畢業(yè)設計（論文）紅外遙控直流電機速度控制器的設計

1、（輸入章及標題）畢業(yè)設計（論文） 紅外遙控直流電機速度控制器的設計學 院 信息科學與工程學院 年級專業(yè) 03級電子科學與技術 學生姓名 指導教師 專業(yè)負責人 答辯日期 2007-6-24 iii大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院： 信息科學與工程學院 系級教學單位：電子科學與技術 學號學生姓名專 業(yè)班 級光電子4班課題題 目紅外遙控直流電機速度控制器的設計來 源自選主要內容設計基于mcs51單片機和38khz紅外發(fā)射接收對管實現的紅外遙控直流電機速度控制器，能夠實現對直流小電機的進行啟動、升速、降速、停止等操作，并且在電機轉動過程中實時顯示當前電機就速度。要求實現系統(tǒng)的硬件設計的軟件設計并完成試驗

2、演示基本要求1，熟悉mcs51單片機的工作原理和程序設計方法2，畫出所設計系統(tǒng)的電路原理圖和電路板圖3，編制針對所設計硬件的程序，完成設計要求的功能4，完成滿足規(guī)定要求的畢業(yè)設計說明書一份5，完成5000字的英文翻譯一份參考資料1，mcs51單片機原理與應用設計2，直流電機調速3，keil使用方法用戶手冊周 次14周58周912周1316周1718周應完成的內容確定設計要求，進行資料查閱及熟悉設計中所用的硬件和軟件方案設計，畫出所設計系統(tǒng)的電路原理圖，并進行深入論證對所設計系統(tǒng)進行仿真和實驗研究，編制應用程序對所設計的電路及程序進行實際驗證和調試撰寫論文，準備答辯指導教師：郭璇系級教單位審批：

3、摘 要摘 要隨著紅外光電器件的大量出現，紅外線遙控已廣泛應用在家用電器、安全保衛(wèi)，工業(yè)控制以及人們的日常生活等許多領域。本文首先描述了直流電機的結構和工作原理，其次，著重介紹了紅外線遙控系統(tǒng)的基本原理，最后，結合本課題的研究方向，詳細的闡述了紅外遙控直流電機速度控制器的的基本原理，并根據紅外發(fā)射接收的原理，繪制了電路圖。本文編寫的主導思想是基于mcs51單片機和所要求的38khz紅外發(fā)射對其直流電機進行控制，這里用38 khz的晶振與4060相連組成晶體振蕩電路來產生38khz的方波，同時利用電子電路軟件protel對其進行電路設計。本系統(tǒng)以單片機的匯編語言進行軟件設計，并力求使程序設計的邏輯

4、關系簡潔明了，從而有效地控制直流電機。關鍵詞紅外線，直流電機，單片機，protel99，調速41abstractwith infrared photoelectric devices have emerged, infrared remote control has been widely used in home appliances, security and industrial control and people's daily lives and many other fields. this paper first describes the dc motor of th

5、e structure and working principle, and secondly, focus on the infrared remote control system to the basic principles finally, the subject of research, detailed description of the infrared remote control dc motor speed controller of the basic principles, and in accordance with infrared transmitter-re

6、ceiver theory, drawing a circuit diagram. this paper prepared by the dominant ideology is based on the mcs-51 microcontroller and the required 38 khz its infrared emission motor control, here brilliant to shake, link with 4060, make up crystal shake circuit come square wave to produce 38khz with 38

7、khz ,the use of electronic circuit portal software for its circuit design. the scm systems to a compilation of language software designs, and strive to make the program design logic concise, thereby effectively dc motor control. keywords nfrared, direct current machine, monolithic integrated circuit

8、, protel99, velocity modulation目 錄目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 課題研究的意義和主要內容11.1.1 課題研究的意義11.1.2 課題主要內容11.2 課題背景1本章小結3第2章 直流電機52.1 直流電機的特點和用途52.1.1 直流電機的特點52.1.2 直流電機的用途52.2 直流電機的結構62.2.1 直流電機結構的組成62.2.2 直流電機結構詳細介紹72.3 直流電機的工作原理82.3.1 直流電動機的工作原理82.3.2 直流發(fā)電機的工作原理92.4 直流電機的銘牌數據及主要系列102.4.1 直流電機的銘牌數據102.

9、4.2 直流電機的主要系列102.5 直流電機的運行原理112.5.1 直流電機的基本方程式112.5.2 直流電機的機電能量變換過程132.6 直流電機的使用142.6.1 起動142.6.2 調速142.6.3 反轉152.6.4 制動15本章小結15第3章 紅外線遙控系統(tǒng)173.1 紅外遙控器信號發(fā)射原理簡介173.2 遙控技術及控制原理173.2.1 遙控技術173.2.2 遙控系統(tǒng)的一般原理183.3 紅外遙控器信號接收芯片外圍電路183.4 頻分遙控系統(tǒng)193.5 碼分遙控系統(tǒng)19本章小結20第4章 紅外線電機控制系統(tǒng)總體設計214.1 紅外線控制電機設計原理214.1.1 紅外線

10、發(fā)射與接受器件介紹214.1.2 控制器的設計原理224.1.3 紅外發(fā)射電路模塊的設計原理224.1.4 紅外接收電路模塊的設計原理234.2 紅外數據發(fā)射接收電路264.2.1 紅外發(fā)射電路設計264.2.2 紅外接收電路設計264.3 設計結果27本章小結28結 論29參考文獻31附錄33致 謝39第1章 緒論第1章 緒論1.1 課題研究的意義和主要內容1.1.1 課題研究的意義單片機自20世紀70年代問世以來，作為微計算機一個很重要的分支，應用廣泛，發(fā)展迅速，已對人類產生了巨大的影響。尤其美國intel公司生產的mcs51系列單片機，由于其具有集成度高、處理功能強、可靠性好、系統(tǒng)結構簡

11、單、價格低廉、易于使用等優(yōu)點，在我國已經得到廣泛的應用，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測控制、電力電子、機電一體化等方面取得了矚目的成果。在高壓、輻射、有毒氣體等環(huán)境下，直接操作生產設備會影響設備操作者的健康，甚至影響設備的成本結構為了保證生產的質量、安全和可靠性，遙控技術得到廣泛的應用。紅外線遙控具有體積小、方向性好、功耗低、功能強和成本低等特點，因此該控制器是選用紅外線遙控技術，并結合單片機，針對電機系統(tǒng)的較遠距離現場控制而進行設計、又由于電機調速范圍寬，具有遲滯性，受負載影響顯著，因此本設計是由單片機完成解碼，并控制信號輸出，從而較好地實現電機的遠離現場調控，同時通過對本文利用單片機強大的控制能

12、力設計了一個單片機控制直流電機的控制系統(tǒng)，這不僅使人們更了解單片機的控制功能，也了解了直流電機的功能和使用和紅外線控制的有關特性，這些都為以后的研究和工作打下了很好的基礎，也使我學到了更多的知識。1.1.2 課題主要內容本課題主要是采用8051單片機設計紅外線控制電機電路，要求可以用按鈕對直流電機進行加速和減速的正反控制，且實時在數碼管上顯示當前的電機轉速。1.2 課題背景電機是現代工農業(yè)生產中不可缺少的能量變換裝置，電能的產生、輸送、分配和使用幾乎都離不開它?？梢哉f，電機的發(fā)明和應用開創(chuàng)了世界電氣化的新時期。自從1812年法拉第發(fā)現了利用電磁力將電能轉換成機械能的可能性，1831年又發(fā)現了將

13、機械能裝換成電能的電磁感應定律以后，各種電機相繼問世。其中發(fā)明最早的是直流電機，當時已應用于照明、化學工業(yè)和城市交通運輸等方面。隨著用電區(qū)域和輸電距離的擴大，又發(fā)明了變壓器和同步電機。特別是在十九世紀末，三相同步發(fā)電機、三相變壓器和三相異步電動機的出現，使得電機工業(yè)得到了更為迅速的發(fā)展1。進入二十一世紀以后，由于人們對電機理論研究的日益深入，許多新的導磁材料和絕緣材料的采用，冷卻方法的改善，電機的單機容量在不斷擴大，而同容量電機的外型尺寸和重量卻逐漸減小，電機的性能更加提高，許多使用于各種行業(yè)和不同環(huán)境的電機新品種陸續(xù)制成。隨著生產過程自動化和遙測遙控技術的發(fā)展，各種微型控制電機紛紛出現，并得

14、到了迅速廣泛的發(fā)展和應用。電機的種類很多，它們的理論分析也日益深入和完善。直流電機是工業(yè)上廣泛使用的一種電機，它是旋轉電機的一種，當作為電動機運行時，由直流電源供電，驅動機械負載旋轉；當作為發(fā)電機運行時，由原動機驅動，供電給各種需用直流的用電裝置。微型直流電機常作為自動控制裝置中的元件，進行機、電信號的轉換。直流發(fā)電機主要作為工業(yè)部門所需要的直流電源，曾得到長期和普遍的應用。近年來，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，用可控硅整流電源來代替直流發(fā)電機已日益廣泛。但是在無交流輸電網絡供電而需要直流電源以及如真空冶煉等特殊需要直流供電的場合，直流電機仍然是必需的。直流電動機是拖動生產機械的一種動力設備，與交流電動

15、機相比較，它具有良好的起動性能和調速性能，因此獲得廣泛的使用，并且在不斷發(fā)展。隨著國民經濟和國防建設的發(fā)展，工業(yè)生產自動化程度的不斷提高，要求直流電動機具有更高的動態(tài)特性，較大的過載能力，更寬的調速范圍，較低的轉動慣量,不斷提高產品的可靠性,耐用性和主要技術經濟指標;在某些場合則要求提高大型直流電機的單機功率;要求發(fā)展更多能適應特種用途和在特殊環(huán)境條件下使用的專用直流電機2。由于直流電機的生產不斷發(fā)展，對直流電機的要求日益提高，在直流電機設計方面應該積極開展的工作是多方面的。如結合新技術、新工藝、新材料的發(fā)展，不斷改進電機的結構；提高產品的系列化、部件的通用化和零件的標準化程度；擴大電子計算機

16、在設計上的應用；進一步對直流電機的電磁場、換向、通風散熱和振動噪聲等問題的研究等。本章小結本章主要介紹了課題研究的背景和意義以及研究的主要內容和需要做的工作。其中，對直流電機的發(fā)展做了概述，還對單片機做了簡要的介紹，并且對在設計中所需要的軟件進行了了解，使我們掌握了一種畫圖工具和仿真工具的使用及他們的特點，對以后的工作有很大的幫助。本章的目的就是讓大家對本課題有一個簡單的認識。第2章 直流電機第2章 直流電機2.1 直流電機的特點和用途2.1.1 直流電機的特點和其他旋轉電機一樣，一般的直流電機在結構上具有旋轉部分和靜止部分；在作用原理上實行機電能量的轉換；在性能上使發(fā)電機的電壓或電動機的轉速

17、能滿足使用要求。除此之外，直流電機還有其他特點。直流電機在結構上的特點是：具有旋轉的電樞和換向器；旋轉的換向器和靜止的電刷裝置間構成滑動接觸，使外電路和電樞繞組相連通；磁極是靜止的，它所產生的磁場是穩(wěn)定的。直流電機的磁極可以用具有勵磁繞組的鐵心做成，也可以用永久磁鋼做成，前者用于一般的直流電機，后者常用于控制用直流電機或特種直流電機。勵磁繞組有并勵繞組和串勵繞組兩類，根據他們的不同聯(lián)接情況可以形成他勵、并勵、串勵、復勵四種不同的勵磁方式。不同的勵磁方式使直流電機具有不同的特性，可以適應不同的用途。直流電機的大小一般按電樞直徑尺寸來劃分：電樞直徑小于或等于368毫米的，通稱為小型直流電機；電樞直

18、徑大于368毫米而又小于或等于990毫米的，通稱為中型直流電機；電樞直徑大于990毫米的，通稱為大型直流電機。直流電動機在性能方面的特點是：能夠在寬廣范圍內平滑而又方便的無級調速；可實現頻繁的快速起動、制動和反轉；具有較高的過載能力，能夠承受頻繁的沖擊負載；能適應生產過程自動化的要求，根據不同設備的需要而制造出滿足其特殊要求的運行特性。 直流發(fā)電機在性能方面的特點是：輸出電壓易于調節(jié)或控制；能夠滿足不同控制系統(tǒng)所要求的電源特性；具有較大的過載能力4。2.1.2 直流電機的用途直流電機廣泛應用于礦山機械、冶金、軋鋼、起重、船舶、電傳動機車、機床、紡織、印染、造紙、印刷、水泥和化工等工業(yè)設備中需要

19、寬廣調速的動力系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)。直流發(fā)電機常作為直流供電電源和同步電機的勵磁機等。具體來說，他勵或并勵電動機用于起動轉速不大的恒速負載或要求調速的傳動系統(tǒng)，如：離心泵、風扇、金屬切削機床、紡織印染機械、造紙機和印刷機等。復勵電動機用于起動轉矩較大而轉速變化不大的負載，如空氣壓縮機和冶金輔助傳動機械等。串勵電動機用于高起動轉矩轉速允許有較大變化的負載，如蓄電池供電車、起貨機、起錨機、電車、電傳動機等。他勵發(fā)電機常用于電動機發(fā)電機電動機系統(tǒng)中，實現直流電動機的寬廣調速。并勵發(fā)電機常作為充電、冶煉、電解、電鍍等用的直流電源。積復勵發(fā)電機作為電壓變化較小的一般直流供電電源5。2.2 直流電機的結構

20、2.2.1 直流電機結構的組成（1）直流電機結構的主要組成部分有：1、子部分：包括機座、主磁極、換向極和補償繞組等；2、樞部分：包括電樞鐵心、電樞繞組和換向器等；3、刷裝置部分：包括電刷、刷握、刷桿和導電環(huán)等；4、械支撐部分：包括轉軸、端蓋、軸承和底板等；5、風和防護裝置部分：包括風扇或風機、冷卻器、過濾器、防護端罩和檔風板等。 這些零部件要能承受電機的機械負載（包括沖擊性負載、電磁力和振動等）、電磁負載（包括過電壓和過電流等）和熱負載。有些零部件尺寸要經過計算后才能確定，有些則根據實踐經驗選取。合理的結構可以提高電機運行的可靠性和便于維護。 各種直流電機的結構是基本相似的，但也隨功率大小、轉

21、速高低、冷卻方式、防護類型、運行特性、安裝型式與運輸要求等因素有所差異。（2）常見的大、中、小型直流電機在結構上的某些主要差別是1、通風冷卻方式：中小型電機一般采用自冷或自扇式通風;而大型電機普遍采用強制循環(huán)通風或直通式通風；2、座結構方面：中小型電機常用鑄鋼、鋼板焊接或疊片整體結構機座； 而大型電機用鑄鋼、鋼板焊接或疊片式分半結構機座；3、樞鐵心結構方面：中小型電機用整圓沖片、疊片鐵心直接套裝在滾花或帶鍵的軸上，部分中型電機采用整圓沖片疊裝在電樞支架上；大型電機用扇形電樞沖片拼合成圓，沖片與支架之間用切向和徑向楔鍵或鴿尾筋固定；4、承型式方面：小型電機常用滾動軸承；大中型電機用座式滑動軸承。

22、對載荷較大的滑動軸承，采用油盤式帶油潤滑和高壓油泵頂起裝置；5、向器方面：小型電機常采用塑料換向器、鉚接式換向器或螺帽緊固式換向器，換向器直接套裝在軸上；大型電機采用長螺桿緊固的拱式換向器或分段換向器，換向器懸掛地固定在電樞支架上；6、電刷裝置方面：小型電機的電刷裝置固定在端蓋上，刷握一般用直刷盒；部分中型電機及大型電機的刷握形式有直刷盒、斜刷盒；大型電機的電刷裝置為分半結構，固定于定子機座或獨立的支架上7、與原動機或傳動機械的連接方式：小型電機一般采用彈性聯(lián)接；大型電機采用剛性連接。2.2.2 直流電機結構詳細介紹2.2.2.1定子結構定子結構直流電機定子的作用是用來產生磁場，并作為機械的支

23、撐。它主要由機座、主磁極鐵心盒線圈、換向極鐵心盒線圈、補償繞組、定子引線電纜等零部件組成。（1）機座：直流電機的機座是磁路的組成部分，也是固定主磁極、換向極、端蓋等零部件的支撐件。它一般由導磁性較好的鑄鋼或鋼板焊接構成。機座壁厚主要取決于磁通密度的大小，同時也應有足夠的剛度，使電機運行時不產生有害的變形和振動。（2）主磁極：主磁極的作用是產生主磁通，它由鐵心、線圈、磁極壓板、極身絕緣和緊固件組成。主磁極一般是用螺栓固定在機座上。主磁極鐵心的緊固按鐵心的長短分別用焊接、鉚接和螺桿緊固三種方法。主磁極勵磁繞組有并勵和串勵兩種，繞組的安排和布置應考慮到有利于繞組的通風冷卻和有效地利用定子空間。（3）

24、換向極：換向極用以改善換向，它裝在相鄰主磁極間地幾何中心線上，由換向極鐵心和換向極線圈組成，用螺桿固定在機座上。（4）補償繞組：它用來抵消主磁極極弧范圍內的交軸電樞反應磁動勢，以改善電機的換向性能。補償繞組均勻分布在主磁極極靴的槽內，其基本結構形式有菱形、同心式和條式三種。2.2.2.2 電樞直流電機的電樞是旋轉部件，用以實現機電能量轉換。它主要由軸、電樞鐵心、電樞支架、電樞繞組、換向器和風扇等零部件組成（1）軸：轉軸的作用是擔負電樞的全部重量和傳遞轉矩。因此在電機運轉時，它將受扭矩、彎矩、單向磁拉力、軸向推力以及扭振時所產生的交變力矩。軸的結構和材料選取要保證有足夠的強度和剛度。（2）電樞鐵

25、心：電樞鐵心是電機磁路的組成部分，又是電樞繞組的支撐件。它由0.5毫米厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊裝而成，以減少其磁滯和渦流損耗。（3）電樞支架：電樞支架是電樞鐵心的支撐件，能減輕電樞重量和有利于電樞的通風冷卻。（4）電樞繞組：電樞繞組是用來感應電動勢和通過電流，實現能量轉換。它通常由圓形和矩形截面的銅線繞成。（5）換向器：換向器是直流電機的重要部件，它和電樞繞組相連接，并與電刷間保持滑動接觸。它的作用是將電樞繞組中感應的交流電動勢經過電刷變?yōu)橹绷麟妱觿荩虬淹怆娐吠ㄟ^電刷的直流電流轉換成電樞繞組中所需要的交流電流。換向器是由梯形截面的銅排和絕緣材料等緊固而成。2.2.2.3 電刷裝置電刷裝置

26、是直流電機的主要導電部分，它和旋轉的換向器之間保持滑動接觸，使電樞繞組和外電路相連。2.2.2.4 軸承裝置軸承的作用是支持電樞的重量和其他的作用力，并使電樞能靈活轉動。2.2.2.5 端蓋端蓋是保護電機內部和構成風路的一個部件，它一般用鑄鐵做成。2.3 直流電機的工作原理2.3.1 直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理是建立在皮薩電磁力定律的基礎上。下面介紹一下皮薩電磁力定律。根據實驗可知，若磁場與載流導體互相垂直，則作用在導體上的電磁力應為f=bil式中 b為磁場的磁感應強度（韋每平方米）； i為導體中的電流（安）； l為導體的有效長度（米）。算出來的電磁力單位是牛。力的方向用左手定則

27、決定。由于絕大多數的電動機都須作連續(xù)的旋轉運動，因此必須使載流導體在磁場中所受到的電磁力，形成一種方向不變的轉矩。有一對固定的磁極（一般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵），兩極間裝著一個可以轉動的鐵質圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈，上線圈邊長為a，下線圈邊長為x（下面把裝有線圈的鐵質圓柱體成為電樞）。當線圈中通入直流電流時，線圈邊a和x上均受到電磁力，根據左手定則決定力的方向，這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向。若電樞轉動，線圈邊a和x的位置互換，而線圈中通過的還是直流電流，則所產生的電磁轉矩的方向卻變?yōu)轫槙r針方向了，因此電樞受到一種方向交變的電磁轉矩。這種交變

28、的電磁轉矩只能使電樞來回搖擺，而不能使電樞連續(xù)轉動。顯然，要使電樞受到一個方向不變的電磁轉矩，關鍵在于，當線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時的加以變換，即進行所謂“換向”。為此必須增添一個叫做換向器的裝置。換向器由互相絕緣的銅質換向片構成，裝在軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉。換向器又與兩個固定不動的電刷ab接觸。裝了這種換向器以后，若將直流電壓加于電刷端，直流電流經電刷流過電樞上的線圈，則產生電磁轉矩，電樞在電磁轉矩的作用下就旋轉起來。電樞一經轉動，由于換向器對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊流入，使線圈邊只要處于磁極地北極下，其中通過電流地方向總是由電刷流入

29、地方向，而在南極下時總是從電刷b流出地方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向。這樣使電動機能連續(xù)的旋轉。這就是直流電動機的工作原理6。2.3.2 直流發(fā)電機的工作原理直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電勢，靠換向器的換向作用，從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱莸脑怼?電刷上不加直流電壓，用原動機拖動電樞逆時針方向轉動，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁力線，而感應出電勢，電勢方向按右手定則決定。由于電樞連續(xù)的旋轉線圈邊交替的切割磁極下的磁力線。每個線圈邊和整個線圈中的感應電勢的方向是交變的，線圈內的感應電勢是交流電勢，而在電刷的電勢為直流電勢。因為在電樞轉動過程中

30、，無論電樞轉到什么位置，由于換向器的換向作用，電刷a通過換向片所引出的電勢始終是切割s極磁力線的線圈邊中的電勢，因此電刷a始終有正極性。同樣道理，電刷b始終有負極性，所以電刷端能引出方向不變的，但大小變化的脈很電勢。如每極下的線圈數增多，就可獲得直流電勢。這就是直流發(fā)電機的工作原理。同時也說明了直流發(fā)電機實質上是帶有換向器的交流發(fā)電機。從上述基本電磁情況來看，一臺直流電機即可作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，只是外界的條件不同而已。在直流電機的兩電刷端上，加上直流電壓，將電能輸入，電機既可拖動生產機械，將電能變?yōu)闄C械能而成為電動機；如果原動機拖動直流電機的電樞這個可轉動部件，而電刷上不加直

31、流電壓，則電刷端可以引出直流電勢作為直流電源，可輸送出電能，電機將機械能變換成電能而成為發(fā)電機。這種同一臺電機，能作電動機或作發(fā)電機運行的原理，在電機理論中稱為可逆原理。2.4 直流電機的銘牌數據及主要系列2.4.1 直流電機的銘牌數據每臺直流電機的機座上都有一個銘牌。上面標注著一些叫做額定值的銘牌數據。額定值是電機制造廠對電機正常運行時，對有關的電量或機械量所規(guī)定的數據。若電機運行時，這些電量和機械量都符合額定值，這樣的電機運行情況稱為額定工況。在額定工況下運行，可以保證電機正常的工作，并且具有良好的性能。直流電機的額定值有額定功率，額定電壓，額定電流，額定轉速，額定勵磁電壓，額定勵磁電流和

32、勵磁方式等。直流電動機的額定功率是指輸出的機械功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積，再乘以電動機的效率。直流發(fā)電機的額定功率是指電機出線端輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。2.4.2 直流電機的主要系列為了產品的標準化和通用化，電機制造廠生產的產品有很多是系列電機。所謂系列電機就是在應用范圍、結構形式、性能水平、生產工藝等方面有共同性，功率按一定比例系數遞增，并成批生產的一系列電機。我國直流電機的主要系列簡單介紹如下： z2系列：為一般用途的小型直流電機系列，型號涵義是“z”表示“直流”，“2”表示“第二次改型設計”。z2系列的電動機使用于恒速或調速范圍不大于1：4的電力拖動系統(tǒng)中

33、。z2系列的發(fā)電機可作照明、動力電源或其他恒壓供電之用。系列容量為0.4200千瓦。電動機的電壓為110、220伏，轉速為600、750、1000、1500、3000轉/分。發(fā)電機的電壓為115、230伏，轉速為960、1450、2850轉/分。z和zf系列：為一般用途的中大型直流電機系列?！皕”為直流電動機型號；“zf”為直流發(fā)電機型號。本系列中，中型直流電動機用于拖動軋延機床的輔助機構，和其他需要廣泛變速的中型和大型的金屬切削機床，挖土機、造紙機及卷揚機等。zzj系列：這個系列是專供起重冶金工業(yè)用的專用直流電動機。它們具有快速起動和承受較大過載倍數的特性。還有其它各種型號的直流電機。各種型

34、號直流電機的詳細規(guī)格，技術指標等可查閱產品目錄或電機工程手冊。2.5 直流電機的運行原理直流電機是拖動系統(tǒng)中進行機電能量變換的元件，必須了解直流電機的內部規(guī)律，才能掌握其性能而有效的使用直流電機。本節(jié)以電動機為主要研究對象，在學習了直流電機的工作原理和結構，并具備了關于直流電機電樞電路和磁場的一些理性知識的基礎上進行深入分析直流電機負載時的電磁過程，以及所表現的特性，為學習后續(xù)內容提供必要的基礎知識。2.5.1 直流電機的基本方程式直流電機的基本方程式是指直流電機的電系統(tǒng)中的電勢平衡方程式，和機械系統(tǒng)中的轉矩平衡方程式。這兩種方程式綜合了電機內部的電磁過程，以及表達了電機外部的運行特性。下面分

35、別討論這兩種基本方程式。1、電勢平衡方程式直流電機運行時，就某磁場的激勵情況而言，是一種定子和轉子雙方勵磁的電磁系統(tǒng)。前已指出，由于電刷與換向器的作用，電樞電流產生的電樞磁勢方向與勵磁磁勢方向始終互相垂直，這說明電樞繞組的軸線勵磁繞組的軸線互相垂直，所以勵磁磁勢與電樞繞組之間不存在交鏈作用，但是電樞繞組又在切割勵磁電流產生的磁場，即兩者之間存在相對運動。這說明勵磁回路與電樞回路之間一方面不存在互感作用，另一方面轉動的電樞回路切割氣隙磁場，則在其中存在一種由旋轉而感應的電勢，這個電勢就是電樞繞組的支路電勢e=?？紤]到直流電機這種特殊關系不計電機磁路的飽和效應，將這兩個電路中的一些參數均視為常數，

36、若電磁量和機械量均為時間函數，根據基爾霍夫定律，可列出并勵電動機的電樞回路與勵磁回路的瞬態(tài)的電勢平衡方程式如下： （2-1） （2-2） 式中 電源電壓； 電樞繞組上的端電壓； 勵磁繞組上的端電壓； 電樞電流； 勵磁電流； 電樞電路的電阻； 勵磁回路的電阻； 勵磁回路的自感系數；電樞回路的自感系數；電動機的機械角速度。若電機穩(wěn)態(tài)運行，則電路中的電磁量與機械量不是時間的函數，式(2-1)和(2-2)變?yōu)?（2-3） （2-4）若電機作發(fā)電機運行，因感應電勢不是反電勢性質，在電機里發(fā)生電磁功率而不是吸收電磁功率，電樞電流方向與感應電勢的方向相同，則發(fā)電機的瞬態(tài)的電勢平衡方程式為 （2-5） （2-

37、6）穩(wěn)態(tài)的電勢平衡方程式則為 （2-7） （2-8）2、轉矩平衡方程式 根據力學中的牛頓定律，在直流電機的機械系統(tǒng)中，任何瞬間必須保持轉矩平衡。 在電動機中電磁轉矩m是拖動性質的，它必須與軸上機械負載轉矩或稱阻轉矩及慣性轉矩相平衡。列出電動機的瞬態(tài)的轉矩平衡方程式如下 （2-9）如電動機以恒定角速度轉動，則，且電磁轉矩與機械負載轉矩不是時間的函數，得出電動機穩(wěn)態(tài)的轉矩平衡方程式為 （2-10）在發(fā)電機中，原動機的拖動轉矩為，其瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)的轉矩平衡方程式則為 （2-11） （2-12）2.5.2 直流電機的機電能量變換過程在直流電機中，實現機電能量變換是我們是用直流電機的目的，這也是直流電機在機

38、電系統(tǒng)中之所以成為一種重要元件的原因。在電機內部的能量變換過程中，包含了四種能量形式：電能、機械能、磁場儲能和熱能。根據能量守恒原理，這些能量之間具有以下關系，(由電源輸入的電能)(磁場儲能的增加)+(變?yōu)闊崮艿哪芰繐p耗)+ (機械能輸出)對電動機來說，式中電能和機械能均為正值，對發(fā)電機來說，均為負值。在能量變換過程中，必然會引起損耗，這些損耗將變?yōu)闊崮?。變換為熱能的能量主要包括三部分：一部分由消耗在導體電阻中的電能變換而來：另一部分由消耗于摩擦損耗和通風損耗的機械能變換而來：還有一部分是由耦合磁場所吸收的消耗于鐵芯的損耗的能量變換而來。如果把上述三種能量損耗各自歸并到對應的電能，機械能和磁場

39、能量中，可得下列平衡方程式，(電源輸入的電能減去電阻種能量損耗)(磁場中能量的增加加上鐵芯中損耗的能)+(輸出的機械能加上通風、摩擦損耗的能量）直流電機在穩(wěn)態(tài)運行時，其氣隙磁場不變，磁場的能量不增加，因此磁場并未直接參加能量變換，而僅起媒介作用。2.6 直流電機的使用下面以他勵直流電動機為例來進一步討論直流電機在使用時經常遇到的起動、調速、反轉和制動等問題。2.6.1 起動電動機工作時，轉子總是從靜止狀態(tài)開始轉動起來最后達到穩(wěn)定的運轉的。由靜止狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)這段過程稱為起動過程。起動瞬間的電樞電流稱為起動電流，起動瞬間的電磁轉矩稱為起動轉矩。對于任何一種電動機來說。再起動時都有下列兩個基本要求

40、：第一，有足夠大的起動轉矩。因為只有當起動轉矩大于負載的反抗轉矩時，電動機才能改變原來的靜止狀態(tài)，帶動生產機械運轉。起動轉矩大，起動過程所需要的時間就短。第二，動電流不要超過安全范圍。如前所述，在直流電動機中，因受換向的限制，電樞電流不能超過額定電流的1.52.5倍。因此，起動轉矩和起動電流時表示電動機起動性能好壞的兩個指標。起動轉矩大，起動電流小，電動機的起動性能就好。2.6.2 調速調速就是在一定的負載下，根據生產的需要人為地改變電動機地轉速。這是生產機械經常向電動機提出地重要要求。調速性能地好壞往往影響到生產機械的工作效率和產品質量。電動機調速的性能和特點通常用下列指標來描述：1、調速范

41、圍2、調速的平滑性3、調速的經濟性4、調速的穩(wěn)定性5、調速方向6、調速時的允許負載2.6.3 反轉所謂反轉就是指改變電動機的旋轉方向，其關鍵在于如何改變電動機電磁轉矩的方向。如前所述，電磁轉矩的方向是由主磁極磁通的方向和電樞電流的方向決定的，兩者之中任意改變一個就可以改變電磁轉矩的方向具體方法：1、磁勵繞組接到電源去的兩根導線對調，也就是改變磁勵電壓的極性2、將電樞繞組接到電源取得兩根導線對調，也就是改變電樞電壓極性2.6.4 制動很多生產機械不僅希望電動機能很快起動起來，還希望很快停止。這樣有利于縮短輔助工時，提高工作效率和安全操作。可是在電動機斷電后自由停車時，由于轉子及其拖動的機械負載的

42、慣性，往往需要較長的時間才能停下來。為了解決要求電動機迅速停車的矛盾，就需要對電動機進行制動，強迫立即停車。為了對電動機進行制動，就必須在電動機停車的順間，在其軸上加上一個和原來轉向相反的制動轉矩。其中最廣泛使用的一種制動方法是能耗制動，在制動過程中，實際上是將轉子及其拖動的生產機械的動能轉變成電能消耗在制動電阻上。本章小結本章對直流電機的結構、特點、用途、工作原理、運行原理和使用方法都做了詳細的介紹，使我們對直流電機有了更深刻的了解，也為系統(tǒng)的設計提供了理論知識。第3章 紅外線遙控系統(tǒng) 第3章 紅外線遙控系統(tǒng)3.1 紅外遙控器信號發(fā)射原理簡介通用紅外發(fā)射器由指令鍵、指令信號產生電路、調制電路

43、、驅動電路以及紅外發(fā)射器組成(見圖1)。圖1 紅外遙控發(fā)射原理圖遙控器所產生的脈沖編碼的格式一般為：引導脈沖(頭)識別碼(用戶碼)鍵碼鍵碼的反碼。其引導脈沖為寬度為10ms左右的一個高脈沖和一個低脈沖的組合，用來是標識指令碼的開始。識別碼、鍵碼、鍵碼的反碼均為數據編碼脈沖，用二進制數表示?！?”和“1”均由毫秒量級的高低脈沖的組合代表。識別碼(即用戶碼)是對每個遙控系統(tǒng)的標識。通過對識別碼的檢驗，每個遙控器只能控制一個設備動作，有效的防止多個設備之間的串擾。當指令鍵按下時，指令信號產生電路便產生脈沖編碼。鍵碼后面一般還要有鍵碼的反碼，用來檢驗鍵碼接收的正確性，防止誤動作，增強系統(tǒng)的可靠性。這些

44、指令信號由調制電路調制成3240khz的信號，經調制后輸出，最后由驅動電路驅動紅外發(fā)射器件發(fā)出紅外遙控信號14。3.2 遙控技術及控制原理3.2.1 遙控技術遙控技術是指實現對被控目標的遠距離控制。按控制指令的傳輸過程來分,遙控可分為有線遙控和無線遙控兩大類。有線遙控是指利用金屬導線、光導纖維等傳導導體作為傳輸媒體,實現對被控目標的控制。無線遙控則是指利用無線電波、紅外線、超聲波等作為載體,不用導線,而在空間傳輸,實現對被控目標的控制。3.2.2 遙控系統(tǒng)的一般原理遙控系統(tǒng)一般由發(fā)射器和接收器兩部分組成。發(fā)射器一般由指令鍵、指令編碼電路、調制電路、驅動電路、發(fā)射電路等幾部分組成。如圖2-1 (

45、a) 所示,當按下時,指令編碼電路產生相應的指令編碼信號,編碼指令信號對載體進行調制,再由驅動電路進行功率放大之后由發(fā)射電路向外發(fā)射經過調制的指令編碼信號。接收器一般由接收電路、放大電路、解調電路、指令譯碼電路、驅動電路、執(zhí)行電路等幾部分組成。如圖2-1(b) 所示,接收電路將發(fā)射器發(fā)射的已調制的編碼指令信號接收下來,并進行放大后送解調電路。解調電路將已調制的編碼信號解調下來,即還原為編碼信號。指令譯碼器將編碼指令信號進行譯碼,最后由驅動電路來驅動執(zhí)行電路實現各種指令的操作控制。3.3 紅外遙控器信號接收芯片外圍電路接收電路可以使用集成紅外接收器成品。一般不需要任何外接元件就能完成從紅外接收到

46、輸出1ttl 電平兼容信號的所有工作。注意選擇接收器件時要保證接收器件的中心頻率與發(fā)射信號的中心頻率相匹配。接收器對外只有3個引腳：、gnd和1個脈沖信號輸出out。與單片機接口非常方便(見圖2)。圖2 紅外遙控信號接受芯片外圍電路第3章 紅外線遙控系統(tǒng)脈沖信號輸出接cpu的普通輸入引腳或中斷輸入引腳(ioint)。采取這種連接方法，軟件解碼既可工作于查詢方式，也可工作于中斷方式。在實際應用中，還可以進一步增加抑制干擾電路和提高驅動能力電路，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性15。3.4 頻分遙控系統(tǒng)頻分制紅外線遙控就是指令信號產生電路以不同頻率的電信號代表不同的控制指令。當不同的指令鍵被按下時，指令信號產生電

47、路就產生不同頻率的指令信號。接收器中指令信號檢出電路就是對應發(fā)射器的不同指令信號頻率的頻率選擇電路，簡稱選頻電路。對應每一個指令，就要有個選頻電路。紅外發(fā)射、接收器件發(fā)射與接收的是波長為的近紅外光，頻分制遙控電路中指令信號的頻率一般為幾百hz一幾十khz，由于采用這種頻分制遙控方式時紅外光具有較強的抗干擾能力，因此，一般情況下，頻分制紅外遙控的發(fā)射器中不用調制電路，不同頻率的指令信號直接加至驅動電路，驅動紅外發(fā)射器件發(fā)射不同頻率的近紅外光信號。當然，接收器中的解調電路也就不需要了。這樣一來，電路得到簡化，成本隨之降低。當然，遙控系統(tǒng)的調制與解調電路也可保留，這對于提高電路抗干擾能力有好處，不過

48、電路復雜一些，成本高一些。頻分制紅外線遙控電路原理簡單，易于組裝，是一種應用較廣的紅外遙控系統(tǒng)。但由于每有一個指令信號，接收電路就要有一個選頻電路相對應，當系統(tǒng)的通道數較多時，電路將會變得非常復雜和龐大，且各通道間可能會產生串路干擾，因此，當通道數目較多時，一般采用碼分制紅外遙控電路16。3.5 碼分遙控系統(tǒng)碼分制紅外遙控電路就是指令信號產生電路以不同的脈沖編碼(不同的脈沖數目及組合)代表不同的指令。當不同的指令鍵被按下時，指令信號產生電路將產生不同脈沖編碼的指令信號，也就是進行編碼，然后經調制電路調制，變?yōu)榫幋a脈沖調制信號，再由驅動電路驅動紅外發(fā)射器件發(fā)射紅外光信號。接收器接收下來的信號經過

49、前置放大后，送入解調電路，對調制信號進行解調，再經指令信號檢出電路檢出指令信號。這里的指令信號檢出電路就是與發(fā)射器中編碼電路相對應的譯碼電路，它將指令信號譯出。由上述可見，紅外線遙控系統(tǒng)中的指令信號產生及檢出電路，在頻分制系統(tǒng)中由多頻振蕩電路及頻率選擇電路構成，在碼分制系統(tǒng)中則由編碼電路及譯碼電路構成。這是頻分制與碼分制紅外遙控系統(tǒng)約主要區(qū)別。另外、在頻分制中調制與解調電路可以省去，而在碼分制中，就不可省去。這是因為碼分制系統(tǒng)編碼脈沖的頻率極低，為超低額，如果不用調制與解調電路，外界突然的光線變化可能會對接收電路造成干擾，產生誤動作，系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性就難以保證17。本章小結紅外線遙控系

50、統(tǒng)就是指利用紅外線來傳遞控制信號，實現對控制對象的遠距離控制的目的；具體來講，就是由發(fā)射器發(fā)出紅外線指令信號，由接收器接收信號并對信號進行處理，最后實現對對象的各種功能的遠距離控制。同時本章還介紹了頻分制與碼分制的紅外遙控系統(tǒng)。第4章 紅外線電機控制系統(tǒng)總體設計第4章 紅外線電機控制系統(tǒng)總體設計4.1 紅外線控制電機設計原理4.1.1 紅外線發(fā)射與接受器件介紹紅外發(fā)光二極管是只有一個pn結的半導體器件，它與普通發(fā)光二極管(如：紅、綠、黃、發(fā)光二極管)結構原理與制作工藝基本相同，只是所用的材料不同。制造紅外發(fā)光二極管材料有砷化鎵、砷鋁化鎵等，其中應用最多的是砷化鎵。在一塊砷化鎵半導體上，采用半導

51、體滲雜工藝使其部分為p型半導體，另一部分為n型半導體。在p型和n型半導體交界面就形成半導體pn結。p區(qū)多數載流子為空穴，少數載流子為空穴，并且具有一定的內電場。當給這個pn結加上正向電壓時(p區(qū)接正電壓，n區(qū)接負電壓)，在外加電壓的作用下。內電場被抵消。這樣，n區(qū)的多數載流子(電子)在外電場的作用下注入p區(qū)，同時，p區(qū)的多數載流子(空穴)在外電場的作用下注入n區(qū)。實際上，外加正向電壓作用就是加強了多數載流子的擴散運動。這些注入p區(qū)的電子和注入n區(qū)的空穴，對于注入區(qū)來講都是非平衡少數載流子。這些非平衡少數載流子不斷與注入區(qū)的多數載流子復合，將原來從外加電場吸收的能量以光子的形式釋放，從而發(fā)出光來

52、。這種發(fā)光過程叫輻射復合。這與導帶中的電子到價帶上與空穴復合一樣，要釋放出禁帶寬度大小的能量，這種能量的釋放是以發(fā)光的形式來進行的。這就是pn結發(fā)光的基本原理18。紅外發(fā)光二極管一船采用環(huán)氧樹脂、玻璃、塑料等透明材料封裝，除白色透明材料封裝外，還可見到用藍色透明材料封裝的發(fā)光二極管。紅外發(fā)光二極管技發(fā)光功率的大小，可分為小功率(幾mw)、中功率(幾十mw)、大功率(幾百mw)三種。另外，紅外發(fā)光二極管除了頂面發(fā)光型，還有側面發(fā)光型。小功率管一般采用全塑封裝，也有部分是采用陶瓷底座，頂端用玻璃或環(huán)氧樹脂透鏡封裝的沖大功率管一般采用帶螺紋金屬底座，以便安裝散熱片。隨著發(fā)光功率的提高，相應的管子的體

53、積也增大。4.1.2 控制器的設計原理根據電機調速和控制的特點，該控制器在原理上由兩部分組成，即紅外線發(fā)射電路和紅外線接收電路。在發(fā)射電路中，每一鍵對應一紅外線信號，并由編碼電路編碼。當操作該按鍵后，該編碼被紅外線發(fā)射管發(fā)射。接收電路的紅外線接收管收到該編碼信號后，經放大電路傳輸給單片機，紅外線譯碼由單片機完成。單片機根據接收電路收到的信息，通過軟件完成譯碼，并根據代表的信息，執(zhí)行相應功能，完成電機狀態(tài)調節(jié)。在正常運行狀態(tài)，沒有控制信號時，系統(tǒng)保持狀態(tài)不變。該接口電路只具有暫時記憶功能。停車或停電后，再啟動時速度為零，需重新確定狀態(tài)。這樣，適于一般電機系統(tǒng)，有利于電機保護和生產安全。當然，記憶

54、性可以根據實際情況改變。另外，為了避免發(fā)射時造成互相干擾，通常采用了異步單工的通信方式，即只由通信的一方發(fā)送，另一方只負責接收。一般紅外接收模塊的接收載波中心頻率是38 khz，在紅外傳輸過程中采用的是負邏輯。即有紅外線表示邏輯0，無紅外線表示邏輯1。所以本接收電路的接收信號是經過反相后在送入單片機進行解碼。而紅外接收頭在不接收時為低電平，接收到紅外信號時表現為高電平19。在本系統(tǒng)中，采用紅外發(fā)射，接收電路，其數據傳輸距離是比較近的。4.1.3 紅外發(fā)射電路模塊的設計原理發(fā)射電路的組成主要有控制鍵電路，編碼電路和晶體振蕩電路等。編碼電路選用8051單片機?？刂奇I電路根據電機的功能控制的需要，設置了正轉、反轉等按鍵。考慮到本論文所用的元件都是常用的電子元器件，所以應當本著方便、簡潔、實用的原則進行設計。首先，由于8051單片機的內部有時鐘脈沖電路，所以要外接一個晶振來提供它的工作脈沖，通常采用12mhz的晶振，一般的晶振振蕩電路有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應該等于負載電容，請注意一般ic的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。一般的晶振的負載電容為15 p或12.5 p ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個30 p的電容構成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。為了達到