直流电机设计方案

陕西能源职业技术学院毕业论文 - 1 - 直流电机设计方案 第 1章 绪 论 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。 本文设计开发了一套基于单片机的直流电机多速控制器，作为其配套的试验装置。论文根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以 调速电路、测量电路、闭环检测电路和显示电路等作了详细阐述 ;软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。论述了软件的设计思想和方法 ;实现了对直流电动机转动参数的设置、启动、停止、加速、减速、正转、反转和显示等功能。利用 片进行低成 本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。针对直流电机运行环境恶劣、干扰严重的特点，从系统的硬件设计、软件设计等多方面进行抗干扰的综合考虑，并利用多种软件和硬件技术来提高和改善系统的抗干扰能力，有效地提高了系统的可靠性和实用性。运行结果表明，系统实现了电机的高精度多速度控制，达到陕西能源职业技术学院毕业论文 - 2 - 了性能指标要求。 本设计将介绍一种基于单片机的直流电机转速控制系统。该系统采用以 单片机为核心，产生 宽调制）信号；通过 H 桥驱动电路 来控制直流 电机的启动、速度、暂停以及方向的变化；并且采用键盘作为输入，加减改变 过 示电动机的转速。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制，复杂控制是对电动机的转速转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制。本次设计可以作为简单控制向复杂控制的过度，实现直流电机启动、制动、正反转控制和顺序控制外，还要进行转速控制。为以后复杂控制做为基础学习。 主要内容如下 1. 通过键盘设定步进电机的转速及方向 2. 接通电源后 动机运行状态”的字样，第二行显示出电动机当前用行状态。 3. 电动机运行状态用过键盘来控制。 4. 其中四只按键来控制电机正传、反转、停止和暂停，另外四只按键分别来控制电机速度每分钟加、减 5转或每分钟加、减 1转。 5. 所有运行状态在 一、 设计方案比较与分析： 1、电机调速控制模块： 方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的 问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 陕西能源职业技术学院毕业论文 - 3 - 方案三：采用由达林顿管组成的 路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高； H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广 泛采用的 兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。 2、 方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。 方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出 口的输出切换和对 由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极 性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。 3、 调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生 4、 方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个 方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定 时误差在允许范围，故采用方案二。 二、 系统分析与设计： 总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。 键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过 - 4 - 出与转速相应的 一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动 现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过 示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时数字向右移动，反转时数字向左移动。移动速度分 7档，快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。每次电动机启动后开始计时，停止时 示出本 次运转所用时间，时间精确到 1、系统的硬件电路设计与分析 电动机 电路采用的是基于 型桥式驱动电路。 图二 路由四个大功率晶体管组成 H 型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4 个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。 4 个电感在电路中是起防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。 在实验中的控制系统电压统一为 5v 电源，因此若达林顿管基极由控制系统直接控制， 则控制电压最高为 5V，再加上三极管本身压降，加到电动机两端的电压就只有 4重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，我们运用了 4耦集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外接12V 电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强。 在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在 40动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在 10下，电动机转动有明显跳动现象。实验证明，脉冲频率在 15具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过 1输入低电平， 过对信号占空比的调整来对车速进行调节。速度分陕西能源职业技术学院毕业论文 - 5 - 7 档控制，从高电平（第 6 档）到低电平（第 0 档）中间占空比以 20%逐极递减。速度微调方面，可以通过对占空比以 1%的跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减。 2、系统的软件设计 本系统编程部分工作采用 言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、 单片机资源分配如下表： 示模块接口 外部中断 0 （ 键盘中断 盘模块接口 内部定时器 0 系统时钟 系统主函数流程如图三： 宽控制：本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制，延时程序函数如下： i=50* 此函数为带参数 产生 00延时，因此一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数 成，本设计中采用的脉冲频率为 25得 00，占空比为因此要实现定频调宽的调速方式，只需通过程序改变全局变量 值，该子程序流程图如图四。 键盘中断处理子程序：采用中断方式，按下键，单片机 产 生一负跳沿，响应该中断处理程序，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。 调速档、持续加 /减速：调速档通过（ 0七档固定占空比，即相应档位相应改变 实现调速档位的实现。而要实现按住加 /减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止，就需在判断是否松开该按键时，陕西能源职业技术学院毕业论文 - 6 - 每进行一次增加 /减少 1%占空比（即 ;+） ,其程序流程图如图五。 显示子程序：利用数组方式定义显示缓存区，缓存区有 8位，分别存放各个 示子程序为一带参子程序，参数为显示缓存的数组名，通过 i=0; if( if(55) ; ; if(1) 陕西能源职业技术学院毕业论文 30 if(5) ; ; ; ; #2 =0 ; ,; ; ;) if(0 0; 0;0;0; 0; ; ; 编语言程序 (后附 ) 陕西能源职业技术学院毕业论文 31 第 5 章 系统调试及结论分析 单片机应用系统的硬件和软件调试是交叉进行的，但通常是先排除样机中明显的硬件故障，尤其是电源故障，才能安全地和仿真器相连，进行综合调试。 1错线、开路、短路：由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的错线、开路、短路等故障。 解决方法：在画原理图时仔细检查、校正即可解决。 2元器件损坏：由于对元器件使用要求的不 熟悉及制作调试过程中操作不当致使器件损坏。 解决方法：在设计过程中要明确各元器件的工作条件，严格按照制作要求进行操作，损坏的元器件要及时更换，以免损坏其他元件或影响电路功能的实现。 3电源故障：设计中存在电源故障，即上电后将造成元器件损坏、无法正常供电，电路不能正常工作。电源的故障包括：电压值不符和设计要求，电源引出线和插座不对应，各档电源之间的短路，变压器功率不足，内阻大，负载能力差等。 解决方法：电源必须单独调试好以后才能加到系统的各个部件中。本设计中就出现电源故障经过一个稳压电路才使其正常工作。 件调试方法 本设计调试过程中所用的调试方法有：静态测试、联仿真器在线调试等。 1静态测试 在样机加电之前，首先用万用表等工具，根据硬件电器原理图和装配图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。应特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并重点检查扩展系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互间的短路或与其它信号线的短路。第二步是加电后检查各个插件上引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意单片机插座上的各点电位，若有高压，联机时将会损坏仿真器 。第三步是在不加电情况下，除单片机以外，插上所有的元器件，最后用仿真适配器将样机的单片机插座和仿真器的仿真接口相连，为联机调试做准备。 2联仿真器在线调试 测试 仿真器写命令将一批数据写入样机中扩展的 后用读命令读出其内容，若对任意单元读出和写入内容一致，则扩展 32 的连接没有逻辑错误。若读出写入内存不一致，则可能是地址数据线短路，试写入不同的数据观察读出结果，或缩小对 查对 样可初步对地址数据线短路错误定位，再用万用表、示波器 等进一步确诊。 件电路故障及解决方法 设计软件部分出现这种错误的现象： 1当以断点或连续方式运行时，目标系统没有按规定的功能进行操作或什么结果也没有，这是由于程序转移到意外之处或在某处死循环所造成的。 解决方法：这类错误的原因是程序中转移地址计算错误、堆栈溢出、工作寄存器冲突等。在采用实时多任务操作系统时，错误可能在操作系统中，没有完成正确的任务调度操作，也可能在高优先级任务程序中，该任务不释放处理器，使过对错误程序的修改使其实现预期的功能。 2不响应中断 响应中断或不响应某一个中断这种错误的现象是连续运行时不执行中断任务程序的规定操作，当断点设在中断入口或中断服务程序中时碰不到断点。 错误的原因有：中断控制寄存器（ 初值设置不正确，使 者对片内的定时器、串行口等特殊功能寄存器和扩展的 I/成中断没有被激活；或者某一中断服务程序不是以 令作为返回主程序的指令， 已返回到主程序但内部中断状态寄存器没有被清除，从而不响应中断；或由于外部中断源的硬件故障使外部中断请求无效。 解 决方法：修改中断控制寄存器（ 初值设置。 件调试方法 软件调试所使用的方法有：计算程序的调试方法、 I/O 处理程序的调试法、综合调试法等。 1计算程序的调试方法 计算程序的错误是一种静态的固定的错误，因此主要用单拍或断点运行方式来调试。根据计算程序的功能，事先准备好一组测试数据。调试时，用防真器的写命令，将数据写入计算程序的参数缓冲单元，然后从计算程序开始运行到结束，运行的结果和正确数据比较，如果对有的测试数据进行测试，都没有发生错误，陕西能源职业技术学院毕业论文 33 则该计算程序调试成功；如果发现结果不正确，改用单 步运行方式，即可检查出错误所在。计算程序的修改视错误性质而定。若是算法错误，那是根本性错误，应重新设计该程序；若是局部的指令有错，修改即可。如果用于测试的数据没有全部覆盖实际计算的原始数据的类型，调试没有发现错误可能在系统运行过程中暴露出来。 2 I/对于 A/，因此一般用全速断点运行方式或连续运行方式进行调试。 3综合调试 在完成了各个模块程序（或各个任务程序）的调试工作以后，便可进行系统的综合调试。综合调试一般采用全速断点运行方式，这个阶段的主要 工作社排除系统中遗留的错误以提高系统的动态性能和精度。在综合调试的最后阶段，应在目标系统的晶振频率工作，使系统全速运行目标程序，实现了预定功能技术指标后，便可将软件固化，然后在运行固化的目标程序，成功后目标系统便可脱机运行。一般情况下，这样一个应用系统就算研制成功了。 第 6 章 总结与展望 近三个月的毕业设计即将结束，这意味着我们的大学生活也要结束了，但我们的学习没有结束，在本次设计中，我们所学过的理论知识接受了实践的检验，增强我的综合运用所学知识的能力及动手能力，为以后的学习和工作打下了良好的基础。本文以 列单片机为核心 ，对调速电路、测量电路、闭环检测电路和显示电路等作了详细阐述 ;软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。论述了软件的设计思想和方法 ;实现了对直流电动机转动参数的设置、启动、停止、加速、减速、正转、反转和显示等功能。利用 片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 通过三个月的设计，我也有很深的感触：当今社会在飞速发展，科学技术发展的速度更是迅猛无比，尤其是单片机技术在未来社会发展中一定会起着 十分重要的作用，而通过本次设计无论是 从硬件实现还是到整个程序的完成，无不是对我个人专业能力的一次提高和体现。而本次设计主要是完成两方面工作，软件程序设计和硬件电路板设计。软件设计包括用单片机设计语言设计控制系统并仿真、实现。硬件设计包括绘制电路原理图，生成图后制作电路板、插件焊件、再做硬件测试。通过这些都使我对采用单片机设计方法有了更深的理解和掌握，同时也让我把所学的知识广泛的应用到了实践中，充分的做到了理论与实践相结合。无论从专业知识、动手能力，还是毅志品陕西能源职业技术学院毕业论文 34 质，都使我受益非浅。当然，这与老师和同学的热心帮助 也是分不开的。 大学生活虽然结束了，但我们的学习还没有结束，只有不断学习，用知识充实自己的头脑，才能在未来社会有一席之地，才能为社会的发展做出应有的贡献，一句话：学无止境。 参考文献 1杨天明 M中国林业出版社 ,2006. 2任小坤 J2007,7（ 1） . 3杨靖 J用 机床电器 ,2008,(1). 单片机中级教程 M北京航空航天大学出版社 ,2007. 5薛英杰 电机调速的单片 A2002,35. 6李维军 速系统 7吴泽民 J2008,1. 附 录 1系统总程序清单 ;0000 02 04 0A ;0003 02 06 86 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 02H, 05H, 5 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 00H 00H, 00H, 00H, 00H, 00H, 02H, 06H, 1 A, ;001E A,#0 ;001F 24 A,#50024 ;0021 B 00 ;0024 40 03 ;0026 02 02 0029: 0037H ;0029 90 00 37 B,#03H ;002C 75 3 ;002F A, ;0030 3 A,B ;0032 25 A, ;0034 3 A+ ;0036 73 ;0037 02 01 48 ;003D 02 01 52 ;0040 02 01 57 ;0043 02 01 5C ;0046 02 01 61 ;0049 02 01 66 ;004C 02 02 ;004F 02 01 70 陕西能源职业技术学院毕业论文 35 ;0052 02 01 75 ;0055 02 01 7A ;0058 02 01 7F ;005B 02 02 ;005E 02 01 84 ;0061 02 01 89 ;0064 02 01 8E ;0067 02 01 ;006A 02 01 ;006D 02 01 ;0070 02 01 ;0073 02 01 ;0076 02 01 ;0079 02 01 ;007C 02 01 ;007F 02 01 ;0082 02 01 ;0085 02 01 ;0088 02 02 ;008B 02 01 98 ;008E 02 01 93 ;0091 02 01 6B ;0094 02 01 9D ;0097 02 02 ;009A 02 01 ;00 02 01 ;00 02 01 ;00 02 01 ;00 02 01 ;00 02 01 ;00 02 02 01 ;00 02 02 06 ;00 02 02 0B ;00 02 02 10 ;00 02 02 15 ;00 02 02 1A ;00 02 02 1F ;00 02 02 24 ;00 02 02 29 ;00 02 02 2E ;00 02 02 33 ;00 02 02 38 ;00 02 02 3D ;00 02 02 41 陕西能源职业技术学院毕业论文 36 ;00 02 02 45 ;00 02 02 49 ;00 02 02 4D ;00 02 02 51 ;00 02 02 55 ;00 02 02 ;00 02 02 ;00 02 02 ;00 02 01 ;00 02 02 ;00 02 02 ;00 02 02 59 ;00 02 02 5D ;0100 02 02 61 ;0106 02 02 69 ;0109 02 02 6D ;010C 02 02 71 ;010F 02 02 75 ;0112 02 02 79 ;0115 02 02 7D ;0118 02 02 81 ;011B 02 02 85 ;011E 02 02 89 ;0121 02 02 8D ;0124 02 02 91 ;0127 02 02 95 ;012A 02 02 99 ;012D 02 02 9D ;0130 02 02 ;0133 02 02 ;0136 02 02 ;0139 02 02 ;013C 02 02 ;013F 02 02 ;0142 02 02 0148: 20H ;0148 7F 20 ;014A 02 02 014D: 21H ;014D 7F 21 ;014F 02 02 0152: 22H ;0152 7F 22 ;0154 02 02 0157: 23H ;0157 7F 23 ;0159 02 02 015C: 24H ;015C 7F 24 陕西能源职业技术学院毕业论文 37 ;015E 02 02 0161: 25H ;0161 7F 25 ;0163 02 02 0166: 26H ;0166 7F 26 ;0168 02 02 016B: 27H ;016B 7F 27 ;016D 02 02 0170: 28H ;0170 7F 28 ;0172 02 02 0175: 29H ;0175 7F 29 ;0177 02 02 017A: 2 ;017A 7F 2A ;017C 02 02 017F: 2 ;017F 7F 2B ;0181 02 02 0184: 2 ;0184 7F 2D ;0186 02 02 0189: 2 ;0189 7F 2E ;018B 02 02 018E: 2 ;018E 7F 2F ;0190 02 02 0193: 3 ;0193 7F 3D ;0195 02 02 0198: 3 ;0198 7F 3E ;019A 02 02 019D: 3 ;019D 7F 3F ;019F 02 02 01 5 ;01 7F 5E ;01 0