基于单片机的电机特性测试系统Word下载.docx
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1.4.1接线方式4
第二章单片机电路的设计5
2.1单片机选型5
2.2单片机接口与外围电路5
2.2.1SPMC75系列单片机用于电机控制5
2.2.2SPMC75F2313A的芯片特性6
2.2.3SDIP42单片机的接口功能描述及外围器件：
7
2.3数码管显示驱动电路10
2.4键盘电路13
2.5电源电路14
2.674HC95芯片14
第三章转速及转矩的调节控制系统16
3.1电机运行的切换控制16
3.1.1继电器的分类16
3.1.2电磁继电器设计与选择16
3.2光电耦合器18
3.3LM331变频器18
3.3.1V/F转换信号频率输入通道18
3.3.2LM×
31系列V/F转换器19
3.4运算放大器21
3.4.1运算放大器的分类及参数21
3.4.2运算放大器选用时注意事项23
3.4.3LM324通用型运放23
3.4.4差动放大电路23
3.4.5同相放大电路24
第四章软件电路的设计25
4.1程序设计25
4.1.2直流电机变压调速26
4.1.3单片机控制方法26
4.1.4转速和转矩的测量26
4.1.5整流电路控制角α的调节29
4.1.6调速方法32
4.1.7数码管显示37
4.1.8键盘输入39
4.2主程序流程图41
4.3抗干扰措施43
4.4程序判断滤波43
结论45
参考文献46
致谢47
附录48
附录A科技文章摘译62
第一章绪论
1.1引言
毕业设计（论文）是高等院校完成工程技术人员的基本训练必须重要的环节，其主要的目的是培养学生综合运用基础课、技术理论课和专业课的知识，独立地进行分析和解决工程实际课题的能力，为步入社会和完成由学生向工程技术人员的转化打下坚实的基础。
我选电机特性测试作为我的毕业设计（论文）课题。
近年来，计算机的大量推广应用为自动测试系统的发展开拓了新的途径，近代电子技术的迅速发展又为提高电机试验的精度和速度、进行动态特性测试及采用新的测试方法提供了可能性，进一步推动了电机测试技术的发展。
在这种发展背景下，我们进行了智能化电机自动测试与控制系统的研究。
我国目前电机行业传统的人工测试方法已不适应于电机工业发展的需要，因此国内一些科研单位开始研制电机微机测试系统，目前已有一些实用化产品问世，但大都存在着数据管理功能不够完善的缺陷，其原因是这些系统都以文件方式存贮数据，因而对电机测试所得的大量数据管理极为不便。
由于目前各高校电机实验室测试电机机械特性都是靠手动改变其同轴发电机的电枢电阻和励磁回路电阻实现。
实验过程非常复杂，在规定时间内远远不能完成必须的实验内容，本课题设计一种与上述发电机配套的自动调节装置，实验人员只要选择相应的功能并改变给定的大小即可得到测试电机需要的转矩和速度。
本课题设计一种高校电机及电力拖动实验室检测电机特性专用的“电机特性测试装置”。
该装置以凌阳公司电机控制型单片机SPMC75F2313A芯片为控制核心，构成一个电流转速双闭环控制系统，同时设有监控显示、控制键和整定电位器。
系统中作为测试装置动力系统的电机用直流发电机，通过电机控制用单片机的检测控制通道构成双闭环控制系统，双闭环为电机电流闭环控制和电机转速闭环控制。
当需要测试装置提供恒转矩负载时（电机特性正常工作段一般需要这样测试），按给定转矩控制电机电流，电流环起主要作用，速度环只是限制最高转速。
当需要测试装置提供恒转速负载时（交流异步电机机械特性启动阶段测试需要如此），按给定转速控制电机转速，速度环作为外环起主要作用，电流环作为内环起限制最大电流和抗电压波动干扰的作用。
系统的变流器采用单相全控整流，通过主回路的继电器切换实现可逆。
设计参数从实际设备得到。
单片机系统通过检测“测试用发电机”的电流和电压估算电机的转矩和转速，并显示。
单片机系统还要有配套电机发热监视和报警功能，有整个系统的自检和保护功能。
1.2直流电机调速方式
直流电机调速方式主要有调压调速、弱磁调速、电枢串电阻调速三类。
其中只有弱磁调速方法的转速高于额定转速，故在要求调速范围较宽、不经常逆转、对调节时间要求不高的场合，常把调压调速和弱磁调速结合起来应用。
主要优点是:
调节功率小，控制方便，能量损耗小，调速平滑性较高。
调压调速和弱磁调速可以通过脉宽调制技术（PWM）实现，针对宽调速范围，要求能在额定转速以上和额定转速以下进行大范围调速，在额定转速以下调节时，可采用PWM调压调速方法，具有较硬的机械特性，组成闭环以后，调试等也非常方便;
在额定转速以上调节时采用弱磁调速方法，但在设计时须考虑如下几个问题。
（1）存在机械特性偏软的问题，须结合转速闭环的方法改善系统的机械特性。
（2）存在飞车的危险，限制最小弱磁非常重要。
在供电电压不变时，最小弱磁限定为常数，当电压波动时，最小弱磁限制为一条随供电电压变化的曲线。
（3）为防止电压过低时，电机的工作电流增大，须设计电流截止负反馈。
（4）为防止起动、停止电流过大，须考虑软起动、软关断保护系统。
综上所述，控制系统需具有软起动，软关断，最小弱磁限制，转速闭环PI调节，电流截止负反馈和工作异常保护等功能。
1.3直流电机的起动
1.3.1直流电机的接线方式
直流电机的接线方式如下图1-1所示
Ia
图中各部分说明如下：
（1）.MD和Lf为被测直流电动机的电枢绕组和励磁绕组，使用RTDJ32直流并励电动机，接成他励方式使用。
（2）.“直流电机励磁电源”和“直流电机电枢电源”分别取自实验台左边电源控制屏中部的相应电源输出端。
（3）.“磁粉制动器”和“光电码盘”在电机导轨左端，他们与被测试电机同轴连接。
（4）.“转矩检测、控制及显示”和“转速检测及显示”是实验台上最左端挂箱RTZN12-3的功能，实验时该挂箱通过专用九芯电缆与电机导轨左端的磁粉制动器等连接，并把磁粉制动器励磁绕组引到本挂箱的“转矩输出”端或“转矩给定”端。
（5）.“R1”使用RTDJ37挂箱最上端的电阻器，两只电阻串联使用，可调范围为“0～1800Ω”。
（6）.“R2”使用RTDJ37挂箱中间的电阻器，两只电阻串联使用，可调范围为“0～180Ω”。
（7）.“A1”和“A2”分别使用RTZN02挂箱中间和下端的电流表。
1.3.2直流电动机的起动过程
（1）.起动前的准备把励磁回路电阻R1调到最小，电枢回路电阻R2调到最大，电枢回路电源调到最低（逆时针旋转到底），关闭电枢回路电源。
把RTZN12-3挂箱上的转矩调节旋钮调到最低（逆时针旋转到底）。
（2）.通电观察接通实验台电源（闭合实验台左侧面的电源总开关），按下起动按钮，观察实验台有无异常，尤其注意各电表显示是否正常。
（3）.励磁回路通电打开励磁回路电源，相应电流表应显示超过100mA的电流。
注意：
在以下操作中都应保证励磁电源是接通的，不再赘述。
（4）.试起动在电枢电源调到最小和电枢回路电阻R2最大的双重保险下接通电枢电源，这时电机应慢慢转动。
如果转速显示负值，先关闭电源，将电机励磁接线端（或电枢接线端）正负极对调，然后再接通电源。
把电枢电压调到额定值220V，电机应能高速度运转。
观察有无异常。
（5）.电枢回路串电阻起动在保证电枢回路串入全部“180Ω”电阻的情况下，突然接通已调到额定值的电枢电压，然后再逐渐减小电枢回路电阻到“0”。
（6）.降压起动把电枢回路电阻切除（减小到“0”），电枢电源电压调到最低，然后打开电枢电源，逐渐升高电压到额定值。
1.4直流电动机各种运转状态的机械特性测试
1.4.1接线方式
按图1-2接线
（1）.MD和Ldf为被测直流电动机的电枢绕组和励磁绕组，使用RTDJ34直流并励电动机，接成他励方式使用。
额定电压220V，电流1.1A，转速1500rpm。
（2）.MG和Lgf为作测试设备使用的直流电机的电枢绕组和励磁绕组，使用RTDJ34直流复励发电机，接成他励方式使用。
与被测电机同轴连接。
（3）.电阻R1＝900Ω，选用RTDJ37上端的电阻。
R2＝360Ω＝180Ω＋180Ω，选用RTDJ37中间的电阻和RTDJ09上端的电阻。
R3＝3600Ω＝1800Ω＋1800Ω，选用RTDJ10上端和中间的电阻。
R4＝810Ω＝450Ω＋180Ω＋180Ω，选用RTDJ10下端的电阻（两只900Ω并联）、RTDJ09中间的电阻和下端的电阻。
（4）.直流电流表A1和A3选用两只RTZN02中的小量程电流表，A2和A4选用其大量程电表。
（5）.“直流电机励磁电源”和“直流电机电枢电源”分别取自实验台左边电源控制屏中部的相应电源输出。
（6）.发电机电枢回路里可并联一只直流电压表，用RTZN02上端的电压表。
第二章单片机电路的设计
2.1单片机选型
凌阳75F工控单片机（以下称SPMC75F系列单片机）是凌阳科技公司设计开发的高性能16位通用MCU，具有很强的抗干扰能力，宽的温度工作范围，丰富易用的资源以及优良的结构。
SPMC75F系列单片机采用凌阳科技设计开发的16位单片机芯片，其内核采用凌阳科技自主知识产权的unSP（MicrocontrollerandSignalProcessor）微处理器，简写为unSP。
它是继SPCE061A之后，凌阳科技在16位单片机产品方面的最新产品，属于工业控制级单片机。
SPMC75F系列单片机作为高性能的16位MCU平台，拥有多种功能模块，包括高性能的CPU内核，高效易用的中断系统，可编程的I/O口，模拟量测量用的ADC，外部通信用的同步与异步串行接口，普通的定时记数器等常见的硬件模块；
以及多功能捕获比较模块，BLDC电机驱动专用位置侦测接口，两相增量编码器接口，能产生各种电机驱动波形的PWM发生器等特殊硬件模块。
同时，SPMC75F系列单片机可以完成诸如家电用变频驱动器，标准工业变频驱动器，变频电源，多环伺服驱动系统等复杂的应用。
unSPIDE是凌阳16位unSP内核的集成开发环境（IDE），是基于Windows的开发工具，集编辑、编译、链接、调试和仿真功能于一体，具有友好的交互界面、下拉菜单、快捷键和快速访问命令列表，使编程、调试方便且高效。
仿真模式可以在不连接的开发板的情况下仿真程序。
unSPIDE2.0.0凌阳科技新近推出的最新版本，与以往版本相比，IDE2.0.0同时支持SPMC75F2313A和SPMC75F2413A芯片的开发。
在本设计中选用SPMC75F2313A型单片机，42引角封装，用PWM波形发生功能控制整流电路的导通角α的大小，用捕获比较模块检测经过压频转换后的电压和电流的频率从而实现电机转速和转矩的测量，利用标准外设接口（SPI）输出转速和转矩的值驱动LED显示，利用SPMC75F2313A的按键中断功能实现键盘输入。
2.
单片机接口与外围电路
.1SPMC75系列单片机用于电机控制
SPMC75系列单片机是由凌阳科技（sunplusTeehnologyCO.，Ltd.）设计开发的16位微控制器芯片，具有变频专用的PWM发生模块，其内核采用凌阳科技自主知识产权的林μ’nsP微处理器。
SPMC75系列单片机继承了凌阳的汉μ’nsP系列单片机内核所独具的处理能力，具备了DSP芯片的内核特色，它以工业控制等级作为基本的标准，拥有优良的抗干扰能力;
而在控制方面，SPMC75系列单片机从I/O端口到定时器资源，都强化了控制能力，尤其是电机控制方面的能力。
SPMC75系列单片机的UO端口都具备直接驱动LED的能力，可以稳定、可靠地对外围电路、芯片进行驱动，这使得SPMC75系列单片机从一般的使用到端口控制功能的应用，其驱动能力都显得游刃有余。
另外，SPMC75系列单片机是以工业控制等级的标准进行设计、生产的，可在一40℃~85℃的环境下可靠地工作，可以广泛应用于各种工业控制产品、家电产品等。
SPMC75系列单片机的定时器是最具特色的，共拥有6个16位定时器（以SPMC75F2313A为例），除了两个通用的定时器外，其余四个特殊功能定时器则是专门针对电机控制而设计的。
这三个特殊功能定时器分别属于三种类型，如MCP定时器在PWM信号发生方面的功能非常强大，有三相六路的PWM输出，可输入多种类型的PWM信号，用于交流变频控制、直流变频控制非常合适;
PDC定时器拥有完整的周期、脉宽捕获（CaPttire）功能，可以作为无刷直流电机（BLDCM）位置侦测模块，或作为增量式编码盘的接口，直接提供了检测电机转速和位置的接口模块;
而TPM定时器为多功能定时器，也一样提供了独立的16位PWM信号输入、捕获功能，拥有完成的CCP功能。
对于不需要变频控制的小功率直流电机、步进电机来说，SPMC75系列单片机也是非常适合的。
如SPMC75F2313A最多可有n路独立占空比设置的PWM输入端口，可以灵活配置来控制电机;
6通道的10位ADC输入通道。
可以检测传感器信号，或检测系统当中电机驱动电流的大小;
而三个特殊功能定时器都具备周期、脉宽捕获功能，适用于有编码盘的电机速度检测或者一些信号的检测
.2SPMC75F2313A的芯片特性
（1）高性能的16位内核
凌阳16位林，nSP处理器（IsA1.2指令集）;
具有2种低功耗模式:
Wai/Standby;
具有片内低电压检测电路;
片内基于锁相环的时钟发生模块;
其最高系统频率Fck:
24MHz
（2）片内存储器
32K字（32×
16bit）的Flash，主要用作程序和常数表的永久存放;
2K字（2Kx16bit）的SRAM（包括堆栈区）
（3）工作温度:
一40℃~85℃
（4）10位ADC模块
可编程的转换速率，最大转换速率1o0K治ps;
有6个外部输入通道;
可与PDC或MCP等定时器联动，实现电机控制中的电参量测量
（5）串行通讯接口
通用异步串行通讯接口田ART）和标准外围接口（SPD33
（6）（LQFP44）/31（sDIP42）个通用输入输出脚
（7）可编程看门狗定时器
（8）内嵌在线仿真电路ICE接口:
可实现在线仿真、调试和下载
（9）相位捕获定时器—PDC——PDC（PhaseDetectionContral）
具有两个PDC定时器（PDCI和PDCO）;
可同时处理三路捕获输入;
可产生三路户WM输出（中心对称或边沿方式）;
具有BLOCM驱动的专用位置侦测接口;
有两相增量码盘接口，支持四种工作模式，拥有四倍频电路;
具有16位定时l计数器功能
（10）MCP（MotorControlPWM）定时器
具有一个MCP定时器阿CP4）;
能产生三相六路可编程的PWM波形（中心对称或边沿方式）等;
提供PWM占空比值同步载入逻辑;
可选择与PDC的位置侦测变化同步，实现与PDC的联动，非常适合电机控制;
可编程的硬件死区插入功能，死区时间可设定;
可编程的错误和过载保护逻辑;
具有16位定时/计数器功能
（11）TPM定时器
具有一个TPM定时器（TPMZ）;
属于增强型的16位定时/计数器，有两个独立的捕获比较模块，可同时处理两路捕获输入，可以产生两路PWM波形（中心对称或边沿方式）
从前面介绍的SPMC75系列单片机的特点和芯片资源可以看出，它作为电机控制用的MCU是非常适合的。
SPMC75系列单片机与数字信号处理器DSP（如TI的TMS32OF24O7A等芯片）相比在功能上毫不逊色，而在易用性及性价比上则更胜一筹。
SPMC75系列单片机目前有SPMC75F2313A和SPMC75F2413A两个型号，两者的区别仅仅在于硬件资源上:
后者在沁数量、MCP定时器数量等方面较前者有增加，且具有同时对两个电机进行变频控制的能力。
本课题根据实际需要选用的是价格更为便宜的SPMC75F2313A芯片，其性能指标及硬件资源已完全可以满足构建单个无刷直流电机调速系统的要求。
.3SDIP42单片机的接口功能描述及外围器件：
如表2-1
引脚名称
引脚号
类型
功能描述
ICEN
8
I（PL）
IEC在线仿真/编程模式使能
0V：
普通模式；
3.3V：
在线仿真/编程模式
IOA2/AN2
26
I/O
IOA2或模/数转换通道2的模拟量输入端
IOA3/AN3
27
IOA3或模/数转换通道3的模拟量输入端
IOA4/AN4
28
IOA4或模/数转换通道4的模拟量输入端
IOA5/AN5
29
IOA5或模/数转换通道5的模拟量输入端
IOA6/AN6
30
IOA6或模/数转换通道6的模拟量输入端
IOA7/AN7
31
IOA7或模/数转换通道7的模拟量输入端
IOA9/TIO2A
20
IOA9/TPM2定时器输入/输出A
IOA10/TIO2B
21
IOA10/TPM2定时器输入/输出B
IOA13/TCLKC
22
IOA13/PDC1相位计数模式信号C输入
IOA14/TCLKD
23
IOA14/PDC1相位计数模式信号D输入
IOB6/FTIN1
12*
IOB6/外部错误输入脚1
IOB7/OL1
13*
IOB7/过载保护输入脚1
IOB8/TIO0C
14
IOB8或PDC0输入/输出C
IOB9/TIO0B
15
IOB9或PDC0输入/输出B
IOB10/TIO0A
16
IOB10或PDC0输入/输出A
IOB11/SCK
17
IOB11/SPI时钟信号
IOB12/SDI/RXD1
18
IOB12/SPI数据输入/UART接受口1
IOB13/SDO/TXD1
19
IOB13/SPI数据输出/UART发送口1
IOC5/TIO1A
39
IOC5/PDC1输入/输出A
IOC6/TIO1B
40
IOC6/PDC1输入/输出B
IOC7/TIO1C
41
IOC7/PDC1输入/输出C
IOC8/OL2
42
IOC8/过载保护输入脚2
IOC9/FTIN2
1
IOC9/外部错误输入脚2
IOC10/TIO4A/U2
2
IOC10/MCP4PWM输出A或电机驱动U2相输出
IOC11/TIO4B/U2
3
IOC10/MCP4PWM输出B或电机驱动V2相输出
IOC12/TIO4C/W2
IOC10/MCP4PWM输出C或电机驱动W2相输出
IOC13/TIO4D/U2N
5
IOC13/MCP4PWM输出D或电机驱动U2N相输出
IOC14/TIO4E/V2N
6
IOC14/MCP4PWM输出E或电机驱动V2N相输出
IOC15/TIO4E/W2N
7
IOD0/ICECLK**
9
IOD0端口（复用为ICECLK）
IOD1/ICESDA**
10
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