电气093班30号.docx
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电气093班30号
江西理工大学应用科学学院
电力拖动综合课程设计
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气093班
学号：
08060109339
姓名：
赵子巍
设计题目：
直接转矩控制牵引系统
设计报告格式25分
设计内容45分
答辩
考勤
总计得分
封面
3
页面布局
5
目录格式
3
图表质量
4
间行距、字体
5
页眉页脚
5
设计题目分析
5
系统控制方案
8
设备计算、选型
7
电气原理图
调节器参数整定或程序设计
10
10
20
主电路
5
控制电路
5
总图
5
2012年11月
第一章设计任务分析
1.1课题的内容与要
设计一个电动仿真枪的电力驱动系统，发射弹簧工作长度3cm，起点弹簧压力1N，弹簧倔强系数为3N/cm，弹簧活塞在出口装填弹丸时释放时间为20mS，如要求仿真枪射速30发/分钟--300发/分钟无级可调并可显示，试设计相应拖动控制系统。
系统供电为3.7V锂电池（可层叠），装填机构自动且速度足够快。
1.2设计的总体思路图
图1.1总体思路图
1.3系统概述与设计分析
本课设中我们假设系统满足以下条件：
（1）设最后一个齿轮与无齿的长度之比都为1：
1，发射弹簧工作长度3cm，弹簧活塞在出口装填弹丸时释放时间为20ms。
（2）起点弹簧压力1N，弹簧倔强系数为3N/cm,仿真枪射速30发/分钟--300发/分钟。
（3）转速反馈系统的设计我们利用光电编码盘的形式进行设计，显示系统采用单片机控制数码显像管的方式进行显示。
（4）依据仿真枪射速30发/分钟--300发/分钟，我们采用PWM方式，用软件代替硬件的方式进行调速。
（5）系统运行的过程为：
电机转动带动齿轮压缩弹簧，当齿轮转到无齿部分时弹簧释放，把子弹射出去，电机继续转到运行，重新压缩弹簧，完成循环过程，如下图所示。
图1.2系统运行结构简图
第2章电力拖动系统的性能指标分析
电力拖动系统的工艺设备总是对电力拖动系统提出一定的性能技术要求，包括技术性能指标、可靠性指标、经济性指标等方面的指标。
2.1静态性能指标
静态指标代表调速系统在稳定运行中的各种性能，主要调速范围和静差率。
1.调速范围：
生产机械要求电动机提供的最高转速的最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即D=
。
2.静差率：
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落
，与理想空载转速
之比，称作静差率s,即S=
调速范围和静差率不是彼此孤独的，必须同时提高才有意义，调速系统的静差率指标应以最低速时能达所能达到的数值为准。
2.2动态性能指标
延迟时间
指响应曲线第一次达到其终值一半所需的时间。
上升时间
指响应从终值10上升到终值90所需的时间；上升时间是系统响应速度的一种度量。
上升时间越短，响应速度越快。
峰值时间
指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间。
调节时间
指响应达到并保持在终值±5内所需的最短时间。
超调量
指响应的最大偏移量h（
）与终值h（∞）的差与终值h（∞）比的百分数，即：
上述五个动态性能指标，基本上可以体现系统动态过程的特征。
在实际应用中，常用的动态性能指标多为上升时间、调节时间和超调量。
通常，用
或
评价系统的响应速度；用
评价系统的阻尼程度；而
是同时反映响应速度和阻尼程度的综合性指标。
以上这些动、稳态指标为设计电力拖动系统的结构方案、控制方案、调节器形式以及调节器参数校正提供了依据，为系统的调试、评价提供了标准。
第三章电机选型计算
3.1电机选择
设计电力拖动系统首先要为生产机械的电力拖动系统选用电动机，主要内容包括确定电动机的种类、电动机的型号、电动机的电气参数等。
选择电动机的基本原则如下：
（1）电动机额定功率的选择：
正确合理地选择电动机的功率最为重要，因为电动机功率选得过小，正常工作时电动机将过载运行，温度超过允许值，会缩短电动机的使用寿命甚至烧坏电动机；如果选得过大，虽然正常运行，但由于电动机不在满载下运行，其用电效率和功率因数较低，设备投资大，运行费用高，很不经济。
（2）电动机额定电压的选择：
电动机额定电压要与工作环境供电电网电压等级相符。
否则：
若选择电动机的额定电压低于供电电源电压时，电动机将由于电流过大而被烧毁；若选择的额定电压高于供电电源电压时，电动机会因电压过不能启动，或虽然启动但因电流过大而减小其使用寿命甚至被烧毁。
（3）电动机额定转速的选择：
额定功率相同的电动机，转速高的电动机的尺寸小，所用材料少，因而体积小，质量轻，价格低，所以选用高额定转速的电动机比较经济，但若生产机械的工作速较低时，电动机转速较高，传动机构的传动比较大，机构就复杂。
因此选择电动机的额定转速时，必须全面考虑,在电动机性能满足生产机械要求的前提下，力求电能损耗少，设备投资小，维护设备少。
（4）电动机种类的选择：
选择电动机的种类时，在考虑电动机的性能满足生产机械的要求下优先选用结构简单、价格便宜、运行可靠、维修方便的电动机。
一般情况下，交流电动机优先直流电动机，笼型电动机优先绕线转子电动机。
（5）电动机形式的选择：
按工作方式可分为连续工作制、短期工作制和周期断续工作制三种，原则上，电动机与生产机械的工作方式一致，也可选用连续工作制的电动机来代替。
3.2设计计算
依据三个齿轮有齿与无齿的长度之比为1:
1，发射弹簧工作长度3cm，弹簧活塞在出口装填弹丸时释放时间为20ms。
可知电机转动时压缩弹簧到最右端的时间也为20ms。
电机转动压缩弹簧到弹簧释放的运行图如下图所示：
图2系统运行过程图
由上图可知：
电机的转矩为图形的面积：
T90.04/20.18NM电机的功率为：
P=300/60*0.06*10=3W，因此我们选定的电机型号为：
75ZW-3A额定电压为24V，额定电流为0.8A转速为500r/min。
第4章控制系统主体设计
4.1系统设计流程图
定时器中断0流程图：
图4.1定时器中断0流程图
主体设计中的光电编码盘所测量到的脉冲信号或者数字信号传输到单片机中，然后在单片机中用一个计数器计数，并且设置相应的算法可以算出电动机当时的转速，所测的转速一方面可以用作显示，另一方面用作于整定值作比较，如果与整定值有偏差就需要进行PWM调速，而PWM调速的过程要用到一个定时器中断T0下面给出了简单的PWM调速程序：
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitPWM=P1^0;
sbitm1=P2^0;
sbitm2=P2^1;
sbitint1=P3^3;//定义管脚功能
sbitcs=P3^2;//使能端
sbitwr=P3^6;//写端口
sbitrd=P3^7;//读端口
unsignedcharcodeseg7code[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,
0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//显示段码
ucharhigh_time,count;//定义两个全局变量
voiddelay（uintt）
{
uchari;
while（t--）
{
for（i=0;i<125;i++）;
}
}
unsignedcharadc0804（void）//读AD0804子程序
{
unsignedcharaddata,i;
rd=1;
wr=1;
int1=1;//读ADC0804前准备
P1=0xff;//P1全部置一准备
cs=0;
wr=0;
wr=1;//启动ADC0804开始测电压
while（int1==1）;//查询等待A/D转换完毕产生的INT（低电平有效）信号rd=0;//开始读转换后数据
i=i;i='i';//无意义语句，用于延时等待ADC0804读数完毕
addata=P1;//读出的数据赋与addate
rd=1;cs=1;//读数完毕
return（addata）;//返回最后读出的数据
}
unsignedintdatpro（void）//ADC0804读出的数据处理
{
unsignedcharx;
unsignedintdianyah,dianyal;//用于存储读出数据的高字节和低字节
unsignedintdianya=0;//存储最后处理完的结果注意数据类型
for（x=0;x<10;x++）//将10次测得的结果存储在dianya中
{
dianya=adc0804（）+dianya;
}
dianya=dianya/10;//求平均值
dianyah=dianya&0xf0;//屏蔽低四位
dianyah=dianyah>>4;//右移四位取出高四位
dianyal=dianya&0x0f;//屏蔽高四位取出低四位
dianya=dianyal*20+dianyah*320;//最后的结果是一个四位数，便于显示
return（dianya）;//返回最后处理结果
}
voidLed（）
{
unsignedintdate;
date=datpro（）;//调用数据处理最后结果
P2=P2&0xef;
P0=seg7code[date/1000]|0x80;//输出个位数和小数点
delay（8）;
P2=P2|0xf0;P2=P2&0xdf;
P0=seg7code[date%1000/100];//输出小数点后第一位
delay（8）;
P2=P2|0xf0;P2=P2&0xbf;
P0=seg7code[date%100/10];//输出小数点后第二位
delay（8）;
P2=P2|0xf0;P2=P2&0x7f;
P0=seg7code[date%10];//输出小数点后第三位
delay（8）;
P2=P2|0xf0;
}
voidmain（void）
{
TMOD=0x01;
TH0=0xff;
TL0=0xdb;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
high_time=50;
while
（1）
{
if（m1==0）
{
delay（10）;//延时10ms，
if（m1==0）;
{
high_time+=1;//占空比增加
if（high_time>100）
high_time=100;
}
}
if（m2==0）
{
delay（10）;//延时10ms。
if（m2==0）
{
if（high_time>0）//占空比减小
high_time-=1;
if（high_time<0）
high_time=0;
}
}
Led（）;
}
}
外部中断0的流程图：
图4.2外部中断0的流程图
扳机白扳动后产生一个模拟信号，该信号通过A/D转换后产生一个数字信号，该数字信号以中断的方式传给单片机，用的是外部中断0.该中断的优先级别是所有中断中最高的，因此就可以提高电动仿真枪的灵敏度。
定时中断1流程图：
图4.3定时中断1流程图
显示程序是通过一个定时器中断来完成的，用的是定时器T1。
系统的工作过程为：
扣动扳机时，电动机转动，光电编码盘计数，扳机所带动的滑动电阻器产生的模拟量经A/D转换生成的数字量送入单片机，然后由单片机设计程序比较扳机输入的数字量的大小，找到对应大小的转速值，由此产生一个转速给定值（给定值选入说明：
如果输入的是电压信号，最低的电压是0伏，最高电压是10伏，我们可以再单片机程序中用1到10的电压等级来与30发每分时的转速到300发每分时的转速对应起来，我们可以建立一个公式：
如果输入此刻电压的大小是5伏，那么应该得到的转速给点值（5-1）/（10-1）*（300-30）+30=150发每分，所以给定的转速值就应该是150发每分时所对应的电机转速），然后单片机通过光电编码盘得到电机此时此刻的转速大小，由单片机比较两者的大小，判断两者之间是否存在偏差，若存在偏差，则利用PWM进行调速控制，使两者转速相等，发射子弹，若不存在偏差则直接发射子弹，完成循环过程。
整个过程中光电编码盘测得的电动机转速量都能够通过单片机做数码显示，从而可以通过计算得到对应子弹的发射速度。
4.2系统设计的电路原理图
图4.5系统设计的电路原理图
4.3转速环节
系统的工作原理与静特性：
系统的转速调解是按给定量和反馈量的偏差进行调节。
其偏差大小
，我们的在此通过把输入电压信号和反馈电压信号通过A/D转换成数字信号，通过两者之间的比较后用该信号控制触发器的脉冲移相角，调节占空比和电动机的转速变化，只要系统的被调量转速n产生偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用，也祈祷了稳速的作用。
通过定性的分析我们知道，开环系统中，当负载增大时，电枢压降也增大了，通过比较和放大，转速只能老老实实的降下来，闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了，通过比较和放大，提高晶闸管整流输出的电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升，这就是专属闭环系统的基本机理。
第五章体会心得
我们认为，在这学期的实验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
电动防真枪课程设计虽然结束了，也留下了很多遗憾，因为由于时间的紧缺和许多课业的繁忙，并没有做到最好，但是，最起码我们没有放弃，它是我们的骄傲！
相信以后我们会以更加积极地态度对待我们的学习、对待我们的生活。
我们的激情永远不会结束，相反，我们会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。
参考文献
[1]李明辉、卢帆兴、钟国梁，电力拖动综合课程设计指导书。
江西理工大学应用科学学院，2012[2]陈伯时，电力拖动自动控制系统，第三版.北京：
机械工业出版社，2003
[3]孙亮自动控制原理,北京工业大学出版社，2001
[4]胡寿松自动控制原理,北京工业大学出版社，2001
[5]陈伯时,陈敏逊交流调速系统,北京机械工业出版社，2006
[6]林瑞光电机与拖动基础,浙江大学出版社，2002
[7]朱仁初,万伯任电力拖动控制系统设计手册,北京机械工业出版社，1994
[8]机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动控制系统。
北京机械工业出版社，1982
[9]机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册，第二版，基础卷
（二），北京机械出版社，1996
[10]王兆安，黄俊.电力电子技术，第四版.北京：
机械工业出版社，2003
[11]郭东栋单片机控制的直流调速系统可编程控制器与工厂自动化，2007
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