阻转矩负载计算机速度调节拖动系统设计.doc

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1、 阻转矩负载计算机速度调节拖动系统设计（1）院 系北方科技学院专 业自动化班 级B641301学 号B64130121姓 名孙雷指导教师赵文成负责教师赵文成 沈阳航空航天大学北方科技学院20010年6月沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文）摘 要本文以阻转矩负载计算机速度调节拖动系统为研究对象，介绍了通过计算机控制来实现对电动机正反向起动、提速、减速和停车的控制。通过在绕线转子异步电动机转子电路内串联对称电阻的方法对电动机进行调速，实现了对电动机正反向提速减速的控制。应用能耗制动实现停车。在硬件的使用方面最大限度的使硬件结构达到最简，以单片机为核心建立的硬件系统为软件功能最大化提供了有力

2、的支持。关键词：阻转矩负载；转子串电阻；停车控制AbstractThis article take the anti- torque loading computer speed regulation dragging system as the object of study, introduced realizes through the computer control to the electric motor forward and reverse starting, the increased speed, the deceleration and the parking cont

3、rol. Through connects the symmetrical resistance in the wound rotor asynchronous motor rotor electric circuit the method to carry on the velocity modulation to the electric motor, has realized the control which decelerates to the electric motor forward and reverse increased speed. The application dy

4、namic braking realizes the parking. Maximum limit enables the hardware architecture at hardwares use aspect to achieve most Jan, has provided the powerful support take the monolithic integrated circuit as the core establishments hardware system for the software function maximization. KEY WORDS: Anti

5、- torque loading；Rotor adds the resistance ；Control parking目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 电力拖动系统发展概况31.3 课题研究内容41.4 本文安排52 系统总体方案论证62.1阻转矩负载特性62.2三相异步电动机机械特性的三种表达式72.3三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性102.3.1固有机械特性102.3.2人为机械特性112.4三相异步电动机的各种运转状态172.4.1电动运行状态172.4.2制动运转状态173 电机调速系统硬件设计233.1单片机系统设计233.2串口电路设计253.3系统方案可行性分析

6、273.4系统总体框架27结论28参考文献29致 谢31 -32-1 绪论近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的应用。特别是在乡镇企业及家用电器中，更需要有大量的中、小功率电动机。由于这种电动机的发展及广泛的应用，它的使用、保养和维护工作也越来越重要。1.1 课题背景在国民经济各行业中，广泛地使用着各种各样的生产机械，拖动生产机械的原动机一般都是采用电动机。电机是以电磁感应和电磁力定律为基本工作原理进行电能的传递或机电能量转换的机械。电机在国民经济各个行业中被广泛应用：电机是电能的生产、传输和分配中的主要设备；

7、电机是各种生产机械和装备的动力设备；电机是自动控制系统中的重要元件，电机在高新技术领域如：磁悬浮列车、航天飞机、机器人和各种精密机床等也发挥着重要作用。 始于 19 世纪 60 70 年代的第二次工业技术革命，是以电力的广泛应用为显著特点的。从此人类社会由蒸汽机时代步入了电气化时代。在法拉第电磁感应定律基础上，一系列电气发明相继出现。 1866 年，德国工程师西门子制成发电机； 1870 年比利时人格拉姆发明了电动机，电力开始成为取代蒸汽来拖动机械装置的新能源。随后，各种用电设备相继出现。 1882 年法国学者德普勒发明了远距离送电的方法。同年，美国著名发明家爱迪生创建了美国第一个火力发电站，

8、把输电线结成网络。从此电力作为一种新能源而广泛应用。那时，电机刚刚在工业上初步应用，各种电机初步定型，电机设计理论和电机设计计算初步建立。 在我国，电机制造业也发生了巨大的变化。我国的电机生产从 1917 年至今已有 90 多年的历史，经过改革开放 30 年的发展，特别是近 10 年的发展，有了长足的进步，令世人瞩目。目前已经形成比较完整的产业体系，电机产品的品种、规格、性能和产量满足了我国国民经济发展的需要。而且一些产品已经达到或接近世界先进水平。近来世界上电机行业专家纷纷预测，中国将会成为世界电动机的生产制造基地。近年来我国已生产了不少大型直流电动机、异步电动机和同步电动机；在中小型电机和

9、控制电机方面，亦自行设计和生产了不少新系列电机；对电机的新理论、新结构、新工艺、新材料、新运行方式和调试方法，进行了许多研究和试验工作，取得不少成果。 与电机发展过程一样，电力拖动技术也有个不断发展的过程。电动机拖动生产机械的运转称为电力拖动 ( 或称为电气传动 ) 。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源五部分组成。电力拖动代替蒸汽或水力拖动之初，电力拖动的方式是成组拖动，就是由一台电动机拖动一组生产机械，从电动机到各个生产机械的能量传递以及各个生产机械之间的能量分配完全用机械的方法，靠“天轴”以及机械传动系统来实现，车间里有大量的“天轴”、长皮带和皮带轮等。这种传动方

10、式效率低下，生产率低下，灰尘大，劳动条件和卫生条件差，且容易出事故。另外，电动机发生故障，则成组拖动的所有生产机械都将停车，生产将可能停滞。显然这是一种落后的电力拖动方式。 电气化、信息化时代，在性能、可靠性及容量等方面，对电机提出了更高的要求。交流变频调速系统及变频电机、大功率无刷直流电机、永磁同步无刷电机等得到了很大发展。随着新型材料和其他新技术的发展，微电机亦成为电机行业发展的亮点，是我国电工电器行业 ( 电机 ) 发展的重点产品。稀土永磁电机，无轴承电机也是电机技术发展的新动向。 与此相适应，电机拖动也有了新的发展，对拖动系统又提出更高的要求，如要求提高加工的精度和工作的速度，要求快速

11、启动、制动和逆转，实现很宽范围内的调速及整个生产过程的自动化等，这就需要有一整套自动控制设备组成自动化的电力拖动系统。而这些高要求的拖动系统随着自动控制理论的不断发展，半导体器件和电力电子技术的采用，以及数控技术和计算机技术的发展与采用，正在不断地完善和提高。 随着社会生产的发展和科技的进步，对电机也提出了更高的要求，如：性能良好、运行可靠、单位容量的重量轻体积小等，而且随着自动控制系统的发展要求，在旋转电机的理论基础上，又派生出多种精度高、响应快的控制电机，成为电机学科的一个独立分支。电机制造也向着大型、巨型发展。中小型电机正向多用途、多品种方向发展，向高效节能方向发展。各种响应快速、起停快

12、速的特种电机在各种复杂的计算机控制系统和无人工厂中实现了比人的手脚更复杂而精巧的运动。古老的电机学已经和电力电子学、计算机、控制论结合起来，发展成了一门新的学科。由此可见，研究电动机的工作原理并掌握电动机的各种调速方法对今后的工作和学习是十分必要的。综上所述，电力拖动技术具有许多其他拖动方式无法比拟的优点。系统启动、制动、反转和调速的控制简单、方便、快速且效率高；电动机的类型多，且具有各种不同的运行特性来满足各种类型生产机械的要求；整个系统各参数的检测和信号的变换与传送方便，易于实现最优控制。因此，电力拖动已成为国民经济电气自动化的基础。 1.2 电力拖动系统发展概况用电动机作为原动机的拖动方

13、式称为电力拖动，在一般情况下，电力拖动装置可分为电动机、工作机构、控制设备及电源四个组成部分，如图1所示。控制设备工作机构电动机电源图1 电力拖动系统示意图电动机把电能转化成机械动力，用以拖动生产机械的某一工作机构。工作机构是生产机械为执行某一任务的机械部分。控制设备是由各种控制电机、电器自动化元件及工业控制计算机等组成的，用以控制电机的运动，从而对工作机构的运动实现自动控制。为了向电动机及一些电气控制设备供电，在电力拖动系统中必须设有电源部分。现代工业的电力拖动一般要求局部或全部的自动化,因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来.在这一系统中可对生产机械进行自动控制,如实现自动控制

14、起动、制动、调速、同步,自动维持转速、转矩或功率为恒定值,按给定程序或事先不知道的规律改变速度、改变转向和工作机构的位置,以及使工作循环自动化等。 随着电机及电器制造业以及各种自动化元件的发展，自动化电力拖动系统得到不断的更新与发展。20世纪30年代初，出现了发电机-电动机组，是调速性能优异的直流电动机得到了广泛应用。在直流电动机拖动系统中，由于电机、电器、自动化元件及电力电子器件的不断更新与发展，在上述发电机-电动机组的基础上，发展成为采用交磁电机扩大机、磁放大器、可控离子变流器及晶闸管整流器等组成的自动化直流电力拖动系统。目前晶闸管等直流自动电力拖动系统已得到广泛的应用，自动化的直流电力拖

15、动成套设备正在向大容量的方向发展，并做到集中控制、集中监视。在自动化元件方面已有整套标准控制单元，控制装置集成化小型化、微型化，做到结构上组合安装积木化；微型化自动化装置可直接装于电动机机座上，做到与电动机一体化，节省专用的控制柜；设备可靠性高，维护简便，许多设备都可做到锁门运行，不需监视与维护。我国建国以来，电力拖动自动化技术的发展有很大成绩，建立了一些有一定电力拖动自动化水平的工厂，成立了一批科研与设计机构。但与国外相比，差距还比较大。目前正在急起直追，主攻成套，狠抓基础，开展一些关键技术的研究。如电力拖动自动化成套技术，它应用系统工程学理论与计算机对工业自动化系统以及成套设备的技术经济指

16、标进行全面的分析研究，使系统各组成部分安全系统要求的最佳方式工作，达到全系统和整个整套设备综合技术指标最佳。随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化方向迈进。在一些现代化工厂里，力求做到从原料进厂到产品出厂都是自动化或半自动化的，而且达到高速、优质、高效率生产。1.3 课题研究内容本文针对阻转矩负载计算机速度调节拖动系统硬件部分，完成设计内容如下：（1）画出主电路以及控制电路图；（2）实现电动机正向起动、提速、减速、停车的控制；（3）实现电动机反向起动、提速、减速、停车的控制；（4）硬件具有过压保护、过热保护、堵转保护越限停车等设计

17、。1.4 本文安排本论文共分4章。第1章概述，介绍阻转矩负载计算机速度调节拖动系统的课题背景，电力拖动的发展现状以及本课题的研究内容；第2章描述了系统各种方案论证；第3章介绍了电机调速系统的硬件设计包括串行通信、RS-232总线，与系统方案的可行性分析。第4章具体介绍了系统总体方案。2 系统总体方案论证2.1阻转矩负载特性电动机在电力拖动系统中作直线运动（如直线电动机）或旋转运动时，由力学定律可知，必须遵循下列两个基本的运动方程式：1.直线运动方程为： 式中 F拖动力；阻力；惯性力，2.旋转运动方程为： 式中 T电动机产生的拖动转矩；阻转矩；惯性转矩。根据运动方程式可知：(1)当T=，=0，即

18、电动机静止或等速旋转，电力拖动系统处于稳定运转状态下。(2)当T, 0,电力拖动系统处于加速状态。(3)当T, 时，如图2-14电动机进入回馈制动状态。图2-13异步电动机回馈制动的机械特性图2-14位能负载带动异步电动机进入回馈制动状态综上所述，当转速高于同步速时，电动机处于回馈制动运行状态。回馈制动状态一般用于位能性负载下放，以获得稳定的下放速度，或异步电动机变极调速由少极数变为多极数时发生。（2）反接制动状态实现反接制动可有转速反向和定子两相反接两种方法1. 转速反向的反接制动转速反向的反接制动与直流电动机的电势反接制动相似。异步电动机带位能性负载，按正转接线，转子回路串入较大电阻，机械

19、特性的最大转矩点到了第IV象限。当接通电源，电动机的起动转矩的方向与重物产生的负载转矩相反，而且，在重物的作用下，迫使电动机反的方向旋转，并在重物下降的方向加速。此时转差率，随着的增加，、及均增大，直到转矩增至，转速稳定为，此时重物以等速下降，稳定运行点在第IV象限的点，如图2-15所示，图中机械特性在第IV象限的部分（用实线表示）即为异步电动机转速反向的反接制动。图2-15转速反向的反接制动时的异步电动机特性这种制动与前述回馈制动一样，可用于起重机的重物下放，这也属于一种稳定运行状态。2. 定子两相反接的反接制动为了迅速停车或反向，可将定子两项反接，工作点由A转移到B，此时转差率为图2-16

20、异步电动机定子两相反接的电路图与机械特性在两相反接时，电动机的转矩为-T，与负载转矩共同作用下，电动机转速很快下降，这相当与图2-16中机械特性的BC段。在转速为零的C点，如不切断电源，电动机即反向加速，进入反向的电动状态（对应特性CD段），加速到D点时，电动机将稳定运转，实现了电动机的逆转过程。定子两相反接的反接制动就是指机械特性的BC段。（3）能耗制动状态图2-17异步电动机能耗制动的电路图及机械特性异步电动机原在图2-17所示的A点运行，相应于图16电路图中S1闭合，S2断开。为了迅速停车，开关转换，即当S1 断开，电动机脱离电网时，立即将S2 接通，则在定子两相绕组中通入直流电流，在定

21、子内形成一固定磁场。当转子由于惯性而仍在旋转时，其导体即切割该磁场，在转子中产生感应电动势和转子电流。根据左手定则，可以确定出转矩方向与转速方向相反，即为制动转矩。可以证明，能耗制动的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似，是一条具有正、负最大值，过 点的曲线，如图2-17中的曲线1、2和3。能耗制动的机械特性曲线在第II象限。如果以转子不外串电阻，定子直流励磁电流为某一定值时的曲线1为基准，如果增大转子回路所串电阻而直流励磁电流不变时，最大转矩不变，产生最大转矩的转速增加，如图2-17曲线3所示。如果转子回路所串电阻不变而直流励磁电流增大时，最大转矩增大，产生最大转矩的转速不变，

22、如图2-17曲线2所示。在能耗制动时，改变转子串联电阻或定子直流励磁电流的大小，均可调节制动转矩的数值。由机械特性曲线的形状可见，当电动机转速下降为零时，其制动转矩亦降为零，所以应用能耗制动能使生产机械准确停车。综上所述，本设计采用能耗制动能更好的达到停车的目的。3 电机调速系统硬件设计硬件各模块电路的设计是该系统设计成功与否的基础，只有在对硬件进行了合理地设计后，才能在此基础上来实现软件的设计和最终实现的软硬件联调等过程。所以说，对硬件结构的设计是设计该采集系统中不容忽视的一个环节。3.1单片机系统设计微控制器选用ATMEL公司的AT89S51。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读

23、存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图3-1AT89C51引脚图VCC：供电电压。 GND：接地。

24、 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/

25、O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由

26、于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储

27、器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有

28、效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2串口电路设计RS-232C是美国电子工业协会正式公布的串口总线标准，也是目前最为常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。本接口与数据采集系统间就按照RS-232

29、C总线标准，采用最简单的应用接法(即“发送数据”与“接收数据”交叉连接，信号地相接，其余信号不接)。但是为了使AT89S51的TTL串行接口与RS-232C正常通讯，还需要解决电平转换问题.由于AT89S51是使用+5V供电的，因此在进行电平转换(TTL-RS232)芯片选择时，我们采用单+5V供电的传输线驱动器，同时芯片内部可将RS232端的输出电平提升到-12V和+12V (-12V, +12V是为配合PC串口电平)。MAXIM公司的MAX232传输线驱动器便是为此设计的。MAXIM公司的RS-232驱动器品种超过100种，按照传输波特率分为4组。本设计中采用的是市场上常见的MAX232,

30、 MAX232芯片封装为双列直播16脚封装，实现2路发送/接收，其参数如下：电源：+ 5V传输速率：120Kbps输入/输出：RS232端输出8V输入30V (最大)TTL端输入逻辑高2V(最低)逻辑低0.8V(最高)输入电流5uATTL端输出逻辑高0.2 V逻辑低0.4 V (最大)在实际硬件连线中，MAX232外围需要四个电解电容，是内部电源转换所需电容。串口部分电路由一片MAX232和串口组成，绘制的串口电平转换电路图如图3-2所示。图3-2串口电平转换电路图3.3系统方案可行性分析在设计和开发任何一个控制系统之前，必须要考虑到该系统是否达到一定的工程性价比，并对该系统的可行性进行分析，

31、否则，研究和开发该系统将没有丝毫意义。下面我们从技术可行性和经济可行性方面来具体分析该多路测温系统的可行性。技术可行性是保证系统的可实现性，尽管有些系统的方案在理论上是可行的，但在实际技术上是实现不了的。本设计硬件电路简单，易于制作，价格低廉，硬件的实现具有可行性。在本系统的开发工具部分中，MCS-51汇编语言作为一种简单常用且功能强大的语言，能够利用计算机与伟福仿真器进行仿真，方便可行。一般PC机都配有RS232串口，因此，综合硬件及软件的以上特点，本次毕业设计的课题在技术上是可行的。3.4系统总体框架阻转矩负载计算机速度调节拖动系统是由一台计算机和一台单片机构成的测速模块组成的测量系统。该

32、系统大致可分为如下几部分：上位机计算机、串口电平转换、下位机单片机系统三部分组成，系统结构原理图如图3-3所示。测速发电机通过电平转换器与计算机进行通讯利用模数转换器将得到的速度值与系统给定值进行比较通过控制器和放大器最后利用继电器控制电机的转速。速度给定程序速度求差程 序控 制 器放 大 器继 电 器电 机测 速发 电 机模 数转 换 器电 平转 换 器图3-3系统总体框架结论本设计以阻转矩负载计算机速度调节拖动系统硬件设计为研究对象，通过转子电路内串联对称电阻的方法实现了对电动机提速减速的控制，采用能耗制动达到了准确停车的目的。以单片机为核心在硬件的使用方面最大限度的使硬件结构达到最简，方

33、便了软件部分的设计并且使软件功能实现最大化，最终实现了通过计算机来控制电动机的正转反转，提速、减速以及停车的控制。通过这段时间的系统开发和论文撰写过程，通过查阅、研究大量的相关文献，使我对电机拖动系统方面的理论知识，包括对它的定义，特点，功能，技术等方面的研究都有了更深的了解。并且通过指导老师与负责软件的同学的帮助最终实现了任务书所提出的要求。虽然由于时间有限和本人能力有限，这个系统还不够完善，还有许多地方有待改进。 这次毕业设计，对我来说是对大学四年的一次全面检查，四年的理论学习，在毕业设计中得到实际上的应用，对即将步入社会的我积累了经验。参考文献1 李江全, 张丽, 岑红蕾. Visual

34、 Basic串口通信与测控应用技术实战详解. 北京: 人民邮电出版社, 2007: 150-1552 李长林, 沙占友等. Visual Basic串口通信技术与典型实例. 北京: 清华大学出版社, 2006: 112-1573 李长林，张丽华，王红. Visual Basic数据库应用系统开发从基础到实践. 北京:电子工业出版社, 2006: 276-3104 刘彬彬，高春艳，孙秀梅等. Visual Basic从入门到精通. 北京: 清华大学出版社, 2008: 427-4545 陈杰华, 刘奇, 卿川. 奇思异想编程序. 北京: 国防工业出版社, 2004: 314-3156 斯琴巴图,

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