机电系统课程作业.docx

1、机电系统课程作业成绩2015-2016学年第一学期机电一体化技术期末大作业题目: 单片机直流电机调速系统设计院 系： 机电工程学院专 业： 机械设计制造及其自动化 授课教师： 凌轩 姓 名： 林进劲 班 级： 机械122班学 号： 201210824216 完成时间： 2016-01-02单片机直流电机调速系统设计姓名：林进劲摘要：当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器

2、人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。关键词： 直流电机 单片机 PWM信号1、引言在现代电气产品中，在自动控制系统、电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用，像录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机，所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异

3、的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、

4、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。2、系统组成总体结构系统以PIC单片机为控制核心，通过键盘设置各段运行参数，也可通过电脑设置下载到单片机。单片机输出二进制控制量，经D/A转换电路将对应模拟电压送到直流伺服放大器的设定值输入端。放大器根据输入的模拟电压而输出对应的电压来控制直流电机的转速。直流电机同轴的光电编码器E输出A、B两路方波信号送到整形电路，通过整形电路送到单片机用于测量转速。不断比较设定值和实际值，根据比较获得的误差调节放大器的输

5、出电压。显示部分显示各段设定的时间值、转速值和测量的转速值;单片机主要完成参数设置、转速测量、参数显示和控制输出等功能。3、硬件电路设计1. 89C51单片机的选择89C51单片机的基本组成1.1 中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。80C51的CPU能处理8位二进制数或代码。3.1 内部数据存储器（内部RAM）89C51芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。3.2 内部程序存储器（内部ROM）89C51共有4

6、KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部ROM。3.3 定时/计数器共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。3.4 时钟电路89C51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6MHz和12MHz。2. PWM控制技术PWM是PulseWidthModulation的缩写,即脉冲宽度调制,是通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。调速可分为直流调速和交流调速。尽管直流电机比交流电机结构复杂、成本较高、维修保养贵

7、，但是其调速性能好，所以在调速传动领域中一直占主导地位。3. 驱动电路该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。3.1 芯片IR2110性能及特点IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速

8、度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。降低了产品成本和减少体积。3.2 IR2110的引脚图以及功能IR2110将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，是目前功率放大驱动电路中使用最多的驱动芯片。

9、其结构也比较简单，芯片引脚图如下所示：4. 键盘电路根据设计要求，结合具体对象，本设计中键盘设置4个功能键，K1为自动/手动模式选择功能键。手动模式下，K2为转速增加键，K3为转速减小键，自动模式下，转速给定由电位器给出，并经过A/D转换器把转速给定值送到单片机。K4为实现转速正反转的功能键。4个功能键分别连接到P1.4-P1.7。当有功能键按下时，其组合逻辑产生一个中断信号，由中断服务程序来检测该按键。这种方法结构简单，对于少数量的键盘来说比较适合。5. 电源电路控制系统需要一个稳定的工作电压才能可靠工作，本系统的放大器要正负12V；单片机、数码管驱动、显示电源需要5V；考虑到系统的情况，采

10、用了直接从市场上购买的开关电源来满足要求6. 滤波电路经整流后的单向直流或单向脉动直流电，都是由强度不变的直流成分和一个以上的交流成分叠加形成的。为了使脉动直流电变得较为平稳，把其中的交流成分滤掉，叫做滤波。滤波有电容滤波、电感滤波等。本系统中对直流电采用电容滤波的方式，使得直流电压变得更加平稳，调速更加精确。电路图如图2-15所示：图2-16 滤波电路4、系统软件设计1. 主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等功能。2. 初始化子程序完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。5、系统调试1. 系统仿真仿真软件选择

11、Proteus ，在Proteus中画出系统电路图，当程序在Keil C中调试通过后，会生成以hex为扩展名的文件，这就是使系统能够在Proteus中成功进行仿真的文件。将些文件加载到单片机仿真系统中，验证是否能完成对直流电机的速度调节。若不成功，则重新回到软件调试步骤，进行软件调试。找出错误所在，更正后重新运行系统。硬件仿真电路的设计完全按照论文设计方案进行。在仿真的过程中也遇到了很多问题，比如元件选择、电路设计等，在元件选择方面，有的芯片是我以前学习的时候所没有遇到过的，所以在寻找和使用的过程中也遇到很多麻烦，但经过自己的努力，并借鉴从互联网上找到的资料，我逐渐掌握这些元件的使用方法和原理

12、，为系统设计和仿真提供了良出的基础。另外，在进行仿真的时候，也经常出现程序没有错误了，但是仿真通不过的情况，这些大部分原因是在管脚定义上，很多系统仿真的问题都出在这。经过这段时间的努力，使我对仿真软件以及系统设计电路有了更深一步的认识，也为系统的成功奠定了基础。2. 测试结果与分析经实际做好电路板检测设计方案及原理，电机能实现正反转控制，10级以上的PWM调速。单片机产生的PWM信号和正反转信号控制电机驱动芯片，即控制电机的转向及速度大小。用光电传感器来测电机运转速度，准确快速地将电机速度信号传送到了单片机。电机转速信号经单片机处理，在液晶上显示，电机的运转状态及速度就直观大方在液晶屏幕上显示

13、出来。测试结果验证了自己的设计方案。6、总结经过2个星期的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有要有扎实的理论基础，还要有坚持不懈的精神。本产品实现了对直流电机的调速和测速，个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：对电机的控制采用的是独立按键，而非矩阵键盘；电机的驱动电路的设计也不是很成熟。致此本人设计基本完成了预期的目标，但是由于时间仓促、条件有限，设计成果可能并不是很完美，但我会在之后进一步完善的。总而言之，这次的课设让我收获颇丰，除了理论知识的充实外，也提高了自己应用软件，查找资料的能力，是对自身综合素质的一个提高。7、参考文献1张友德等，单片机原理应用与实验M，复旦大学出版社1992.2张毅刚，彭喜源，谭晓钧，曲春波.MCS51单片机应用设计M.哈尔滨工业大学出版社2001.1.3宋庆环，才卫国，高志，89C51单片机在直流电动机调速系统中的应用M。唐山学院，2008.44陈锟，危立辉，基于单片机的直流电机调速器控制电路J，中南民族大学学报(自然科学版)，2003.9.5李维军，韩小刚，李 晋，基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统J，维普资讯，2007.96曹巧媛.单片机原理及应用M.北京，电子工业出版社，1997.7薛钧义，张彦斌编著. MCS51/96系列单片微型计算M.西安交通大学出版社，1997.8