直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

1、 直流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：彭輝制作人 ：陳曦專業(yè)班級：自動(dòng)化017班直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)概述 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)仿真總體設(shè)計(jì)概述 本系統(tǒng)將電位器的模擬給定電壓值（05V）經(jīng)8路A/D轉(zhuǎn)換器的一個(gè)模擬通道輸入到轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量D，查找數(shù)字量D控制電壓V電機(jī)轉(zhuǎn)速N對應(yīng)表格，可得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速N1并暫存在單片機(jī)的內(nèi)存單元中。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由P0口送入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的模擬電壓值輸入調(diào)速電路的控制端，可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。利用安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的測速傳感器可測得電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。將轉(zhuǎn)速測量信號反饋到單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的換算，再經(jīng)8279顯示接口芯片

2、和LED發(fā)光二極管顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。同時(shí)測量的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速給定值經(jīng)PID運(yùn)算后再作為給定量通過單片機(jī)對電機(jī)進(jìn)行控制，以達(dá)到精確穩(wěn)定的閉環(huán)控制。 總體設(shè)計(jì)概述顯示電路單片機(jī)控制系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換電路電機(jī)控制電路A/D轉(zhuǎn)換電路測速傳感器電機(jī)電位器給定PID控制器1直流電機(jī)調(diào)速原理 電動(dòng)機(jī)自然機(jī)械特性如下式所示UN、N額定電樞電壓、額定磁通量Ra 電樞內(nèi)電阻 由上式可知當(dāng)分別改變UN、N和改變電樞回路串入的外電阻時(shí)都可達(dá)到調(diào)速的目的。但由于勵(lì)磁線圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)飽和的限制電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和磁通量只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速，而對于調(diào)節(jié)電樞外加電阻時(shí)，會使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。所

3、以本系統(tǒng)采用改變電樞電壓的方法來達(dá)到調(diào)速的目的。 2 脈沖寬度調(diào)制(PWM）調(diào)速原理 直流電機(jī)脈寬調(diào)速是通過改變控制電壓的脈沖寬度來改變加在直流電機(jī)上的平均電樞電壓的大小，從而達(dá)到改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減小。只要按一定規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。脈沖寬度調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)就是根據(jù)這個(gè)原理進(jìn)行的 。Vd 電機(jī)的平均速度Vmax 電機(jī)的最大速度D=t1/t 占空比 由上式可知改變占空比D時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。下圖為電樞電壓占空比與平均電壓的關(guān)系 嚴(yán)格的講，平均速度與占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)

4、系，在一般的應(yīng)用中可以近似的看作線性關(guān)系。t1t1T脈沖信號最大值平均值最小值3 PWM信號的產(chǎn)生 PWM信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：一種是軟件的方法，另一種是硬件的方法。下面將分別介紹。軟件法：8051有兩個(gè)定時(shí)器T0和T1，通過設(shè)定定時(shí)器初值，可實(shí)現(xiàn)從8051的任意口輸出不同占空比的脈沖波形。 如果為定時(shí)方式1（16位計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)的工作方式），晶振頻率為6MHz定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系如下：X定時(shí)初值、t定時(shí)時(shí)間 所以可以通過設(shè)定不同的定時(shí)初值X，改變定時(shí)時(shí)間從而改變占空比D，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。硬件法：其原理是從電位器中取出一電位，接到ADC0809一路模擬量輸入通道，經(jīng)過A/

5、D轉(zhuǎn)換接到單片機(jī)的I/O接口，把模擬量電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量作為給定，改變電位器電阻的大小就可改變占空比給定值的大小，以達(dá)到調(diào)速的目的 。本系統(tǒng)采用的就是這種硬件法來產(chǎn)生PWM信號。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1電機(jī)控制電路 由總體概述可知電位器輸入的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后再經(jīng)由P0口送入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的模擬電壓值輸入調(diào)速電路的控制端。本系統(tǒng)選用的DAC0832是電流型D/A轉(zhuǎn)換器為得到電壓輸出值，使用時(shí)需在兩個(gè)電流輸出端接運(yùn)算放大器。 本系統(tǒng)的D/A輸出設(shè)計(jì)采用了兩級741運(yùn)算放大器。前級741是把D/A轉(zhuǎn)換輸出的電流量轉(zhuǎn)換為電壓量，8051輸入DAC0832的數(shù)字量D與前級741輸出的電壓U1關(guān)

6、系為 U1=-DVref/FFH,若Vref=-5V，D的范圍是0FFH，則對應(yīng)的U1為05V； 后級741把單極性電壓轉(zhuǎn)換為雙極性電壓。此雙極性電壓輸入到調(diào)速電路控制端，就可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。 2轉(zhuǎn)向控制電路 直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向與電機(jī)兩端所加的電源正負(fù)極性有關(guān)，因此控制流過電機(jī)的電流方向，即可改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，為此本系統(tǒng)構(gòu)造了由光電隔離芯片組成的小功率直流電機(jī)轉(zhuǎn)向控制電路，如下圖所示，其工作原理如下根據(jù)上述方向控制原理，將光電隔離器分為A、B兩組，當(dāng)P1.5輸出為高電平時(shí)A組的兩個(gè)光電隔離器導(dǎo)通，B組的兩個(gè)光電隔離器截止，流過直流電機(jī)的電流方向?yàn)?-2，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)輸出為低電時(shí)A組截止，

7、B組導(dǎo)通，流過直流電機(jī)的電流方向?yàn)?-1，電機(jī)反轉(zhuǎn)，至此實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的單片機(jī)控。3轉(zhuǎn)速測量和顯示電路將光碼盤附著在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，光碼盤產(chǎn)生的電脈沖信號經(jīng)放大整形電路整形為標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號輸入到8051的計(jì)數(shù)器與8051的定時(shí)器聯(lián)合使用實(shí)現(xiàn)對電脈沖頻率的測量，然后再通過實(shí)驗(yàn)測量8051輸出給D/A轉(zhuǎn)換器的不同數(shù)字量D與電脈沖頻率f的對應(yīng)關(guān)系，再根據(jù)光碼盤上的光柵數(shù)算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速N，得到N-f-D關(guān)系表，從而查表可得轉(zhuǎn)速N的實(shí)測值，存入單片機(jī)的內(nèi)存單元為PID運(yùn)算做準(zhǔn)備。 數(shù)據(jù)緩沖器中的數(shù)據(jù)寫入顯示存儲區(qū)168的RAM內(nèi)，8位數(shù)據(jù)每一位分別占用一個(gè)8位RAM單元。在調(diào)用顯示子程序時(shí)數(shù)據(jù)輸出到顯

8、示緩沖器中，緩沖器的8個(gè)引腳OUTA03和OUTB03為顯示器提供段控制數(shù)據(jù)，分別與顯示器的字段碼輸入端a、b、c、d、e、f、g、和dp相接。8個(gè)LED需要8個(gè)位控制信號，本系統(tǒng)以SL0SL2作為位控制輸出信號，經(jīng)譯碼后接驅(qū)動(dòng)器的輸入端，驅(qū)動(dòng)器的輸出端作為8個(gè)顯示器的位選線 。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)下圖為系統(tǒng)總程序流程圖：總程序包括一個(gè)中斷子程序，一個(gè)顯示子程序和一個(gè)數(shù)字PID算法子程序。系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先對各狀態(tài)口和命令口進(jìn)行初始化，然后使電機(jī)停轉(zhuǎn)，確保零轉(zhuǎn)速狀態(tài)。然后手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器，改變輸入模擬量的給定值，給定模擬量經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)化后作為單片機(jī)的輸入值，給定的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值后保存在5

9、2H單元，數(shù)字量輸出后經(jīng)數(shù)字/模擬量轉(zhuǎn)換作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)速經(jīng)測速傳感器測量反饋到單片機(jī)經(jīng)計(jì)數(shù)，單位換算后可得到實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值并保存到49H單元。轉(zhuǎn)速值經(jīng)8279顯示接口芯片和LED顯示。計(jì)算給定值與實(shí)測值的差值，如果誤差在允許范圍內(nèi)則返回，若誤差超過允許范圍則進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算后的結(jié)果再進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制如此循環(huán)可達(dá)到穩(wěn)定精確的調(diào)速效果。系統(tǒng)總流程圖PID算法子程序式（1）和式（2）相減可得再根據(jù)式設(shè)計(jì)PID算法子程序，框圖如下圖所示開始取設(shè)定值r,實(shí)測值y計(jì)算ek存入4CH4EH計(jì)算ek存入4FH51H更新ek-1計(jì)算Iek存入4CH4EH計(jì)算ekIek存入4CH4EH計(jì)算