直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計開題報告

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0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 PID 技術(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。12．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）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 [1-3]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（PWM） ，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 [4-9]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- 中小型異步電動機，國外出現(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。2主要參考文獻[1] 顧繩谷 .電機及拖動基礎(chǔ)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2010[2] 王益全 .電動機原理與實用技術(shù)[M]. 北京：科學出版社， 2005[3] 宋慶環(huán) .直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中的應用[J]. 選煤技術(shù)， 2008（04）：57-58[4] 胡壽送 .自動控制原理[M]. 北京：科學出版社，2013[5] 陳毅，陳伯時 .電力拖動自動控制系統(tǒng)：運動控制系統(tǒng) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2009[6]王連英.模擬電子技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2008.[7] 牛潔，周靜 .基于霍爾傳感器的直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設計[J]. 電子測試，2008， （05）：74-78[9] 劉小兵，劉任慶 .電單片機在直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的應用 [J]. 電氣開關(guān)，2008， （04）：54[9] 張濤，張曉宇，王輝俊 .基于 PWM 和 PID 的直流電機控制系統(tǒng)設計與制作[J]. 實驗室研究與探索，2014， （33）：134-138[10] Neyram H,Ming C,Leu A.Complete model characterization of brushless DC motors[J].IEEE Transactions on Industry Application,1993,28(1):172-1803現(xiàn)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，4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 PWM 和 PID 的直流電動機轉(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(chǔ)，根據(jù) PWM 調(diào)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 AT89S52 為核心，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。AT89S52 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8 位微處理器。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 PWM 信號，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 PID 運算，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。LED 顯示分別用于給定轉(zhuǎn)速和動態(tài)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)組成如圖 2 所示：電位器給定A/D 占空比 PWM Ｈ橋 ＭＧＰ１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5AT89S52驅(qū)動電路直流電機LED 顯示圖 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（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：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。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 PCB6圖源文件一份。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