直流電機設計方案

陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 - 1 - 直流電機設計方案 第 1章 緒 論 當今，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展，而直流驅動控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產中起著主要作用。長期以來，直流電動機因其轉速調節(jié)比較靈活，方法簡單，易于大范圍平滑調速，控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統(tǒng)治地位。它廣泛應用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人等工廠自動化設備中。隨著現(xiàn)代化生產規(guī)模的不斷擴大，各個行業(yè)對直流電機的需求愈益增大，并對其性能提出了更高的要求。為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實意義。 本文設計開發(fā)了一套基于單片機的直流電機多速控制器，作為其配套的試驗裝置。論文根據(jù)系統(tǒng)的要求完成了整體方案設計和系統(tǒng)選型，針對所設計的控制方案對控制系統(tǒng)的軟、硬件設計作了詳細論述。硬件部分先作了整體設計，然后介紹了以 調速電路、測量電路、閉環(huán)檢測電路和顯示電路等作了詳細闡述 ;軟件部分采用模塊化設計思想，編制了各個模塊的流程圖。論述了軟件的設計思想和方法 ;實現(xiàn)了對直流電動機轉動參數(shù)的設置、啟動、停止、加速、減速、正轉、反轉和顯示等功能。利用 片進行低成 本直流電動機控制系統(tǒng)的設計，能夠簡化系統(tǒng)構成、降低系統(tǒng)成本、增強系統(tǒng)性能、滿足更多應用場合的需要。針對直流電機運行環(huán)境惡劣、干擾嚴重的特點，從系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計等多方面進行抗干擾的綜合考慮，并利用多種軟件和硬件技術來提高和改善系統(tǒng)的抗干擾能力，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和實用性。運行結果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了電機的高精度多速度控制，達到陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 - 2 - 了性能指標要求。 本設計將介紹一種基于單片機的直流電機轉速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用以 單片機為核心，產生 寬調制）信號；通過 H 橋驅動電路 來控制直流 電機的啟動、速度、暫停以及方向的變化；并且采用鍵盤作為輸入，加減改變 過 示電動機的轉速。對電動機的控制可分為簡單控制和復雜控制兩種，簡單控制是對電動機進行啟動、制動、正反轉控制和順序控制，復雜控制是對電動機的轉速轉速、轉角、轉矩、電壓、電流等物理量進行控制。本次設計可以作為簡單控制向復雜控制的過度，實現(xiàn)直流電機啟動、制動、正反轉控制和順序控制外，還要進行轉速控制。為以后復雜控制做為基礎學習。 主要內容如下 1. 通過鍵盤設定步進電機的轉速及方向 2. 接通電源后 動機運行狀態(tài)”的字樣，第二行顯示出電動機當前用行狀態(tài)。 3. 電動機運行狀態(tài)用過鍵盤來控制。 4. 其中四只按鍵來控制電機正傳、反轉、停止和暫停，另外四只按鍵分別來控制電機速度每分鐘加、減 5轉或每分鐘加、減 1轉。 5. 所有運行狀態(tài)在 一、 設計方案比較與分析： 1、電機調速控制模塊： 方案一：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調整電動機的分壓，從而達到調速的目的。但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的 問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。 方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對小車的速度進行調整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。 陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 - 3 - 方案三：采用由達林頓管組成的 路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)，精確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H 型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣 泛采用的 兼于方案三調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，因此本設計采用方案三。 2、 方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內，單片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉向和轉速。 方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出 口的輸出切換和對 由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極 性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。 3、 調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產生 4、 方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個 方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時器資源，且對于直流電機，采用軟件延時所產生的定 時誤差在允許范圍，故采用方案二。 二、 系統(tǒng)分析與設計： 總體設計方案的硬件部分詳細框圖如圖一所示。 鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過 - 4 - 出與轉速相應的 一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅動 現(xiàn)電動機轉向與轉速的控制。電動機的運轉狀態(tài)通過 示出來。電動機所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉時數(shù)字向右移動，反轉時數(shù)字向左移動。移動速度分 7檔，快慢與電動機所處速度級快慢一一對應。每次電動機啟動后開始計時，停止時 示出本 次運轉所用時間，時間精確到 1、系統(tǒng)的硬件電路設計與分析 電動機 電路采用的是基于 型橋式驅動電路。 圖二 路由四個大功率晶體管組成 H 型橋式電路構成，四部分晶體管以對角組合分為兩組：根據(jù)兩個輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導通和截止。4 個二極管在電路中起防止晶體管產生反向電壓的保護作用。 4 個電感在電路中是起防止電動機兩端的電流和晶體管上的電流過大的保護作用。 在實驗中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為 5v 電源，因此若達林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制， 則控制電壓最高為 5V，再加上三極管本身壓降，加到電動機兩端的電壓就只有 4重減弱了電動機的驅動力。基于上述考慮，我們運用了 4耦集成塊，將控制部分與電動機的驅動部分隔離開來。輸入端各通過一個三極管增大光耦的驅動電流；電動機驅動部分通過外接12V 電源驅動。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅動電流得到了大大的增強。 在電動機驅動信號方面，我們采用了占空比可調的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機轉速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在 40動機轉動平穩(wěn)，但加負載后，速度下降明顯，低速時甚至會停轉；脈沖頻率在 10下，電動機轉動有明顯跳動現(xiàn)象。實驗證明，脈沖頻率在 15具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機性能在此范圍內調節(jié)。通過 1輸入低電平， 過對信號占空比的調整來對車速進行調節(jié)。速度分陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 - 5 - 7 檔控制，從高電平（第 6 檔）到低電平（第 0 檔）中間占空比以 20%逐極遞減。速度微調方面，可以通過對占空比以 1%的跨度逐增或逐減分別實現(xiàn)對速度的逐加或逐減。 2、系統(tǒng)的軟件設計 本系統(tǒng)編程部分工作采用 言完成，采用模塊化的設計方法，與各子程序做為實現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、 單片機資源分配如下表： 示模塊接口 外部中斷 0 （ 鍵盤中斷 盤模塊接口 內部定時器 0 系統(tǒng)時鐘 系統(tǒng)主函數(shù)流程如圖三： 寬控制：本設計中采用軟件延時方式對脈沖寬度進行控制，延時程序函數(shù)如下： i=50* 此函數(shù)為帶參數(shù) 產生 00延時，因此一個脈沖周期可以由高電平持續(xù)時間系數(shù) 成，本設計中采用的脈沖頻率為 25得 00，占空比為因此要實現(xiàn)定頻調寬的調速方式，只需通過程序改變全局變量 值，該子程序流程圖如圖四。 鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，單片機 產 生一負跳沿，響應該中斷處理程序，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。 調速檔、持續(xù)加 /減速：調速檔通過（ 0七檔固定占空比，即相應檔位相應改變 實現(xiàn)調速檔位的實現(xiàn)。而要實現(xiàn)按住加 /減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時，陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 - 6 - 每進行一次增加 /減少 1%占空比（即 ;+） ,其程序流程圖如圖五。 顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有 8位，分別存放各個 示子程序為一帶參子程序，參數(shù)為顯示緩存的數(shù)組名，通過 i=0; if( if(55) ; ; if(1) 陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 30 if(5) ; ; ; ; #2 =0 ; ,; ; ;) if(0 0; 0;0;0; 0; ; ; 編語言程序 (后附 ) 陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 31 第 5 章 系統(tǒng)調試及結論分析 單片機應用系統(tǒng)的硬件和軟件調試是交叉進行的，但通常是先排除樣機中明顯的硬件故障，尤其是電源故障，才能安全地和仿真器相連，進行綜合調試。 1錯線、開路、短路：由于設計錯誤和加工過程中的工藝性錯誤所造成的錯線、開路、短路等故障。 解決方法：在畫原理圖時仔細檢查、校正即可解決。 2元器件損壞：由于對元器件使用要求的不 熟悉及制作調試過程中操作不當致使器件損壞。 解決方法：在設計過程中要明確各元器件的工作條件，嚴格按照制作要求進行操作，損壞的元器件要及時更換，以免損壞其他元件或影響電路功能的實現(xiàn)。 3電源故障：設計中存在電源故障，即上電后將造成元器件損壞、無法正常供電，電路不能正常工作。電源的故障包括：電壓值不符和設計要求，電源引出線和插座不對應，各檔電源之間的短路，變壓器功率不足，內阻大，負載能力差等。 解決方法：電源必須單獨調試好以后才能加到系統(tǒng)的各個部件中。本設計中就出現(xiàn)電源故障經(jīng)過一個穩(wěn)壓電路才使其正常工作。 件調試方法 本設計調試過程中所用的調試方法有：靜態(tài)測試、聯(lián)仿真器在線調試等。 1靜態(tài)測試 在樣機加電之前，首先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電器原理圖和裝配圖仔細檢查樣機線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。應特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯誤，并重點檢查擴展系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互間的短路或與其它信號線的短路。第二步是加電后檢查各個插件上引腳的電位，仔細測量各點電位是否正常，尤其應注意單片機插座上的各點電位，若有高壓，聯(lián)機時將會損壞仿真器 。第三步是在不加電情況下，除單片機以外，插上所有的元器件，最后用仿真適配器將樣機的單片機插座和仿真器的仿真接口相連，為聯(lián)機調試做準備。 2聯(lián)仿真器在線調試 測試 仿真器寫命令將一批數(shù)據(jù)寫入樣機中擴展的 后用讀命令讀出其內容，若對任意單元讀出和寫入內容一致，則擴展 32 的連接沒有邏輯錯誤。若讀出寫入內存不一致，則可能是地址數(shù)據(jù)線短路，試寫入不同的數(shù)據(jù)觀察讀出結果，或縮小對 查對 樣可初步對地址數(shù)據(jù)線短路錯誤定位，再用萬用表、示波器 等進一步確診。 件電路故障及解決方法 設計軟件部分出現(xiàn)這種錯誤的現(xiàn)象： 1當以斷點或連續(xù)方式運行時，目標系統(tǒng)沒有按規(guī)定的功能進行操作或什么結果也沒有，這是由于程序轉移到意外之處或在某處死循環(huán)所造成的。 解決方法：這類錯誤的原因是程序中轉移地址計算錯誤、堆棧溢出、工作寄存器沖突等。在采用實時多任務操作系統(tǒng)時，錯誤可能在操作系統(tǒng)中，沒有完成正確的任務調度操作，也可能在高優(yōu)先級任務程序中，該任務不釋放處理器，使過對錯誤程序的修改使其實現(xiàn)預期的功能。 2不響應中斷 響應中斷或不響應某一個中斷這種錯誤的現(xiàn)象是連續(xù)運行時不執(zhí)行中斷任務程序的規(guī)定操作，當斷點設在中斷入口或中斷服務程序中時碰不到斷點。 錯誤的原因有：中斷控制寄存器（ 初值設置不正確，使 者對片內的定時器、串行口等特殊功能寄存器和擴展的 I/成中斷沒有被激活；或者某一中斷服務程序不是以 令作為返回主程序的指令， 已返回到主程序但內部中斷狀態(tài)寄存器沒有被清除，從而不響應中斷；或由于外部中斷源的硬件故障使外部中斷請求無效。 解 決方法：修改中斷控制寄存器（ 初值設置。 件調試方法 軟件調試所使用的方法有：計算程序的調試方法、 I/O 處理程序的調試法、綜合調試法等。 1計算程序的調試方法 計算程序的錯誤是一種靜態(tài)的固定的錯誤，因此主要用單拍或斷點運行方式來調試。根據(jù)計算程序的功能，事先準備好一組測試數(shù)據(jù)。調試時，用防真器的寫命令，將數(shù)據(jù)寫入計算程序的參數(shù)緩沖單元，然后從計算程序開始運行到結束，運行的結果和正確數(shù)據(jù)比較，如果對有的測試數(shù)據(jù)進行測試，都沒有發(fā)生錯誤，陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 33 則該計算程序調試成功；如果發(fā)現(xiàn)結果不正確，改用單 步運行方式，即可檢查出錯誤所在。計算程序的修改視錯誤性質而定。若是算法錯誤，那是根本性錯誤，應重新設計該程序；若是局部的指令有錯，修改即可。如果用于測試的數(shù)據(jù)沒有全部覆蓋實際計算的原始數(shù)據(jù)的類型，調試沒有發(fā)現(xiàn)錯誤可能在系統(tǒng)運行過程中暴露出來。 2 I/對于 A/，因此一般用全速斷點運行方式或連續(xù)運行方式進行調試。 3綜合調試 在完成了各個模塊程序（或各個任務程序）的調試工作以后，便可進行系統(tǒng)的綜合調試。綜合調試一般采用全速斷點運行方式，這個階段的主要 工作社排除系統(tǒng)中遺留的錯誤以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度。在綜合調試的最后階段，應在目標系統(tǒng)的晶振頻率工作，使系統(tǒng)全速運行目標程序，實現(xiàn)了預定功能技術指標后，便可將軟件固化，然后在運行固化的目標程序，成功后目標系統(tǒng)便可脫機運行。一般情況下，這樣一個應用系統(tǒng)就算研制成功了。 第 6 章 總結與展望 近三個月的畢業(yè)設計即將結束，這意味著我們的大學生活也要結束了，但我們的學習沒有結束，在本次設計中，我們所學過的理論知識接受了實踐的檢驗，增強我的綜合運用所學知識的能力及動手能力，為以后的學習和工作打下了良好的基礎。本文以 列單片機為核心 ，對調速電路、測量電路、閉環(huán)檢測電路和顯示電路等作了詳細闡述 ;軟件部分采用模塊化設計思想，編制了各個模塊的流程圖。論述了軟件的設計思想和方法 ;實現(xiàn)了對直流電動機轉動參數(shù)的設置、啟動、停止、加速、減速、正轉、反轉和顯示等功能。利用 片進行低成本直流電動機控制系統(tǒng)的設計，能夠簡化系統(tǒng)構成、降低系統(tǒng)成本、增強系統(tǒng)性能、滿足更多應用場合的需要。 通過三個月的設計，我也有很深的感觸：當今社會在飛速發(fā)展，科學技術發(fā)展的速度更是迅猛無比，尤其是單片機技術在未來社會發(fā)展中一定會起著 十分重要的作用，而通過本次設計無論是 從硬件實現(xiàn)還是到整個程序的完成，無不是對我個人專業(yè)能力的一次提高和體現(xiàn)。而本次設計主要是完成兩方面工作，軟件程序設計和硬件電路板設計。軟件設計包括用單片機設計語言設計控制系統(tǒng)并仿真、實現(xiàn)。硬件設計包括繪制電路原理圖，生成圖后制作電路板、插件焊件、再做硬件測試。通過這些都使我對采用單片機設計方法有了更深的理解和掌握，同時也讓我把所學的知識廣泛的應用到了實踐中，充分的做到了理論與實踐相結合。無論從專業(yè)知識、動手能力，還是毅志品陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 34 質，都使我受益非淺。當然，這與老師和同學的熱心幫助 也是分不開的。 大學生活雖然結束了，但我們的學習還沒有結束，只有不斷學習，用知識充實自己的頭腦，才能在未來社會有一席之地，才能為社會的發(fā)展做出應有的貢獻，一句話：學無止境。 參考文獻 1楊天明 M中國林業(yè)出版社 ,2006. 2任小坤 J2007,7（ 1） . 3楊靖 J用 機床電器 ,2008,(1). 單片機中級教程 M北京航空航天大學出版社 ,2007. 5薛英杰 電機調速的單片 A2002,35. 6李維軍 速系統(tǒng) 7吳澤民 J2008,1. 附 錄 1系統(tǒng)總程序清單 ;0000 02 04 0A ;0003 02 06 86 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 02H, 05H, 5 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 02H, 06H, 1 A, ;001E A,#0 ;001F 24 A,#50024 ;0021 B 00 ;0024 40 03 ;0026 02 02 0029: 0037H ;0029 90 00 37 B,#03H ;002C 75 3 ;002F A, ;0030 3 A,B ;0032 25 A, ;0034 3 A+ ;0036 73 ;0037 02 01 48 ;003D 02 01 52 ;0040 02 01 57 ;0043 02 01 5C ;0046 02 01 61 ;0049 02 01 66 ;004C 02 02 ;004F 02 01 70 陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 35 ;0052 02 01 75 ;0055 02 01 7A ;0058 02 01 7F ;005B 02 02 ;005E 02 01 84 ;0061 02 01 89 ;0064 02 01 8E ;0067 02 01 ;006A 02 01 ;006D 02 01 ;0070 02 01 ;0073 02 01 ;0076 02 01 ;0079 02 01 ;007C 02 01 ;007F 02 01 ;0082 02 01 ;0085 02 01 ;0088 02 02 ;008B 02 01 98 ;008E 02 01 93 ;0091 02 01 6B ;0094 02 01 9D ;0097 02 02 ;009A 02 01 ;00 02 01 ;00 02 01 ;00 02 01 ;00 02 01 ;00 02 01 ;00 02 02 01 ;00 02 02 06 ;00 02 02 0B ;00 02 02 10 ;00 02 02 15 ;00 02 02 1A ;00 02 02 1F ;00 02 02 24 ;00 02 02 29 ;00 02 02 2E ;00 02 02 33 ;00 02 02 38 ;00 02 02 3D ;00 02 02 41 陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 36 ;00 02 02 45 ;00 02 02 49 ;00 02 02 4D ;00 02 02 51 ;00 02 02 55 ;00 02 02 ;00 02 02 ;00 02 02 ;00 02 01 ;00 02 02 ;00 02 02 ;00 02 02 59 ;00 02 02 5D ;0100 02 02 61 ;0106 02 02 69 ;0109 02 02 6D ;010C 02 02 71 ;010F 02 02 75 ;0112 02 02 79 ;0115 02 02 7D ;0118 02 02 81 ;011B 02 02 85 ;011E 02 02 89 ;0121 02 02 8D ;0124 02 02 91 ;0127 02 02 95 ;012A 02 02 99 ;012D 02 02 9D ;0130 02 02 ;0133 02 02 ;0136 02 02 ;0139 02 02 ;013C 02 02 ;013F 02 02 ;0142 02 02 0148: 20H ;0148 7F 20 ;014A 02 02 014D: 21H ;014D 7F 21 ;014F 02 02 0152: 22H ;0152 7F 22 ;0154 02 02 0157: 23H ;0157 7F 23 ;0159 02 02 015C: 24H ;015C 7F 24 陜西能源職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 37 ;015E 02 02 0161: 25H ;0161 7F 25 ;0163 02 02 0166: 26H ;0166 7F 26 ;0168 02 02 016B: 27H ;016B 7F 27 ;016D 02 02 0170: 28H ;0170 7F 28 ;0172 02 02 0175: 29H ;0175 7F 29 ;0177 02 02 017A: 2 ;017A 7F 2A ;017C 02 02 017F: 2 ;017F 7F 2B ;0181 02 02 0184: 2 ;0184 7F 2D ;0186 02 02 0189: 2 ;0189 7F 2E ;018B 02 02 018E: 2 ;018E 7F 2F ;0190 02 02 0193: 3 ;0193 7F 3D ;0195 02 02 0198: 3 ;0198 7F 3E ;019A 02 02 019D: 3 ;019D 7F 3F ;019F 02 02 01 5 ;01 7F 5E ;01 0