直流電機(jī)電路的仿真實(shí)驗(yàn)

8.1直流電機(jī)控制電路的原理介紹8.2直流電機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)8.3軟件編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)電路的控制8.4電機(jī)電路在Proteus中的驗(yàn)證8.5電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路的原理介紹8.6實(shí)例擴(kuò)展第八講直流電機(jī)電路的仿真實(shí)驗(yàn)8.1直流電機(jī)控制電路的原理介紹現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，目前在直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動(dòng)機(jī)供電的KZ—D拖動(dòng)系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動(dòng)一電動(dòng)機(jī)的F—D系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。

8.1.1直流電機(jī)的工作原理1．直流電機(jī)的組成直流電機(jī)由定子(磁極)、轉(zhuǎn)子(電樞)和機(jī)座等部分構(gòu)成。3IU–+SbNacdU–+U–+電刷換向片U–+IFFTn圖8-1直流電機(jī)組成示意圖2.直流電機(jī)的工作原理直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯(lián)接，無論線圈怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，總是S極有效邊的電流方向向里，N極有效邊的電流方向向外。電動(dòng)機(jī)電樞繞組通電后，受力（左手定則）按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。如果想改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以通過改變外電源的極性；如果想改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只要改變電機(jī)的電壓就可以了。42.直流電機(jī)的工作原理改變電壓的方法很多，最常見的一種PWM脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。58.2直流電動(dòng)機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)以直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制為例，介紹直流電機(jī)轉(zhuǎn)向控制電路的設(shè)計(jì)。在Proteus中，電機(jī)在Proteus元件庫(kù)Electromechanical類中，如圖8-5所示，也可以直接在Keyword欄輸入motor拾取。注意直流電機(jī)(MOTOR-DC)與步進(jìn)電機(jī)(MOTOR-STEPPER)的區(qū)別。圖8-2電機(jī)元器件正反轉(zhuǎn)可控的直流電動(dòng)機(jī)電路如圖8-3所示為電機(jī)轉(zhuǎn)向控制電路。圖中，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的是橋式驅(qū)動(dòng)電路。電路的工作原理是：當(dāng)A點(diǎn)為低電平時(shí)，Q3，Q2截止，Q7，Q1導(dǎo)通，電機(jī)左端呈現(xiàn)高電平；當(dāng)B點(diǎn)為高電平時(shí)，Q8，Q4截止，Q6，Q5導(dǎo)通，電機(jī)右端呈現(xiàn)低電平，因此，在A為0，B為1時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，在A為1，B為0時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；而當(dāng)A點(diǎn)和B點(diǎn)同為高電平或低電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖8-4為單片機(jī)主控制電路。圖8-3矩陣鍵盤控制電路圖8-4單片機(jī)主控制電路8.3軟件編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)電路的控制以圖8-4為例，我們要求電路運(yùn)行時(shí)，按下K1鍵，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管D1點(diǎn)亮；按下K2按鍵，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管D2點(diǎn)亮；按下K3按鍵，直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)光二極管D3點(diǎn)亮。由圖8-3可知，通過控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的端電壓UA和UB的大小，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，A點(diǎn)電壓由P1.0控制，B點(diǎn)電壓由P1.1控制。參考源代碼為：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitK1=P3^0;//正轉(zhuǎn)sbitK2=P3^1;//反轉(zhuǎn)sbitK3=P3^2;//停止sbitLED1=P0^0;sbitLED2=P0^1;sbitLED3=P0^2;sbitMA=P1^0;//A端電壓sbitMB=P1^1;//B端電壓參考源代碼為：voidmain(){ LED1=1;LED2=1;LED3=0; while(1) { if(K1==0)//正轉(zhuǎn)

{ while(K1==0); LED1=0;LED2=1;LED3=1;MA=0;MB=1; } if(K2==0)//反轉(zhuǎn)

{ while(K2==0); LED1=1;LED2=0;LED3=1;MA=1;MB=0; } if(K3==0)//停止

{ while(K3==0); LED1=1;LED2=1;LED3=0;MA=0;MB=0; } }}8.4電機(jī)電路在Proteus中的驗(yàn)證8.4.1Proteus電路設(shè)計(jì)1.元件清單列表打開ProteusISIS編輯環(huán)境，按表8-1所列的清單添加元件

元

件

名

稱所

屬

類所

屬

子

類AT89C51MicroprocessorICs8051FamilyCAPCapacitorsGenericCAP-ELECCapacitorsGenericCRYSTALMiscellaneous－RESResistorsGenericLED-REDOptoelectronicsLEDs表8-1元件清單元

件

名

稱所

屬

類所

屬

子

類MOTOR-DCElectromechanical－BUTTONSwitches&RelaysSwitchesBC184TransistorsBipolarTIP31TransistorsBipolarTIP32TransistorsBipolar表8-1元件清單(續(xù)上表)2.電路原理圖圖8-5電路原理圖元件全部添加后，在ProteusISIS的編輯區(qū)域中按圖8-5所示的原理圖連接硬件電路。3、源程序的添加圖8-6電路運(yùn)行過程參照第五講在Keil中建立工程，添加源程序文件、構(gòu)建.hex文件，加載目標(biāo)代碼，執(zhí)行程序，觀察不同按鍵被按下后直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，如圖8-6所示。8.5電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路的原理介紹直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制也是電機(jī)控制電路非常重要的部分，現(xiàn)在最常用的方法是利用PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)速。參考前一例子，如果向A點(diǎn)或B點(diǎn)輸入不同占空比的電壓脈沖信號(hào)，可以在控制正反轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)速控制功能。PWM是單片機(jī)常用的模擬量控制方式，可以通過外接ADC轉(zhuǎn)換電路，對(duì)應(yīng)外部不同的模擬電壓值，利用單片機(jī)產(chǎn)生占空比不同的控制脈沖。8.5.1ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)及原理A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。盡管A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前廣泛應(yīng)用在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的主要有逐次比較型轉(zhuǎn)換器和雙積分型轉(zhuǎn)換器，此外-Δ式轉(zhuǎn)換器逐漸得到重視和較為廣泛的應(yīng)用。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器。1．ADC0809引腳及功能ADC0809為一款逐次比較型8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器，引腳如圖8-7。20圖8-7ADC0809的引腳圖

IN0～I(xiàn)N7：8路模擬信號(hào)輸入端。

D0～D7：轉(zhuǎn)換完畢的8位數(shù)字量輸出端。

A、B、C與ALE：控制8路模擬輸入通道的切換。A、B、C分別與單片機(jī)的三條地址線相連，三位編碼對(duì)應(yīng)8個(gè)通道地址端口。C、B、A

=

000～111分別對(duì)應(yīng)IN0～I(xiàn)N7通道的地址。

OE、START、CLK：OE為輸出允許端，START為啟動(dòng)信號(hào)輸入端，CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端。

EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換開始轉(zhuǎn)換時(shí)，該引腳為低電平，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，該引腳為高電平。

VR（+）、VR（?）：基準(zhǔn)電壓輸入端。212．ADC0809結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換原理22圖8-8ADC0809結(jié)構(gòu)框圖23圖8-9ADC0809芯片工作時(shí)序該芯片的工作時(shí)序如下圖所示。8.5.2利用ADC控制PWM輸出1、Proteus電路設(shè)計(jì)1.元件清單列表打開ProteusISIS編輯環(huán)境，按表8-2所列的清單添加元件

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名

稱所

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類所

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類AT89C51MicroprocessorICs8051FamilyCAPCapacitorsGenericCAP-ELECCapacitorsGenericCRYSTALMiscellaneous－RESResistorsGenericADC0808DataConvertersA/DConvertersPOT-HGResistorsVariables表8-2元件清單圖8-10ADC元器件注意我們?cè)谶M(jìn)行ADC仿真的時(shí)候，選擇的芯片不是ADC0809，而是ADC0808（帶有仿真模型的那個(gè)）.這兩個(gè)的區(qū)別是：ADC0808是0809的簡(jiǎn)化版，主要的不同點(diǎn)是0808的轉(zhuǎn)換輸出OUT1~8與0809的輸出端D0~D7的高低位是相反的，即0809的最低位是D0，而0808的最低位是OUT8.ADC0808在實(shí)際中不常用，實(shí)際中常用的是0809，而0808最常用的是在protues仿真里面，因?yàn)?809是沒有模型庫(kù)，無法仿真的。2.電路原理圖圖8-11電路原理圖元件全部添加后，在ProteusISIS的編輯區(qū)域中按圖8-11所示的原理圖連接硬件電路。2.電路原理圖圖8-12局部原理圖其中重點(diǎn)是ADC0809與單片機(jī)的連接控制端，如下圖。以圖8-11為例，我們要求電路運(yùn)行時(shí)，通過模擬通道0的滑動(dòng)變阻器RV1的調(diào)節(jié)，可以改變輸出脈沖的占空比。ADC0808有8個(gè)模擬輸入通道，本例的模擬量是從通道0輸入的，IN0的通道地址為000，故將ADDC,ADDB,ADDA三只引腳接地。根據(jù)8-11的工作時(shí)序，START引腳在一個(gè)高脈沖后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)EOC引腳出現(xiàn)一個(gè)高電平時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)束，由OE引腳控制從并行輸出端讀取一字節(jié)的轉(zhuǎn)換結(jié)果（范圍為0x00~0xff），轉(zhuǎn)換過程中芯片所需要的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)定時(shí)器T0的中斷程序提供。3.軟件編程實(shí)現(xiàn)PWM輸出參考源代碼為：#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitCLK=P2^4;sbitST=P2^5;sbitEOC=P2^6;sbitOE=P2^7;sbitPWM=P3^0;voiddelay(ucharx){

uchari;

while(x--)for(i=0;i<40;i++);}參考源代碼為：voidmain(){

ucharVal; TMOD=0x02;//T0為8位自動(dòng)裝載的定時(shí)器

TH0=0x14;//定時(shí)初值

TL0=0x00; IE=0x82;//允許Timer0中斷

TR0=1;//啟動(dòng)定時(shí)器T0 while(1) { ST=0;ST=1;ST=0;//啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

while(!EOC);//等待轉(zhuǎn)換完成

OE=1; Val=P1; //讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果

OE=0;

if(Val==0)//PWM輸出（占空比為0%）

{ PWM=0; delay(0xff); continue; //注意continue的用法

}參考源代碼為：

if(Val==0xff)//PW