基于PIC16F877数字式直流调速系统毕业设计(共14页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题 目 ： 基于PIC16F877数字式直流调速系统设计学生姓名 XXXXXXXXX 学 号 联系QQ 专业班级 电气工程及其自动化 指导教师 XXXXX 学 院 继续教育 答辩日期 2016年 9月 第 页继续教育学院毕业设计（论文）任务书题目 基于PIC16F877数字式直流调速系统设计 学生姓名 XXXX 班级 电气工程及其自动化 学号联系QQ 题目类型 工程设计 指导教师 XX 系主任 XX 一、毕业设计（论文）的技术背景和设计依据： 数字直流调速系统，主要用于解决电动机转速控制问题，其根

2、本任务就是通过单片机控制可控硅的触发脉冲的脉冲宽度来改变电压的。在整个系统中通过按键来控制电动机的正转，反转，停车，并用交流电流互感器来测量主电路中的电流，通过三相整流桥将测得的交流电流整流成直流,通过取样电阻取样，再经过放大器放大，送入单片机进行AD转换，在程序中进行电机的软件保护。通过PID算法来调节电机的起动特性，限制起动电流，防止起动电流过大。电机的转速用光电编码器可以测出，测出的转速值用数码管显示出来。整个系统中通过四个按键来实现控制：正转按键，反转按键，停车按键，参数设定按键。参数设定按键是来改变PWM的占空比，产生的PWM波通过滤波电压放大送给六路移相触发器作为移相电压，移相电压

3、的大小可以改变六路可控硅触发脉冲的宽度，从而改变了电压，达到了调速的目的。二、毕业设计（论文）的任务1、熟悉题目要求，查阅相关科技文献2、方案设计（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容）3、硬件和软件设计（其中还包括硬件配置、设备及元器件选择、程序说明等）4、撰写设计说明书（毕业论文），绘制图纸三、毕业设计（论文）的主要内容、功能及技术指标1、 毕业设计（论文）的主要内容（1） 课题研究的意义及目的，国内外研究的现状；（2） 了解主要控制对象和控制功能；（3） 控制算法的研究及控制器设计；（4） 控制系统的总体设计；（5） 控制系统的硬件配置； 2、 设计实现的主要功能（1） 单片机根据工作

4、要求发出相关指令；（2） 具有故障检测与保护功能；3、 主要技术指标本系统要求运行安全可靠，系统能够显示转速值，具有手动和自动控制功能。直流电机型号：Y2-90L-2；额定功率： 2.2KW； 额定电压： 380V ；额定频率： 50Hz 四、毕业设计（论文）提交的成果设计说明书（不少于80页，约3万字左右）（1） 摘要（中英文），目录（2） 概述（3） 控制系统总体方案设计及硬件配置；（4） 建立控制对象的数学模型及控制算法的研究；（5） PIC控制程序；（6） 总结（7） 参考文献（8） 致谢 （9） 附录五、毕业设计（论文）的主要参考文献和技术资料参考文献1 陈伯时. 电力拖动控制系统（

5、第三版）M.北京:机械工业出版社，2004.2 李华德. 电力拖动控制系统（运动控制系统）M.，2006.3 李仁定. 电机的微机控制M.北京:机械工业出版社，19994 王兆安. 电力电子技术（第四版）M. 北京:机械工业出版社，2002.5 天津电气设计研究所.电气传动自动化技术手册（第二版）M. 北京:机械工业出版社,19926 何耀三，唐卓 .电气传动的微机控制M.重庆:重庆大学出版社，1997.2.7 李宏.电力电子设备用其器与集成电路应用指南M.北京:机械工业出版社，20018 秦继安.M .北京:机械工业出版社，1993.119 李忠文.实用电机控制电路M. .北京:化学工业出版

6、社工业装备与信息工程出版中心，2003.4六、毕业设计（论文）各阶段安排设 计 内 容周数完成情况熟悉工艺要求和论文内容，查阅资料第1-3周总体方案设计和硬件配置第4-7周接线图设计第8-9周控制程序软件设计试第10-11周控制程序软件调试第12-15周绘图，整理说明书第16-18周指导教师签字：电信学院毕业设计开题报告姓 名XXX专业电气工程及其自动化 班级电气工程学 号联系QQ指导教师XXX题目类型工程设计题 目基于PIC16F877数字式直流调速系统设计一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）从80 年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开

7、发数字式调速传动装置，当前直流调速装置已发展到一个很高的技术水平；功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是由于采用了16位（或32位）微处理器及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外已得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势，全数字化直流调速装置不断推出，为工程应用提供了优越的条件。目前，国外主要电气公司如瑞典的ABB公司，德国的西门子公司，AEG公司，日本的三菱公司、东芝公司，美国的GE公司、西屋公司等，均已开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模

8、板化的应用产品供选用。全数字直流调速装置的普及发展，使直流电机拖动进入了一个新的时期，这些装置给出丰富的控制软件，供用户重新组态和整定参数。应用这类装置，人们完全可以实现一些以前未有过的新的控制方法，使系统性能得到进一步的提高。根据目前的发展，展望未来，全数字直流调速系统必将向高性能指标方面发展，朝调试手段先进，控制，通讯功能智能化的方面迈进，尤其是它的动态性能指标还可以得到进一步的提高与交流传动展开全面竞争。本文主要参考文献为电力拖动控制系统、电力拖动控制系统、电气传动自动化技术手册（第二版）、现代直流伺服控制技术及其系统的设计等。二、主要设计（研究）内容、设计（研究）思想、解决的关键问题、

9、拟采用的技术方案及工作流程本设计介绍的是用一台2.2KW的直流电动机Y2-90L-2，PIC16F877单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并且具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。调压调速的实现需要有专门的可控直流电源。自20世纪70年代以来，电

10、力电子器件迅速发展，研制并生产出多种既能控制其导通又能控制其关断的性能优良的全控型器件，由它们构成的脉宽调制（PWM）直流调速系统近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展，与老式的可控直流电源调速系统相比，进行设计。目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。 无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低。当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压变小，调制波的占空比就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，占

11、空比减小，电枢电流减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。转速不受电压与负载变动的影响.由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，没有激磁损耗的问题,由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，综合效率比同容量异步电动机高出1020%左右(依据功率大小而定)。 过去，由于稀土永磁体价格比较高等因素，限制了稀土永磁无刷直流电动机的应用领域，但是随着技术的不断创新，其价格已迅速下降，稀土永磁无刷直流电动机的优势更加显现，在仪器仪表领域的运用日益广泛。无

12、刷直流电动机的优良调速性能、在调速范围内恒转矩运行、低电磁干扰等特性使其很适合作为微型泵的驱动机构。我国微型真空泵行业领军企业成都“气海”机电公司一直致力于先进技术的研发，在国内率先推出了配备国际先进无刷直流电机的调速微型泵。气海公司对无刷直流电机进行了严格的测试筛选，电机装泵通过了24h不停机长时间运转。对电机进行了极限工况、长时间交变载荷的考验。电机在不同转速下转矩波动很小，能很好满足泵的要求。最新研发的调速微型泵，型号众多，适用面广，有调速真空泵、调速气泵（VML、VLC、VLK系列，FML、FAL系列）、调速水泵（WKY、WPY、WNY系列，抽水抽气两用），泵的压力、流量范围宽而且调节

13、方便。具有长寿命、低干扰、能输出电机转速反馈信号（FG)等优点。三、毕业设计（论文）工作进度安排第1-3周 熟悉工艺要求和论文内容，查阅资料第4-7周 总体方案设计和硬件配置第8-9周 接线图设计第10-11周 控制程序软件设计试第12-15周 控制程序软件调试第16-18周 绘图，整理说明书指 导教 师意 见指导教师签字_ 年 月 日摘 要本设计介绍的是用一台2.2KW的直流电动机Y2-90L-2，PIC16F877单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速

14、双闭环的恒速调节，并且具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。关键词直流调速；PIC16F877；双闭环。 AbstractIn recent years, Domestic diplomacy DC system due to the rapid development of microcomputers, digital has reached the stage to use. As the microprocessor as the core digital control system

15、 hardware circuit high degree of standardization, low production costs, and not affected by the device temperature drift. The control software logic and complex operations can be different from the general linear regulator optimized, adaptive, nonlinear, and intelligent control law. The microcompute

16、r control system in all aspects of performance far superior to the analog control system and more widely.This design introduces a 75KW DC motor, constitute a PIC16F877 microcontroller digital DC speed control system. Feature is replaced with single-chip analog triggers, current regulator, speed regu

17、lator and logic switching hardware. Finally, the software programming. Real-time control results show that the digital DC speed control system to achieve a constant speed adjustment of the current and speed closed-loop, and has a simple structure, high control accuracy, low cost, easy promotion, but

18、 the performance is better than analog DC tune speed system, allowing the practical application to the production life, to meet the needs of modern production.KEYWORD: DC speed control； PIC16F877； Double Closed Loop目录专心-专注-专业第一章 绪论1.1 课题背景及意义从传动系统来讲，交流调速取代直流调速是技术发展的必然趋势，但综观全局，由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟

19、的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流调速系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性，所以，今后一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂，海上钻井平台等，直流调速仍将处于重要地位。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，随着单片机控制技术的发展，直流传动系统已经广泛使用单片机，实现了全数字化控制，由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字控制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。所以，直流传动

20、控制采用单片机实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。与直流PWM调速系统相比较，晶闸管相控直流调速系统更适用于高转速、大容量的场合。据估计，在交流调速冲击直流调速的形势下，全数字直流调速系统的出现，延迟了直流电气传动被取代的进程大约十到二十年。1.2数字化直流调速系统的发展状况从80 年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速装置已发展到一个很高的技术水平；功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是由于采用了16位（或32位）微处理

21、器及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外已得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势，全数字化直流调速装置不断推出，为工程应用提供了优越的条件。目前，国外主要电气公司如瑞典的ABB公司，德国的西门子公司，AEG公司，日本的三菱公司、东芝公司，美国的GE公司、西屋公司等，均已开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品供选用。全数字直流调速装置的普及发展，使直流电机拖动进入了一个新的时期，这些装置给出丰富的控制软件，供用户重新组态和整定参数。应用这类装置，人们完全可以实现一些以前未有

22、过的新的控制方法，使系统性能得到进一步的提高。根据目前的发展，展望未来，全数字直流调速系统必将向高性能指标方面发展，朝调试手段先进，控制，通讯功能智能化的方面迈进，尤其是它的动态性能指标还可以得到进一步的提高与交流传动展开全面竞争。1.3调速系统实现数字化的必要性综上所述，微机控制的电气传动系统有以下的优点：1)数字调速系统的控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，其结构配置和参数调整简单、工作稳定、不受环境的影响，且具有很强的自保护功能，因而使传动装置不仅具有很大的灵活性而且具有很高的可靠性。2)数字控制不仅可以实现诸如数字给定和比较，数字PI运算、数字触发和相位控制、电枢电流

23、和励磁、速度的控制，逻辑切换和各种保护功能，而且在系统硬件结构不变时，很容易引入各种先进的控制规律。如非线性控制、最优控制和自适应控制等，自动适应不同控制对象和控制规律的要求，实现最佳控制。因此，设备的通用性强，易于实现硬件设备的标准化。3)数字传动装置控制器内有多种形式的存储器，其容量可以不断增大，能存储大量的实时数据，实现系统的监控保护、故障自诊断、报警显示、波形分析、故障自动复原等多种功能。4)具有很强的通信功能.不仅可与上一级计算机通信，而且在与直流装置之间、PLC之间、交流传动装置之间都可以通过局域网进行快速的数据交换，分布式计算机控制系统，实现生产过程的全局自动化。5)数字控制不仅

24、简化了系统的硬件结构，使维修方便、提高系统运行的可靠性，而且可以方便地对外部或内部信息实现数字滤波，提高系统的抗干扰能力。第二章 方案比较与选择2.1直流电动机调速方式1、调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。电枢电流变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 2、改变电动机主磁通。改变磁通可以以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调速、属恒功率调速方法。电枢电流变化时遇到的时间常数要大很多，响应速度较慢但所需电源容量小。 3

25、、改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用。2.2方案比较自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。调压调速的实现需要有专门的可控直流电源。自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产出多种既能控制其导通又能控制其关断的性能优良的全控型器件，由它们构成的脉宽调制（PWM）直流调速系统近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展，与老式的可控直流电源调速系统相比，PWM调速系统有以下优点： 1、

26、采用全控型器件的PWM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。 2、由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电动机的损耗和发热都较小。 3、PWM系统中，主电路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的“污染”，功率因数高，效率高。 4、主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。 无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低

27、。当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压变小，调制波的占空比就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，占空比减小，电枢电流减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。转速不受电压与负载变动的影响.由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，没有激磁损耗的问题,由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁

28、耗，综合效率比同容量异步电动机高出1020%左右(依据功率大小而定)。无刷直流电动机具有高效率、高转矩、高精度的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的机械,同时具有体积小,重量轻,可作成各种体积形状,产品性能超越传统直流电机的所有优点,是当今最理想的调速电机。 过去，由于稀土永磁体价格比较高等因素，限制了稀土永磁无刷直流电动机的应用领域，但是随着技术的不断创新，其价格已迅速下降，稀土永磁无刷直流电动机的优势更加显现，在仪器仪表领域的运用日益广泛。无刷直流电动机的优良调速性能、在调速范围内恒转矩运行、低电磁干扰等特性使其很适合作为微型泵的驱动机构。我国微型真空泵行业领军企业成都“气海”机电公司一直致力于先进技术的研发，在国内率先推出了配备国际先进无刷直流电机的调速微型泵。气海公司对无刷直流电机进行了严格的测试筛选，电机装泵通过了24h不停机长时间运转。对电机进行了极限工况、长时间交变载荷的考验。电机在不同转速下转矩波动很小，能很好满足泵的要求。最新研发的调速微型泵，型号众多，适用面广，有调速真空泵、调速气泵（VML、VLC、VLK系列，FML、FAL系列）、调速水泵（WKY、WPY、WNY系列，抽水抽气两用），泵的压力、流量范围宽而且调节方便。具有长寿命、低干扰、能输出电机转速反馈信号（FG)等优点。