巖石磨片機雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設計

1、<p>　　基于單片機的磨片機直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本系統(tǒng)以AT89C51單片機為控制核心，基于直流電動機調(diào)速，通過鍵盤輸入控制直流電的啟停和轉速以及定時時間的設定。電機轉速與定時時間設定由數(shù)碼顯示管來顯示。整個系統(tǒng)采用包含直流調(diào)速系統(tǒng)的設計和基于51單片機的控制器設計兩大部分，從而實現(xiàn)對直流電動機的轉速

2、調(diào)節(jié)。</p><p>　　關鍵詞：單片機 直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡介1</p><p>　　1.2.直流調(diào)速系統(tǒng)原理1</p>

3、<p>　　第二章直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設計2</p><p>　　2.1直流調(diào)壓調(diào)速主電路結構2</p><p>　　2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和設計2</p><p>　　2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型4</p><p>　　2.4調(diào)節(jié)器的具體設計4</p><p>　　2.5速度環(huán)的設計

4、7</p><p>　　第三章 基于51系列單片機的控制器9</p><p>　　3.1基于51系列單片機的控制器設計10</p><p>　　3.2同步信號電路設計11</p><p>　　3.3人機接口設計12</p><p>　　3.3.1人機接口的電路設計13</p><p>

5、　　3.4輸入信號及驅動電路設計13</p><p>　　第四章 軟件設計14</p><p>　　4.1主流程設計14</p><p>　　4.2INTO中斷服務程序15</p><p>　　4.3定時器0中斷子程序（觸發(fā)脈沖輸出）16</p><p>　　4.4觸發(fā)角的修改16</p>&

6、lt;p>　　第五章 系統(tǒng)集成與結論17</p><p>　　5.1操作說明17</p><p><b>　　5.2結論18</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡介</p><p>　　最初的直流

7、調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行，設備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。30年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機一電動機(也稱為旋轉變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能。如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動

8、機軸的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性；另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機一電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當?shù)男D電機和一些輔助勵磁設備，因而體積大、費用高、效率低、安裝需有地基、運行有噪聲、維修困難等。 </p><p>　　1.2.直流調(diào)速系統(tǒng)原理</p><p>　　直流電動機具有良好的起、制動性能，易于在大范圍平滑調(diào)速，在金屬切

9、削機床、軋鋼機、礦井卷揚機、海洋鉆機、高層電梯等需要高性能電力拖動中得到了廣泛應用。 </p><p>　　直流電機的轉速表達式: </p><p>　　式中，U 為直流電動機電樞兩端的電壓，I 通過電樞的電流，R 式電樞回路的電阻，Φ為勵磁磁通，K e是勵磁常數(shù)。</p><p>　　由上式可以看出，有三種調(diào)節(jié)電動機轉速的方法：</p><p&

10、gt;　　調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。 </p><p>　　改變電動機主磁通 Φ。 </p><p>　　改變電樞回路電阻 R。</p><p>　　第二章直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設計</p><p>　　2.1直流調(diào)壓調(diào)速主電路結構</p><p>　　圖2.1 主電路原理圖</p><p>　　三相全

11、控制整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6、VT2接成共陽極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。</p><p>　　2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和設計</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)上的，實際的

12、調(diào)速系統(tǒng)除要求對轉速進行調(diào)整外, 很多生產(chǎn)機械還提出了加快啟動和制動過程的要求,這就需要一個電流截止負反饋系統(tǒng)。</p><p>　　在電機啟動時, 啟動電流很快加大到允許過載能力值, 并且保持不變, 在這個條件下, 轉速得到線性增長, 當開到需要的大小時, 電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流值,對應這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應為, 隨著轉速的上升,也上升, 達到穩(wěn)轉速時, 。這就要求在啟動過程

13、中把電動機的電流當作被調(diào)節(jié)量, 使之維持 在電機允許的最大值, 并保持不變。這就要求一個電流調(diào)節(jié)饋系統(tǒng)啟動電流波形器來完成這個任務。帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)便是在這種要求下產(chǎn)生的。</p><p>　　為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，如圖所示。這就是說把轉速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘

14、管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)，這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)結構圖</p><p>　　2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型</p><p>　　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流

15、反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。</p><p>　　2.4調(diào)節(jié)器的具體設計</p><p>　　本設計為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流</p><p><b>　　電路基本數(shù)據(jù)如下：</b></p><p>　　1)晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=30;</p><

16、;p>　　2)電樞回路總電阻R=0.18Ω;</p><p>　　3)時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)T1=0.012s;</p><p>　　4)機電時間常數(shù)Tm=0.12s;</p><p>　　5)調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=20Ω;</p><p><b>　　設計指標：</b></p><p>　　

17、1)靜態(tài)指標：無靜差；</p><p>　　2)動態(tài)指標：電流超調(diào)量不大于5%；空載起動到額定轉速時的轉速超調(diào)量不大于20%。</p><p>　　計算反饋關鍵參數(shù)： </p><p>　　(2-1) (3-2) </p><p><b>　?。?）確定時間常數(shù)</b></p><p>　　整流

18、裝置滯后時間常數(shù)；Ts=0.0022s。電流濾波時間常數(shù): Toi=0.002 s（三相橋式電路每個波頭是時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。按小時間常數(shù)近似處理。(Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))</p><p>　　（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結構</p><p>　　根據(jù)設計要求：%≤5

19、%，</p><p>　　且轉速環(huán)：%≤20%</p><p>　　可按典型Ⅰ型設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設計成PI型的.</p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能:</p><p>　　（3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　ACR超前時間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時間增益:<

20、;/p><p><b>　　(2-1) </b></p><p><b>　　ACR的比例系數(shù):</b></p><p><b>　　(2-2) </b></p><p><b>　?。?）校驗近似條件</b></p><p>　　電流

21、環(huán)截止頻率:=Ki=135.1S-1</p><p>　　1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：</p><p><b>　　(2-3) </b></p><p>　　即 (2-4)</p><p><b>　　滿足近似條件；</b></p><p>　　

22、2) 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：</p><p><b>　　(2-5) </b></p><p>　　即 (2-6) </p><p><b>　　滿足近似條件；</b></p><p>　　3) 小時間常數(shù)近似處理條件：</p><p><

23、;b>　　(2-7) </b></p><p><b>　　即=(2-8) </b></p><p>　　電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為：，也滿足設計要求。</p><p><b>　　2.5速度環(huán)的設計</b></p><p><b>　　選擇轉速調(diào)節(jié)器結構</b&g

24、t;</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉速無靜差,還必須在擾動作用點以前設置一個積分環(huán)節(jié),因此需要Ⅱ由設計要求，轉速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型Ⅱ型系統(tǒng)—選用設計PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　　3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p><b>　　(3-13) </b></

25、p><p><b>　　轉速開環(huán)增益：</b></p><p><b>　　(3-14) </b></p><p><b>　　ASR的比例系數(shù)：</b></p><p><b>　　(3-15) </b></p><p><b&

26、gt;　?。?）近似校驗</b></p><p><b>　　轉速截止頻率為：</b></p><p><b>　　(3-16) </b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： (3-17)</p><p>　　（5）檢驗轉速超調(diào)量</p>

27、<p>　　當h=5時，,不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計算超調(diào)量:</p><p><b>　　，滿足設計要求。</b></p><p>　　第三章 基于51系列單片機的控制器</p><p>　　控制器采用51系列單片機為控制核心,通過鍵盤輸入控制直流電機的啟停和轉速以及定時時間的設定,電機轉速與定時時間設定通過一組數(shù)碼管

28、顯示。驅動電路在同步信號的控制下發(fā)出晶閘管的移相觸發(fā)脈沖,檢測電路包括過零檢測,電源邏輯狀態(tài)檢測等部分。AT89C51型號,鍵盤選用通用可編程鍵盤,數(shù)碼管采用LED數(shù)碼管。1/0電路的設計包括同步信號獲得電路、觸發(fā)脈沖整形及驅動電路等。</p><p>　　在確定磨片機轉速控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的組成后,要具體設計各單元模塊。元件和芯片的選取原則為既要滿足設計要求,又要考慮經(jīng)濟效益。各模塊的核心器件確定后,要進行

29、可行的電路設計。</p><p>　　3.1基于51系列單片機的控制器設計</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)的控制器設計如圖3.1所示</p><p>　　控制器由單片機、人機對話電路、同步信號獲得電路、觸發(fā)脈沖整形及驅動電路構成。</p><p>　　考慮到設計程序大小,及整個系統(tǒng)所用需要的單片機資源,擬選用51系列單片機。 人機對話

30、部分根據(jù)設計要求,采用4x4鍵盤、8位數(shù)碼管顯示、顯示接口控制芯片8279:擬采用典型可編程鍵盤、8個LED數(shù)碼管、顯示接口控制芯片8279。其中顯示接口控制芯片8279最多可接32位數(shù)碼管、4xs鍵盤,完全滿足設計要求。</p><p>　　8279有編碼和譯碼兩種方式,由于譯碼方式只能實現(xiàn)4位掃描,外接顯示管不能多于4位,不能滿足設計要求,所以采用編碼方式。采用編碼方式需要配合適當?shù)淖g碼器完成譯碼功能。由于掃

31、描位不大于8位所以采用3一8譯碼器即可以滿足要求。擬采用74SL138實現(xiàn)譯碼功能。由于8279的UOTX端口的驅動能力不能滿足數(shù)碼管的段驅動要求,而74SL138的輸出也不能滿足數(shù)碼管的位驅動要求,所以均需要加驅動電路。8279的掃描信號經(jīng)138譯碼后,分兩路分別送給數(shù)碼管的位驅動電路和鍵盤的行掃描電路。</p><p>　　單片機輸出為窄脈沖信號,電壓、電流都很小,不能直接觸發(fā)晶閘管,所以通過單穩(wěn)態(tài)電路74L

32、S123,把在窄脈沖信號變成定寬脈沖信號,再經(jīng)驅動電路,來觸發(fā)晶閘管。</p><p>　　3.2同步信號電路設計</p><p><b>　　3.2</b></p><p>　　該電路的主要功能是將由同步變壓器獲得的與交流輸入同步變化的低壓交流信號,經(jīng)LM339組成的過零比較器將正弦波變換成平頂方波,然后再經(jīng)單穩(wěn)觸發(fā)器芯片74lLs123將方

33、波有效的上升沿轉換成下降沿,以滿足單片機中斷對過零點檢測的要求。</p><p>　　該模塊電路由有LM339、74LS123,和74LSOZ組成。信號經(jīng)LM339后,變成方波信號,但單片機INTI為邊沿觸發(fā)。因此,信號還要經(jīng)過整形和脈沖方向變換。74LS123是一種雙可重觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。</p><p>　　由于單片機中斷源在每個機器周期被采樣一次,,所以輸入的高電平或低電平至少必須

34、保持12個振蕩周期,以保證被采樣,所以TW只要大于12振蕩周期就可以,本設計選Cext=0.1uF、Rext=1KΩ,則</p><p>　　Tw=0.45*1K*O.1uF=0.045ms</p><p>　　74LS123的連接如附錄圖3.3所示。</p><p>　　此時,信號經(jīng)74LS123整形以后變?yōu)橐粋€上升沿的窄脈沖信號,再經(jīng)過一個或非門電路(74LS0

35、2)將上升沿變?yōu)橄陆笛?就可以作為單片機INTI的觸發(fā)信號。</p><p>　　以上所述為同步信號檢測電路的原理,軟件在此基礎上經(jīng)過適當?shù)难訒r,通過輸出引腳發(fā)出晶閘管觸發(fā)脈沖,形成了基于軟件的晶閘管整流器調(diào)壓功能。</p><p><b>　　3.3人機接口設計</b></p><p>　　根據(jù)設計要求,需要8個LED,以及4X4鍵盤,其中有

36、一個鍵作為系統(tǒng)的復位鍵,整個電路模塊采用通用可編程鍵盤,顯示接口芯片8279。段驅動采用74LS244,74LS138譯碼器和451組成位驅動。</p><p>　　3.3.1人機接口的電路設計</p><p>　　基于8279的人機接口電路設計見附錄圖3.4，LED鍵盤和顯示見附錄3.5和3.6.</p><p>　　3.4輸入信號及驅動電路設計</p>

37、;<p>　　該模塊電路主要有74LS123、兩只NPN型的三極管、74LS02,以及觸發(fā)變壓器組成。電路設計如附錄圖3.7所示:</p><p>　　P2.0輸出信號送給74LS123,觸發(fā)123送出定寬脈沖信號,此脈沖信號使三極管導通,脈沖變壓器原邊有電流流過,副邊將產(chǎn)生脈沖電壓觸發(fā)晶閘管導通。觸發(fā)變壓器作為輸出信號的驅動電路選擇KCB一04IB,本觸發(fā)變壓器與晶閘管配套使用,通常接在晶閘管設備

38、中控制觸發(fā)單元與晶閘管控制極之間，一方面?zhèn)鬟f觸發(fā)脈沖,另一方面對強弱電之間起到可靠的隔離作用。</p><p>　　在變壓器的二次端加二級管,使得正向導通,反相截至,同時使兩組二次線圈的公共端與晶閘管的K極相連。</p><p>　　單片機的P2.1作為的啟?？刂贫?發(fā)出低電平信號,經(jīng)74LSOZ反相,送給三極管的基極,是三極管導通。三極管的集電極與繼電器的線圈相連,當三極管導通時,繼電器

39、線圈有電流流過,使銜鐵吸和,電機啟動。</p><p><b>　　第四章 軟件設計</b></p><p><b>　　4.1主流程設計</b></p><p><b>　　4.1主程序流程圖</b></p><p>　　4.2INTO中斷服務程序</p>&l

40、t;p>　　4.2外部中斷0的服務程序</p><p>　　4.3定時器0中斷子程序（觸發(fā)脈沖輸出）</p><p>　　4.3定時器0中斷服務程序</p><p><b>　　4.4觸發(fā)角的修改</b></p><p>　　當操作者試圖改變直流調(diào)速的轉速時,通過鍵盤將希望達到的轉速輸入,人機接口軟件將該轉速轉換成

41、對應的移相角,而移相角又是通過定時斤卜數(shù)器TO的預置數(shù)實現(xiàn)的,因此一旦有轉速修改,就需要執(zhí)行預置數(shù)修改程序。</p><p>　　第五章 系統(tǒng)集成與結論</p><p><b>　　5.1操作說明</b></p><p>　　1、接通電源,打開右上角的電源開關,這時每個數(shù)碼管中間顯示一橫,表示系統(tǒng)正常。</p><p>

42、;　　2、按下功能鍵,數(shù)碼管第三位(從左向右)顯示P,表示可以開始設定時間。</p><p>　　3、按數(shù)字鍵由高位到低位輸入定時時間。</p><p>　　4、再次按下功能鍵,數(shù)碼管的第三位顯示一,表示可以開始設定電機轉速。</p><p>　　5、按數(shù)字鍵有高位到低位輸入四位轉速。若轉速小于四位,應高位輸入零。</p><p>　　6、輸

43、入完畢,按下確定鍵。</p><p>　　7、按下運行鍵,電機啟動。</p><p>　　8、若要修改時間參數(shù),請先按功能鍵,當?shù)谌伙@示P時,再按一下增加鍵(或降低鍵),定時時間開始增加(或減少),當再次按下增加鍵(或降低鍵),時間增加(降低)停止。此操作可在電機的正常工作時修改。</p><p>　　9、若要修改電機的轉速參數(shù),調(diào)節(jié)轉速。首先使第三位顯示一(若不

44、是,請按功能鍵),再按一下增加鍵(或降低鍵),轉速開始增加(或減少),當再次按下增加鍵(或降低鍵),轉速增加(降低)停止。</p><p>　　10、停機,請按復位鍵,返回初始狀態(tài),關閉電源開關。</p><p><b>　　5.2結論</b></p><p>　　雖然這次課程是那么短暫的幾周時間，我感覺到這些天我的所學勝過我這一學期所學，這次

45、任務原則上是設計，其實就是一次大的知識整合，是讓我對課本知識的鞏固和對基本公式的熟悉和應用，計算數(shù)據(jù)，使我做事的耐心和仔細程度得以提高。課程設計是培訓學生運用本專業(yè)所學的理論知識和專業(yè)知識來分析解決實際問題的重要教學環(huán)節(jié)，是對三年所學知識的復習和鞏固。同樣，也促使了同學們的相互探討，相互學習。因此，我們必須認真、謹慎、踏實、一步一步的完成設計。此次設計讓我明白了一個很深刻的道理：團隊精神固然很重要，擔人往往還是要靠自己的努力，自己親身去

46、經(jīng)歷，這樣自己的心里才會踏實，學到的東西才會更多。</p><p>　　附錄：原理圖、程序清單</p><p>　　3．3同步信號發(fā)生電路</p><p>　　3.4基于8279的人機接口電路</p><p>　　3.5LED鍵盤電路</p><p>　　3.6LED顯示電路</p><p>　

47、　3.7驅動電路原理圖</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)（4版），阮毅、陳伯時，機械工業(yè)出版社</p><p>　　[2] 電力拖動自動控制系統(tǒng)（2版），陳伯時，機械工業(yè)出版社</p><p>　　[3] 電力傳動控制系統(tǒng)原理與應用，馮信康，水

48、力電力出版社</p><p>　　[4] 電力電子技術，王兆安，劉進軍，機械工業(yè)出版社</p><p>　　[5] 電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真，洪乃剛，機械工業(yè)出版社</p><p>　　[6] 各種類型微控制器的相關圖書及參考資料</p><p>　　[7] 周淵深. 交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真.北京：中國電力出版社，2004