電拖自控課程設(shè)計

?電力拖動自動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計報告題目：數(shù)字式直流電機幵環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計院（系）：機電自動化學院電氣自動化 專業(yè)班級： 電氣專0902 學生姓名：張媛 學號：20092822074 指導(dǎo)教師：曹建平 202年02月13日至2012年02月24日華中科技大學武昌分校制?電力拖動自動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計任務(wù)書一、 設(shè)計（調(diào)查報告/論文）題目數(shù)字式直流電機幵環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計二、 設(shè)計（調(diào)查報告/論文）主要內(nèi)容（1） 控制對象為12V或24V,50W以內(nèi)小型直流電機;（2） 主電路采用雙極性PWM變換電路實現(xiàn)；（3） 控制電路采用單片機實現(xiàn)；（4） 驅(qū)動電路采用IR2110或IR2130驅(qū)動芯片實現(xiàn)；（5） 設(shè)計并制作控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電機的啟停、正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)三、 原始資料1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2主電路結(jié)構(gòu)與原理3隔離芯片引腳圖4驅(qū)動電路一IR21301:巨sCECT0y2w面 fClmJ 術(shù)面 '卷網(wǎng) HC?血U3 HC3曹D-SZI刃3 VDv? wig ls四、要求的設(shè)計（調(diào)查/論文）成果1實際制作并調(diào)試成功的小系統(tǒng)一套；2符合規(guī)范要求的設(shè)計報告電子檔、紙質(zhì)檔各一份五、進程安排第一周安排：（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)計方案（4號教學樓創(chuàng)新實驗室集中）；周三???周四：軟件設(shè)計（4號教學樓單片機實驗室集中）周五上午：檢驗程序流程與運行結(jié)果（ 4號教學樓單片機實驗室集中）周五下午：調(diào)試光耦隔離電路（4號教學樓單片機實驗室或創(chuàng)新實驗室集中）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)動電路調(diào)試（ 4號教學樓單片機實驗室或創(chuàng)新實驗室集中）周二下午???周三下午：系統(tǒng)聯(lián)調(diào)（4號教學樓單片機實驗室或創(chuàng)新實驗室集中）周四???周五：按規(guī)范撰寫設(shè)計報告并提交、驗收備注：第二周周四下午、周五上午審核設(shè)計報告電子檔， 通過后方可打印,于周五17:00之前上交。六、主要參考資料陳伯時?自動控制系統(tǒng)與電力拖動控制?北京：機械工業(yè)出版社，2003:57-63.李榮生.電氣傳動控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo).北京：機械工業(yè)出版社，2003:104-110.李正軍.電動跑步機PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.微電機.2007,40(10):87-88, 92.吳守箴，戚英杰.電氣傳的脈寬調(diào)制控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2010.Hava.Performanee AnalysisofReducedCommon-ModeVoltagePWMMethodsand ComparisonWithStandard:PWMMethodsforThree-PhaseVoltage-Source Inverters.IEEETransaetionsonPowerElectronics2009 ，24(1):241-252.指導(dǎo)教師（簽名）：20年月目錄課程設(shè)計任務(wù)與目的 8 課程設(shè)計任務(wù) 8 課程設(shè)計目的 9 TOC\o"1-5"\h\z系統(tǒng)方案設(shè)計 10器件介紹與硬件電路原理圖 11單片機 11主電路 14隔離電路 15驅(qū)動電路 16系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計 19PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖與參數(shù)計算 19系統(tǒng)中的部分程序設(shè)計 20單片機資源分配 20程序流程圖 24調(diào)試結(jié)果 25總結(jié) 28參考文獻 29課程設(shè)計任務(wù)與目的1.1課程設(shè)計任務(wù)本次系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計任務(wù)是控制對象是 12V或24V,50W以內(nèi)小型直流電機，采用雙極性PWM變換電路，用單片機來控制電機的啟停、正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖如下圖1所示:圖1系統(tǒng)以8032單片機為核心，小直流電機為控制對象，實現(xiàn)速度單閉環(huán)、PID控制、方便的人機對話接口，用鍵盤輸入有關(guān)控制信號與參數(shù)，實現(xiàn)電機的啟停動、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)。并在LED上實時顯示輸入?yún)?shù)與動態(tài)轉(zhuǎn)速采用單片機控制取代了以往的模擬控制，無零點漂移，使控制精度更高，而且方便系統(tǒng)的改進和升級，靈活性和適應(yīng)性更強。課程設(shè)計目的1．通過課程設(shè)計，了解單片機資源的分配與使用。2．綜合運用單片機課程中所學的理論知識。3．通過查閱手冊和參考文獻資料，培養(yǎng)學生獨立分析和解決實際問題的能力。4．熟悉掌握各種芯片的類型和特性，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。學會撰寫課程設(shè)計論文，提高撰寫設(shè)計報告的能力。培養(yǎng)嚴肅認真的工作作風和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。經(jīng)過查資料、選方案、設(shè)計電路、撰寫設(shè)計報告、使學生得到一次較全面的工程實踐訓(xùn)練，通過理論聯(lián)系實際，提高和培養(yǎng)創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學習，畢業(yè)設(shè)計，畢業(yè)后的工作打下基礎(chǔ)。系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計流程是：當人按鍵后，輸入有關(guān)控制信號，單片機接收通過運算比較后，P1.1、P1.2、P1.3、P1.4將信號傳給隔離電路TLP521-4（去使前端與負載完全隔離從而確保電路安全性，減小干擾）。接著信號六路輸入傳輸給驅(qū)動電路IR2130芯片（驅(qū)動中小容量的功率場效應(yīng)管），六路輸出信號加到六個對應(yīng)功率管的柵極上。信號經(jīng)過場效應(yīng)管（一種通過改變半導(dǎo)體內(nèi)的電場實現(xiàn)電流控制作用的半導(dǎo)體器件）。從漏極輸出的電流進入電動機進行啟停和正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)總框圖如下圖2所示：■LR1s4■童[JZK別：LH>I-wcWAEOKIMIPQJi*M3PoirjUEsPOMAU皿皿PO埶M貞onmmD1OTZMJLEPi^rcEinil.VC^LLpi>rfEX3P1J5TE33PiOZ勒PJUJMI叮E如P53/AJ1D2I/AJIT'：“飛P25ZA1+m/AJiPJO1TLP5I13R1與■LR1s4■童[JZK別：LH>I-wcWAEOKIMIPQJi*M3PoirjUEsPOMAU皿皿PO埶M貞onmmD1OTZMJLEPi^rcEinil.VC^LLpi>rfEX3P1J5TE33PiOZ勒PJUJMI叮E如P53/AJ1D2I/AJIT'：“飛P25ZA1+m/AJiPJO1TLP5I13R1與II貝時■rzifr昂雪笳呻霑Arhi_ C￥器件介紹與硬件電路原理圖3.1單片機隨著微型計算機在人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫脑絹碓狡毡?，特別是工業(yè)制造區(qū)，可以說沒有微型計算機的儀器不能稱為一個先進的儀器，沒有微型計算機的儀器不能稱其為現(xiàn)代控制系統(tǒng)，如今微型計算機控制系統(tǒng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。8051單片機由CPU和8個部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接， 其基本

結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(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3CPU與8個部件的作用功能介紹如下：中央處理器CPU:它是單片機的核心，完成運算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：8051芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H—7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內(nèi)部RAM。特殊功能寄存器：是用來對片內(nèi)各部件進行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個單元,其地址為80H—FFH內(nèi)部程序存儲器：8051芯片內(nèi)部共有4K個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。并行I/O口：8051芯片內(nèi)部有4個8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。串行口：它是用來實現(xiàn)單片機和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。定時器：8051片內(nèi)有2個16位的定時器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個和串行中斷1個。振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成8051單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列的時鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz。8051單片機引腳圖如下圖3所示：r 廠F10——14J0——VCC9051Pl1—39——P0.0F1233B—ro.1F1.3—43T—TO2FL.4—53&——TO.3F1.5—35—F04P1.634—T0.5F1.7——33—F0.6RST/?——9里—10.7EIE/F3.0—1031—EVVPPTKD/P3.1——1130—ALE/PHJOCIBT0/F3.￡29一mFr2S—P2.7TMP3.4—1427—P2.B7L/F3.5—1526—P2.SWF3.B—16戲——F2.4WP3.7IT24—P2.3XTAL2—1823—P2.2I7AL1—1922——FZ11TS5—2021——F2.03.2主電路主電路是雙極性PWM變換器主電路器件要求選用場效應(yīng)管， PWM就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來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)點是：（1）電流一定連續(xù)。（2）電機在四象限運行。（3）電機停止時有微振電流，訥訥個消除靜摩擦死區(qū)。（4）低速時，每個晶體管得驅(qū)動脈沖人很寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)(5)低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍大 20000左右缺點：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，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測量儀器，影印機，自動售票，家用電器，如風扇，加熱器等，電路之間的信號傳輸，使之前端與負載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計。TLP521-4芯片電路圖如下圖5所示，TLP521—4提供了4個孤立的光耦中16引腳塑料DIP封裝。1,3,5,7腳通過500歐姆接+5V，2,4,6,8腳接地，10，12，14，16腳通過4.7K歐姆接+5V，9，11，13，15應(yīng)該為輸出腳。

TLF521■碑2匚斗匚&匚1<3TLF521■碑2匚斗匚&匚1<3_lJOC9k>ttt3.4驅(qū)動電路此處用IR2130芯片作為場效應(yīng)管的驅(qū)動電路， IR2130是MOS、IGBT功率器件專用柵極驅(qū)動芯片，通過自舉電路工作原理，使其既能驅(qū)動橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又能驅(qū)動高壓側(cè)的功率元件， 它的內(nèi)部集成有1個電流比較器CURRENTCOMPARATOR，1個電流放大器CURRENTAMP，1個自身工作電源欠壓檢測器UNDERVOLTAGEDETECTOR，1個故障處理單元FAULTLOGIC與1個清除封鎖邏輯單元CLEARLOGIC。除上述外，它內(nèi)部還集成有3個輸入信號處理器INPUTSIGNALGEN-ERATOR兩個脈沖處理和電平移位器PULSEGENERATORLEVELSHIFTER，3個上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動信號鎖存器LATCH，3個上橋臂側(cè)功率管驅(qū)動信號與欠壓檢測器，U.VDETECTOR與6個低輸出阻抗MOS功率管驅(qū)動器DRIVER和1個或門電路。正常工作時，輸入的6路驅(qū)動信號經(jīng)輸入信號處理器處理后變?yōu)?6路輸出脈沖。當IR2130驅(qū)動上橋臂功率管的自舉電源工作電壓不足時，則該路的驅(qū)動信號檢測器迅速動作，圭寸鎖該路的輸出，避免功率器件因驅(qū)動信號不足而損壞。當逆變器同一橋臂上2個功率器件的輸入信號同時為高電平，則 IR2130輸出的2路門極驅(qū)動信號全為低電平， 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6VB1?VB3:是懸浮電源連接端，通過自舉電容為 3個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源， VS1?VC3是其對應(yīng)的懸浮電源地端。HIN1?HIN3、LIN1?LIN3:逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動信號輸入端，低電平有效。ITRIP:過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護CA-、CAO、Vso:內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號檢測。HO1?HO3、LO1?L03:逆變器上下橋臂功率幵關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。FAULT:過流、直通短路、過壓、欠壓保護輸出端，該端提供一個故障保護的指示信號。它在芯片內(nèi)部是漏極幵路輸出端，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4.1PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖與參數(shù)計算按照典型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二Rn/RO Tn二Rn/Cn Ton二1/4RO*Con參數(shù)求法：電動機P=10KWU=220V l=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=0.2uFCon=1uF 貝卩：Umax=220VUmin二（220/0.9）*0.5=122VYi-1=0 W=1000轉(zhuǎn)/分P=Kp=Rn/Ro=11.7I=Kp*T/Ti=125

4.2系統(tǒng)中的部分程序設(shè)計4.2.1 單片機資源分配工作寄存器0組Ro-R700H-07H數(shù)據(jù)緩沖區(qū)30H-7FHPSW.4(RSi=0) PSW.3(RSo=O) ;選中工作寄存器0組P0口地址80HP1口地址90HP2口地址A0HP3口地址B0H堆棧（SP）81H定時器/計數(shù)器控制TCON 88H定時器/計數(shù)器方式控制TMOD 89H定時器/計數(shù)器0低字節(jié)TL0 8AH高字節(jié) TH08CH定時器/計數(shù)器1低字節(jié)TL1 8BH高字節(jié) TH18DH中斷1――PI采樣（Ui）中斷0——A/D采樣P1口預(yù)置中斷0——A/D采樣P1口預(yù)置WP0口測量值（實測Y)主程序:0000AJMPSTARTSTART：CLRPSW.4CLRPSW.3；選中工作寄存器0組CLRCMOVR0，4FHMOVA，30HCLEAR1：CLRAINCADJNZR0，CLEAR1；清零30-7FHSETBTR0；定時器/計數(shù)器0工作MOVTMODE，#01H；定時器/計數(shù)器工作在方式1SETBEA；總中斷開放SETBIT0；置INTO為降沿觸發(fā)SETBIT1；置INT1為降沿觸發(fā)LJMPMAINLJMPCTCOLCALLSAMPLEFosc=12MHZ，用一個定時器/計數(shù)器定時50ms，用R2作計數(shù)器，置初值14H，到定時時間后產(chǎn)生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，讓計數(shù)器內(nèi)容減1，當計數(shù)器內(nèi)容減為0時，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/TI貝yUi=Ui-i+P(ei-ei-1)+I*eiT——采樣周期 Ti=RnCn Kp二Rn/RoPI程序：SETBEX1；開放中斷1MOVRo，9oH;P1口（W）送R0,預(yù)設(shè)MOVR1，8oH;P0口（Y）送R1，實測MOVA，Ro;W給AMOVB，R1;Y給BSUBBA，B；ei給AMOV7FH，A；ei給7FHMOV7EH，#ooH；ei-1=o給7EHMOV7BH，UmaxMOV7AH,UminAJMPIN；積分項AJMPP；比例項MOVA，R2；Pi給AADDA，R3；Pi+Pp給AMOV7DH，#ooH；Ui-1=o給7DHADDA，7DH；Ui-1+Pi+Pp=Ui給A

MOV7CH,A；Ui給7CHMOV7DH，7CH；Ui給Ui-1MOVA，7BH；Umax給ACJNEA，#Ui，LOOP2；Ui〉Umax轉(zhuǎn)移MOVA，#UiCJNEA，7AH，LOOP3；Ui<Umin轉(zhuǎn)移MOV90H，7CH；輸出Ui到P1口LOOP2：MOVA，7CH；Ui給ACLRCSUBBA，#UmaxRETILOOP3：MOVA，7CH；Ui給ACLRCSUBBA，#UminRETIIN：MOV6FH，#IMOVA，6FH；I給AMOVB，7FH；ei給BMULAB；Pi=I*ei給AMOVR2，A；Pi給R2RETIP：MOV6EH，#P

CLRCMOVA，7FH；ei給ASUBBA，7EH；ei-ei-1給AMOV7EH，7FH；ei給ei-1MOVB，6EHMULAB；（ei-ei-1）*P給AMOVR3，A；Pp給R3RETI程序流程圖程序流程圖如下圖9所示：11F計舞帕羞ax=?W—YXil詩■積曲空尸丄=a［近甲.WJjOiU￡—1+Fi*Pd?Ui5.調(diào)試結(jié)果仿真整體圖如下圖10:

圖10直流電機的調(diào)試功能仿真如下圖11:1、正轉(zhuǎn)時，電