電力電子課程設(shè)計-直流電機(jī)調(diào)速

1、<p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p><b>　　直流電機(jī)調(diào)速</b></p><p>　　系 、 部： 電氣與信息工程系 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 職稱

2、</p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　班 級： </p><p>　　完成時間： 2011年6月3日 </p><p>　　電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　系：電氣與信息工程系

3、 年級：自本0802 專業(yè)：自動化 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文是對直流電機(jī)PWM調(diào)速器設(shè)計的研究，主要實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微機(jī)控制，在設(shè)計中，采用了AT89C52單片機(jī)作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，用PROTEUS仿真軟件以各種顯示、驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)對

4、電動機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測量；采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形.在設(shè)計中，采用PWM調(diào)速方式，通過改變PWM的占空比從而改變電動機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速。</p><p>　　關(guān)鍵詞：AT89C52單片機(jī)，PROTEUS, PWM</p><p><b>　　目 錄</b></p>&

5、lt;p>　　第一章 直流電機(jī)調(diào)速方案論證……………………………………………………5</p><p>　　第二章 直流電機(jī)調(diào)速硬件系統(tǒng)……………………………………………………6</p><p>　　2.1降壓斬波電路……………………………………………………………6</p><p>　　2.2 驅(qū)動電路…………………………………………………………………7<

6、/p><p>　　2.3元器件清單……………………………………………………………10</p><p>　　第三章 直流電機(jī)調(diào)速軟件系統(tǒng)的設(shè)計 …………………………………………11</p><p>　　3.1設(shè)計課題PWM信號的單片機(jī)程序清單…………………………………11</p><p>　　第四章 仿真結(jié)果與分析……………………………………………

7、…………14</p><p>　　4.1 仿真結(jié)果………………………………………………………14</p><p>　　4.2 仿真結(jié)果分析…………………………………………………16</p><p>　　第五章 心得體會…………………………………………………………………17</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………

8、…………………18</p><p>　　致謝…………………………………………………………………………………19</p><p>　　附錄1………………………………………………………………………………20</p><p>　　附錄 2………………………………………………………………………………21</p><p>　　附錄 3………………………

9、………………………………………………………22</p><p>　　附錄 4………………………………………………………………………………23</p><p>　　第一章 直流電機(jī)調(diào)速方案論證</p><p>　　直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為2大類：對勵磁磁通進(jìn)行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進(jìn)行控制的電樞電壓法。其中勵磁控制法在低速時受磁飽和的限制，在高速時受換向

10、火花和換向器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)性能響應(yīng)較差，所以這種控制方法用的很少，多使用電樞控制法。</p><p>　　直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)：某些場合往往要求直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，例如，電車、機(jī)床等，調(diào)節(jié)范圍根據(jù)負(fù)載的要求而定。調(diào)速可以有三種方法：（1）改變電機(jī)兩端電壓；（2）改變磁通；（3）在電樞回路中，串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻。本次課程設(shè)計采用第一種方法：利用降壓斬波電路與單片機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)改變電機(jī)兩

11、端的電壓大小從而達(dá)到調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。</p><p>　　第二章 直流電機(jī)調(diào)速硬件系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　2.1 降壓斬波電路</p><p>　　工作原理，兩個階段：</p><p>　　t=0時V導(dǎo)通，E向負(fù)載供電，uo=E，io按指數(shù)曲線上升；</p><p>　　t=t1時V關(guān)斷，io經(jīng)VD

12、續(xù)流，uo近似為零，io呈指數(shù)曲線下降；</p><p>　　為使io連續(xù)且脈動小，通常使L值較大。</p><p>　　圖2.1 降壓斬波電路原理圖</p><p><b>　　數(shù)量關(guān)系：</b></p><p>　　電流連續(xù)時，負(fù)載電壓平均值</p><p>　　a——導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或

13、導(dǎo)通比</p><p>　　Uo最大為E，減小a，Uo隨之減小——降壓斬波電路。也稱為Buck變換器（Buck Converter）。</p><p><b>　　負(fù)載電流平均值</b></p><p>　　電流斷續(xù)時，uo平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)斬波電路三種控制方式</p><p>　?。?）脈沖寬度調(diào)制（PWM

14、）或脈沖調(diào)寬型——T不變，調(diào)節(jié)ton</p><p>　?。?）頻率調(diào)制或調(diào)頻型——ton不變，改變T</p><p>　?。?）混合型——ton和T都可調(diào)，使占空比改變</p><p>　　降壓斬波電路的仿真模型如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 降壓斬波電路的仿真模型</p><p><b>

15、　　2.2 驅(qū)動電路</b></p><p><b>　　2.1.1 單片機(jī)</b></p><p>　　本課程設(shè)計所用的芯片為AT89C52。之所以選擇這塊芯片，是因?yàn)锳T89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。片上Fla

16、sh允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯

17、操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。其包含中央處理器、程序處理器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷</p><p>　　圖2.1 AT89C52基本結(jié)構(gòu)示意圖</p><p><

18、;b>　　2) 復(fù)位電路</b></p><p>　　復(fù)位電路利用電容充電來實(shí)現(xiàn)復(fù)位，此時電源VCC經(jīng)電阻R2,R1分壓，在RESET端產(chǎn)生一個復(fù)位高電平。圖中R1取200歐，R2取1000歐，電容為22µF。</p><p><b>　　3) 晶振電路</b></p><p>　　在AT89C52芯片內(nèi)部有一個

19、高增益的反相放大器，其輸入端為引腳X1，輸出端為引腳X2，而在AT89C52芯片X1和X2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激震蕩器，這就是時鐘電路。</p><p><b>　　4) 存儲器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　MCS-51器件有單獨(dú)的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都可以64K尋址。程序存儲器：如果EA引腳接地，程序

20、讀取只從外部存儲器開始。對于 AT89C52，如果EA 接VCC，程序讀寫先從內(nèi)部存儲器（地址為0000H～1FFFH）開始，接著從外部尋址，尋址地址為：2000H~FFFFH。數(shù)據(jù)存儲器：AT89S52 有256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。高128 字節(jié)與特殊功能寄存器重疊。也就是說高128字節(jié)與特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分開的。當(dāng)一條指令訪問高于7FH 的地址時，尋址方式?jīng)Q定CPU 訪問高128 字節(jié)RAM 還是特殊功能寄存器

21、空間。直接尋址方式訪問特殊功能寄存器（SFR）。</p><p>　　2.1.2 MOSFET</p><p>　　MOSFET,又稱金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管。</p><p>　　要使增強(qiáng)型N溝道MOSFET工作，要在G、S之間加正電壓VGS及在D、S之間加正電壓VDS，則產(chǎn)生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。 　

22、　若先不接VGS(即VGS＝0)，在D與S極之間加一正電壓VDS，漏極D與襯底之間的PN結(jié)處于反向，因此漏源之間不能導(dǎo)電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS。此時可以將柵極與襯底看作電容器的兩個極板，而氧化物絕緣層作為電容器的介質(zhì)。當(dāng)加上VGS時，在絕緣層和柵極界面上感應(yīng)出正電荷，而在絕緣層和P型襯底界面上感應(yīng)出負(fù)電荷。這層感應(yīng)的負(fù)電荷和P型襯底中的多數(shù)載流子(空穴)的極性相反，所以稱為“反型層”，這反型層有可能將漏與源的兩N型區(qū)連

23、接起來形成導(dǎo)電溝道。當(dāng)VGS電壓太低時，感應(yīng)出來的負(fù)電荷較少，它將被P型襯底中的空穴中和，因此在這種情況時，漏源之間仍然無電流ID。當(dāng)VGS增加到一定值時，其感應(yīng)的負(fù)電荷把兩個分離的N區(qū)溝通形成N溝道，這個臨界電壓稱為開啟電壓(或稱閾值電壓、門限電壓)，用符號VT表示(一般規(guī)定在ID＝10uA時的VGS作為VT)。當(dāng)VGS繼續(xù)增大，負(fù)電荷增加，導(dǎo)電溝道擴(kuò)大，電阻降低，ID也隨之增加，并且呈較好線性關(guān)系</p><p&

24、gt;　　由于這種結(jié)構(gòu)在VGS＝0時，ID＝0，稱這種MOSFET為增強(qiáng)型。另一類MOSFET，在VGS＝0時也有一定的ID(稱為IDSS)，這種MOSFET稱為耗盡型。它的結(jié)構(gòu)如圖5所示，它的轉(zhuǎn)移特性如圖6所示。VP為夾斷電壓(ID＝0)。耗盡型與增強(qiáng)型主要區(qū)別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離子，使在P型襯底的界面上感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，即在兩個N型區(qū)中間的P型硅內(nèi)形成一N型硅薄層而形成一導(dǎo)電溝道，所以在VGS＝0時，有VDS作用時

25、也有一定的ID(IDSS)；當(dāng)VGS有電壓時(可以是正電壓或負(fù)電壓)，改變感應(yīng)的負(fù)電荷數(shù)量，從而改變ID的大小。VP為ID＝0時的-VGS，稱為夾斷電壓。MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如2.2所示。</p><p>　　圖2.2 MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.3 元器件清單</p><p>　　表2.1 元器件清單</p><p&g

26、t;　　第三章 直流斬波軟件系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　3.1 設(shè)計課題PWM信號的單片機(jī)程序清單</p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p>　　LJMP START</p><p><b>　　ORG 000BH</b></p><p>

27、;　　LJMP TIME1</p><p><b>　　ORG 001BH</b></p><p>　　LJMP TIME2</p><p><b>　　ORG 0030H</b></p><p>　　START: MOV SP, #7FH</p><p>　　MOV PS

28、W,#00H</p><p>　　MOV TMOD,#22H ;定時器0和1，工作方式2</p><p><b>　　SETB EA</b></p><p><b>　　SETB ET0</b></p><p><b>　　SETB ET1</b></p>&l

29、t;p>　　MOV TH0,#215 ;定時器0初值</p><p>　　MOV TL0,#215 </p><p>　　MOV TH1,#95;定時器1初值</p><p>　　MOV TL1,#95</p><p>　　MOV R0,#40</p><p>　　MOV R1,#200</p>

30、<p>　　MOV R2,#160</p><p><b>　　SETB TR0</b></p><p>　　JS:LCALL KEY</p><p>　　JB 20H.0, JIAN1；按鍵判斷1</p><p>　　JB 20H.1, JIAN2；按鍵判斷2</p><p>

31、<b>　　LJMP JS</b></p><p>　　JIAN1:INC R0；鍵功能1加脈寬</p><p><b>　　INC R0</b></p><p>　　LCALL CHULI</p><p><b>　　LJMP JS</b></p><

32、;p>　　JIAN2:DEC R0；鍵功能2減脈寬</p><p><b>　　DEC R0</b></p><p>　　LCALL CHULI</p><p><b>　　LJMP JS</b></p><p>　　TIME1: CPL P1.2</p><p&g

33、t;<b>　　CLRTR0</b></p><p><b>　　SETB TR1</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　TIME2:CPLP1.2</p><p><b>　　CLRTR1</b></p&

34、gt;<p><b>　　SETB TR0</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　;*********鍵掃子程序部分*********</p><p>　　KEY:LCALL QUSHU</p><p><b>　　JZ EXIT<

35、/b></p><p>　　MOV B, 20H</p><p>　　KEYSF:LCALL QUSHU</p><p><b>　　JZ EXIT1</b></p><p>　　LJMP KEYSF</p><p>　　EXIT1:MOV 20H, B</p><p

36、><b>　　EXIT:RET</b></p><p>　　QUSHU:PUSH PSW</p><p><b>　　CLR RS1</b></p><p><b>　　SETB RS0</b></p><p><b>　　SETB P1.0</b&g

37、t;</p><p><b>　　SETB P1.1</b></p><p>　　MOV A, P1</p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　ANL A,#03H</p><p>　　MOV 20H, A</p><p>

38、;<b>　　POP PSW</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>　　CHULI:MOV A,#0FFH</p><p><b>　　SUBB A,R0</b></p><p><b>　　MOV TH0,A</b><

39、;/p><p><b>　　MOV TL0,A</b></p><p><b>　　MOV A,R1</b></p><p><b>　　SUBB A,R0</b></p><p><b>　　MOV R2,A</b></p><p>

40、　　MOV A,#0FFH</p><p>　　SUBB A, R2</p><p><b>　　MOV TH1,A</b></p><p><b>　　MOV TL1,A</b></p><p><b>　　RET</b></p><p><b&

41、gt;　　END</b></p><p>　　將程序經(jīng)過KEIL編譯生成HEX文件，導(dǎo)入到PROTEUS的單片機(jī)芯片里面從而進(jìn)行仿真。</p><p>　　第四章 仿真結(jié)果與分析</p><p><b>　　4.1 仿真結(jié)果</b></p><p>　　4.1.1 降壓斬波電路仿真波形圖</p>

42、;<p>　　在參數(shù)設(shè)置完畢后即可以開始仿真。芯片加載軟件EXE文件后，立即開始仿真。在需要觀察的點(diǎn)上放置示波器，點(diǎn)擊開始后彈出示波器窗口顯示輸出波形，在仿真中通過示波器來觀察仿真的結(jié)果。得到如圖4.1、圖4.2、圖4.3所示波形。</p><p>　　圖4.1 占空比a為0.2時的輸出波形</p><p>　　圖4.2 占空比a為0.5時的輸出波形</p>&

43、lt;p>　　圖4.3 占空比a為0.8時的輸出波形</p><p>　　4.1.2 直流電機(jī)調(diào)速仿真</p><p>　　圖4.4占空比a為0.2時直流電機(jī)調(diào)速仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.5占空比a為0.5時直流電機(jī)調(diào)速仿真結(jié)果</p><p>　　圖4.6占空比a為0.8時直流電機(jī)調(diào)速仿真結(jié)果</p><

44、p>　　4.2 仿真結(jié)果分析</p><p>　　當(dāng)仿真開始運(yùn)行時，各個模塊處于運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動。分別按動按鈕1、2改變PWM脈沖時的占空比，從電壓表的讀數(shù)上可以看到電機(jī)的工作電壓改變，電機(jī)轉(zhuǎn)動速度得到了調(diào)節(jié)。因此，從仿真結(jié)果可以看出，按動按鍵1時脈寬增加，占空比a增加，電機(jī)兩端的電壓增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加；按動按鍵2時脈寬減少，占空比a減少，電機(jī)兩端的電壓減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢，本設(shè)計可以得到預(yù)期的效果。

45、</p><p><b>　　第五章 心得體會</b></p><p>　　經(jīng)過這段時間的努力，我終于完成了這次的課程設(shè)計。在設(shè)計過程中，我查閱了很多資料，更深的了解了直流電動機(jī)的工作原理以及其調(diào)速方法。同時，還了解了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。設(shè)計過程中出現(xiàn)了很多問題，比如基礎(chǔ)知識掌握的不夠牢靠，細(xì)節(jié)掌握的不夠好，但在同學(xué)的鼓勵和自己的努力下盡力完成了設(shè)計。<

46、/p><p>　　通過本次課程設(shè)計，我學(xué)到了許多書本上無法學(xué)到的知識，也使我深刻體會到電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。不僅讓我對學(xué)過的知識有了更多的鞏固，同時也讓我對這門課程產(chǎn)生了更濃厚的興趣。設(shè)計的初期階段，難度很大，無從下手，通過查閱書籍、搜索網(wǎng)站、詢問同學(xué)，終于邁出了一步又一步。整個設(shè)計過程中，不僅能學(xué)到很多電機(jī)調(diào)速相關(guān)的知識，還培養(yǎng)了自學(xué)能力，這對我們今后的學(xué)習(xí)與工作有很大的幫助。</p><

47、p>　　只有通過自己親手制作才能知道自己的不足，在這過程中我能感受到自己在一些能力方面的欠缺，并希望自己以后能通過努力去改善這一情況。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 翟玉文，梁偉，艾學(xué)忠，施云貴. 電子設(shè)計與實(shí)踐. 中國電力出版社.2005.</p><p>　　ZhaiYuWen, Liang

48、Wei, YiXueZhong, ShiYunGui. Electronic design and practice. China power press. 2005. </p><p>　　[2] 鄧星鐘. 機(jī)電傳動控制.華中科技大學(xué)出版社.2004.</p><p>　　DengXingZhong. Mechanical and electrical transmission cont

49、rol. Huazhong university of science and technology press. 2004.</p><p>　　[3] 張毅剛. 單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京：高等教育出版社.2004.</p><p>　　Yigang zhang. Single-chip microcomputer principle and application. Beijing:

50、higher education press. 2004. </p><p>　　[4] 陳潤泰，許琨. 檢測技術(shù)與智能儀表. 湖南：中南工業(yè)大學(xué)出版社.2002.</p><p>　　ChenRunTai, XuKun. Testing technology and intelligent instrument. Hunan: south industrial university pr

51、ess. 2002. </p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　感謝老師的教導(dǎo)，也感謝同學(xué)的幫助，設(shè)計中遇到了許多的問題，在你們的幫助下才得以順利完成。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附錄1: PCB圖</b><