直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計【優(yōu)秀畢業(yè)課程設計帶任務書+開題報告+外文翻譯】

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C as a is to be a a is in TUs a of to is a in to of of a of if is of In C to of a is at C on as be as a to at to be to of 2 Up to be by a C a 56 On a it is a C to at a a In of is be be an of be as . be It is in a in ,- i I I I : of in to be is of of or as a of of at a a 3 at of by at to IAs of 5 D to to a a to be up to be of do a of in of is is to A a If as be or be of on a on of of 5, a be of be A a up 2 on a to at a of a 200 a of It a is to to as a is to in in 5 D to In a a of is of to at of to 200 or of is In to a of to an As a of of up to or 850nm up to 5 1300nm be in 50nm be as or on In or is In a is or 0% on to be in C in of be A M is be a of to be at no In of M is in on on in in in no to a 4 of no by is an of If a of it in or be a it a of be a of on a to if t of It is by , of A is of of in is in of is is be to a of on eU i+3 eU : he of of a of a of as to a of to a be in is a is to be as as 第 I 頁 摘 要 當今，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展，而直流驅(qū)動控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。 特別是在直流電動機廣泛應用的電氣傳動領(lǐng)域，起到至關(guān)重要的作用。直流電動機因為具有良好的調(diào)速性能和比較大的起動轉(zhuǎn)矩，一直被應用在電氣領(lǐng)域，尤其是在需要調(diào)速性能很高的場所。在制造業(yè)、工農(nóng)業(yè)自動化、鐵路與運輸?shù)刃袠I(yè)都被廣泛的應用，隨著市場的競爭力，對直流電動機的需求也越來越高，同時對直流電動機的調(diào)速性能也有了更高的要求。因此，研究直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的調(diào)速性能有著很重要的意義。 在本次 的設計中采用 制直流電動機轉(zhuǎn)速。 沖受到 法的控制，被用來控制直流電動機的轉(zhuǎn)速。同時利用安裝在直流電動機轉(zhuǎn)軸上的光電式傳感器，將直流電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，反饋到單片機，形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改變不同占空比的 沖就可以實現(xiàn)直流電動機轉(zhuǎn)速控制。 本論文對每一個方案的選擇都進行詳細的論述，在軟件和硬件部分都進行了模塊化。硬件部分首先給出一個以 片機為核心的整體結(jié)構(gòu)圖，并對驅(qū)動電路、顯示電路等模塊進行詳細的闡述。在軟件部分給出整體程序流程圖，對 法程序、 顯示程序等模塊詳細的闡述。本次系統(tǒng)設計的具有抗干擾能力強、性價比高、維修簡單方便等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞 ： 片機；直流電動機；轉(zhuǎn)速控制 第 in of As of an in in C is in of DC of in in of Is in of of C is of C it is to of C In WM C is by ID is to C At on of C C is a to a of WM C In of in in In of we a as in In WM in of so DC 目錄 目 錄 摘 要 . I . 緒論 . 1 題背景 . 1 題研究的目的和意義 . 2 設計的內(nèi)容及意義 . 2 . 2 . 2 流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理 . 3 沖控制原理 . 4 . 5 本原理 . 6 章小結(jié) . 8 2 系統(tǒng)整體方案 . 9 統(tǒng)設計任務與設計要求 . 9 . 9 . 9 統(tǒng)方案論證 . 9 . 9 . 10 . 10 . 10 . 11 . 11 統(tǒng)的組成 . 12 章小結(jié) . 12 3 硬件系統(tǒng)設計 . 13 片機最小系統(tǒng) . 13 . 13 振電路 . 14 位電路 . 15 立式鍵盤電路 . 15 晶顯示電路 . 16 源電路 . 16 動機驅(qū)動電路 . 17 目錄 電式傳感器測速電路 . 18 章小結(jié) . 19 4 系統(tǒng)軟件設計 . 20 統(tǒng)模塊主程序設計 . 21 始化模塊程序 . 21 鍵掃描模塊程序 . 23 晶顯示模塊程序 . 25 動 機調(diào)速模塊程序 . 26 章小結(jié) . 29 5 樣機硬軟件調(diào)試 . 30 機 硬件調(diào)試 . 30 件焊接與整板調(diào)試 . 30 . 30 件調(diào)試與硬件調(diào)試實驗 . 31 . 31 . 31 試遇到的困難 . 32 章小結(jié) . 32 6 結(jié)論 . 33 致 謝 . 34 參考文獻 . 35 附錄一 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計原理圖 . 36 附錄二 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計 . 37 附錄三 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計 C 語言原程序 . 38 附錄四 元件清單 . 43 第 1 頁 共 43 頁 1 緒論 題背景 近年來直流電動機飛速的發(fā)展。而今市場上有各類各樣的直流電動機，場合不一樣使用者不一樣的電動機。大到如醫(yī)療器械、航空業(yè)、工農(nóng)業(yè)自動化、制造業(yè)、加工業(yè)等；小到家庭里的家用電器和電子產(chǎn)品等，絕大部分都使用直流電動機。隨著微機技術(shù)和電力電子技術(shù)的相結(jié)合，對自動控制系統(tǒng)的控制性能了提出了更高的要求，特別是在電氣傳動領(lǐng)域的直流電動機調(diào)速控制 。對調(diào)速系統(tǒng)性能要求高的有汽車、電梯、車床、航空工業(yè)、高鐵等領(lǐng)域，特別是國防領(lǐng)域中坦克、雷達、火炮、戰(zhàn)斗機等應用很廣泛。直流電動機轉(zhuǎn)速控制主要由四個部分構(gòu)成：控制器部分、功率輸出部分、反饋部分、電動機部分。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)、制作工藝、提高檔次等需要，這些不同的部分組合，可以得到調(diào)速多樣化的調(diào)速系統(tǒng)。 近三十年來，直流電動機在電氣傳動方面發(fā)生了顯著的改變。首先，出現(xiàn)了整流器的時代，可控硅整流裝置取代了傳統(tǒng)使用的直流發(fā)電動機、電動機組及水銀整流裝置使得直流電動機的發(fā)展又向前邁進了一大步。與此同時，控制電路已經(jīng)發(fā) 展成集成化，具有體積小，可靠性高，成本低的特點。這些技術(shù)的使用，使直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能有明顯的改善，應用范圍變得更加廣泛。直流電動機調(diào)速技術(shù)正在不停的改善，相信在將來會逐漸的變成一項極其重要的調(diào)速技術(shù)和重要的研究課題。 在直流電動機控制方面，微機控制器和專門的 制芯片的使用也占有很重要的作用，它們是為了提高直流電動機調(diào)速性能被專門制造出來。整篇文章是對基于單片機的直流電動機轉(zhuǎn)速控制進行了進一步的研究。從直流電動機的調(diào)速原理開始，逐漸的建立了一個以 速系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制模型，同時結(jié)合制 算法，將微機技術(shù)和自動控制系統(tǒng)相結(jié)合并且應用在直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中。微機有體積小、能耗低、功能強大等特點，并且還有很多的外接口來接外圍電路，運算速度快等優(yōu)勢。將它們相聯(lián)結(jié)就可以組成一個閉環(huán)反饋轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。運用微機技術(shù)時，分別對顯示電路、測速原理、驅(qū)動電路等模塊進行了硬件和軟件上的闡述。 隨著電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的突飛猛進，微機技術(shù)也據(jù)有更重要的作用。目前的發(fā)展趨勢是以微機控制技術(shù)為核心的各種自動控制系統(tǒng)，利用計算機可以將復雜的控制規(guī)律簡單化，更加能夠容易的構(gòu)建數(shù)學模型。以計算機為核心的微機控制技術(shù) ，被廣泛的應用在直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，不僅調(diào)高系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力、穩(wěn)定性。 第 2 頁 共 43 頁 題研究的目的和意義 在現(xiàn)代社會中，自動控制系統(tǒng)已經(jīng)遍及到我們生活領(lǐng)域的各個方面，例如在醫(yī)療器械、汽車制造業(yè)、鐵路運輸業(yè)、煤礦業(yè)、輪船業(yè)、電力行業(yè)、加工業(yè)等多個領(lǐng)域。而這些設備的動力絕大部分都是由直流電動機提供，因此在工業(yè)領(lǐng)域中直流電動機的應用是非常廣泛的。在那么多種類的電動機中，只有直流電動機有良好的起動性和調(diào)速性，所以在對起動性和調(diào)速性較高的場所被廣泛的應用。因此在電氣傳動領(lǐng)域繼續(xù)研究直流電動機調(diào)速這一課題依然 很重要。 該系統(tǒng)是基于單片機的直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，它可以分為四大組成模塊：單片機主控核心模塊、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊、設定和顯示模塊、功率控制輸出模塊。本次的設計思路是：采用 片機為主控核心，根據(jù)設定的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生 沖，控制電動機轉(zhuǎn)動。測得的實際轉(zhuǎn)速和設定的轉(zhuǎn)速相比較，會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)速偏差， 制算法會根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，改變 沖的占空比，從而調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速。同時利用安裝在直流電動機轉(zhuǎn)軸上的光電式感器，并將直流電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，反饋到單片機，形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。 通過基于單 片機的直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計，培養(yǎng)設計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設計直流電動機的轉(zhuǎn)速控制、直流電動機的驅(qū)動和液晶顯示等外圍電路，采用 用到所學有關(guān)電動機等相關(guān)理論知識，結(jié)合實際設計的電路，做到理論結(jié)合實際。同時能夠掌握的基本自動控制技術(shù)和微機控制技術(shù)。 設計的內(nèi)容及意義 （ 1）轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊 （ 2）設定和顯示模塊 （ 3）功率控制輸出模塊 （ 4）電源模塊 （ 5）電動機驅(qū)動模塊 （ 6）單片機 最小系統(tǒng)模塊 電動機作為最主要的電能轉(zhuǎn)換成機械能的轉(zhuǎn)換裝置，它的應用已經(jīng)遍及各行各業(yè)和我們的日常生活。無論在航空工業(yè)、制造業(yè)、鐵路運輸?shù)阮I(lǐng)域，絕大部分都是在使用直流電動機來提供動力。很多對直流電動機都采用模擬法來調(diào)速控制，以致出現(xiàn)很多直流電動機轉(zhuǎn)速控制結(jié)構(gòu)簡單的應用。在本次的設計中，主要 第 3 頁 共 43 頁 對直流電動機進行轉(zhuǎn)速控制和正反轉(zhuǎn)控制，采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。 同時通過基于直流電動機的轉(zhuǎn)速控制設計，培養(yǎng)設計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力，能夠使理論結(jié)合實際，檢驗自己的電路基本知識，加深對自動控制理論的理 解。 流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理 自動控制一般都是閉環(huán)控制，所謂的閉環(huán)控制系統(tǒng)，指的是根據(jù)被控對象輸出反饋來進行校正的控制方式， 它是將實際的測量值和設定值相比較，從而產(chǎn)生一個偏差值，根據(jù)偏差值得進行校正 。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將輸出量變化的偏差值作為比較量反饋給控制端以改變輸入量的大小，通常偏差值和輸入量恰恰相反，所以也叫做負反饋控制。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，構(gòu)成的系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 1示是具有轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋控制的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，被調(diào)量是轉(zhuǎn)速n ，給定量是給定電壓 *在電動機軸上安裝測速發(fā)電動機用以得到與被測轉(zhuǎn)速成正比的反饋電壓*統(tǒng)將產(chǎn)生一個偏差電壓值然后經(jīng)過比例放大器 A，將產(chǎn)生電力電子變換 得到的控制電壓調(diào)速系統(tǒng)中，比例放大器又稱做比例 （ P） 調(diào)機器。從統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，而閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的主要差別就是在于轉(zhuǎn)速 n 經(jīng)過測量元件反饋到輸入端與控制。 電力電子變換器 0d s U直流電動機 0 電壓比較環(huán)節(jié) *n n U 比例調(diào)節(jié)器 c p U測速反饋環(huán)節(jié) 上述各關(guān)系式中新出現(xiàn)的系數(shù)： 比例調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（ r）。 第 4 頁 共 43 頁 圖 1速閉環(huán)反饋控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)圖 根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系關(guān)系式可以畫出閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 1示，方框中的文字符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。 圖 1速閉 環(huán)反饋控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 沖控制原理 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即指窄脈沖的面積 1。 效果基本相同，指的是在慣性環(huán)節(jié)上輸出的響應波形基本相同。在低頻段的時候極其接近，但是在到了高頻段的時候差異有些大。 圖 1量相同形狀不同的窄脈沖 在 路中分別用圖 1的每一個窄脈沖加在上面，從圖 1-4 b 的響應波形* *nUM f ( t )0 t )0 t )0 t )0 第 5 頁 共 43 頁 可以看出不同形狀相量相等的窄脈沖和輸出電流 ()變化。從波形上我們可以 看出， ()的形狀會隨著 ()上升部分而有差異，反而在下降部分基本相同。我們可以得出結(jié)論，脈沖取得越窄越好，這樣得到的 ()應波形的之間差別就越小。如果有規(guī)律的加上脈沖， 響應 ()跟著有規(guī)律。 響應 () 傅里葉級數(shù)分解以后，我們可以看到在低頻段時 ()應波形的差別很小，只有在高頻段有差別很大。 圖 1量相同的各種窄脈沖的響應波形 用正弦半波來替代那些幅度一樣寬度不一樣的脈沖，正弦半波被分成 N 等分，這些 N 個等分相連的脈沖序列，只是幅值不相等，寬度仍然相同 2。以致我們可以用矩形脈沖來代替幅值不相等，寬度相同的沖量相等，寬度還是按照正弦波的變化規(guī)律。 按照一定的規(guī)律導通和關(guān)斷電源，只要改變電源導通和關(guān)斷的時間比（占空比）就可以調(diào)節(jié)直流電動機的樞紐電壓。直流電動機的轉(zhuǎn)速會跟隨者樞紐電 壓的大小而改變，這就是 速控制的基本原理。在 速系統(tǒng)中，電動機的通斷時間可以控制轉(zhuǎn)速，因此只要我們有規(guī)律的改變供電電壓導通和關(guān)斷的時間就可以控制電動機的轉(zhuǎn)速。 成的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，無論是停止或者起動，對系統(tǒng)沒有沖擊起動時功耗不大、電動機運行很穩(wěn)定。 由 制的基本原理我們可以得到這樣一個結(jié)論：在一個時間段內(nèi)將 同一時間內(nèi)將沖量相等的電流加在負載上的電壓效果是一樣的。假如時間段 T 內(nèi)的脈沖寬度為0t， U 為幅 值，就可以達到 T 時間內(nèi)等效直流電壓為： 第 6 頁 共 43 頁 圖 1沖 00 ； 若令 0 ， 即為占空比，則上式可化為： 0(U 為脈沖幅值 ) （ 1 假如 沖像如圖 1示的周期性的矩形脈沖，我們就可用 （ 1的式子計算出直流電動機調(diào)速所需要的電壓，即 000 n t U T （ 為矩形脈沖占空比） （ 1 圖 1周期性 形脈沖 通過 （ 1的式子可知，只要改變占空比 和脈沖幅 值 U 的大小 ，就可以調(diào)節(jié)等效直流電壓值。在我們實際的系統(tǒng)中脈沖的幅值通常是恒定的，所以我們只要改變占空比 的大小，就可以任意改變直流電動機電樞電壓 U 的大小。從而實現(xiàn)沖調(diào)制的直流電動機轉(zhuǎn)速控制的作用。 本原理 自動控制設計中應用最經(jīng)典最廣泛的一種算法是 制算法。加入 制器的系統(tǒng)，在自動控制方面可以得到最優(yōu)的效果。 P、 I、 D 三個參數(shù)有著不同的作用，它們分別的作用 ： P 是加快系統(tǒng)反應時間，使誤差減?。?I 是消除穩(wěn)態(tài)偏差； D() 0 第 7 頁 共 43 頁 是抑制動態(tài)偏差。在調(diào) 試的時候，整定 P 的參數(shù)，讓系統(tǒng)達到基本的加快調(diào)節(jié)和誤差減少的作用。然后在再整定 I 的參數(shù)，使誤差為 0，最后再整定 D 的參數(shù)。 數(shù)整定的時候要反復去調(diào)試，這樣才會使控制系統(tǒng)得到最優(yōu)的效果。 1示。位置式和增量式在不考慮限幅時，它們的算法是一樣的。如果考慮限幅，它們還是存在差異的，增量式只需要輸出限幅；位置式必須要考慮設置積分和輸出限幅，兩者缺一不可。如果沒有把積分限幅加入，控制系統(tǒng)會產(chǎn)生退飽和超調(diào)，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 圖 1置型示意 圖 圖 1量型示意圖 由位置算法求出： 01( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )n t K e t e t e t e t （ 1 在求出： 1 01( 1 ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )n t K e t e t e t e t （ 1 為了得到增量式的控制算法，將上述的式子 （ 1與式子 （ 1相減。 ( ) ( ) ( 1 )u t u t u t ( ) ( 1 ) ( ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )p I DK e t e t K e t K e t e t e t e t （ 1 式子 （ 1稱為增量式 法。 將 （ 1的式 子整理后，得到： 0 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u t q u t q u t q u t （ 1 其中： 0 (1 )T （ 1 1 (1 2 ) （ 1 第 8 頁 共 43 頁 2 （ 1 從上述分析的結(jié)果得出，我們可以看出每一次的誤差量對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的作用。因此，對于 法，我們只需要保存和提取最近的三個誤差采樣值，它們分別是 () ( 1)、 ( 2)）就可以了。 章小結(jié) 本章主要介紹了直流電動機的研究背景和研究的目的。同時也簡單的介紹了直流電動機的調(diào)速原理、數(shù)字 下文的硬件和軟件部分提供了基本的理論知識。 第 9 頁 共 43 頁 2 系統(tǒng)整體方案 統(tǒng)設計任務與設計要求 （ 1）了解 51 單片機 在實際中的應用，如何編輯程序，并燒錄到單片機中 ； （ 2）了解本次設計中應用到的單片機內(nèi)部具有的資源、功能、結(jié)構(gòu)等方面 ； （ 3）了解如何在實際中應用 術(shù)和 制算法 ； （ 4） 了解 直流電動機調(diào)速 的原理。 （ 1）完成單片機最小系統(tǒng)設計； （ 2）完成外圍應用電路（包括 單片機主控核心模塊、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊、設定和顯示模塊、功率控制 輸出模塊 ） 的 設計和實現(xiàn)； （ 3） 直流電動機初始速度為零，額定負載時，要求系統(tǒng)的單位階躍響應超調(diào)量 =10&00; #1=; 2=; 3=; 4=; 5=; 21; 22; N=; ; ; ,; ; ; ; /設定速度 p,d;/d,T; / 數(shù)定義 ek, /誤差參數(shù)定義 k; /*中斷初始化程序 */ 65536256; 65536256; ; 56 56; 1; 1; ; ; ; 第 39 頁 共 43 頁 /*增量式 制程序 */ /偏差值 if(10&00; /抗積分飽和 00; if( ; /*外部中斷服務程序 */ / 外中斷 0 服務函數(shù)，脈沖計數(shù) /測速周期內(nèi)每次來個脈沖 0_ ; 第 43 頁 共 43 頁 附錄四 元件清單 編號 型號、規(guī)格 描述 數(shù)量 編號 型號、規(guī)格 描述 數(shù)量 k 1/4W 電阻器 1 片電容器 1 0k 電阻排 1 0片電容器 1 0k 滑動電阻 1 片電容器 1 k 1/4W 電阻器 1 解電容器 1 0k 1/4W 電阻器 1 0片電容器 1 光二極管 2 片電容器 1 流二極管 4 00解電容器 1 源插座 1 2源晶振 1 晶顯示屏 1 腳開關(guān) 1 針座 1 腳按鍵 6 單排針座 1 7805端穩(wěn)壓器 1 單排針座 1 片機 1 單排針座 1 289N 電動機驅(qū)動 芯片 1 三腳插針 1 一、 畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容 在現(xiàn)代社會 ,自動控制系統(tǒng)遍及我們生活領(lǐng)域的各個方面 ,如在工業(yè)自動化中的應用：軋鋼設備、機床設備、礦井設備、數(shù)控設備、工業(yè)機器人等等。而這些設備應用的動力系統(tǒng)很多都是直流電機 ,因此直流電機在當今工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。直流電機是最早發(fā)明并得到廣泛應用的電機中的一種。在各種類型的電機中 ,直流電機因良好的啟動性能、制動性能和調(diào)速性能而在航天、工業(yè)、數(shù)字化控制等領(lǐng)域得到了廣泛應用。本設計要求設計一個基于單片機的直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，要求采用閉環(huán)反饋控制，采用較好的控制策略，滿足控制指標要 求 。本課題的主要研究內(nèi)容包括以下幾點： 1、學會并能嫻熟利用圖書館、互聯(lián)網(wǎng)獲取所需技術(shù)資料。閱讀并翻譯一定數(shù)量的中外文獻。做到閱讀能理解，翻譯通順準確。 2、認真了解 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)系統(tǒng) 構(gòu)成、工作原理及特點，掌握自動控制原理、電氣控制技術(shù)，單片機技術(shù)，設計一個 基于單片機的直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) ，包括單片機主控核心模塊，轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊，設定和顯示模塊，功率控制輸出模塊。 設計中考慮系統(tǒng)的可靠性，抗干擾能力，維修方便，能耗低，性價比高等特點。 3、制作基本的演示樣機，編寫控制軟件，并進行基本調(diào)試或通過仿真 驗證。撰寫論文，論文中包括詳細的原理圖、程序框圖和電路圖。 二、畢業(yè)設計（論文）的要求與數(shù)據(jù) 調(diào)研 常見 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的控制 方法，對各種控制方案進行比較、優(yōu)選 ； 設計一個 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) ，控制器應簡單，操作性好，可靠性高，安全。 2、通過相關(guān)的調(diào)查研究，選擇合適的控制方案和具體元件。 3、制作相關(guān)硬件，編寫軟件并調(diào)試，翻譯相關(guān)外文文獻，撰寫設計論文，論文要求完成工作原理及組成有詳細的說明，要有工作原理框圖及說明，電原理圖， ，調(diào)試和檢測的說明，元件清單等。 4. 直流 電動 機初始速度為零，額定負載時，要求單位階躍響應超調(diào)量 5%,轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差 5%； 。 三、畢業(yè)設計（論文）應完成的工作 1、完成 二萬 字 左右 的畢業(yè)設計說明書（論文） ，說明書（論文）中對設計方案進行充分說明和論述，包括 方案設計 和比較 、 控制系統(tǒng) 原理 框 圖、程序框圖、電路圖 和 ，電路中一些主要參數(shù)的分析和計算，元件的選擇說明 ；在畢業(yè)設計說明書（論文）中必須包括詳細的 300單詞的 英文摘要； 附 15 篇以上參考文獻，其中英文文獻不少于 2 篇 。 畢業(yè)設計說明書（論文） 書寫格式必須符合桂林電子科技大學畢業(yè)設 計論文格式規(guī)范。 2、獨立完成與 專業(yè) 相關(guān)，不少于四萬字符的英文資料翻譯（附英文原文）； 3、 完成基本硬件演示樣機的制作，軟件編寫， 調(diào)試和檢測 等工作。 4、計算機 輔助設計軟件畫出 電路原理圖、 印制板圖 （圖紙尺寸 。 四、應收集的資料及主要參考文獻 1 牛潔，周靜 J. 電子測試，2008，（ 05）： 74 2 劉小兵，劉任慶 J. 電氣開關(guān)，2008，（ 04）： 54 . 3 陸坤 . 電子設計技術(shù) M. 成都：電子科技 大學出版社， 4 張濤，張曉宇，王輝俊 直流電機控制系統(tǒng)設計與制作J. 實驗室研究與探索， 2014，（ 33）： 1345 李華 . 列單片機實用接口技術(shù) M. 北京：北京航天航空大學出版社 6 胡偉 ,季曉衡 . 單片機 C 程序設計及應用實例 M. 北京：人民郵電出版社，7 黃賢武，鄭筱霞 M. 成都：電子科技大學出版社 . 8 (日 )松井邦彥著；梁瑞林譯 . 傳感器實用設計與制作 M科學出版社 ,2005 . 9 王益全 M學出版社， 2005. 10 ,of C 993,28(1):172 五、 試驗、測試、試制加工所需主要儀器設備及條件 計算機，直流電源， 波器 任務下達時間： 2015 年 12 月 28 日 畢業(yè)設計開始與完成時間： 2015 年 12 月 28 日至 2016 年 05 月 22 日 組織實施單位： 電氣工程及其自動化系 教研室主任意見： 簽字： 2015 年 12 月 30 日 院領(lǐng)導小組意見： 簽字： 2015 年 12 月 31 日 1 開題報告 1本課題的研究內(nèi)容、重點及難點 研究內(nèi)容 直流電動機因其良好的起動性能和調(diào)速性能而得到廣泛的應用。直流電動機在社會的應用很廣泛，常應用于對起動和調(diào)速有較高要求的場合，例如在工礦、交通、醫(yī)療、工業(yè)自動化等等行業(yè)。利用單片機控制直流電動機轉(zhuǎn)速往往可以提高系統(tǒng)的可靠性，抗干擾能力，維修方便，能耗低，性價比高等特點。 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 主要應用 常應用于對起動和調(diào)速有較高要求的場合，其 良好的起動性能、調(diào)速性能和制動性能而在高鐵、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應用 。因此研究 直流電動機轉(zhuǎn)速控制 的原理有著 很大的現(xiàn)實意義。本課題的研究內(nèi)容是基于 單片機控制直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)要求采用閉環(huán)反饋控制 。 直流電動機初始速度為零，并且通過液晶屏顯示速度。 本課題的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面： （ 1） 研究 直流電動機 的 工作原理 ； （ 2） 研究 直流電動機 的 測速原理 ； （ 3） 研究 直流電動機 的 閉環(huán)反饋控制 ； （ 4） 研究如何利用單片機系統(tǒng) 設定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集 ， 反饋 處理數(shù) 據(jù) ； （ 5） 研究 直流電動機 的 閉環(huán)反饋控制減少轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差 ； （ 6） 研究 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 的硬件 。 研究重點及難點 重點： （ 1） 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 的硬件設計，使基本硬件電路能滿足初始速度為零，額定負載時，單位階躍響應超調(diào)量 5%，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差 5%； （ 2）選擇合適的測速元件，更能精準的測出直流電動機的轉(zhuǎn)速； （ 3）正確設計轉(zhuǎn)速的程序 ,其偏差按某種控制算法進行計算，所得數(shù)字量輸出信號經(jīng) D A 轉(zhuǎn)換接口直接驅(qū)動執(zhí)行裝置，對控制對象進行調(diào)節(jié)，使其保持在設定值上。 難點： （ 1）利用數(shù)字 術(shù)實現(xiàn)對直流電動機的閉環(huán)控制； （ 2）如何合理單片機程序，使之能精確測量出直流電動機的轉(zhuǎn)速； （ 3）如何減少額定負載時的轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差。 2準備情況 （查閱過的文獻資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設備、實驗條件等） 2 研 究概況及發(fā)展趨勢 （ 1） 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 研究概況 1在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，直流電動機是很重要的驅(qū)動設備。在航空航天、工業(yè)自動化等行業(yè)對 對起動和調(diào)速有較高要求的場合，直流電動機是很常用的控制對象。隨著科技的發(fā)展，促進和改變了直流電動機調(diào)速控制逐漸的從模擬向數(shù)字化發(fā)展，特別是在單片機應用中，促進了直流電動機調(diào)速控制技術(shù)走向了一個全新的階段，更加的智能化和提高可靠性已成為了必定發(fā)展的趨勢。 與交流電動機調(diào)速相對比，直流電動機調(diào)速控制的原理比較簡單。僅僅只要改變直流電動機的電壓就可以實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)。 通常改變電壓的方法有很多種，最常見的是采用脈沖寬度調(diào)制（ 調(diào)節(jié)電動機的電樞電壓的占空比就能控制直流電動機的平均電壓，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。 （ 2）國內(nèi)的發(fā)展趨勢 4在我國， 電動機的生產(chǎn)和起步都比較晚，但是發(fā)展非常的迅速。 在 1966 年中電動機已經(jīng)開始生產(chǎn)和應用，如江蘇、南京等地都有產(chǎn)生，并且在各行各業(yè)中都有使用，所有半導體器件的驅(qū)動電路基本都是國產(chǎn)化，伴隨著改革開放的步伐， 80 年代直流電動機在我國發(fā)展很迅速。 在小功率電動機中，經(jīng)過了 40 多年的發(fā)展，特別在改革開放的 20 多年來的快速發(fā)展，取得了很大 的進步。在我國，小功率電動機的發(fā)展可以分為兩個階段，第一階段，順應我國家電也發(fā)展的需要，應用于風扇、空調(diào)、洗衣機、排煙機、保健等產(chǎn)品的小功率電機，國內(nèi)的企業(yè)通過技術(shù)引進、設備引進吸收、已經(jīng)縮小了同發(fā)達國家的距離，有部分的產(chǎn)品已經(jīng)達到了世界先進的水平，企業(yè)有了很多的自主研發(fā)的能力、自主知識產(chǎn)權(quán)，同時也形成了一些國內(nèi)外知名的品牌。電機產(chǎn)品自身大量出口國外等國際市場，成為我國電機出口業(yè)務的主要部分。第二階段，隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，車用小功率的需求也迅速的增長，帶動了永刷直流和無刷直流電機主題的車用功率型電機的興 起。 我國未來的電機發(fā)展趨勢，由于能源和環(huán)境的問題的日益重要，對于工業(yè)領(lǐng)域的主要動力設備 外出現(xiàn)了更高效率的所謂“超高效率電機”。在我國也有必要考慮超高效率電機的發(fā)展和應用。超高效率電機具有節(jié)能潛力和經(jīng)濟效益，對于使用在經(jīng)濟上也是頗為有力的，具有降低損耗、提高效率等途徑。 3 主要參考文獻 1 顧繩谷 M械工業(yè)出版社， 2010 2 王益全 M學出版社， 2005 3 宋慶環(huán) J2008（ 04）： 574 胡壽送 M學出版社， 2013 5 陳毅，陳伯時 動控制系統(tǒng) M械工業(yè)出版社， 2009 6王連英 M等教育出版社， 2008. 7 牛潔，周靜 J. 電子測試， 2008，（ 05）： 749 劉小兵，劉任慶 J. 電氣開關(guān)， 2008，（ 04）： 54 9 張濤，張曉宇，王輝俊 直流電機控制系統(tǒng)設計與制作 J. 實驗室研究與探索， 2014，（ 33）： 13410 ,of C 993,28(1):172有設備和實驗條件 個人 計算機 、 51 單片機開發(fā)板、示波器、 直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表，開放實驗室 4 3 實施方案、進度實施計劃及預期提交的畢業(yè)設計資料 實施方案 本課題有三個主要問題需要解決，分別是系統(tǒng)整體設計、系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差 、系統(tǒng)程序和系統(tǒng)實物設計制作。其中，系統(tǒng)整體設計可以通過查閱相關(guān)資料和借鑒工業(yè)成品來解決；系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差 主要通過所學知識和查閱相關(guān)資料吸取總結(jié)已有經(jīng)驗， 減少轉(zhuǎn)速控制 系統(tǒng)誤差；軟件程序的設計和實物的制作與調(diào)試可以根據(jù)所學知識進行，對于該過程中所遇到的問題可以通過查閱相關(guān)資料，和同學討論，詢問指導老師，到實驗室進行試驗等手段解決。 具體如下： （ 1） 系統(tǒng) 設計 基于 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 1 所示。系統(tǒng)以單片機為基礎，根據(jù) 速的基本原理，通過改變直流電動機電樞電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對直流的平滑調(diào)速。系統(tǒng)可以通過單片機鍵盤或者電位器來控制給定速度的大小。 （ 2） 系硬件 計 本系統(tǒng)包括以下幾部分：以單片機 核心， 單片機主控核心模塊，轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊，設定和顯示模塊，功率控制輸出模塊 等。 K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 系統(tǒng)首先通過鍵盤或者電位器給定轉(zhuǎn)速，然后系統(tǒng)利用單片機產(chǎn)生 號，通過驅(qū)動電路控制直流電動機；直流電動機通過光電編碼器反饋轉(zhuǎn)速信號供單片機采集動態(tài)轉(zhuǎn)速，與反饋轉(zhuǎn)速進行比較，進行 算，從而實現(xiàn)對電動機速度和轉(zhuǎn)向的控制，達到直流電動機調(diào)速的目的。電流檢測可以測量電樞繞組電流大小，防止過電流。 電位器 給定 A/D 占空比 橋 鍵盤給定 轉(zhuǎn)速反饋 光電編碼器 測量轉(zhuǎn)速 圖 1 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的原理框圖 5 系統(tǒng)組成如圖 2 所示： （ 3） 軟件設計 主程序軟件流程圖如圖 3 所示，主要完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化以后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示等功能。 主程序軟件流程圖如圖 3 所示 ： 進度實施計劃 第一階段（ 2 月 28 日至 3 月 6 日）：方案設計，查找資料，畫出原理框架圖，提交硬件原理草圖一份。 第二階段（ 3 月 7 日至 3 月 13 日）：方案論證。 動 電路 直流 電機 示 圖 2 系統(tǒng)組成 光電 編碼器 鍵盤 A/D 轉(zhuǎn)換 電位給定 電流檢測 系統(tǒng)初始化 刷新顯示 圖 3 程序框圖 開始 判斷是否 有鍵按下 取鍵值并處理 6 第三階段（ 3 月 14 日至 4 月 1 日）：硬件設計布局，器件選型，進行調(diào)試。提交 第四階段（ 4 月 2 日至 5 月 15 日）：軟件編程并與硬件進行聯(lián) 調(diào)，最后提交該電路板。 預期提交的畢業(yè)設計資料 1、撰寫兩萬字以上的畢業(yè)設計說明書（兼附 15 篇以上的參考文獻）；在畢業(yè)設計說明書中應包括 300 500 個單詞的英文摘要及關(guān)鍵詞； 2、完成與課題相關(guān)英文資料的翻譯（約四萬英文字符，附英文全文）； 3、完成 直流電動機轉(zhuǎn)速 系統(tǒng)開發(fā)的研究和實現(xiàn)方案； 4、設計出系統(tǒng)的硬件和完成相應軟件程序設計，給出必需的硬件實現(xiàn)原理圖； 5、根據(jù)課題任務與要求，完成可供 演示 的功能樣機。 指導教師意見 指導教師： 年 月 日 開題小組意見 開題小組成員簽字： 年 月 日 院系審核意見 院系主管領(lǐng)導簽字： 年 月 日