电拖自控课程设计.doc

《电力拖动自动控制系统》

课程设计报告

题 目：数字式直流电机开环控制系统设计
院 （系）： 机电自动化学院电气自动化
专业班级： 电气专0902
学生姓名： 张媛
学 号： 20092822074
指导教师： 曹建平

2012年02月 13 日至2012年 02 月 24日

华中科技大学武昌分校制
《电力拖动自动控制系统》课程设计任务书
一、设计（调查报告/论文）题目
数字式直流电机开环控制系统设计
二、设计（调查报告/论文）主要内容
（1）控制对象为12V或24V,50W以内小型直流电机；
（2）主电路采用双极性PWM变换电路实现；
（3）控制电路采用单片机实现；
（4）驱动电路采用IR2110或IR2130驱动芯片实现；
（5）设计并制作控制系统，实现电机的启停、正转或反转。
三、原始资料
1 系统结构
PWM变换电路
单片机
键盘
隔离电路
驱动电路
M
2 主电路结构及原理

3 隔离芯片引脚图

4 驱动电路—IR2130芯片引脚图

四、要求的设计（调查/论文）成果
1 实际制作并调试成功的小系统一套；
2 符合规范要求的设计报告电子档、纸质档各一份。

五、进程安排
第一周安排：（上午：8:30-11:30；下午：14:00-17:00）
周一~~~周二上午：分组、理解课题、查找资料、确定控制系统的具体电路结构；
周二下午：审核并修订设计方案（4号教学楼创新实验室集中）；
周三~~~周四：软件设计（4号教学楼单片机实验室集中）
周五上午：检验程序流程及运行结果（ 4号教学楼单片机实验室集中）
周五下午：调试光耦隔离电路（ 4号教学楼单片机实验室或创新实验室集中）
第二周安排：（上午：8:30-11:30；下午：14:00-17:00）
周一~~~周二上午：驱动电路调试（ 4号教学楼单片机实验室或创新实验室集中）
周二下午~~~周三下午：系统联调（ 4号教学楼单片机实验室或创新实验室集中）
周四~~~周五：按规范撰写设计报告并提交、验收
备注：第二周周四下午、周五上午审核设计报告电子档，通过后方可打印，于周五17:00之前上交。

六、主要参考资料
[1] 陈伯时.自动控制系统及电力拖动控制.北京：机械工业出版社，2003：57-63.
[2] 李荣生.电气传动控制系统设计指导.北京：机械工业出版社，2003：104-110.
[3] 李正军．电动跑步机PWM直流调速系统设计．微电机．2007，40（10）：87-88， 92．
[4] 吴守箴，戚英杰.电气传的脉宽调制控制技术.北京：机械工业出版社，2010．
[5] Hava．Performance Analysis of Reduced Common-Mode Voltage PWM Methods and Comparison With Standard: PWM Methods for Three-Phase Voltage-Source Inverters．IEEE Transactions on Power Electronics 2009，24（1）：241-252．

指导教师（签名）：

20 年 月

目 录

.
1.课程设计任务与目的 6
1.1课程设计任务 6
1.2课程设计目的 6
2.系统方案设计 7
3.器件介绍及硬件电路原理图 8
3.1单片机 8
3.2 主电路 9
3.3 隔离电路 10
3.4驱动电路 11
4.系统软件部分的设计 12
4.1 PI 转速调节器原理图及参数计算 12
4.2 系统中的部分程序设计 13
4.2.1 单片机资源分配 13
4.2.2 程序流程图 16
5.调试结果 17
6.总结 19
参考文献 20

1.课程设计任务与目的
1.1课程设计任务
本次系统设计的设计任务是控制对象是12V或24V,50W以内小型直流电机，
采用双极性PWM变换电路，用单片机来控制电机的启停、正转或反转。系统结构
流程图如下图1所示：
PWM变换电路
单片机
键盘
隔离电路
驱动电路
M
图1
系统以8032单片机为核心，小直流电机为控制对象，实现速度单闭环、PID
控制、方便的人机对话接口，用键盘输入有关控制信号及参数，实现电机的
启停动、正反转、速度调节。并在LED上实时显示输入参数及动态转速。采用
单片机控制取代了以往的模拟控制，无零点漂移，使控制精度更高，而且方便
系统的改进和升级，灵活性和适应性更强。
1.2课程设计目的
1．通过课程设计，了解单片机资源的分配与使用。
2．综合运用单片机课程中所学的理论知识。
3．通过查阅手册和参考文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力。
4．熟悉掌握各种芯片的类型和特性，并掌握合理选用的原则。
5. 提高软件使用、硬件调试和排除故障的能力。
6．掌握数子电子仪器的使用方法。
7. 学会撰写课程设计论文，提高撰写设计报告的能力。
8. 培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
9.经过查资料、选方案、设计电路、撰写设计报告、使学生得到一次较全
面 的工程实践训练，通过理论联系实际，提高和培养创新能力，为后续课
程的 学习，毕业设计，毕业后的工作打下基础。
2.系统方案设计
系统设计流程是：当人按键后，输入有关控制信号，单片机接收通过运算比
较后，P1.1、P1.2、P1.3、P1.4将信号传给隔离电路TLP521-4（去使前端与负
载完全隔离从而确保电路安全性，减小干扰）。接着信号六路输入传输给驱动电
路IR2130芯片（驱动中小容量的功率场效应管），六路输出信号加到六个对应功
率管的栅极上。信号经过场效应管（一种通过改变半导体内的电场实现电流控制
作用的半导体器件）。从漏极输出的电流进入电动机进行启停和正反转。系统总
框图如下图2所示：

图2
3.器件介绍及硬件电路原理图
3.1单片机
随着微型计算机在人们日常生活中使用的越来越普遍，特别是工业制造区，
可以说没有微型计算机的仪器不能称为一个先进的仪器，没有微型计算机的仪器
不能称其为现代控制系统，如今微型计算机控制系统技术已广泛应用于各行各业。
8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构
依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功
能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图3所示：

图3
CPU及8个部件的作用功能介绍如下：
中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。
内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的
只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前
128个单元，简称内部RAM。
特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器
和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地
址为80H—FFH。
内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据
或表格，简称内部ROM。
并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实
现数据的并行输入输出。
串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。
定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并
且以其定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断
2个和串行中断1个。
振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲
序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。
8051单片机引脚图如下图3所示：

图3
3.2 主电路
主电路是双极性PWM变换器主电路器件要求选用场效应管，PWM就是脉宽
调制技术：即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。下
图4是双极性桥式可逆PWM变换器，它的优点是：
（1）电流一定连续。
（2） 电机在四象限运行。
（3）电机停止时有微振电流，讷讷个消除静摩擦死区。
（4）低速时，每个晶体管得驱动脉冲人很宽，有利于保证晶体管可靠导通。
（5）低速平稳性好，调速范围大20000左右。
缺点：需要防止单边导通事故。

图4
3.3 隔离电路
此处建议使用TLP521-4，TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等，电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。TLP521-4芯片电路图如下图5所示，TLP521－4提供了4个孤立的光耦中16引脚塑料DIP封装。1,3,5,7脚通过500欧姆接＋5V，2,4,6,8脚接地，10，12，14，16 脚通过4.7K欧姆接＋5V，9，
11，13，15应该为输出脚。

图5
3.4驱动电路
此处用IR2130芯片作为场效应管的驱动电路，　IR2130是MOS、IGBT功率器件专用栅极驱动芯片，通过自举电路工作原理，使其既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件，　它的内部集成有1个电流比较器CURRENT COMPARATOR，1个电流放大器CURRENT AMP，1个自身工作电源欠压检测器UNDERVOLTAGE DETECTOR，1个故障处理单元FAULT LOGIC及1个清除封锁逻辑单元CLEAR LOGIC。除上述外，它内部还集成有3个输入信号处理器INPUT
SIGNAL GEN-ERATOR两个脉冲处理和电平移位器PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER，3个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器LATCH，3个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器，U. V DETECTOR及6个低输出阻抗MOS功率管驱动器DRIVER和1个或门电路。正常工作时，输入的6路驱动信号经输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲。　当IR2130驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2个功率器件的输入信号同时为高电平，则IR2130输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生。IR2130芯片电路图如下图6所示，IR2132和功率MOS管的连接原理图如
下图7所示。

图6

图7
VB1～VB3：是悬浮电源连接端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，VS1～VC3是其对应的悬浮电源地端。 HIN1～HIN3、LIN1～LIN3：逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效。
ITRIP：过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护
CA-、CAO、Vso：内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。
HO1～HO3、LO1～L03：逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。FAULT：过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。Vcc、Vss：芯片供电电源连接端，Vcc接正电源，而Vss接电源地。
4.系统软件部分的设计
4.1 PI 转速调节器原理图及参数计算
转速调节器原理图如下图8所示:

图8
按照典型II型系统的参数选择方法, 转速调节器参数和电阻电容值关
系如下:
Kn = Rn/ R0 Tn = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Con
参数求法： 电动机 P=10KW U=220V I=55A n=1000转/分 电枢电阻
R=0.5欧姆 取滤波电路中Ro=40千欧 Rn=470千欧 Cn=0.2uF Con=1uF 则：
Umax=220V
Umin=（220/0.9）*0.5=122V
Yi-1=0 W=1000转/分
P=Kp=Rn/Ro=11.7
I=Kp*T/Ti=125
4.2 系统中的部分程序设计
4.2.1 单片机资源分配
工作寄存器0组
RO-R7 00H-07H
数据缓冲区 30H-7FH
PSW.4（RS1=0） PSW.3(RS0=0) ；选中工作寄存器0组
P0口地址 80H
P1口地址 90H
P2口地址 A0H
P3口地址 B0H
堆栈（SP） 81H
定时器/计数器控制 TCON 88H
定时器/计数器方式控制 TMOD 89H
定时器/计数器0 低字节 TL0 8AH 高字节 TH0 8CH
定时器/计数器1 低字节 TL1 8BH 高字节 TH1 8DH
中断1——PI采样（ui）
中断0——A/D采样 P1口预置 W
P0口测量值（实测Y）
主程序：
0000 AJMP START
START： CLR PSW.4
CLR PSW.3 ；选中工作寄存器0组
CLR C
MOV R0 ，4FH
MOV A ，30H
CLEAR1： CLR A
INC A
DJNZ R0 ，CLEAR1 ；清零30-7FH
SETB TR0 ；定时器/计数器0工作
MOV TMODE ，#01H ；定时器/计数器工作在方式1
SETB EA ；总中断开放
SETB IT0 ；置INTO为降沿触发
SETB IT1 ；置INT1为降沿触发
LJMP MAIN
LJMP CTCO
LCALL SAMPLE

Fosc=12MHZ，用一个定时器/计数器定时50ms，用R2作计数器，置初值14H，到定时时间后产生中断，每执行一次中断服务程序，让计数器内容减1，当计数器内容减为0时，则到1s。
PI控制算法:
Ui=Ui-1+Kp(ei-ei-1)+(Kp*T/Ti)*ei
令P=KP I=KP*T/T I
则Ui=Ui-1+P(ei-ei-1)+I*ei
T——采样周期 Ti=RnCn Kp=Rn/R0
PI程序：
SETB EX1 ；开放中断1
MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,预设
MOV R1，80H ；P0口（Y）送R1，实测
MOV A，R0 ；W给A
MOV B，R1 ；Y给B
SUBB A，B ；ei给A
MOV 7FH，A ；ei 给7FH
MOV 7EH，#00H ；ei-1=0给7EH
MOV 7BH，Umax
MOV 7AH, Umin
AJMP IN ；积分项
AJMP P ；比例项
MOV A，R2 ；Pi给A
ADD A，R3 ；Pi+Pp给A
MOV 7DH，#00H ；Ui-1=0给7DH
ADD A，7DH ；Ui-1+Pi+Pp=Ui给A
MOV 7CH,A ；Ui给7CH
MOV 7DH，7CH ；Ui给Ui-1
MOV A，7BH ；Umax给A
CJNE A，#Ui，LOOP2 ；Ui〉Umax转移
MOV A，#Ui
CJNE A，7AH，LOOP3 ；Ui<Umin转移
MOV 90H，7CH ；输出Ui到P1口
LOOP2：MOV A，7CH ；Ui给A
CLR C
SUBB A，#Umax
RETI
LOOP3：MOV A，7CH ；Ui给A
CLR C
SUBB A，#Umin
RETI
IN： MOV 6FH，#I
MOV A，6FH ；I给A
MOV B，7FH ；ei给B
MUL AB ；Pi=I*ei给A
MOV R2，A ；Pi给R2
RETI
P： MOV 6EH，#P
CLR C
MOV A，7FH ；ei给A
SUBB A，7EH ；ei-ei-1给A
MOV 7EH，7FH ；ei给ei-1
MOV B，6EH
MUL AB ；（ei-ei-1）*P给A
MOV R3，A ；Pp给R3
RETI

4.2.2 程序流程图
程序流程图如下图9所示：

图9
5.调试结果
仿真整体图如下图10：
图10
直流电机的调试功能仿真如下图11：
1、正转时，电机正转，数码管最高位显示“三”,其它三位先所给定频率，如下图：

图11
2、反转时，电机反转，数码管最高位显示“F”,其它三位先所给定频率，如下图12所示：

图12
3、输出波形如下图13所示：
图13
4、加速分5档，波形依次如下图14所示：

图14
5、减速分5档，波形如下图15：

图15

6.总结
本学期课程设计是一单片机控制电动机启停正反转，老师命题，组队操作一些事情（包括设计总体方案、硬件电路、软件设计、焊接、调试等工作）。趣味性强，同时也可以学到很多东西。
我们认为，在这学期的实验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
与队友的合作是一件快乐的事情，只有彼此都付出，彼此都努力维护才能将作品做的更加完美。而团队合作也是当今社会最提倡的。所谓众人拾柴火焰高，以后不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

参考文献
[1] 王离九，黄锦恩编著，晶体管脉冲直流调速系统，华中理工大学出版社出版
[2] 丁元杰主编,上海市教育委员会组编,单片微机原理及应用，机械工业出版社
[3] 李荣生主编，电气传动控制系统设计指导，机械工业出版社
[4] 吴守箴，臧英杰 编著， 电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社
[5] 陈伯时主编,自动控制系统---电力拖动控制,中央广播电视大学出版社