晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng) 精品.doc

前言我國從20世紀60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟各部門得到廣泛的應用。隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對自動化的需求也越來越高，直流電動機應用領(lǐng)域也不斷擴大。例如，軍事和宇航方面的雷達天線，火炮瞄準，慣性導航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對太陽得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機床，工業(yè)機器人，塑料機械，印刷機械，繞線機，紡織機械，工業(yè)縫紉機，泵和壓縮機等設(shè)備的控制；計算機外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤驅(qū)動器，各種光盤驅(qū)動器，繪圖儀，掃描儀，打印機，傳真機，復印機等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機，錄像機，數(shù)碼相機，洗衣機，冰箱，電扇等的控制。為了推廣直流電機在化工領(lǐng)域的使用，由于直流電機的功能已得到很大提高，因此更為人性化的設(shè)計勢必在操作和顯示方面。直流電機直流電動機調(diào)速控制一般采用模擬法，對電動機的簡單控制應用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制容易實現(xiàn)，并可通單片機，直流電機驅(qū)動芯片和開關(guān)元件來實現(xiàn)，所以本課題采用此法。同時考慮到以前的直流電機只能通過數(shù)碼管來進行簡單地顯示轉(zhuǎn)速，且不能清楚的了解其轉(zhuǎn)向，而LCD液晶顯示器可以彌補這一點，并且還添加一些更為人性化的提示，這是以前的數(shù)碼管所不能代替的，這必將是一個新的趨勢。1 系統(tǒng)論述1.1 設(shè)計思路：直流電機PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機轉(zhuǎn)速的大小，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。其間，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。該直流電機系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時鐘電路：這部分電路主要由80C51單片機和一些電容、晶振組成。設(shè)計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)。設(shè)計控制部分：主要由80C51單片機的外部中斷擴展電路組成。設(shè)計顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成; LED數(shù)碼顯示部分由七段數(shù)碼顯示管組成。直流電機PWM控制實現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅(qū)動模塊組成。1.2 基本原理主體電路：即直流電機PWM控制模塊。這部分電路主要由80C51單片機的I/O端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴展等控制直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機轉(zhuǎn)速的大小和了解電機的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。其間，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。其間是通過80C51單片機產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到L298驅(qū)動芯片來控制直流電機工作的。該直流電機PWM控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)。設(shè)計控制部分：主要由80C51單片機的外部中斷擴展電路組成。設(shè)計顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成。直流電機PWM控制實現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅(qū)動模塊組成。1.3 總體設(shè)計框圖系統(tǒng)組成：直流電機PWM調(diào)速方案如圖1.1所示：方案說明：直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)以AT89C2051單片機為控制核心，由命令輸入模塊、LCD顯示模塊及電機驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，定時不斷給直流電機驅(qū)動芯片發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動電路完成電機正，反轉(zhuǎn)控制；同時單片機不停的將從鍵盤讀取的數(shù)據(jù)送到LCD顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知曉其轉(zhuǎn)向及一些溫心提示。 圖 1.1 直流電機PWM調(diào)速方案2 直流電機單元電路設(shè)計與分析2.1 直流電機驅(qū)動模塊主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅(qū)動模塊（內(nèi)含CMOSS管、三太門等）組成?，F(xiàn)在介紹下直流電機的運行原理2.1.1 直流電機類型直流電機可按其結(jié)構(gòu)、工作原理和用途等進行分類，其中根據(jù)直流電機的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機（將機械能轉(zhuǎn)化為直流電能）、直流電動機（將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能）、直流測速發(fā)電機（將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號）、直流伺服電動機（將控制信號轉(zhuǎn)換為機械信號）。下面以直流電動機作為研究對象。2.1.2 直流電機結(jié)構(gòu)直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定子上裝有磁極（電磁式直流電機磁極由繞在定子上的磁繞提供），其轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷引出,直流電機結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1 直流電動機結(jié)構(gòu)2.1.3 直流電機工作原理直流電機電路模型如圖2.2所示，磁極N、S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈abcd。當線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的受方向也將改變，因此通過改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機的方向。圖2.2 直流電動機電路模型2.1.4 直流電機主要技術(shù)參數(shù)直流電機的主要額定值有：額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機的負載能力。額定電壓Ue：長期運行的最高電壓。 額定電流Ie：長期運行的最大電流。額定轉(zhuǎn)速n：單位時間內(nèi)的電機轉(zhuǎn)動快慢。以r/min為單位。 勵磁電流If：施加到電極線圈上的電流。2.1.5 直流電機PWM調(diào)速原理（1）直流電機轉(zhuǎn)速直流電機的數(shù)學模型可用圖2.3表示，由圖可見電機的電樞電動勢Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動勢；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩；軸上的機械負載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0均與n相反，是制動轉(zhuǎn)矩。圖2.3 直流電機的數(shù)學模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式1.1： U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式1.1中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和；Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機的轉(zhuǎn)速公式為： n =Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中，Ce為電動勢常數(shù)，是磁通量。由1.1式和1.2式得 n =Ea/Ce 式1.3 由式1.3中可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機，當勵磁電壓和負載轉(zhuǎn)矩恒定時，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時，電機就停止轉(zhuǎn)動；改變電樞電壓的極性，電機就反轉(zhuǎn)。（2）PWM電機調(diào)速原理對于直流電機來說，如果加在電樞兩端的電壓為2.3所示的脈動電流壓（要求脈動電壓的周期遠小于電機的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對這一變化進一步推導。 圖2.3 施加在電樞兩端的脈動電壓設(shè)電機接全電壓U時，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為D=t1/T，則電樞的平均電壓為： U平=UD 式1.4由式1.3得到：n =Ea/CeUD/ Ce=KD ；在假設(shè)電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下式中K= U/ Ce，是常數(shù)。圖2.4為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。圖2.4 占空比與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關(guān)系（圖中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機PWM調(diào)速原理。2.1.6 電機驅(qū)動模塊的電路設(shè)計根據(jù)直流電機的工作原理，從PROTEUS選取元器件如下，放置元器件、放置電源和地連線，我們參此設(shè)計的直流電機驅(qū)動模塊電路如圖2.5所示 2SK1058 : CMOSS管 74L26 : 三太門 1N4006 : 二極管 VSCOURCE : 電源 MOTOR-ENCODER : 直流電機 RES : 電阻 AT89C51 : 單片機 (在此并未顯示) 圖2.5 直流電機驅(qū)動電路然而考慮市場的行情，既然已有專門地為電機驅(qū)動而設(shè)計的芯片，就沒必要再從新來設(shè)計；選用L298芯片來構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)基本上跟上圖一樣，由L298芯片組裝的驅(qū)動模塊如圖2.6 所示。所用元器件如下所示： 1N4006 : 二極管 AT89C51 : 單片機 (在此并未顯示) RES : 電阻 MOTOR-ENCODER : 直流電機 L298 : 電機驅(qū)動芯片 RESPACK-8: 排阻圖2.6 直流電機及其驅(qū)動電路2.1.7 程序設(shè)計流程圖 圖2.7 定時中斷服務流程圖2.2 直流電機的中斷鍵盤控制模塊2.2.1 外部中斷設(shè)置（1） 外部中斷允許設(shè)置中斷控制寄存器IE的EX0對應INT0，EX1對應INT1，EA為中斷的總開關(guān)，若要開放外部中斷，只要將IE對應的位和總開關(guān)EA置1即可。如：開放外部中斷0的設(shè)置：SETB EX0SETB EA開放外部中斷0和1的設(shè)置：SETB EX0SETB EX1SETB EA（2） 外部中斷觸發(fā)方式設(shè)置單片機外部中斷有兩種觸發(fā)方式，一種是電平觸發(fā)方式，另一種是脈沖觸發(fā)方式，單片機外部中斷觸發(fā)方式與TCON的IT位有關(guān)。 TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0電平觸發(fā)設(shè)置方法：CLR ITX，為低電平觸發(fā)方式。脈沖觸發(fā)設(shè)置方法：SETB ITX1，為脈沖下降沿觸發(fā)方式。在使用外部中斷時，如果不進行設(shè)置，則為電平觸發(fā)方式。（3） 外部優(yōu)先級設(shè)置 外部中斷IN0、INT1的中斷優(yōu)先級的設(shè)置是通過設(shè)置IP寄存器實現(xiàn)的，IP的PX0對應INT0，PX1對應INT1。PX置1為高級中斷，PX為0為低級中斷。PSPT1PX1PT0PX02.2.2 外部中斷擴展方法在圖2.8為外部中斷擴展方法，設(shè)X1、X2、X3、X4、X5為外部警情信號，X1代表是加速信號，X1=0表示加速；X2代表減速信號，X2=0表示減速；X3代表正轉(zhuǎn)信號，X3=0表示正轉(zhuǎn)；X4代表反轉(zhuǎn)信號，X4=0表示反轉(zhuǎn)；X5代表停止信號，X5=0表示停止處理。 圖 2.8 外部中斷擴展電路當系統(tǒng)檢測到有中斷請求時，響應如下中斷服務流程圖2.9。 圖2.9中斷服務流程23 1602LCD液晶顯示模塊2.3.1 引腳分布和接口信號說明(1)引腳分布1602液晶顯示共有16個引腳，其引腳分布如圖2.5所示。 圖2.10 1602液晶顯示模塊引腳分布(2)引腳功能1602引腳功能如表2.1所示。表2.1 1602引腳功能編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSSVSS為地電源9D2Data I/O2VDDVDD接5V正電源10D3Data I/O3VEE液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS0輸入指令，1輸入數(shù)據(jù)12D5Data I/O5R/W0寫入指令或數(shù)據(jù)，1讀信息13D6Data I/O6E1讀取信息，10執(zhí)行指令14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負極2.3.2 LCD液晶電路圖2.11 1602液晶顯示模塊組成2.3.3 顯示程序流程圖如3.12所示 圖2.123 直流電機PWM控制系統(tǒng)的實現(xiàn)3.1 總電路圖如圖3.1所示 圖3.1 直流電機3.2 總電路功能介紹直流電機PWM調(diào)制控制系統(tǒng)具有加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能。操作開關(guān)通過中斷控制直流電機的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制功能，并通過LCD液晶顯示。振蕩、時鐘電路和復位電路由80C51單片機內(nèi)部給出。直流電機轉(zhuǎn)動速度由LCD液晶顯示。操作開關(guān)狀態(tài)由液晶顯示器顯示。3.3 直流電機控制程序ORG 0000H SJMP DISPLAY ORG 0003H LJMP BUTTON ; 外部0中斷入口地址 ORG 000BH LJMP DINGSHI ; 定時中斷T0入口地址 RS EQU P3.0 RW EQU P3.1 E EQU P3.4 ORG 0030H ; 此次直流電機的設(shè)計以LCD字符夜晶的 ; 顯示程序為主程序DISPLAY: SETB EA ; 打開中斷總開關(guān) SETB EX0 ; 打開外部中斷0開關(guān) SETB IT0 ; 打開外部中斷0下降沿觸發(fā) MOV TMOD,#01H ; 設(shè)置定時工作方式 MOV TL0,#0FFH ; 設(shè)置定時初值 MOV TH0,#0FFH SETB ET0 ; 打開定時中斷T0開關(guān) CLR P0.5 CLR P0.6 CLR P0.7 SETB TR0 ; 定時器T0開始定時 MOV DPTR,#TAB ; 夜晶顯示的字符首地址 MOV R0,#00H ; 脈寬的初值 MOV R1,#16 ; SET SPEED PLEASE的字符個數(shù) MOV R3,#00H MOV R4,#00H LP9: LCALL CHUSHI LP2: ACALL BUSY MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DATAS INC DPTR DJNZ R1,LP2 LP3: CJNE R3,#00H,LP4 CJNE R4,#00H,LP4 SJMP LP3 LP4: MOV R7,#00H ; 中斷的標志 MOV R5,#09H ; CURRENT : 的字符個數(shù) ACALL BUSY MOV P1,#0C0H ACALL ENABLE MOV DPTR,#MMTAB ACALL BUSY LP5: MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A INC DPTR ACALL DATAS ACALL BUSY DJNZ R5,LP5 MOV DPTR,#STAB MOV A,R2 MOV P1,A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A,R3 ; 顯示速度的十位 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A,R4 ; 顯示速度的個位 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DATAS ; 使夜晶始終顯示當前電機的速度 LP8: CJNE R7,#00H,LP7 ; 速度不變時等待 LJMP LP8 ; 速度變時重新讀入速度 LP7: SJMP LP4 CHUSHI: ; 使夜晶顯示的一些初始設(shè)置 ACALL BUSY MOV P1,#00000001B ; 清屏并光標復位 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00111000B ; 設(shè)置顯示模式:8位2行5x7點陣 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00001111B ; 顯示器開、光標開、光標允許閃爍 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00000110B ; 文字不動，光標自動右移 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#80H ; 寫入顯示起始地址 ACALL ENABLE RET ENABLE: ; 寫入控制命令的子程序 SETB E CLR RS CLR RW CLR E RET DATAS: ; 寫入數(shù)據(jù)子程序 SETB E SETB RS CLR RW CLR E RET BUSY: ; 準備寫入數(shù)據(jù) CLR E MOV P1,#0FFH CLR RS SETB RW SETB E JB P1.7,BUSY RET ORG 2000HDINGSHI: ; 定時中斷服務程序 CPL P0.7 JNB P0.7,Z1 ; 周期一定 MOV A,#0FFH SUBB A,R0 MOV TH0,A SETB TR0 RETI Z1: MOV TH0,R0 ; 脈寬 SETB TR0 RETI BUTTON: ; 從控制鍵盤中讀取操作命令 PUSH ACC CLR EX0 CLR EA INC R7 ; MOV A,#0FFH MOV P2,A MOV A,P2 JNB ACC.0,AA0 JNB ACC.1,KK0 JNB ACC.2,ZZ JNB ACC.3,FF JNB ACC.4,WW0 AJMP QQ AA0: CJNE R0,#0FFH, AA1 ; 加速操作 AJMP QQ AA1: MOV A,R0 ADD A,#5 MOV R0,A AJMP QQ KK0: CJNE R0,#00,MM ; 減速操作 AJMP QQ MM: MOV A,R0 SUBB A,#5 MOV R0,A AJMP QQ QQ: MOV A,R0 MOV B,#5 DIV AB MOV B,#10 DIV AB MOV R3,A MOV R4,B SETB EX0 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EA POP ACC RETI ZZ: SETB P0.5 ; 正轉(zhuǎn)操作 CLR P0.6 MOV R2,#2BH ; 正轉(zhuǎn)標志 + LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI FF: CLR P0.5 ; 反轉(zhuǎn)操作 SETB P0.6 MOV R2,#2DH ; 反轉(zhuǎn)標志 - LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI WW0: CLR P0.5 ; 停止操作 CLR P0.6 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI DELAY: ; 延時子程序 MOV R5,#0E0H MM0: MOV R6,#