基于单片机的直流电动机控制系统设计毕业设计.docx

1、 本科生毕业设计（论文） I 摘 要 电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产、国防、医疗卫生、交通运输和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品中，都大量使用着各种各样的电动机。电动机 有直流电动机和交流电动机，直流电动机发展的比较早，因其具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有应用。 本设计 研究的就是直流电动机控制系统， 实现了对电动机的简单控制，也就是指对电动机进行启动、制动和 加减 速 控制。 设计中 采用了单片机 AT89C51与三相 桥式全控整流电路配合的控制方法来控

2、制直流电动机的转速。 通过键盘键入转速的初始值，液晶显示屏作为实时监控界面 显示设定速度和实时速度 ， 由测速发电机和电流传感器构成反馈环，从而 构成一台直流电机双闭环控制系统。 设计中采用 PI 调节 ，在 PI 控制 系统中，速度目标值与速度反馈值比较，将误差信号送到速度 调节器，速度 调节器的输出与电流反馈值比较，将误差信号送到电流调节器， 最后由单片 机计算触发时间来控制晶闸管的导通， 从而来实现可控整流。 关键词： AT89C51； 整流电路 ； PI 控制 ； 双闭环控制 本科生毕业设计（论文） II Abstract As for the most primary electri

3、c energy conversion device, electormotor has applied extensively among each field of national economy and mankind daily life. We use all kinds of electormotors not only in the industrial and agricultural production, national defense, medical treatment and public health, transportation and office equ

4、ipment, but also in the use of household appliances and CE in daily life. Electormotor divide into DC generator and alternator. DC generator, which has advantages on speed, starting torgue and overload, thus it is still used in many industries. This design is the study of the DC generator and it has

5、 made the simple control of the electormotors came true, that is to say, the start, brake, speed addition and subtract control of electormotor. In order to regulate the revolving speed of the DC electormotors, I used the method of making AT89C51 and three-phase bridge type all control rectifier cont

6、rol system to cooperate with each other. A keyboard was used to type the revolving speed of initial value and a LCD was used as the monitor system, tachomoter generator and CT make up a feedback loop, so a DC motor speed control system was achieved. The self-turning PI was applied in this system. In

7、 the PI control system, the target value of speed has to compare with the feedback value of speed, and then send the error signal to ASR. Comparing the output of the ASR with the current feedback value, sending the error signal to the ACR. At last, in order to control the breakover of thyristoe, I u

8、sed a singlechip to calculate the trigger point. Thus, the controlled rectifier achieved. Key words： AT89C51; Rectifier circuit; PI control; Dual closed loop control 本科生毕业设计（论文） III 目 录 第 1章 绪 论 . 1 1.1 题目背景和意义 . 1 1.2 国内外研究发展现状 . 2 第 2章 系统设计方案 . 4 2.1 概述 . 4 2.2 直流调速系统的选择 . 4 2.2.1 G-M 系统 . 4 2.2.2

9、 V-M 系统 . 4 2.2.3 PWM 系统 . 5 2.3 系统总体结构图 . 5 2.3.1 双闭环调速系统结构图 . 5 2.3.2 系统整体结构图 . 6 第 3章 硬件设计 . 7 3.1 控制器 . 7 3.1.1 控制器的选择 . 7 3.1.2 最小系统设计 . 9 3.2 键盘电路 . 10 3.2.1 CH451 简介 . 11 3.2.2 键盘电路硬件连接 . 12 3.3 显示电路 . 13 3.3.1 LCD1602 显示器简介 . 14 3.3.2 LCD 1602 的性能指标 . 15 3.3.3 LCD1602 与单片机的连接 . 16 3.4 报警电路 .

10、 17 3.5 A/D 转换电路 . 18 3.6 三相全控整流电路 . 19 3.6.1 主电路的设计 . 19 3.6.2 触发电路的设计 . 22 3.7 检测电路 . 24 3.7.1 电流环检测电路 . 24 本科生毕业设计（论文） IV 3.7.2 电压环检测电路 . 25 3.8 执行机构 . 27 第 4章 软件设计 . 28 4.1 PI 控制介绍 . 28 4.1.1 PI 控制方法 . 28 4.1.2 PI 调节器的工作原理 . 28 4.1.3 双闭环调速系统 PI 调节器的动态响应 . 29 4.2 主程序设计 . 31 4.3 初始化程序设计 . 31 4.3.1

11、 LCD 初始化 . 31 4.3.2 CH451 初始化 . 32 4.3.3 中断初始化 . 33 4.3.4 A/D 转换初始化 . 33 4.4 子程序设计 . 34 4.4.1 中断程序的设计 . 34 4.4.2 触发程序的设计 . 35 4.4.3 PI 子程序的设计 . 35 第 5章 结论 . 36 参考文献 . 37 致谢 . 39 附录 . 40 附录 . 41 附录 . 51 本科生毕业设计（论文） 1 第 1章 绪 论 1.1 题目 背景 和意义 电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子 功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传

12、动控制系统。因电 机种类的不同分为直流电动机传动 (简称直流传动 )、交流电动机传动 (简称交流传动 )、步进电机传动 (简称步进传动 )、伺服电动机传动 (简称伺服传动 )等等。众所周知，与交流调速系统相比，由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在调速传动中占统治地位。在要求调速性能较高的场合，一般都采用直流电气传动。目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术已广泛应用于国民经济的各个领域。 三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了

13、习用已久的直流发电机电动机组及水银整流 装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以，今后一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂、海上钻井平台等，直流调速仍然处于主要地位。 早期直流传动 的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有

14、其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。 随着计算机控制技术的发展，直流传动系统已经广泛使用微机，实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字化控制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。所以，直流传动控制采用微机实现全数字化，使直流调速系统 进入一个崭新的阶段。 本科生毕业设计（论文） 2 1.2 国内外研究发展现状 电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电

15、机技术的迅猛 发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从 20 世纪 60 年代第一代电力电子器件 -晶闸管 (SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器 件-GTR、 GTO、 MOSFET， 第三代复合场控器件 -IGBT、 MCT 等，如今正蓬勃发展的第四代产品 -功率集成电路 (PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。同 时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术

16、在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。 早期直流传动的控制器由模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。 20 世纪 70 年代以来，利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用，如 AT89C51 等。在单片机控制系统中，单片机作为系统控制的核心，主要用来完成一些算法，同时 还要处理一些输入 /输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。 微机出现于 20 世纪 70 年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的 迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的

17、发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电 机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开 关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普 遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的 电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优

18、缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题。交流电机不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经 济地调节。 电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方法之一。从80 年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术， 使数字式本科生毕业设计（论文） 3 直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国

19、内外得到广泛的应用。 数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。 数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。采 用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动 、 制动和反转，能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。由于微机具有较佳的性能价格比，所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。 本科生毕业设计（论文） 4 第 2章 系统设计方案 2.1 概述 本次毕业设计的主要内

20、容是用单片机做控制器，完成对直流电动机控制系统的自动控制，系统采用单片机与三相 桥式 全控整流电路配合的控制方 法由单片机键盘输入转速设定值，该数值与数字测速装置采样的转速值进行比较，得到一个差值，再经过转速环和电流环的 PI 调节控制程序运算，得到整流电路中可控硅对应的触发时刻，输出可变整流电压。 本课题的设计要达到的目标是以 AT89C51 单片机为核心以小型直流电机为控制对象，实现双闭环 PI 控制，通过改变三相电路中可控硅的移向触发脉冲来改变整流电路，进而实现调速的目的。 2.2 直流调速系统的选择 在现代化工业生产中，生产机械都不停的运动着，几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的

21、生产机械运动规律不一样，对传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。所以直流调速系统也在不断的发展，到现在为止有三种主要的控制系统 G-M 系统、V-M 系统和 PWM 系统。 2.2.1 G-M系统 此系统由原动机 (柴油机、交流异步或同步电动机 )拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节 G 的励磁 电流 if 即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速 n。 这样的调速系统简称 G-M 系统，国际上统称 Ward-Leonar

22、d 系统。这种控制系统有很多缺点，包括设备多、体积大、费用高、效率低和运行有噪声等。 2.2.2 V-M系统 晶闸管 -电动机调速系统 (简称 V-M 系统，又称静止的 Ward-Leonard 系统 )， VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来触发脉冲的相位，即本科生毕业设计（论文） 5 可改变整流电压 Ud，从而实现平滑调速。 与 G-M 系统相比较，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 104以上，其门极电流可以直接用晶闸管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控

23、制作用的快速性上，交流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。 但是 V-M 系统也有缺点，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和高的 dv/dt 与 di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无 功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成 “电力公害 ”。 三种可控直流电源， V-M 系统在上世纪 60-70 年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。 2.2.3 PWM系统 此系统用恒定 直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压

24、。在要求快速响应的直流调速场合 PWM 变换电源具有不可替代的优势。 这种控制系统较前两种控制系统有很多优点，主电路线路简单，需要的功率器件少。开关频率高，电流容易连续，谐波少。低速性能好，调速范围宽，可达 1：10000 左右。若与快速响应的电机配 合，动态响应快，动态抗扰能力强。功率开关器件工作在开关状态，道童损耗小，当开关频率适当时，开关损耗不大，因而装置效率较高。 直流 PWM 调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代 V-M 系统成为主要的直流调速方式。 2.3 系统总体结构图 比较以上三种控制系统，由于 G-M 系统缺点，本设计不考虑第一种控

25、制系统。虽然 V-M 系统比较 PWM 系统来说也有很多缺点，但是由于本毕业设计的方向是用于大容量系统，而且考虑到经费的问题，所以本设计选择 V-M 系统作为主控制系统。 2.3.1 双闭环调速系统结构图 本 设计为了实现转速和电流两种负反馈分别作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。把转速调节器的输出当作电流调节器输入，再用电流调节器的输出去控制触发本科生毕业设计（论文） 6 器。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。结构图如图 2.1。 图 2.1 双闭环调速

26、系统结构图 2.3.2 系统 整体 结构图 本控制系统的核心是数字控制器，选用 Atmel公司生产的 AT89C51，与其它电路连接组成控制系统。由键盘电路实现转速的设定，显 示电路实现转速的实时监控，测速发电机实现速度的检测和反馈，电流传 感器实现电流的检测和反馈，过零检测实现零点电压的检测，报警电路实现异常报警， 由 三相全控整流电路 与控制器 相配和实现直流电动机的控制。结构图如图 2.2。 图 2.2 系统 整体 结构图 速 度 调节 器电 流 调节 器x三 相 全控 整 流电 路直 流电 动机x电 流 传 感 器测 速 发 电 机速 度给 定+-+-触发器n单 片 机键 盘 电 路显 示 电 路过 零 检 测触 发 器A / DA / D测 速 发 电 机电 流 传 感 器M三 相 全 控整 流 电 路报 警 电 路