大功率直流电机调速系统设计副本 2.docx

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大功率直流电机调速系统设计副本2

课程设计（论文）

题目：

大功率直流电机调速系统设计

专业：

机械工程及自动化

班级：

学生：

指导老师：

时间：

2011/12/19~2012/1/5

摘要

在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。

近年来，尽管交流调速系统发展很快，但是直流电机凭借其良好的启动、制动性能，在金属切削机床、轧钢机、海洋钻机、挖掘机、造纸机、矿井卷扬机、电镀、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中仍得到了广泛的应用。

本设计是关于大功率直流电机转速调节系统的设计，采用PID算法控制电机的转速。

通过键盘输入期望的转速，主单片机将设定值输入给从单片机，从单片机经PID等运算得出相应的PWM信号。

PWM信号通过电机驱动电路使得电机电枢电压发生变化，从而转速发生变化。

在电机运行阶段，经传感器测量出转速输入到主单片机，主单片机输入相应的值到从单片机，从单片机再输出相应得PWM信号来恒定电机的转速。

关键词：

大功率直流电机，PID控制，PWM，单片机

目录

1概述1

1.1直流电动机控制的发展历史1

1.2直流电机的运行原理1

1.2.1直流电机的结构1

1.2.2直流电机的基本工作原理2

2总体方案设计3

2.1硬件方案设计3

2.2系统原理框图设计3

3系统单元电路的设计5

3.1速度测量电路的设计5

3.2电机驱动电路的设计5

3.3LCD显示电路和键盘与单片机的接口设计6

3.4两单片机的互连7

4系统软件设计8

4.1系统总程序框图设计8

4.2电机转速测量程序设计10

4.3WM信号的单片机程序实现12

参考文献13

致谢14

1概述

1.1直流电动机控制的发展历史

常用的控制直流电动机有以下几种:

第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。

这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。

但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。

第二，三十年代末，出现了发电机-电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。

第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。

特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。

第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。

1.2直流电机的运行原理

1.2.1直流电机的结构

图1-1直流电机的物理模型图

上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。

定子与转子之间有一气隙。

在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。

换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。

换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。

在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

1.2.2直流电机的基本工作原理

图1-2直流电机的基本工作原理图

对图1-1所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。

如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。

 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。

这就是直流电动机的工作原理。

外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

2总体方案设计

2.1硬件方案选择

要控制直流电机转速，硬件电路要求比较高，它决定直流电机调速的精度。

采用PID控制器，因此需要设计一个闭环直流电机控制系统。

该系统采用脉宽调速，使电机速度等于设定值，并且实时显示电极的转速值。

微处理器采用两片单片机（AT89S52）,其中一片做成PID控制器，专门进行PID运算和PWM控制信号输出；另一片则系统主芯片，完成电机速度的键盘设定、测量、显示，并向PID控制器提供设定值和测量值，设定PID控制器的控制速度等。

测速传感器采用光电编码器输出数字信号，容易实现高分辨率、高精度的检测，在现代电机检测技术中得到了广泛的应用。

键盘显示使用4个按键，进行逐位设置。

显示部分是使用支持中文显示的LCD，优点是美观大方，有利于人与系统的交互，及显示内容的扩展；缺点是成本高，抗干扰能力较差。

电机驱动采用目前市场上较容易买到的L298N直流或步进电机驱动芯片，它采用单片集成塑装，是一个高电压、大电流全双桥驱动器，由标准的TTL电平控制。

单片机的输出经放大驱动电路就可以直接控制电机的电枢电压，以此来控制电机的转速。

2.2系统原理框图设计

系统原理框图如图2-1一个带键盘输入和显示的闭环测量控制系统。

主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算输出控制信息。

图2-1系统原理框图

3系统单元电路的设计

3.1速度测量电路的设计

光电编码器的正交编码脉冲输入到AT89S52的P1.0、P1.1脚，通常选择通用定时器T2对输入的正交脉冲进行解码和计数。

要使QEP电路正常工作，必须使T2工作在定向增/减模式，在此模式下，QEP电路不仅为定时器T2提供计数脉冲，而且还决定了它的计数方向电路对输入的正交编码脉冲的上升沿和下降沿都进行计数，因此对输入的正交编码脉冲进行4倍频后作为T2的计数脉冲，并通过QEP电路的方向检测逻辑确定哪个脉冲序列相位超前，然后产生一个方向信号作为T2的方向输入，当电机正转时，T2增计数，当电机反转时，T2减计数。

3.2电机驱动电路的设计

本设计采用L298N直流或步进电机驱动芯片，它采用单片集成塑装，是一个高电压、大电流全双桥驱动器，由标准的TTL电平控制。

接法见图3-1中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。

PWM控制信号由in1、in2输入。

如果in1为高电平，in2为低电平时电机为正向转速，反之in1为低电平，in2为高电平时，电机为反向转速。

本设计将in2直接接地，即采用单向制动的方式。

图3-1机驱动电路

3.3LCD显示电路和键盘与单片机的接口设计

设计中采用的LCD——RT12232F是一种内置8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×32全点阵液晶显示器组成。

可完成图形显示，也可以显示7.5×2个（16×16点阵）汉字，与外部CPU接口采用并行或串行方式控制。

本设计采用并行方式控制，LCD与单片机的通讯接口电路如图3-2示采用直连的方法，这样设计的优点是在不影响性能的条件下还不用添加其它硬件，简化了电路，降低了成本。

图3-2ldc显示电路与单片机的接口

本设计采用四个键作为键盘，分别为选择、加、减、确定。

它们分别与P0.4、P0.5、P0.6、P0.7接口相连。

作为设置速度的输入。

图3-3键盘电路

3.4两单片机的互连

本设计采用两片单片机（AT89S52）,其中一片做成PID控制器，专门进行PID运算和PWM控制信号输出；另一片则系统主芯片，完成电机速度的键盘设定、测量、显示，并向PID控制器提供设定值和测量值，设定PID控制器的控制速度等。

它们的接线图如图3-7。

图3-4两单片机互联图

本设计使用异步串口通信，直接把两个单片机的TXD和RXD两个引脚交叉相连接，两者都以中断接收串口数据。

省I/O口省代码。

也就是A的TXD（P3.1）和B的RXD（P3.0）连接，A的RXD和B的TXD连接。

4系统软件设计

4.1系统总程序框图设计

系统程序程序框图如图4-1和4-2所示。

图4-1系统主单片机总程序框图

图4-2系统从单片机（PID控制器）程序框图

当系统被启动后，主从单片机初始化。

主单片机检测是否有键按下，再执行键子程序，将输入的值传送到PID控制器，PID控制器经PID计算处理，再计算出PWM的定时值，PID再送出相应的PWM信号，驱动电机转动，主单片机将传感器输入的信号进行计算，再将得出的值输出到PID控制器，PID控制器经计算输出相应的PWM信号控制电机转速趋于设定的转速。

依次循环使电机趋于稳定值。

4.2电机转速测量程序设计

设计中考虑到电机的工作环境一般比较恶劣，因此除了硬件外，从程序上除了要更高的精确度也需要进行更多的抗干扰设计，从而实现软件的大范围检错、纠错或丢弃错误等。

在程序的设计过程中，对严重不符合要求的测量数据（如大于6000转对应的数据）进行了丢弃处理，而对于正常范围内的数据错误采用了采5取3求平均的算法（即采集5个数据，去掉一个最大值一个最小值，然后将剩余3数据求平均）。

实验表明，此方法降低了系统采集转速中出现的错误。

对于转速的测量方法，是通过速度脉冲信号下降沿触发单片机的外中断，中断服务子程序在某一个脉冲的下降沿开启定时器记时，然后在下一个下降沿关闭定时器，通过对定时器数据进行运算处理可以得到信号周期进而得到速度值。

其程序框图如图4-3。

可以看出，此方法下的采样周期是随转速变化的，转速越高采样越快。

通过这种非均匀的速度采样方式可以使电机在高速情况下，实现高速度高精度的控制。

图4-3外中断程序框图

4.3PWM信号的单片机程序实现

理论上，只要PWM脉冲的周期正比于PID控制算法的输出结果结果。

具体实现过程中，取u（k）的整数部分（记为：

UT）保存，然后用PWM信号的周期值减去UT所得值即为定时器1的初值（记为：

INIT）。

其程序框图见图4-4

图4-4产生PWM控制信号程序框图

参考文献

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电子工业出版社，2008

[2]赖寿宏.微型计算机控制技术[M].北京：

机械工业出版社.2003

[3]王毓银.数字电路逻辑设计[M].北京：

高等教育出版社，1999

[4]索雪松.传感器与信号处理电路[M].北京：

中国水利水电出版社，2008

[5]李华.单片机实用接口技术[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2002

[6]陆子明.单片机设计与应用基础教程[M].北京:

北京国防工业出版社,2005

[7]孙炳达.自动控制原理[M].北京:

机械工业出版社，2008

[8]沙占友,晓君.数字化测量[M].北京：

机械工业出版社，2009

[9]李广弟.单片机基础[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2001

[10]夏得砛,贻方.自动控制理论[M].北京：

机械工业出版社2007

[11]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：

机械工业出版社2003

[12]浦昭邦.光电测试技术[M]机械工艺出版社2004

[13]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京:

机械工业出版社2007

致谢

本设计是关于直流电机转速调节的设计，采用PID算法控制电机的转速。

通过键盘输入期望的转速，主单片机将设定值输入给从单片机，从单片机经PID等运算得出相应的PWM信号。

PWM信号通过电机驱动电路使得电机电枢电压发生变化，从而转速发生变化。

在电机运行阶段，经传感器测量出转速输入到主单片机，主单片机输入相应的值到从单片机，从单片机再输出相应得PWM信号来恒定电机的转速。

在课程设计论文完成之际，我要衷心地感谢多日来给予我极大帮助、关心和支持的所有老师、亲人和朋友们!

正是因为有了他们的提点和支持，我才能顺利

完成课程设计阶段的学习。