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1、單片機(jī)課程設(shè)計題目:直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)院:電氣與電子項目 專業(yè):自動化 班級: 100304 組長:徐鵬 20180883 組員:徐洋 20180885許佩東 20180886于思雨 20180888韓振帥指導(dǎo)教師:白文峰2 018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,隨著科技的進(jìn)步,直流電機(jī)得到了越來越廣泛的應(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,過載能力強(qiáng),能承受頻繁的 沖擊負(fù)載,可實現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn),需要滿足生產(chǎn)過程自動
2、化系統(tǒng)各種不同的特殊要求,從而對直流電機(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 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:模擬電路容易隨時間飄移,會 產(chǎn)生一些不必要的熱損耗,以及對噪聲敏感等。而用 PWM技術(shù)后,避免上述的 缺點,實現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號,可以大幅度減低成本和功耗。并且PWM調(diào)速系統(tǒng)開關(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,開關(guān)頻率高,快響應(yīng)特性好,動態(tài)抗干擾能力強(qiáng),可獲很 寬的頻帶;開關(guān)元件只需工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗小,裝置的效率高,
3、具有節(jié)約空間、經(jīng)濟(jì)好等特點。隨著我國經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā)展,在很多場合,都要求有直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)來進(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 門、自動門鎖、自動窗簾、自動給水系統(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間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體, 圓柱體的表面上固定著一個線圈abed。當(dāng)線圈中流過電流時,線圈受到電磁力作用,從電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知,當(dāng)流過線圈中電流改變方向時,線圈的受方向也將改 變,因此通過改變線
4、圈 的方向。圖3.1直流電動機(jī)電路模型圖1.1直流電機(jī)工作直流電機(jī)PWM調(diào)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,由圖可見電機(jī)的電樞電動勢 Ea的 正方向與電樞電流Ia的方向相反,Ea為反電動勢;電磁轉(zhuǎn)矩 T的正方向與轉(zhuǎn) 速n的方向相同,是拖動轉(zhuǎn)矩;軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T2及空載轉(zhuǎn)矩TO均與n 相反,是制動轉(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,得到電樞電壓電動勢平衡方程式1.1:U二Ea-lavRa+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
5、式為:n 二Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中,Ce為電動勢常數(shù),是磁通量。由1.1式和1.2式得n 二Ea/Ce 式1.3由式1.3中可以看出,對于一個已經(jīng)制造好的電機(jī),當(dāng)勵磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn) 矩恒定時,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,電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動;改變電樞電壓的極性, 電機(jī)就反轉(zhuǎn)。2) PW電機(jī)調(diào)速原理對于直流電機(jī)來說,如果加在電樞兩端的電壓脈動電流壓要求脈動電壓的周期遠(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實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。
6、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 圖中實線),原因是電樞本身有電阻,不過一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小,可以近視為線性關(guān)系由此可見,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)計任務(wù):任務(wù):單片機(jī)為控制核心的直流電機(jī)PWMB速控制系統(tǒng) 設(shè)計的主要內(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;7)直流電機(jī)的停止;第二章:總體設(shè)計方案總體設(shè)計方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。應(yīng)的PWM脈沖,另一口輸出低電平,
7、經(jīng)過信號放大、光耦傳遞,驅(qū)動H型橋式電動機(jī)控制電路,實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過數(shù)碼管顯示出來。電動機(jī)所 處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“三”,其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速;反轉(zhuǎn)時最高位顯示“ F”,其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。每次電動機(jī)啟動后開始顯示,停止時數(shù)碼管顯示出“0000”。1、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與分析電動機(jī)PWM驅(qū)區(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見下圖。本電路采用的是基于PWh原理的H型橋式驅(qū)動電路。中機(jī)驅(qū)動PWM電路由復(fù)合體管組成H型橋式電路構(gòu)成,四部分晶體管以對角組合 分為兩組:根據(jù)兩個輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向
8、電壓的保護(hù)作用,防止電動機(jī)兩端的電 流和晶體管上的電流過大的保護(hù)作用。在實驗中的控制系統(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,加到電動機(jī) 兩端的電壓就只有4V左右,嚴(yán)重減弱了電動機(jī)的驅(qū)動力。基于上述考慮, 我們運(yùn)用了 TLP521-2光耦集成塊,將控制部分與電動機(jī)的驅(qū)動部分隔離開 來。輸入端各通過一個三極管增大光耦的驅(qū)動電流;電動機(jī)驅(qū)動部分通過 外接12V電源驅(qū)動。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度,也使驅(qū)動 電流得到了大大的增強(qiáng)。在電動機(jī)驅(qū)動信號方面,我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控 制。脈沖頻率對電動機(jī)轉(zhuǎn)速有影響,脈
9、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)實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn),但加負(fù)載后, 速度下降明顯,低速時甚至?xí)^D(zhuǎn);脈沖頻率在10Hz以下,電動機(jī)轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào) 節(jié)。通過P10輸入高電平信號,P11輸入低電平,電機(jī)正轉(zhuǎn);通過 P10輸入 低電平信號,P11輸入高電平,電機(jī)反轉(zhuǎn);P10 P11同時為高電平或低電 平時,電機(jī)不轉(zhuǎn)。通過對信號占空比的調(diào)整來對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)編程部分工作采用 KELI-C51語言完成,采用模塊化的設(shè)計方 法,與各子程序做為實現(xiàn)各部分功能和過程的入口,完成鍵盤輸入、按鍵 識別和
10、功能、PWN脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設(shè)計。單片機(jī)資源分配如下表:P0顯示模塊接口鍵盤中斷P1P鍵盤模塊接口P1.0/P1.1PWM電機(jī)驅(qū)動接口系統(tǒng)時鐘 PWM脈寬控制:本設(shè)計中采用軟件延時方式對脈沖寬度進(jìn)行控制,延時程 序函數(shù)如下:延時函*/*delays(>i>0。i-> 。uchar i 。 for(i=5000采用中斷方式,按下鍵,完成延時去抖動、鍵碼識 鍵盤中斷處理子程序: 別、按鍵功能執(zhí)行。要實現(xiàn)按住加/減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止,就需在判斷是否 松開該按鍵時,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
11、位,分別存放各 個數(shù)碼管要顯示的值。 定時中斷處理程序:采用定時方式 1因為單片機(jī)使用12M晶振,可產(chǎn)生 最高約為65.5ms的延時。對定時器置初值 B1E0H可定時20ms即系統(tǒng)時鐘精 度可達(dá)0.02s。當(dāng)20ms定時時間到,定時器溢出則響應(yīng)該定時中斷處理程序, 完成對定時器的再次賦值,并對全局變量 time 加 1,這樣,通過變量 time 可 計算出系統(tǒng)的運(yùn)行時間。3、軟件設(shè)計中的特點 :對于電機(jī)的啟停,在 PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整,即開啟后由停止勻加速到默認(rèn) 速度,停止則因為當(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
12、率。第三章:系統(tǒng)硬件電路設(shè)計整體框圖如下:1 62 5+12VGNDvccVCC3 4P15P0 Pl P2 3 ? P5 P6 ”JI 口8Ci 6 00 9Xvcc卩4HXTAL1XTAL2§9TA24o 1J AJ 55- 4- <J XV 7 w w w w w w w MP35mYltsBTlF-rYRST畫A1IM0GP3D/M)皿業(yè)B咂P33M1P3.4/I0P3見 日晅VSS期A9EHnBNb mm測測艸咖涮i宅財初LED401LP52L2Q8Q5P1X)3!)10 llIIP10 1以麻肪(崩)5P20X:VCC10U斤酬10KRST 二第四章:系統(tǒng)功能調(diào)試仿
13、真整體圖如下 4J1 C1"噸 aom- W' R3 1 ° *1 d |n1 lL-,二 a :-n FD W£t IXtSrH FEL3fK3 EL«7J0MnF-3"1I P3 tfftlE FXAAll £S. 壯血*直流電機(jī)的調(diào)試功能仿真如下圖:1、正轉(zhuǎn)時,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:UDfJhJX IRILi'WJI 祖3MB芒RMfiSJW"碎Z帕34Wrt» 岡mu naAn 冃3口 P-2J&A 口 F2AA-I4tnatxcrP1VTM
14、D fUHTE 3航rO-BTIriflwS-*3rrljFT' r-iusi - .l fc>a .r+£JB3<-.UZC"TE'TT"2、反轉(zhuǎn)時,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:程序見附件1見附件 2第六章:元件清單見附件 3第七章:心得體會附件 1/* 基于單片機(jī)AT89C51的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)*/#include<reg51.h>#include<absacc.h>#include <intrins.h>*/*自定義變量 */#define ui
15、nt unsigned int / 自定義變量 #define uchar unsigned char char gw,sw,bw,qw 。uchar j 。 / 定時次數(shù),每次 20msuchar f=5 。 / 計數(shù)的次數(shù)sbitP10=P1A0。/pWM 輸出波形 1sbitpi仁 P1A1。/pWM 輸出波形 2sbitP12=P1A2。/正反轉(zhuǎn)sbitp13=p1A3。/加速sbitp14=p1A4。/減速sbitp15=p1A5。/停止sbitp16=p1A6。/啟動uchar k 。uchar t 。 / 脈沖加減*控制位定義 *uchar code smg12=0x3f,0x0
16、6,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71。 / 程序存儲區(qū)定義字型碼表char data led4=0x08,0x04,0x02,0x01 。 / 位碼uint x 。/數(shù)碼管顯示的數(shù)值display(> 。/數(shù)碼管顯示delays(> 。/延時函數(shù)key(> 。displays(> 。*/*主函數(shù) */main (void>TMOD=Ox5。TH0=0xb1。TL0=0xe0。TH1=0x00。/TL1=0x00。/T0 方式 1 定時計數(shù) T1 方式 1 計數(shù) 裝入初值 20MS計數(shù) 567TR0=
17、1。/ 啟動 t0TR1=1。/ 啟動 t1gw=sw=bw=qw=O / 數(shù)碼管初始化 P0=0xc0。P2=1。while(1> /無限循環(huán)display(> 。 / 數(shù)碼管顯示 key(> 。*/*display(>uchar i 。數(shù)碼管顯示 *gw=x%10。/ 求速度個位值,送到個位顯示緩沖區(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 。 i<4 。 >P2=ledi 。if(i=
18、0> / 顯示個位P0=smggw。delays(> 。else if(i=1>/顯示十位P0=smgsw。delays(> 。else if(i=2> / 顯示百位P0=smgbw 。delays(> 。else if(i=3> / 顯示千位if(k=0> / 正轉(zhuǎn)時顯示 " 三 " P0=0x49 。delays(> 。elseP0=0x71 。 / 反轉(zhuǎn)時顯示 "F"i+ 。/*/*延時函數(shù) *delays(>uchar i 。for(i=5000 。 i>0 。 i-> 。*
19、t0定時 * 中斷函數(shù) */void t0(> interrupt 1 using 2TH0=0xb1。 / 重裝 t0TL0=0xe0。f- 。if(k=0>if(f<t>P10=1 。elseP10=0 。P11=0 。elseif(f<t>P11=1。 elseP11=0。P10=0。 if(f=0> f=5 。 j+ 。 if(j=50> j=0 。 x=TH1*256+TL1。/t1 方式 1 計數(shù),讀入計數(shù)值TH1=0x00。 TL1=0x00。 x+。 display(> 。 /* key(> if(P12=0> while(!P12> display(> k=k 。 if(P16=0>按鍵掃描 */如果按下,去抖動啟
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