1、基于單片機(jī)的磨片機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)摘要本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，基于直流電動機(jī)調(diào)速，通過鍵盤輸入控制直流電的啟停和轉(zhuǎn)速以及定時(shí)時(shí)間的設(shè)定。電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)時(shí)間設(shè)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(shè)計(jì)和基于51單片機(jī)的控制器設(shè)計(jì)兩大部分，從而實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 直流調(diào)速系統(tǒng)目錄第一章 緒論11.1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡介11.2.直流調(diào)速系統(tǒng)原理1第二章直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)22.1直流調(diào)壓調(diào)速主電路結(jié)構(gòu)22.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)22.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型42.4調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)42.5速度環(huán)的設(shè)計(jì)7第三章 基于51系列單片機(jī)的控制器

2、93.1基于51系列單片機(jī)的控制器設(shè)計(jì)103.2同步信號電路設(shè)計(jì)113.3人機(jī)接口設(shè)計(jì)123.3.1人機(jī)接口的電路設(shè)計(jì)133.4輸入信號及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)13第四章 軟件設(shè)計(jì)144.1主流程設(shè)計(jì)144.2INTO中斷服務(wù)程序154.3定時(shí)器0中斷子程序（觸發(fā)脈沖輸出）164.4觸發(fā)角的修改16第五章 系統(tǒng)集成與結(jié)論175.1操作說明175.2結(jié)論181第一章 緒論1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡介最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向流電動機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行，設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)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

3、，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)一電動機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、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(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動機(jī)減速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動機(jī)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(jī)一電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺與調(diào)速電動機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需有地基、運(yùn)行有噪聲、維修困難等。 1.2.直流調(diào)速系統(tǒng)原理直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，易于在大范圍平滑調(diào)速，在金屬切削機(jī)床、軋鋼機(jī)、

4、礦井卷揚(yáng)機(jī)、海洋鉆機(jī)、高層電梯等需要高性能電力拖動中得到了廣泛應(yīng)用。 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式: 式中，U 為直流電動機(jī)電樞兩端的電壓，I 通過電樞的電流，R 式電樞回路的電阻，為勵磁磁通，K e是勵磁常數(shù)。由上式可以看出，有三種調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方法：1 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。 2 改變電動機(jī)主磁通 。 3 改變電樞回路電阻 R。第二章直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)2.1直流調(diào)壓調(diào)速主電路結(jié)構(gòu)圖2.1 主電路原理圖三相全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(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極

5、組中電位最低而同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)成完整的整流電路。2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)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(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外, 很多生產(chǎn)機(jī)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(fù)反饋系統(tǒng)。在電機(jī)啟動時(shí), 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(zhuǎn)速得到線性增長, 當(dāng)開到需要的大小時(shí), 電機(jī)的電流急劇下降到克服負(fù)載所需的電流值,對應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時(shí)應(yīng)為, 隨著轉(zhuǎn)速的上升,也上升, 達(dá)到穩(wěn)轉(zhuǎn)速時(shí), 。這就要求在啟動過程中把電動機(jī)的電流當(dāng)作被調(diào)節(jié)量, 使之維持 在電機(jī)

6、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(wù)。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。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級聯(lián)接，如圖所示。這就是說把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)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管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)，這樣就形成了轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極

7、點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。2.4調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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電路基本數(shù)據(jù)如下：1)晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=30;2)電樞回路總電阻R=0.18;3)時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)T1=0.012s;4)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.12s;5)調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=20;設(shè)計(jì)指標(biāo)：1)靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；2)動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量不大于5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量不大于20%。計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù)： (2-1) (3-2) （1）確定時(shí)間常數(shù)整

8、流裝置滯后時(shí)間常數(shù)；Ts=0.0022s。電流濾波時(shí)間常數(shù): Toi=0.002 s（三相橋式電路每個波頭是時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。按小時(shí)間常數(shù)近似處理。(Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：%5%，且轉(zhuǎn)速環(huán)：%20%可按典型型設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成PI型的.檢查對電源電壓的抗擾性能:（3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益: (2-1) ACR的比例系數(shù): (2-2) （4）

9、校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率:=Ki=135.1S-11）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： (2-3) 即 (2-4)滿足近似條件；2) 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件： (2-5) 即 (2-6) 滿足近似條件；3) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： (2-7) 即=(2-8) 電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為：，也滿足設(shè)計(jì)要求。2.5速度環(huán)的設(shè)計(jì)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動點(diǎn)后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點(diǎn)以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) (3-13) 轉(zhuǎn)速

10、開環(huán)增益： (3-14) ASR的比例系數(shù)： (3-15) （4）近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為： (3-16) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： (3-17)（5）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，,不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量:，滿足設(shè)計(jì)要求。第三章 基于51系列單片機(jī)的控制器控制器采用51系列單片機(jī)為控制核心,通過鍵盤輸入控制直流電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速以及定時(shí)時(shí)間的設(shè)定,電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時(shí)時(shí)間設(shè)定通過一組數(shù)碼管顯示。驅(qū)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(shè)計(jì)包括同步信

11、號獲得電路、觸發(fā)脈沖整形及驅(qū)動電路等。在確定磨片機(jī)轉(zhuǎn)速控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成后,要具體設(shè)計(jì)各單元模塊。元件和芯片的選取原則為既要滿足設(shè)計(jì)要求,又要考慮經(jīng)濟(jì)效益。各模塊的核心器件確定后,要進(jìn)行可行的電路設(shè)計(jì)。3.1基于51系列單片機(jī)的控制器設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)如圖3.1所示控制器由單片機(jī)、人機(jī)對話電路、同步信號獲得電路、觸發(fā)脈沖整形及驅(qū)動電路構(gòu)成。 考慮到設(shè)計(jì)程序大小,及整個系統(tǒng)所用需要的單片機(jī)資源,擬選用51系列單片機(jī)。 人機(jī)對話部分根據(jù)設(shè)計(jì)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

12、口控制芯片8279最多可接32位數(shù)碼管、4xs鍵盤,完全滿足設(shè)計(jì)要求。8279有編碼和譯碼兩種方式,由于譯碼方式只能實(shí)現(xiàn)4位掃描,外接顯示管不能多于4位,不能滿足設(shè)計(jì)要求,所以采用編碼方式。采用編碼方式需要配合適當(dāng)?shù)淖g碼器完成譯碼功能。由于掃描位不大于8位所以采用3一8譯碼器即可以滿足要求。擬采用74SL138實(shí)現(xiàn)譯碼功能。由于8279的UOTX端口的驅(qū)動能力不能滿足數(shù)碼管的段驅(qū)動要求,而74SL138的輸出也不能滿足數(shù)碼管的位驅(qū)動要求,所以均需要加驅(qū)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(qū)動電路和鍵盤的行掃描電路。單片機(jī)輸出為窄脈沖信號,電壓、電流都很小,不能直接

13、觸發(fā)晶閘管,所以通過單穩(wěn)態(tài)電路74LS123,把在窄脈沖信號變成定寬脈沖信號,再經(jīng)驅(qū)動電路,來觸發(fā)晶閘管。3.2同步信號電路設(shè)計(jì)3.2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將方波有效的上升沿轉(zhuǎn)換成下降沿,以滿足單片機(jī)中斷對過零點(diǎn)檢測的要求。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(jī)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。由于單片機(jī)中斷源在每個機(jī)器周

14、期被采樣一次,所以輸入的高電平或低電平至少必須保持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(shè)計(jì)選Cext=0.1uF、Rext=1K,則Tw=0.45*1K*O.1uF=0.045ms74LS123的連接如附錄圖3.3所示。此時(shí),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(74LS02)將上升沿變?yōu)橄陆笛?就可以作為單片機(jī)INTI的觸發(fā)信號。以上所述為同步信號檢測電路的原理,軟件在此基礎(chǔ)上經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r(shí),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。3.3人機(jī)接口設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求,需要8個LED,以及4X4鍵

15、盤,其中有一個鍵作為系統(tǒng)的復(fù)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(qū)動采用74LS244,74LS138譯碼器和451組成位驅(qū)動。3.3.1人機(jī)接口的電路設(shè)計(jì) 基于8279的人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)見附錄圖3.4，LED鍵盤和顯示見附錄3.5和3.6.3.4輸入信號及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)如附錄圖3.7所示: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(dǎo)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(dǎo)通。觸發(fā)變壓器作為輸出信號的驅(qū)動電路選擇KC

16、B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(shè)備中控制觸發(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(qiáng)弱電之間起到可靠的隔離作用。在變壓器的二次端加二級管,使得正向?qū)?反相截至,同時(shí)使兩組二次線圈的公共端與晶閘管的K極相連。單片機(jī)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(dǎo)通。三極管的集電極與繼電器的線圈相連,當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí),繼電器線圈有電流流過,使銜鐵吸和,電機(jī)啟動。第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1主流程設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖4.2INTO中斷服務(wù)程序4.2外部中斷0的服務(wù)程序4.3定時(shí)器0中斷子程序（觸發(fā)脈沖輸出）4.3定時(shí)

17、器0中斷服務(wù)程序4.4觸發(fā)角的修改當(dāng)操作者試圖改變直流調(diào)速的轉(zhuǎn)速時(shí),通過鍵盤將希望達(dá)到的轉(zhuǎn)速輸入,人機(jī)接口軟件將該轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的移相角,而移相角又是通過定時(shí)斤卜數(shù)器TO的預(yù)置數(shù)實(shí)現(xiàn)的,因此一旦有轉(zhuǎn)速修改,就需要執(zhí)行預(yù)置數(shù)修改程序。第五章 系統(tǒng)集成與結(jié)論5.1操作說明1、接通電源,打開右上角的電源開關(guān),這時(shí)每個數(shù)碼管中間顯示一橫,表示系統(tǒng)正常。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(shè)定時(shí)間。3、按數(shù)字鍵由高位到低位輸入定時(shí)時(shí)間。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(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。5、按數(shù)字鍵有高位到低位輸入四位轉(zhuǎn)速。若轉(zhuǎn)速小于四位,應(yīng)高位輸入零。6、輸入完

18、畢,按下確定鍵。7、按下運(yùn)行鍵,電機(jī)啟動。8、若要修改時(shí)間參數(shù),請先按功能鍵,當(dāng)?shù)谌伙@示P時(shí),再按一下增加鍵(或降低鍵),定時(shí)時(shí)間開始增加(或減少),當(dāng)再次按下增加鍵(或降低鍵),時(shí)間增加(降低)停止。此操作可在電機(jī)的正常工作時(shí)修改。9、若要修改電機(jī)的轉(zhuǎn)速參數(shù),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。首先使第三位顯示一(若不是,請按功能鍵),再按一下增加鍵(或降低鍵),轉(zhuǎn)速開始增加(或減少),當(dāng)再次按下增加鍵(或降低鍵),轉(zhuǎn)速增加(降低)停止。10、停機(jī),請按復(fù)位鍵,返回初始狀態(tài),關(guān)閉電源開關(guān)。5.2結(jié)論雖然這次課程是那么短暫的幾周時(shí)間，我感覺到這些天我的所學(xué)勝過我這一學(xué)期所學(xué)，這次任務(wù)原則上是設(shè)計(jì)，其實(shí)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