基于单片机的磨片机直流调速系统.docx

1、基于单片机的磨片机直流调速系统基于单片机的磨片机直流调速系统摘要本系统以AT89C51单片机为控制核心，基于直流电动机调速，通过键盘输入控制直流电的启停和转速以及定时时间的设定。电机转速与定时时间设定由数码显示管来显示。整个系统采用包含直流调速系统的设计和基于51单片机的控制器设计两大部分，从而实现对直流电动机的转速调节。关键词：单片机 直流调速系统目录第一章 绪论 11.1 直流调速系统简介 11.2.直流调速系统原理 1第二章直流调速系统主电路设计 22.1直流调压调速主电路结构 22.2双闭环调速系统的组成和设计 22.3双闭环直流调速系统的数学模型 42.4调节器的具体设计 42.5速

2、度环的设计 7第三章 基于51系列单片机的控制器 93.1基于51系列单片机的控制器设计 103.2同步信号电路设计 113.3人机接口设计 123.3.1人机接口的电路设计 133.4输入信号及驱动电路设计 13第四章 软件设计 144.1主流程设计 144.2INTO中断服务程序 154.3定时器0中断子程序（触发脉冲输出） 164.4触发角的修改 16第五章 系统集成与结论 175.1操作说明 175.2结论 18第一章 绪论1.1 直流调速系统简介最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点

3、是效率低、机械特性软、不能在较宽围内平滑调速，所以目前极少采用。30年代末，出现了发电机一电动机(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。但发电机一电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大、费用高、效率低、安装需有地基、运行有噪声、维修困难等。 1.2.直流调速系统原理直流电

4、动机具有良好的起、制动性能，易于在大范围平滑调速，在金属切削机床、轧钢机、矿井卷扬机、海洋钻机、高层电梯等需要高性能电力拖动中得到了广泛应用。 直流电机的转速表达式: 式中，U 为直流电动机电枢两端的电压，I 通过电枢的电流，R 式电枢回路的电阻，为励磁磁通，K e是励磁常数。由上式可以看出，有三种调节电动机转速的方法：1调节电枢供电电压U。 2改变电动机主磁通 。 3改变电枢回路电阻 R。第二章直流调速系统主电路设计2.1直流调压调速主电路结构图2.1 主电路原理图三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电

5、路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。2.2双闭环调速系统的组成和设计双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求,这就需要一个电流截止负反馈系统。在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值, 并且保持不变, 在这个条件下, 转速得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为, 随着转速的上升,也上升, 达到稳转速时,

6、。这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维持 在电机允许的最大值, 并保持不变。这就要求一个电流调节馈系统启动电流波形器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图所示。这就是说把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环，这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。图2.2 双闭环调速系统的电流环结构图2.3双闭环直流调速

7、系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。2.4调节器的具体设计本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：1)晶闸管装置放大系数Ks=30;2)电枢回路总电阻R=0.18;3)时间常数：电磁时间常数T1=0.012s;4)机电时间常数Tm=0.12s;5)调节器输入电阻R0=20;设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流超调量不大于5%；空载起动到额定转速时的转速超调量不大于20

8、%。计算反馈关键参数： (2-1) (3-2) （1）确定时间常数整流装置滞后时间常数；Ts=0.0022s。电流滤波时间常数: Toi=0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。按小时间常数近似处理。(Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)（2）选择电流调节器结构根据设计要求：%5%，且转速环：%20%可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的.检查对电源电压的抗扰性能:（3）选择电流调节器的参数ACR超前时间常数；电流

9、环开环时间增益: (2-1) ACR的比例系数: (2-2) （4）校验近似条件电流环截止频率:=Ki=135.1S-11）晶闸管装置传递函数近似条件： (2-3) 即 (2-4)满足近似条件；2) 忽略反电动势对电流环影响的条件： (2-5) 即 (2-6) 满足近似条件；3) 小时间常数近似处理条件： (2-7) 即=(2-8) 电流环可以达到的动态指标为：，也满足设计要求。2.5速度环的设计选择转速调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典

10、型型系统选用设计PI调节器。3）选择调节器的参数 (3-13) 转速开环增益： (3-14) ASR的比例系数： (3-15) （4）近似校验转速截止频率为： (3-16) 电流环传递函数简化条件： (3-17)（5）检验转速超调量当h=5时，,不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调量:，满足设计要求。第三章 基于51系列单片机的控制器控制器采用51系列单片机为控制核心,通过键盘输入控制直流电机的启停和转速以及定时时间的设定,电机转速与定时时间设定通过一组数码管显示。驱动电路在同步信号的控制下发出晶闸管的移相触发脉冲,检测电路包括过零检测,电源逻辑状态检测等部分。AT89C51型号,键盘选

11、用通用可编程键盘,数码管采用LED数码管。1/0电路的设计包括同步信号获得电路、触发脉冲整形及驱动电路等。在确定磨片机转速控制的直流电机调速系统的组成后,要具体设计各单元模块。元件和芯片的选取原则为既要满足设计要求,又要考虑经济效益。各模块的核心器件确定后,要进行可行的电路设计。3.1基于51系列单片机的控制器设计直流调速系统的控制器设计如图3.1所示控制器由单片机、人机对话电路、同步信号获得电路、触发脉冲整形及驱动电路构成。 考虑到设计程序大小,及整个系统所用需要的单片机资源,拟选用51系列单片机。 人机对话部分根据设计要求,采用4x4键盘、8位数码管显示、显示接口控制芯片8279:拟采用典

12、型可编程键盘、8个LED数码管、显示接口控制芯片8279。其中显示接口控制芯片8279最多可接32位数码管、4xs键盘,完全满足设计要求。8279有编码和译码两种方式,由于译码方式只能实现4位扫描,外接显示管不能多于4位,不能满足设计要求,所以采用编码方式。采用编码方式需要配合适当的译码器完成译码功能。由于扫描位不大于8位所以采用3一8译码器即可以满足要求。拟采用74SL138实现译码功能。由于8279的UOTX端口的驱动能力不能满足数码管的段驱动要求,而74SL138的输出也不能满足数码管的位驱动要求,所以均需要加驱动电路。8279的扫描信号经138译码后,分两路分别送给数码管的位驱动电路和

13、键盘的行扫描电路。单片机输出为窄脉冲信号,电压、电流都很小,不能直接触发晶闸管,所以通过单稳态电路74LS123,把在窄脉冲信号变成定宽脉冲信号,再经驱动电路,来触发晶闸管。3.2同步信号电路设计3.2该电路的主要功能是将由同步变压器获得的与交流输入同步变化的低压交流信号,经LM339组成的过零比较器将正弦波变换成平顶方波,然后再经单稳触发器芯片74lLs123将方波有效的上升沿转换成下降沿,以满足单片机中断对过零点检测的要求。该模块电路由有LM339、74LS123,和74LSOZ组成。信号经LM339后,变成方波信号,但单片机INTI为边沿触发。因此,信号还要经过整形和脉冲方向变换。74L

14、S123是一种双可重触发的单稳态触发器。由于单片机中断源在每个机器周期被采样一次,所以输入的高电平或低电平至少必须保持12个振荡周期,以保证被采样,所以TW只要大于12振荡周期就可以,本设计选Cext=0.1uF、Rext=1K,则Tw=0.45*1K*O.1uF=0.045ms74LS123的连接如附录图3.3所示。此时,信号经74LS123整形以后变为一个上升沿的窄脉冲信号,再经过一个或非门电路(74LS02)将上升沿变为下降沿,就可以作为单片机INTI的触发信号。以上所述为同步信号检测电路的原理,软件在此基础上经过适当的延时,通过输出引脚发出晶闸管触发脉冲,形成了基于软件的晶闸管整流器调

15、压功能。3.3人机接口设计根据设计要求,需要8个LED,以及4X4键盘,其中有一个键作为系统的复位键,整个电路模块采用通用可编程键盘,显示接口芯片8279。段驱动采用74LS244,74LS138译码器和451组成位驱动。3.3.1人机接口的电路设计 基于8279的人机接口电路设计见附录图3.4，LED键盘和显示见附录3.5和3.6.3.4输入信号及驱动电路设计该模块电路主要有74LS123、两只NPN型的三极管、74LS02,以及触发变压器组成。电路设计如附录图3.7所示:P2.0输出信号送给74LS123,触发123送出定宽脉冲信号,此脉冲信号使三极管导通,脉冲变压器原边有电流流过,副边将产生脉冲电压触发晶闸管导通。触发变压器作为输出信号的驱动电路选择KCB一04IB,本触发变压器与晶闸管配套使用,通常接在晶闸管设备中控制触发单元与晶闸管控制极之间，一方面传递触发脉冲,另一方面对强弱电之间起到可靠的隔离作用。在变压器的二次端加二级管,使得正向导通,反相截至,同时使两组二