直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量與控制(共20頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上蘇州大學(xué)城市軌道交通學(xué)院課題名稱：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制與測量學(xué) 院： 城市軌道交通學(xué)院 班 級： 10級通信工程 學(xué) 號： 姓 名： 袁 圓 其他成員： 李吟喬 王佳毓 蘇朗 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量與控制一、 設(shè)計要求1) 電機(jī)轉(zhuǎn)速比例測量，并數(shù)碼管顯示；2) 電機(jī)轉(zhuǎn)速由按鍵設(shè)定，步長為1rad/min。二、 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量與PWM控制的基本原理:直流電機(jī)的工作原理為：直流電機(jī)的磁極N,S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面固定著線圈abcd。當(dāng)線圈流過電流的時候，線圈受到電磁力的作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過線圈中電流改變方向時，線圈的受力方向也將改變，因

2、此通過改變線圈電流的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。由于方波的有效電壓跟電壓幅值和占空比有關(guān)，因此我們通過單片機(jī)的控制電路改變占空比，從而改變有效電壓，以此控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。即采用PWM（脈寬調(diào)制）方法實(shí)現(xiàn)調(diào)速。三、 設(shè)計方案程序應(yīng)用模塊化進(jìn)行設(shè)計，主要有初始化模塊、顯示模塊、讀鍵模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊、雙字節(jié)除法模塊、中斷模塊和控制調(diào)節(jié)模塊。初始化模塊：8155工作方式、T0和T1工作方式、標(biāo)志位狀態(tài)、所用單元初值、中斷設(shè)置以及初始顯示等。顯示模塊：設(shè)定值和實(shí)測值的數(shù)值與字符動態(tài)顯示。讀鍵模塊：從I/O口依據(jù)某位數(shù)碼管亮?xí)r讀入小按鍵是否有效，然后根據(jù)四個小鍵盤的不同功能進(jìn)行相應(yīng)的處理，只要設(shè)定值一改變立刻

3、顯示。加1鍵和減1鍵要有連加連減功能。數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊：將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制。外部中斷模塊：將轉(zhuǎn)1圈的時間通過雙字節(jié)除法程序求出即時轉(zhuǎn)速。定時中斷模塊：PWM輸出波形形成?？刂普{(diào)節(jié)模塊：通過設(shè)定值和實(shí)測值的比較來改變脈沖波的占空比，該數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)分為簡單比例調(diào)節(jié)PP和比例積分調(diào)節(jié)PI。調(diào)節(jié)公式分別為：YK=YK1+KP*EKYK=YK1+KP*EK+KI*EK2YK：要輸出的數(shù)據(jù)YK1：上次輸出的數(shù)據(jù)EK：設(shè)定值和實(shí)測值的差值EK1：上次的EK值EK2：EK-EK1的差值KP：比例系數(shù)（設(shè)KP=12）KI：積分系數(shù)（設(shè)KI=12）四、 硬件設(shè)計我們將整個模塊分為以下幾個部分：控制部分，驅(qū)動電路和負(fù)載

4、的續(xù)流電路。4.1控制部分圖4.1 系統(tǒng)方框圖控制電路主要由單片機(jī)來控制，編寫一段程序使單片機(jī)發(fā)出的PWM脈沖來實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動的控制。新一代的單片機(jī)具有PWM功能。通過對單片機(jī)的初始化設(shè)置，使其自動發(fā)出PWM脈沖波，只有在改變占空比的時候CPU才干預(yù)。4.2驅(qū)動電路的設(shè)計開關(guān)驅(qū)動是利用大功率晶體管的開關(guān)作用。將恒定的直流電源電壓轉(zhuǎn)換為一定的方波電壓加在電機(jī)電樞上，與線性方式不同，在這種驅(qū)動方式下，驅(qū)動器的功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)器件導(dǎo)通時，器件的電流很大但是壓降很??；器件關(guān)斷時，壓降很大但是電流很小。因此驅(qū)動器的功率消耗少，發(fā)熱量少，效率較高。通過控制開關(guān)的頻率和脈寬，可以對電機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。我

5、們在本次設(shè)計中采用的PWM脈沖調(diào)制方式正是一種開關(guān)驅(qū)動方式，是直流電機(jī)最重要也是最常見的驅(qū)動方式。采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖及在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，這正是PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。PWM驅(qū)動方式易與處理器接口，使用簡單，最常見的就是H橋電路。集成H橋芯片很很多型號，我們使用的是L298的芯片（如圖4.2）。圖4.2 L298引腳及外形圖表4.1 L298引腳符號及功能一般利用H橋電路來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。H橋驅(qū)動電路：圖4.3 H橋驅(qū)動電路圖4.3中所示為一個典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個三極管組成H的4條垂

6、直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（注意：圖4.3及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，如圖4.4所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動（電

7、機(jī)周圍的箭頭指示為順時針方向）。圖4.4 H橋電路驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動圖4.5所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時針方向）。圖4.5 H橋電路驅(qū)動電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動可以把Q1跟Q4接在一起，Q3跟Q2接在一起，這樣只要兩個單片機(jī)I/O口就行。這個橋式電路圖只用來說明原理，實(shí)際應(yīng)用還要看電機(jī)的額定電壓、電流。也可以用L293、L298直流的集成芯片。我們采用的是模塊是H橋芯片L298,圖4.6所示是L298的內(nèi)部原理圖。圖4.6 L298內(nèi)部原理圖L298需要2個電壓，一個

8、為邏輯電路工作時所需要的5V電壓VCC，另一個為功率電路所需的驅(qū)動電壓VSS。驅(qū)動電路的輸入可直接與單片機(jī)的引腳相連，為了進(jìn)一步提高抗干擾能力我們還使用了光電耦合器件組成的隔離電路和控制電路和動力電路進(jìn)行電氣隔離。參見表4.1。原理分析：使能端輸入使能，控制輸入端A端輸入PWM信號，控制輸入端B端輸入PWM的反相信號，在一個PWM周期里，電機(jī)的電樞承受雙極性的電壓，電機(jī)的速度和方向均由PWM決定。PWM占空比為50%（數(shù)碼管顯示50）時，對應(yīng)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速為+113r/min， 為電機(jī)初始轉(zhuǎn)速。占空比為0%-50%（數(shù)碼管顯示0-50）的時候電機(jī)的轉(zhuǎn)速是63-113r/min；占空比為50%-9

9、9%（數(shù)碼管顯示50-99）的時候電機(jī)的轉(zhuǎn)速是113-162r/min。電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度由PWM脈沖方波的占空比決定。占空比越大則速度越快，即電機(jī)加速，占空比減小則是電機(jī)轉(zhuǎn)動速度減慢，即電機(jī)減速（轉(zhuǎn)速控制通過電路中SPEED UP和SLOW DOWN兩個按鍵輸入改變），鍵盤設(shè)置見圖4.7。圖4.7 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量與控制電路模塊圖4.3續(xù)流電路的設(shè)計由于電機(jī)具有較大的感性，電流不能突變，若忽然將電流切斷將在功率管兩端產(chǎn)生巨大的電壓，損壞器件。我們應(yīng)用二極管來續(xù)流，利用二極管的單向?qū)ㄐ?。二極管的選用必須要根據(jù)PWM的頻率和電機(jī)的電流來決定。二極管要有足夠迅速的恢復(fù)時間和足夠的電流承受能力。電流如

10、果突變易損壞功率管即L298芯片。為保護(hù)芯片而加上續(xù)流電路，如圖4.8所示。圖4.8 續(xù)流電路工作原理圖4.4整個電路原理圖五、 程序設(shè)計1） 設(shè)計流程圖2）源程序#include<reg51.h>sbit pwm=P00;sbit MOTOR_ENA=P17;sbit led1=P01;sbit led2=P02;unsigned char pwm_count;volatile unsigned char pwm_duty;/占空比系數(shù)unsigned char code DSY_CODE=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,

11、0x6f; void DelayMS(unsigned int x) unsigned char t; while(x-) for(t=0;t<100;t+); void display()led1=0;P2=DSY_CODEpwm_duty/10;DelayMS(1);led1=1;led2=0;P2=DSY_CODEpwm_duty%10;DelayMS(1);led2=1; /* 初始化*/void intial()pwm_count=0;pwm_duty=50;/50% dutyIE|=0x87;/1000 0111IP=0x04;/0000 0100外部中斷1高優(yōu)先級TMOD=

12、0x02;/定時器0，方式2IT0=1;IT1=1;/外部中斷下降沿觸發(fā)TR0=1;/啟動定時器0TH0=256-10;/定時10us ，假定晶振頻率12MHzP2=0;P0=0;MOTOR_ENA=1;led1=1;led2=1;P2=0;void main()intial();while(1)display();void pwm_gernate() interrupt 1 /定時器0中斷子程序pwm_count+;if(pwm_count<pwm_duty)pwm=1;elsepwm=0;if(pwm_count=99)/方波周期=10us*200=2ms,頻率500Hz pwm_c

13、ount=0;void pwm_up()interrupt 0/外部中斷0子程序pwm_duty+;if(pwm_duty>99)pwm_duty=99;void pwm_down()interrupt 2/外部中斷1子程序if(pwm_duty=0)pwm_duty=1; pwm_duty-;六、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果上電，數(shù)碼管顯示初始態(tài)50，此時電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為+113r/min。見圖6.1。圖6.1 電路上電初始態(tài)上電后電路接通，閉合開關(guān)SW2，速度初始化為50（實(shí)際轉(zhuǎn)速+113r/min）。按鍵開關(guān)SPEED UP和SLOW DOWN分別控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，步長為1（實(shí)際速度為1r/min）

14、。開關(guān)SW-spdt為中止開關(guān)。PWM端接示波器，可以觀察PWM脈寬調(diào)制，此時為占空比50%的情況。（見下圖6.2）圖6.2 PWM端示波器脈寬調(diào)制顯示（此為占空比50%的情況）七、 測速原理分析1.光電盤測速示意圖:圖7.1 光電測速示意圖光碼盤測速是一種精度較高的測速方法。由于光碼盤原理和結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),測速精度不可能達(dá)到相當(dāng)高的程度,但其廉價和方便性是顯而易見的。光碼盤原理簡單,輸出精度和分辨率高,壽命長,比較適合部隊(duì)裝備使用的要求?；镜臏y速裝置如圖7.2所示。圖7.2 測速裝置功能結(jié)構(gòu)框圖2. 速度信號采樣電路速度信號采集采用光碼盤轉(zhuǎn)換電路,如圖7.3 所示。發(fā)光二極管LED 發(fā)出紅外

15、光,透過遮光板TLP 的圓孔照射光敏三極管T1 ,使其迅速由截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通,如此反復(fù)形成光脈沖信號,經(jīng)T2 的放大,再由74LS04反向整形后送給單片機(jī)。為了提高響應(yīng)速度,選用脈沖響應(yīng)時間為50ns 的GaA1As 紅外發(fā)光二極管,將光敏三極管做光敏二用另外數(shù)據(jù)的處理由單片機(jī)完成。設(shè): n 電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/ min) N 一個采樣周期T 內(nèi)計數(shù)器記錄的光脈沖的個數(shù)P 測速盤開孔的總數(shù)T 采樣周期(s) f 脈沖頻率則:T·n·p/ 60 = N因此電機(jī)轉(zhuǎn)速為:n = 60N/ (PT)圖7.3 光碼盤轉(zhuǎn)換電路3.測試結(jié)果測速精度可由下式得到:n =(nxn0)/n0

16、5;100 %式中,nx 為轉(zhuǎn)速測量值,n0 為轉(zhuǎn)速實(shí)際值。Proteus仿真中所用的直流電機(jī)自帶顯示轉(zhuǎn)速功能，轉(zhuǎn)速范圍為63r/min162r/min。數(shù)碼管顯示數(shù)字每變化單位“1”，電機(jī)轉(zhuǎn)速就隨之變化1r/min。八、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)1.整個過程中出現(xiàn)的問題及解決的方案。（1）選題 本次小組設(shè)計我們的題目是直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量與控制，相對比較難，也是對我們的考驗(yàn)，在沒有什么設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的前提下，對于我們來說壓力還是很大的。(2)電動機(jī)組的選擇 本設(shè)計需要較精確的控制,需要用配置較高的直流電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計的全部功能，由于條件所限，沒有買到十分合適的電機(jī)，本實(shí)驗(yàn)中均由仿真代替。(3)驅(qū)動電路的選擇 剛開始

17、的時候，我們不知道選擇什么樣的驅(qū)動電路，經(jīng)過查閱資料，采用了驅(qū)動能力較強(qiáng)的驅(qū)動芯片 L298，該芯片電壓電流的范圍較寬，響應(yīng)頻率高，方便使用 PWM 調(diào)節(jié)電機(jī)。 2.團(tuán)隊(duì)管理的心得體會 通過學(xué)期的課程設(shè)計，我們真正體會到什么是團(tuán)隊(duì)協(xié)作，真正的了解到團(tuán)隊(duì)合作的有利之處，真正感受到團(tuán)隊(duì)成員為了共同的目標(biāo)聯(lián)合在一起時的強(qiáng)大的力量。我們之所以稱為是一個團(tuán)隊(duì)，是因?yàn)槲覀冇泄餐哪繕?biāo) 完成好實(shí)驗(yàn)設(shè)計。 團(tuán)隊(duì)成員之間要相互信任、相互幫助。但遇到困難時，要同心協(xié)力，不要相互推脫責(zé)任，更不能相互指責(zé)，我們應(yīng)該心平氣和的好好商量一下，這個問題到底該怎么解決。在團(tuán)隊(duì)的管理中，要充分照顧好每一個人的意見，對于一個問題

18、，要集思廣益，運(yùn)用集體的智慧來完成它。我們主要有以下心得體會：(1) 要有奉獻(xiàn)精神，不要怕自己多做了，不要怕自己承擔(dān)的任務(wù)有多重，而其他成員做的很少。多去做一點(diǎn)又不會吃多少虧，還能學(xué)到更多的東西。這樣當(dāng)其他成員不能有效的完成任務(wù)時，團(tuán)隊(duì)還可以有效的運(yùn)行。團(tuán)隊(duì)成員之間應(yīng)團(tuán)結(jié)互助，不計功過得失；(2) 分工上不能馬虎，要具體到個人，每個人負(fù)責(zé)哪部分任務(wù)，什么時候完成，都要有明確的說明。這一點(diǎn)我們慶幸自己做的很好，從一開始我們就通過集體商量確定各個成員的分工，接下來每位成員都只用按照自己的任務(wù)按部就班的執(zhí)行下去，效率非常的高。分配各成員工作時，應(yīng)各盡其能，做到資源優(yōu)化配置；(3) 具體工作時，各成員應(yīng)頻繁交流，避免各自為政，最后導(dǎo)致軟硬件不兼容，或是論文作者無從下手；(4) 當(dāng)工作出現(xiàn)問題是，各成員應(yīng)仔細(xì)商討，盡快找到問題的癥結(jié)，決不應(yīng)推卸責(zé)任，更不能相互埋怨；(5) 每個團(tuán)隊(duì)都應(yīng)有一個核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各成員之間的工作，調(diào)節(jié)各成員之間關(guān)系，使團(tuán)隊(duì)和諧發(fā)展，使各成員為盡早完成任務(wù)而努力；此核心成員還應(yīng)該