电力电子课程设计-直流电机调速

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：2011年6月3日2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通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构思大体框架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3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，通过改变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,PWM4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……………………………………………………62.1降压斩波电路……………………………………………………………62.2驱动电路…………………………………………………………………72.3元器件清单……………………………………………………………10第三章直流电机调速软件系统的设计…………………………………………113.1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………………………………………………………144.1仿真结果………………………………………………………144.2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………………………………………………………………………………235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可以分为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。并且励磁线圈电感较大，动态性能响应较差，所以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。调速可以有三种方法：（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。6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，通常使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（BuckConverter）。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：7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。之所以选择这块芯片，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：8图2.1AT89C52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可以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：2000H~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）。2.1.2MOSFETMOSFET,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。此时可以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9流子(空穴)的极性相反，所以称为“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，漏源之间仍然无电流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，并且呈较好线性关系，如图4所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为，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，所以在VGS＝0时，有VDS作用时也有一定的ID(IDSS)；当VGS有电压时(可以是正电压或负电压)，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2.2MOSFET内部结构图102.3元器件清单表2.1元器件清单元器件个数AT89C521片直流电动机1台MOSFET1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11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ORG0000HLJMPSTARTORG000BHLJMPTIME1ORG001BHLJMPTIME2ORG0030HSTART:MOVSP,#7FHMOVPSW,#00HMOVTMOD,#22H;定时器0和1，工作方式2SETBEASETBET0SETBET1MOVTH0,#215;定时器0初值MOVTL0,#215MOVTH1,#95;定时器1初值MOVTL1,#95MOVR0,#40MOVR1,#200MOVR2,#160SETBTR0JS:LCALLKEYJB20H.0,JIAN1；按键判断1JB20H.1,JIAN2；按键判断2LJMPJSJIAN1:INCR0；键功能1加脉宽12INCR0LCALLCHULILJMPJSJIAN2:DECR0；键功能2减脉宽DECR0LCALLCHULILJMPJSTIME1:CPLP1.2CLRTR0SETBTR1RETITIME2:CPLP1.2CLRTR1SETBTR0RETI;*********键扫子程序部分*********KEY:LCALLQUSHUJZEXITMOVB,20HKEYSF:LCALLQUSHUJZEXIT1LJMPKEYSFEXIT1:MOV20H,BEXIT:RETQUSHU:PUSHPSWCLRRS1SETBRS0SETBP1.0SETBP1.1MOVA,P1CPLA13ANLA,#03HMOV20H,APOPPSWRETCHULI:MOVA,#0FFHSUBBA,R0MOVTH0,AMOVTL0,AMOVA,R1SUBBA,R0MOVR2,AMOVA,#0FFHSUBBA,R2MOVTH1,AMOVTL1,ARETEND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。14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可以开始仿真。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