毕业设计论文数字式直流调速控制系统设计 精品.docx

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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：

zhang

职称：

教授

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