基于生产流水线中的直流电动机控制方案设计书报告

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1、课程设计报告基于生产流水线中的直流电动机控制设计目录1前言.31.1设计背景 .21.2设计内容 .51.3设计目的 .22系统硬件设计 .32.1使用的芯片介绍 .32.2系统框图设计 .82.3硬件原理图设计 .93程序流程图及模型图设计 . .104程序设计、运行结果 .114.1程序设计 .114.2调试及结果分析 .125 心得体会 .12附：参考文献 .13第一章、前言 ：1.1 设计背景现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化， 因此必然要与各种控 制元件组成的自动控制系统联系起来， 而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进行自动控制。 随着近

2、代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用， 自动 化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。 以达到高速、 优质、 高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而 且能提高生产率、可靠性与柔性， 还有易于应用的优点。 自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。 在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发 展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流

3、电 机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、制动 性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统 中的主要形式。现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。其应 用领域极为广泛，例如：军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的 控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围 设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家 用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。 随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件 MOSFET和 IGBT 成为主流，脉宽调制技

4、术表现出较大的优越性：主电路线路简 单，需要用的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发 热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好， 动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近 年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的 生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势。1.2国内外发展现状电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它 们是密切相关、相互促进的。近 30 年来，电力电子技术的迅猛发展， 带动和改 变着电机控制的面貌和应用。 驱动电动机的

5、控制方案有三种： 工作在通断两个状 态的开关控制、 相位控制和脉宽调制控制， 在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管， 后来是用相位控制的双向可控硅。 在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。 70 和 80 年代才先后出现了全控型功率器到 件 GTO 晶闸管、 GTR、POWER-MOSFET、IGBT 和 MCT 等。利用这种有自关 断能力的器件， 取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路， 简化了电路结构，提高了效率， 提高了工作频率， 降低了噪声， 也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器 所代替，明

6、显地扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度， 改善了快速性、效率和功率因数。 直流电机脉冲宽度调制 (Pulse Width Modulation-简称 PWM)调速系统产生于 70年代中期。最早用于不可逆、 小功率驱动， 例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等 。近十多年来， 由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。在国外， PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自

7、动生产线及机器人等领域中广泛应用。如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂， 而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入 21 世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。1.3 要求一、设计任务 基于 MCS-51 系列单片机 AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机 PWM调速控制装置。 二、设计要求 1 ）在系统中扩

8、展直流电动机控制驱动电路 L298 ，驱动直流测速电动机。2 ）使用定时器产生可控的 PWM波，通过按键改变 PWM占空比，控制直流电动机的转速。3 ）设计一个 4个按键的键盘。 K1:“启动 / 停止”。 K2 ：“正转 / 反转”。 K3 ：“加速”。 K4:“减速”。4）手动控制。在键盘上设置两个按键 - 直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。5 ）* 测量并在 LED 显示器上显示电动机转速（ rpm）. 6 ）实现数字 PID 调速功能。 三、设计提示： 设计提示： 1 ）参考 L298 说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路

9、。 2) 使用定时器产生可控 PWM波，定时时间建议为 250us 。 3 ）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整 PWM波占空比 , 实现调速。1.2 设计内容单片机直流电机调速简介： 单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在 PWM驱动控制的调整系统中， 按一个固定的频率来接通和断开电源， 并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。本系统以8

10、9C51单片机为核心， 通过单片机控制， C语言编程实现对直流电机的平滑调速。系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理， 以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小， 从而控制电动机的转速为依据， 实现对直流电动机的平滑调速， 并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。1.3设计目的本系统采用 89C51

11、控制输出数据， 由 PWM信号发生电路产生 PWM信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路， 滤波电路，和 A/D 转换电路交数据重新送回单片机，进行 PI 运算，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。PWM 信号的产生与放大直流电机主控芯片A/D转换滤波电路测速发电机图 2-1 系统总体设计图第二章、系统硬件设计与分析：总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所LED显示示。键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机4*4通过 P2.0 与 P2.1 其中一口输出与转速相应的单片机键盘PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动 H 型桥式电动机控制电路，实现电动机转

12、向与转速的控制。电动机的运转状态通过LED显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。 正转时数字向右移动， 反转时数字向左移动。移动速度分 7 档，快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。每次电动机启动后开始计时，停止时 LED显示出本次运转所用时间，时间精确到 0.1s 。图一PWM电动机驱动1、系统的硬件电路设计与分析电动机 PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图二。 本电路采用的是基于 PWM原理的 H型桥式驱动电路。图二PWM电路由四个大功率晶体管组成H 型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4 个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。4 个电感在电路中是起防止