R3的电流变大，从而使R3两端的电压增大，输出电压变为低电平，当光束被码盘挡住时，光敏三极管处于截止状态，通过R3的电流很小，R3两端的电压相应很小，从而输出电压为高电平。
这样便在测量电路的输出端OUT端输出矩形波，电机的转速越快，矩形波的频率也越高，相应的每秒获得的计数脉冲就越多，当狭缝数目增加时，同一时间内，采集的脉冲数目变大，计数误差变小从而数码管的示数就变大，。
图2-9电机驱动电路图
本系统采用的驱动芯片L9110。
它的特点：
低静态工作电流；宽电源电压范围：
2.5V~12V;每通道可以输出连续电流0.8A；饱和压降比较低；TTL/CMOS输出电平均可，能径直接CPU;输出口有内置钳位功能的二极管，使用于感性负载的情况；单片IC涵盖控制功能和驱动功能；高压时具备管脚保护功能；
L9110是为控制和驱动电机的电路元件，把分立的电气元件安装在单片IC之中，是外围电路成本降低，整体可靠性高，电平输入可兼容TTL/CMOS，抗外界干扰；两个out端驱动电机正反转，电流驱动能力强，L9110芯片电气特性如表2-1所示。
同时输出饱和压降不高；内置的充当钳位的作用的二极管能够放出感性元件的反向的冲击电流，使之安全地驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管。
L9110常应用于驱动模型车电机，步进电机、开光功率管等电路上。
管脚定义如下：
1.OAA端输出
2.Vcc电源电压
3.Vcc电源电压
4.OBB端输出
5.GND地
6.IAA端输入
7.IBB端输入
8.GND地
器件管脚图如图2-10所示：
图2-10L9110芯片管脚图
L9110芯片电气特性表、真值表如表2-1和表2-2所示。
表2-1L9110驱动芯片电气特性表
符号
参数
范围
单
位
最小
最大
典型
Vcc
电源电压
2.5
6
12
V
Idd
静态电流
——
0
2
uA
Iin
操作电流
200
350
500
uA
IC
持续输出电流
750
800
850
mA
IMax
电流峰值
——
1500
2000
mA
表2-2L9110驱动芯片真值表
IA
IB
OA
OB
H
L
H
升级会员 