電拖自控課程設(shè)計(jì)

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：數(shù)字式直流電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 （系）： 機(jī)電自動(dòng)化學(xué)院電氣自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電氣專(zhuān)0902 學(xué)生姓名： 張媛 學(xué) 號(hào)： 20092822074 指導(dǎo)教師： 曹建平 2012年02月 13 日至2012年 02 月 24日華中科技大學(xué)武昌分校制電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、設(shè)計(jì)（調(diào)查報(bào)告/論文）題目數(shù)字式直流電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)（調(diào)查報(bào)告/論文）主要內(nèi)容（1）控制對(duì)象為12V或24V,50W以?xún)?nèi)小型直流電機(jī)；（2）主電路采用雙極性PWM變換電路實(shí)現(xiàn)；（3）控制電路采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)；（4）驅(qū)動(dòng)電路采用IR2110或IR2130驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)

2、；（5）設(shè)計(jì)并制作控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。三、原始資料1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PWM變換電路單片機(jī)鍵盤(pán)隔離電路驅(qū)動(dòng)電路M2 主電路結(jié)構(gòu)及原理3 隔離芯片引腳圖4 驅(qū)動(dòng)電路IR2130芯片引腳圖四、要求的設(shè)計(jì)（調(diào)查/論文）成果1 實(shí)際制作并調(diào)試成功的小系統(tǒng)一套；2 符合規(guī)范要求的設(shè)計(jì)報(bào)告電子檔、紙質(zhì)檔各一份。五、進(jìn)程安排第一周安排：（上午：8:30-11:30；下午：14:00-17:00）周一周二上午：分組、理解課題、查找資料、確定控制系統(tǒng)的具體電路結(jié)構(gòu)；周二下午：審核并修訂設(shè)計(jì)方案（4號(hào)教學(xué)樓創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室集中）；周三周四：軟件設(shè)計(jì)（4號(hào)教學(xué)樓單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室集中）周五上午：檢驗(yàn)程序流程及運(yùn)行結(jié)果

3、（ 4號(hào)教學(xué)樓單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室集中）周五下午：調(diào)試光耦隔離電路（ 4號(hào)教學(xué)樓單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室集中）第二周安排：（上午：8:30-11:30；下午：14:00-17:00）周一周二上午：驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試（ 4號(hào)教學(xué)樓單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室集中）周二下午周三下午：系統(tǒng)聯(lián)調(diào)（ 4號(hào)教學(xué)樓單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室集中）周四周五：按規(guī)范撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告并提交、驗(yàn)收備注：第二周周四下午、周五上午審核設(shè)計(jì)報(bào)告電子檔，通過(guò)后方可打印，于周五17:00之前上交。六、主要參考資料1 陳伯時(shí).自動(dòng)控制系統(tǒng)及電力拖動(dòng)控制.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：57-63.2 李榮生.電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京：機(jī)械工業(yè)出

4、版社，2003：104-110.3 李正軍電動(dòng)跑步機(jī)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)微電機(jī)2007，40（10）：87-88， 924 吳守箴，戚英杰.電氣傳的脈寬調(diào)制控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20105 HavaPerformance Analysis of Reduced Common-Mode Voltage PWM Methods and Comparison With Standard: PWM Methods for Three-Phase Voltage-Source InvertersIEEE Transactions on Power Electronics 2009，24（1）

5、：241-252指導(dǎo)教師（簽名）： 20 年 月 目 錄.1.課程設(shè)計(jì)任務(wù)與目的61.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)61.2課程設(shè)計(jì)目的62.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)73.器件介紹及硬件電路原理圖83.1單片機(jī)83.2 主電路93.3 隔離電路103.4驅(qū)動(dòng)電路114.系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)124.1 PI 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖及參數(shù)計(jì)算124.2 系統(tǒng)中的部分程序設(shè)計(jì)134.2.1 單片機(jī)資源分配134.2.2 程序流程圖165.調(diào)試結(jié)果176.總結(jié)19參考文獻(xiàn)201.課程設(shè)計(jì)任務(wù)與目的1.1課程設(shè)計(jì)任務(wù)本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)是控制對(duì)象是12V或24V,50W以?xún)?nèi)小型直流電機(jī)，采用雙極性PWM變換電路，用單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)的啟停

6、、正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖如下圖1所示：PWM變換電路單片機(jī)鍵盤(pán)隔離電路驅(qū)動(dòng)電路M圖1系統(tǒng)以8032單片機(jī)為核心，小直流電機(jī)為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)速度單閉環(huán)、PID控制、方便的人機(jī)對(duì)話接口，用鍵盤(pán)輸入有關(guān)控制信號(hào)及參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)。并在LED上實(shí)時(shí)顯示輸入?yún)?shù)及動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速。采用單片機(jī)控制取代了以往的模擬控制，無(wú)零點(diǎn)漂移，使控制精度更高，而且方便系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)，靈活性和適應(yīng)性更強(qiáng)。1.2課程設(shè)計(jì)目的 1通過(guò)課程設(shè)計(jì)，了解單片機(jī)資源的分配與使用。 2綜合運(yùn)用單片機(jī)課程中所學(xué)的理論知識(shí)。 3通過(guò)查閱手冊(cè)和參考文獻(xiàn)資料，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。4熟悉掌握各種芯片的類(lèi)型

7、和特性，并掌握合理選用的原則。5. 提高軟件使用、硬件調(diào)試和排除故障的能力。6掌握數(shù)子電子儀器的使用方法。7. 學(xué)會(huì)撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)論文，提高撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告的能力。8. 培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。9.經(jīng)過(guò)查資料、選方案、設(shè)計(jì)電路、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告、使學(xué)生得到一次較全面的工程實(shí)踐訓(xùn)練，通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際，提高和培養(yǎng)創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)，畢業(yè)后的工作打下基礎(chǔ)。2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程是：當(dāng)人按鍵后，輸入有關(guān)控制信號(hào)，單片機(jī)接收通過(guò)運(yùn)算比較后，P1.1、P1.2、P1.3、P1.4將信號(hào)傳給隔離電路TLP521-4（去使前端與負(fù)載完全隔離從而確保電路安全性，減小干擾）。接著信號(hào)

8、六路輸入傳輸給驅(qū)動(dòng)電路IR2130芯片（驅(qū)動(dòng)中小容量的功率場(chǎng)效應(yīng)管），六路輸出信號(hào)加到六個(gè)對(duì)應(yīng)功率管的柵極上。信號(hào)經(jīng)過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管（一種通過(guò)改變半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電流控制作用的半導(dǎo)體器件）。從漏極輸出的電流進(jìn)入電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟停和正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)總框圖如下圖2所示：圖23.器件介紹及硬件電路原理圖3.1單片機(jī)隨著微型計(jì)算機(jī)在人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫脑絹?lái)越普遍，特別是工業(yè)制造區(qū)，可以說(shuō)沒(méi)有微型計(jì)算機(jī)的儀器不能稱(chēng)為一個(gè)先進(jìn)的儀器，沒(méi)有微型計(jì)算機(jī)的儀器不能稱(chēng)其為現(xiàn)代控制系統(tǒng)，如今微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。8051單片機(jī)由CPU和8個(gè)部件組成，它們都通過(guò)片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加

9、上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖3所示： 圖3 CPU及8個(gè)部件的作用功能介紹如下：中央處理器CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：8051芯片中共有256個(gè)RAM單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前128個(gè)單元，其地址為00H7FH。通常說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前128個(gè)單元，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)部RAM。特殊功能寄存器：是用來(lái)對(duì)片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個(gè)單元，其地址為80HFFH。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：8051芯片內(nèi)部共有4K個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、

10、原始數(shù)據(jù)或表格，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)部ROM。并行I/O口：8051芯片內(nèi)部有4個(gè)8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。串行口：它是用來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。定時(shí)器：8051片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個(gè)中斷源，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)和串行中斷1個(gè)。振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成8051單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列的時(shí)鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz。8051單片機(jī)引腳圖如下圖3所示： 圖33.2 主電路主電路是雙極性PWM變換器主電路器件要求

11、選用場(chǎng)效應(yīng)管，PWM就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過(guò)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形。下圖4是雙極性橋式可逆PWM變換器，它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）電流一定連續(xù)。（2） 電機(jī)在四象限運(yùn)行。（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，訥訥個(gè)消除靜摩擦死區(qū)。（4）低速時(shí)，每個(gè)晶體管得驅(qū)動(dòng)脈沖人很寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通。（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍大20000左右。缺點(diǎn)：需要防止單邊導(dǎo)通事故。 圖43.3 隔離電路 此處建議使用TLP521-4，TLP521是可控制的光電藕合器件，光電耦合器廣泛作用在電腦終端機(jī)，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測(cè)量?jī)x器，影印機(jī)，自動(dòng)售票，家用電器，如風(fēng)扇，加熱器等，電路之間的信號(hào)傳輸，使之

12、前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計(jì)。TLP521-4芯片電路圖如下圖5所示，TLP5214提供了4個(gè)孤立的光耦中16引腳塑料DIP封裝。1,3,5,7腳通過(guò)500歐姆接5V，2,4,6,8腳接地，10，12，14，16 腳通過(guò)4.7K歐姆接5V，9，11，13，15應(yīng)該為輸出腳。圖53.4驅(qū)動(dòng)電路 此處用IR2130芯片作為場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路，IR2130是MOS、IGBT功率器件專(zhuān)用柵極驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)自舉電路工作原理，使其既能驅(qū)動(dòng)橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又能驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率元件，它的內(nèi)部集成有1個(gè)電流比較器CURRENT COMPARATOR，1個(gè)電流放大

13、器CURRENT AMP，1個(gè)自身工作電源欠壓檢測(cè)器UNDERVOLTAGE DETECTOR，1個(gè)故障處理單元FAULT LOGIC及1個(gè)清除封鎖邏輯單元CLEAR LOGIC。除上述外，它內(nèi)部還集成有3個(gè)輸入信號(hào)處理器INPUTSIGNAL GEN-ERATOR兩個(gè)脈沖處理和電平移位器PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER，3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存器LATCH，3個(gè)上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)與欠壓檢測(cè)器，U. V DETECTOR及6個(gè)低輸出阻抗MOS功率管驅(qū)動(dòng)器DRIVER和1個(gè)或門(mén)電路。正常工作時(shí)，輸入的6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)輸入信號(hào)處理器處理后變?yōu)?路輸出脈沖。當(dāng)IR2

14、130驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的自舉電源工作電壓不足時(shí)，則該路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器迅速動(dòng)作，封鎖該路的輸出，避免功率器件因驅(qū)動(dòng)信號(hào)不足而損壞。當(dāng)逆變器同一橋臂上2個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為高電平，則IR2130輸出的2路門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。IR2130芯片電路圖如下圖6所示，IR2132和功率MOS管的連接原理圖如下圖7所示。 圖6 圖7VB1VB3：是懸浮電源連接端，通過(guò)自舉電容為3個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源，VS1VC3是其對(duì)應(yīng)的懸浮電源地端。 HIN1HIN3、LIN1LIN3：逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，低電平有效。ITRIP：過(guò)流信

15、號(hào)檢測(cè)輸入端，可通過(guò)輸入電流信號(hào)來(lái)完成過(guò)流或直通保護(hù)CA-、CAO、Vso：內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來(lái)完成電流信號(hào)檢測(cè)。HO1HO3、LO1L03：逆變器上下橋臂功率開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸出端。FAULT：過(guò)流、直通短路、過(guò)壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個(gè)故障保護(hù)的指示信號(hào)。它在芯片內(nèi)部是漏極開(kāi)路輸出端，低電平有效。Vcc、Vss：芯片供電電源連接端，Vcc接正電源，而Vss接電源地。4.系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)4.1 PI 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖及參數(shù)計(jì)算 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如下圖8所示:圖8按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法, 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)和電阻電容值關(guān)系如下:Kn = Rn/ R0 Tn

16、 = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Con參數(shù)求法： 電動(dòng)機(jī) P=10KW U=220V I=55A n=1000轉(zhuǎn)/分 電樞電阻R=0.5歐姆 取濾波電路中Ro=40千歐 Rn=470千歐 Cn=0.2uF Con=1uF 則：Umax=220VUmin=（220/0.9）*0.5=122VYi-1=0 W=1000轉(zhuǎn)/分P=Kp=Rn/Ro=11.7I=Kp*T/Ti=1254.2 系統(tǒng)中的部分程序設(shè)計(jì)4.2.1 單片機(jī)資源分配工作寄存器0組RO-R7 00H-07H數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 30H-7FHPSW.4（RS1=0） PSW.3(RS0=0) ；選中工作寄存器0組P0口地址

17、80H P1口地址 90HP2口地址 A0HP3口地址 B0H堆棧（SP） 81H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制 TCON 88H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制 TMOD 89H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0 低字節(jié) TL0 8AH 高字節(jié) TH0 8CH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1 低字節(jié) TL1 8BH 高字節(jié) TH1 8DH中斷1PI采樣（ui）中斷0A/D采樣 P1口預(yù)置 W P0口測(cè)量值（實(shí)測(cè)Y）主程序：0000 AJMP STARTSTART： CLR PSW.4 CLR PSW.3 ；選中工作寄存器0組 CLR C MOV R0 ，4FH MOV A ，30HCLEAR1： CLR A INC A DJNZ R0 ，CLEA

18、R1 ；清零30-7FH SETB TR0 ；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0工作 MOV TMODE ，#01H ；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作在方式1 SETB EA ；總中斷開(kāi)放 SETB IT0 ；置INTO為降沿觸發(fā) SETB IT1 ；置INT1為降沿觸發(fā)LJMP MAINLJMP CTCOLCALL SAMPLEFosc=12MHZ，用一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)50ms，用R2作計(jì)數(shù)器，置初值14H，到定時(shí)時(shí)間后產(chǎn)生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，讓計(jì)數(shù)器內(nèi)容減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容減為0時(shí)，則到1s。PI控制算法:Ui=Ui-1+Kp(ei-ei-1)+(Kp*T/Ti)*ei令P=KP I=KP*T/T I則Ui

19、=Ui-1+P(ei-ei-1)+I*eiT采樣周期 Ti=RnCn Kp=Rn/R0PI程序：SETB EX1 ；開(kāi)放中斷1MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,預(yù)設(shè)MOV R1，80H ；P0口（Y）送R1，實(shí)測(cè)MOV A，R0 ；W給AMOV B，R1 ；Y給BSUBB A，B ；ei給AMOV 7FH，A ；ei 給7FHMOV 7EH，#00H ；ei-1=0給7EHMOV 7BH，Umax MOV 7AH, UminAJMP IN ；積分項(xiàng)AJMP P ；比例項(xiàng)MOV A，R2 ；Pi給AADD A，R3 ；Pi+Pp給AMOV 7DH，#00H ；Ui-1=0給7DHADD

20、 A，7DH ；Ui-1+Pi+Pp=Ui給AMOV 7CH,A ；Ui給7CHMOV 7DH，7CH ；Ui給Ui-1MOV A，7BH ；Umax給ACJNE A，#Ui，LOOP2 ；UiUmax轉(zhuǎn)移MOV A，#UiCJNE A，7AH，LOOP3 ；Ui<Umin轉(zhuǎn)移MOV 90H，7CH ；輸出Ui到P1口LOOP2：MOV A，7CH ；Ui給ACLR CSUBB A，#UmaxRETILOOP3：MOV A，7CH ；Ui給A CLR C SUBB A，#Umin RETIIN： MOV 6FH，#I MOV A，6FH ；I給A MOV B，7FH ；ei給B MUL AB ；Pi=I*ei給A MOV R2，A ；Pi給R2 RETIP： MOV 6EH，#P CLR C MOV A，7FH ；ei給A SUBB A，7EH ；ei-ei-1給A MOV 7EH，7FH ；ei給ei-1 MOV B，6EH MUL AB ；（ei-ei-1）*P給A MOV R3，A ；Pp給R3 RETI4.2.2 程序流程圖程序流程圖如下圖9所示：圖95.調(diào)試結(jié)果仿真整體圖如下圖10：圖10直流電機(jī)的調(diào)試功能仿真如下圖11：1、正轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管最高位顯示“三”,其它三位先