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电力电子课程设计直流电机调速

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课程设计说明书

直流电机调速

系 、 部: 电气与信息工程系
学生姓名:
指导教师: 职称
专 业: 自动化
班 级:
完成时间: 6月3日

电力电子技术课程设计任务书
系: 电气与信息工程系 年级: 自本0802 专业: 自动化
指导教师姓名

学生姓名

课题名称
直流电机调速

内

容

及

任

务

一、 设计任务和要求
学生经过理论设计和实物制作解决相应的实际问题, 巩固和运用在《电力电子技术》中所学的理论知识和实验技能, 掌握整流和触发电路的基本原理, 能够运用所学的理论知识分析设计任务。提高设计能力和实践动手能力, 为以后从事电子电路设计、 研发电子产品打下良好的基础

二、 设计内容
制作一个直流电机调速装置。

三、 技术指标
要求电源输入电压为220V, 改变控制主电路开关器件的导通角, 使负载侧的电压有效值改变, 从而控制直流电机的速度。观察当导通占空比a分别为20%、 50%、 80%时电机转动速度改变情况。

进

度

安

排
起止日期
设计内容
5.28
构思大致框架
5.29
根据原理图用protel画出原理图
5．29——6.3
改进并进行仿真
6.3
检查并进行最后修改
主要参考资料
王兆安.电力电子技术基础.第五版

答辩成绩

指导教师评阅意见

摘 要

本文是对直流电机PWM调速器设计的研究, 主要实现对电机的控制。为实现系统的微机控制, 在设计中, 采用了AT89C52单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分, 用PROTEUS仿真软件以各种显示、 驱动模块, 实现对电动机转速参数的显示和测量; 采用带中断的独立式键盘作为命令的输入, 单片机在程序控制下, 不断给光电隔离电路发送PWM波形.在设计中, 采用PWM调速方式, 经过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压, 进而实现对电动机的调速。
关键词: AT89C52单片机, PROTEUS, PWM

目 录

第一章 直流电机调速方案论证……………………………………………………5
第二章 直流电机调速硬件系统……………………………………………………6
2.1降压斩波电路……………………………………………………………6
2.2 驱动电路…………………………………………………………………7
2.3元器件清单……………………………………………………………10
第三章 直流电机调速软件系统的设计 …………………………………………11
3.1设计课题PWM信号的单片机程序清单…………………………………11
第四章 仿真结果与分析………………………………………………………14
4.1 仿真结果………………………………………………………14
4.2 仿真结果分析…………………………………………………16
第五章 心得体会…………………………………………………………………17
参考文献…………………………………………………………………………18
致谢…………………………………………………………………………………19
附录1………………………………………………………………………………20
附录 2………………………………………………………………………………21
附录 3………………………………………………………………………………22
附录 4………………………………………………………………………………23

第一章 直流电机调速方案论证
直流电动机的转速控制方法能够分为2大类: 对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢电压法。其中励磁控制法在低速时受磁饱和的限制, 在高速时受换向火花和换向器件结构强度的限制。而且励磁线圈电感较大, 动态性能响应较差, 因此这种控制方法用的很少, 多使用电枢控制法。
直流电机转速调节: 某些场合往往要求直流电机的转速在一定范围内可调节, 例如, 电车、 机床等, 调节范围根据负载的要求而定。调速能够有三种方法: ( 1) 改变电机两端电压; ( 2) 改变磁通; ( 3) 在电枢回路中, 串联调节电阻。本次课程设计采用第一种方法: 利用降压斩波电路与单片机驱动系统改变电机两端的电压大小从而达到调节直流电机转速的目的。

第二章 直流电机调速硬件系统的设计

2.1 降压斩波电路
工作原理, 两个阶段:
t=0时V导通, E向负载供电, uo=E, io按指数曲线上升;
t=t1时V关断, io经VD续流, uo近似为零, io呈指数曲线下降;
为使io连续且脉动小, 一般使L值较大。

图2.1 降压斩波电路原理图

数量关系:
电流连续时, 负载电压平均值

a——导通占空比, 简称占空比或导通比
Uo最大为E, 减小a, Uo随之减小——降压斩波电路。也称为Buck变换器( Buck Converter) 。

负载电流平均值

电流断续时, uo平均值会被抬高, 一般不希望出现斩波电路三种控制方式
( 1) 脉冲宽度调制( PWM) 或脉冲调宽型——T不变, 调节ton
( 2) 频率调制或调频型——ton不变, 改变T
( 3) 混合型——ton和T都可调, 使占空比改变
降压斩波电路的仿真模型如图2.2所示:

图2.2 降压斩波电路的仿真模型

2.2 驱动电路
2.1.1 单片机
本课程设计所用的芯片为AT89C52。之因此选择这块芯片, 是因为AT89C52是一种低功耗、 高性能CMOS8位微控制器, 具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造, 兼容标准MCS-51指令系统。片上Flash允许程序存储器在系统可编程, 亦适于常规编程器。在单芯片上, 拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash, 使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、 超有效的解决方案。AT89C52具有以下标准功能: 8k字节Flash, 256字节RAM, 32 位I/O 口线, 看门狗定时器, 2 个数据指针, 三个16 位定时器/计数器, 一个6向量2级中断结构, 全双工串行口, 片内晶振及时钟电路。另外, AT89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作, 支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下, CPU停止工作, 允许RAM、 定时器/计数器、 串口、 中断继续工作。掉电保护方式下, RAM内容被保存, 振荡器被冻结, 单片机一切工作停止, 直到下一个中断或硬件复位为止。其包含中央处理器、 程序处理器( ROM) 、 数据存储器( RAM) 、 定时/计数器、 并行接口、 串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、 地址总线和控制总线三大总线, 其基本结构示意图如图2.1所示:

图2.1 AT89C52基本结构示意图
2) 复位电路
复位电路利用电容充电来实现复位, 此时电源VCC经电阻R2,R1分压, 在RESET端产生一个复位高电平。图中R1取200欧, R2取1000欧, 电容为22µF。
3) 晶振电路
在AT89C52芯片内部有一个高增益的反相放大器, 其输入端为引脚X1, 输出端为引脚X2, 而在AT89C52芯片X1和X2之间跨接晶体振荡器和微调电容, 从而构成一个稳定的自激震荡器, 这就是时钟电路。
4) 存储器结构
MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都能够64K寻址。程序存储器: 如果EA引脚接地, 程序读取只从外部存储器开始。对于 AT89C52, 如果EA 接VCC, 程序读写先从内部存储器( 地址为0000H～1FFFH) 开始, 接着从外部寻址, 寻址地址为: H~FFFFH。数据存储器: AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址, 而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时, 寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器( SFR) 。

2.1.2 MOSFET
MOSFET,又称金属-氧化层-半导体-场效晶体管, 简称金氧半场效晶体管。
要使增强型N沟道MOSFET工作, 要在G、 S之间加正电压VGS及在D、 S之间加正电压VDS, 则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。 　　若先不接VGS(即VGS＝0), 在D与S极之间加一正电压VDS, 漏极D与衬底之间的PN结处于反向, 因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时能够将栅极与衬底看作电容器的两个极板, 而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时, 在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷, 而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反, 因此称为”反型层”, 这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时, 感应出来的负电荷较少, 它将被P型衬底中的空穴中和, 因此在这种情况时, 漏源之间依然无电流ID。当VGS增加到一定值时, 其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道, 这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、 门限电压), 用符号VT表示(一般规定在ID＝10uA时的VGS作为VT)。当VGS继续增大, 负电荷增加, 导电沟道扩大, 电阻降低, ID也随之增加, 而且呈较好线性关系, 如图4所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内能够认为, 改变VGS来控制漏源之间的电阻, 达到控制ID的作用。
由于这种结构在VGS＝0时, ID＝0, 称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET, 在VGS＝0时也有一定的ID(称为IDSS), 这种MOSFET称为耗尽型。它的结构如图5所示, 它的转移特性如图6所示。VP为夹断电压(ID＝0)。耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子, 使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷, 即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄层而形成一导电沟道, 因此在VGS＝0时, 有VDS作用时也有一定的ID(IDSS); 当VGS有电压时(能够是正电压或负电压), 改变感应的负电荷数量, 从而改变ID的大小。VP为ID＝0时的-VGS, 称为夹断电压。MOSFET内部结构图如2.2所示。

图2.2 MOSFET内部结构图

2.3 元器件清单
表2.1 元器件清单
元器件
个数
AT89C52
1片
直流电动机
1台
MOSFET
1个
发光二极管
16个
蜂鸣器
1个
按钮
4个
PNP三极管( 9012)
3个
晶体振荡器( 12MHz)
1个
极性电容( 22μF)
1个
普通电容(1μF)
2个
双面PCB板
1块
电感
1个
2位共阳数码管
1块
电阻( 470欧、 1K欧、 200欧)
8个、 2个、 1个
二极管
1个

第三章 直流斩波软件系统的设计

3.1 设计课题PWM信号的单片机程序清单
ORG 0000H
LJMP START
ORG 000BH
LJMP TIME1
ORG 001BH
LJMP TIME2
ORG 0030H
START: MOV SP, #7FH
MOV PSW,#00H
MOV TMOD,#22H ;定时器0和1, 工作方式2
SETB EA
SETB ET0
SETB ET1
MOV TH0,#215 ;定时器0初值
MOV TL0,#215
MOV TH1,#95 ;定时器1初值
MOV TL1,#95
MOV R0,#40
MOV R1,#200
MOV R2,#160
SETB TR0
JS: LCALL KEY
JB 20H.0, JIAN1; 按键判断1
JB 20H.1, JIAN2; 按键判断2
LJMP JS
JIAN1: INC R0 ; 键功能1加脉宽
INC R0
LCALL CHULI
LJMP JS
JIAN2: DEC R0 ; 键功能2减脉宽
DEC R0
LCALL CHULI
LJMP JS
TIME1: CPL P1.2
CLR TR0
SETB TR1
RETI
TIME2: CPL P1.2
CLR TR1
SETB TR0
RETI
;*********键扫子程序部分*********
KEY: LCALL QUSHU
JZ EXIT
MOV B, 20H
KEYSF: LCALL QUSHU
JZ EXIT1
LJMP KEYSF
EXIT1: MOV 20H, B
EXIT: RET
QUSHU: PUSH PSW
CLR RS1
SETB RS0
SETB P1.0
SETB P1.1
MOV A, P1
CPL A
ANL A, #03H
MOV 20H, A
POP PSW
RET
CHULI: MOV A,#0FFH
SUBB A,R0
MOV TH0,A
MOV TL0,A
MOV A,R1
SUBB A,R0
MOV R2,A
MOV A,#0FFH
SUBB A, R2
MOV TH1,A
MOV TL1,A
RET
END

将程序经过KEIL编译生成HEX文件, 导入到PROTEUS的单片机芯片里面从而进行仿真。

第四章 仿真结果与分析

4.1 仿真结果
4.1.1 降压斩波电路仿真波形图
在参数设置完毕后即能够开始仿真。芯片加载软件EXE文件后, 立即开始仿真。在需要观察的点上放置示波器, 点击开始后弹出示波器窗口显示输出波形, 在仿真中经过示波器来观察仿真的结果。得到如图4.1、 图4.2、 图4.3所示波形。

图4.1 占空比a为0.2时的输出波形

图4.2 占空比a为0.5时的输出波形

图4.3 占空比a为0.8时的输出波形

4.1.2 直流电机调速仿真

图4.4占空比a为0.2时直流电机调速仿真结果

图4.5占空比a为0.5时直流电机调速仿真结果

图4.6占空比a为0.8时直流电机调速仿真结果

4.2 仿真结果分析
当仿真开始运行时, 各个模块处于运行状态, 电机开始转动。分别按动按钮1、 2改变PWM脉冲时的占空比, 从电压表的读数上能够看到电机的工作电压改变, 电机转动速度得到了调节。因此, 从仿真结果能够看出, 按动按键1时脉宽增加, 占空比a增加, 电机两端的电压增大, 电机转速增加; 按动按键2时脉宽减少, 占空比a减少, 电机两端的电压减小, 电机转速减慢, 本设计能够得到预期的效果。

第五章 心得体会
经过这段时间的努力, 我终于完成了这次的课程设计。在设计过程中, 我查阅了很多资料, 更深的了解了直流电动机的工作原理以及其调速方法。同时, 还了解了直流脉宽调速系统的工作原理。设计过程中出现了很多问题, 比如基础知识掌握的不够牢靠, 细节掌握的不够好, 但在同学的鼓励和自己的努力下尽力完成了设计。
经过本次课程设计, 我学到了许多书本上无法学到的知识, 也使我深刻体会到电力电子技术应用领域的广泛。不但让我对学过的知识有了更多的巩固, 同时也让我对这门课程产生了更浓厚的兴趣。设计的初期阶段, 难度很大, 无从下手, 经过查阅书籍、 搜索网站、 询问同学, 终于迈出了一步又一步。整个设计过程中, 不但能学到很多电机调速相关的知识, 还培养了自学能力, 这对我们今后的学习与工作有很大的帮助。
只有经过自己亲手制作才能知道自己的不足, 在这过程中我能感受到自己在一些能力方面的欠缺, 并希望自己以后能经过努力去改进这一情况。

参考文献
[1] 翟玉文, 梁伟, 艾学忠, 施云贵. 电子设计与实践. 中国电力出版社. .
ZhaiYuWen, LiangWei, YiXueZhong, ShiYunGui. Electronic design and practice. China power press. .
[2] 邓星钟. 机电传动控制.华中科技大学出版社. .
DengXingZhong. Mechanical and electrical transmission control. Huazhong university of science and technology press. .
[3] 张毅刚. 单片机原理及应用. 北京: 高等教育出版社. .
Yigang zhang. Single-chip microcomputer principle and application. Beijing: higher education press. .
[4] 陈润泰, 许琨. 检测技术与智能仪表. 湖南: 中南工业大学出版社. .
ChenRunTai, XuKun. Testing technology and intelligent instrument. Hunan: south industrial university press. .

致谢

感谢老师的教导, 也感谢同学的帮助, 设计中遇到了许多的问题, 在你们的帮助下才得以顺利完成。

附录

附录1: PCB图

顶层图

底层图

附录2: 元器件布局图

附录3: 总体电路原理图