带传动试验台单片机控制系统的研究.doc
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1、华东交通大学理工学院Institute of Technology. East China Jiaotong University毕 业 设 计Graduation Design (Thesis)( 2010 2014 年)题 目 带传动试验台单片机控制系统的研究 分 院: 电气与信息工程分院 专 业: 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 程川川 起讫日期: 2013.122014.5 华东交通大学理工学院毕业设计(论文)原创性申明本人郑重申明:所呈交的毕业设计(论文)是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。设计(论文)中引用他人的文献、数据、图件、资料,均已在设计(论文
2、)中特别加以标注引用,除此之外,本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。毕业设计(论文)作者签名: 日期: 年 月 日毕业设计(论文)版权使用授权书本毕业设计(论文)作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计(论文)的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计(论文)的复印件和电子版,允许设计(论文)被查阅和借阅。本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业设计(论文)。(保
3、密的毕业设计(论文)在解密后适用本授权书) 毕业设计(论文)作者签名: 指导教师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日摘要摘 要电机是现代生产中最重要的拖动设备之一,因其价格低廉、经久耐用、维修容易等优点而得到了广泛应用。而在现代工业生产中,有一些设备需要根据不同的工作环境,要调节到一个特定的转速,如传动试验台,电梯等。从而对电机的速度提出了更高的要求,希望一台电机在运行过程中,可以实现运行速度的大小调节,功率、转矩计算等。故此提出了基于单片机的传动试验台。美国英特尔公司的一款单片机MCS-51是一个单片机系列,该系列现在非常常用,它集成度高,而且内部自带的功能很全,包括微处理器
4、、RAM、ROM、通用I/O口、定时/计数器、通信接口、PWM脉冲调制、A/D转换电路等等都集成一个芯片上,这些所有的模块在程序的编译下完成很好的调控。本课题研究了带传动试验台单片机控制系统,详细研究了单片微机控制直流电机调速系统的结构,并设计了相应的控制主板和接口电路,研究了8位单片机的使用特点和技巧,设计了最小系统板和电机的驱动电路,定性分析了变频器的工作原理。在这个基础上,我们完成了单片机的对直流电机的调速控制,可以很好的控制直流无刷电机的正转、反转、启动、停止、加速、加速等,而且可以在一些反馈量下计算出电机的转矩和运行功率。采用闭环的PID控制响应速度快,性能好,工作可靠,适应性好。关
5、键词:单片机;控制系统;传动试验台;调速;直流电机IABSTRACTMotor is one of the most important drive equipment in modern production, due to its advantages of low cost, durable, easy maintenance and has been widely applied.In modern industrial production, there are some equipment need according to different work environment,
6、to adjust to a specific speed, such as transmission test-bed, elevators, etc.To motor speed put forward higher request, hope in the process of running by an electric motor, can realize speed regulation, the size of the power and torque calculation, etc.Therefore put forward the transmission test ben
7、ch based on single chip microcomputer. Intel, A micro-controller is A single chip microcomputer MCS - 51 series, the series is now in common use, its high level of integration, and itself the function is complete, including microprocessor, RAM, ROM, general I/O port, timer/counter, communication int
8、erface, PWM pulse modulation, A/D conversion circuit, and so on are integrated on A chip, these all modules in the program compiled under good control. This topic research the belt transmission test-bed single-chip microcomputer control system, detailed study of the structure of the single chip micr
9、ocomputer control dc motor speed control system, and design the corresponding control main board and the interface circuit, 8-bit micro-controller is studied using traits and skills, the design of the minimum system board and motor drive circuit, qualitative analyzed the working principle of the inv
10、erter.On this basis, we finished the MCU of dc motor speed regulation control, can very good control of the brushless dc motor are turning, inversion, start, stop, speed, acceleration and so on, but also under some feedback quantity to calculate the power and torque of the motor run.Using closed loo
11、p PID control response speed, good performance, reliable operation, good adaptability.Keywords: single chip computer; control system; belt drive test-bed; speed regulating; DC motorIII目录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1 绪论11.1 带传动及单片机的简介11.2 问题的提出11.3 国内外发展概况21.4 课题研究的意义21.5 课题主要任务3本章小结32 带传动试验台单片机控制的基本原理42.
12、1带传动设备构造及原理42.2 直流电机调速52.3 单片机原理62.3.1 MCS-51单片机硬件结构62.3.2 MCS-51单片机引脚功能72.4 力矩检测原理82.5 控制系统总体方案的确定102.5.1 控制方式的选择102.5.2 系统功能说明10本章小结103 系统硬件设计113.1 单片机最小系统113.2 测速系统123.2.1 光电编码器介绍123.2.2 硬件连接133.3 控制面板设计133.3.1 按键接口133.3.2 LED显示器143.4 稳压电源设计153.5 电机PWM驱动模块163.6 PID闭环控制163.7 硬件PCB173.8 本章小结174 系统软
13、件设计184.1 用Keil软件进行编译、连接184.2 Proteus简介194.3 主程序214.4 转速测量程序214.5 PID调节程序224.6 本章总结235 总结24参考文献25附 录26致 谢34III华东交通大学理工学院毕业论文1 绪论1.1 带传动及单片机的简介在两个或者几个带轮中采用传送带的传动方式去拖动其它的不见是一种带传动的机械传动方式。带传动有比较多的优势,物理结构很简单,所以设计方便;对一些干扰的抗击性较好,不容易出问题;在工作的时候不会有噪音;如果带超大的负荷的时候可以实现自我保护而且传动的方式可以有好多中,包括交叉传动、开口传动等等,鉴于这些优点,所以带传动在
14、好多行业都有很好的应用。例如,在一些大型的剪切机,因为存在比较大的冲击量,所以动力系统是采用带传动;在一些汽车的变速箱和发动机中也是采用带传动完成动力的传递。在机械设计中,深入了解这个工作的特性和原理很重要,对以后的设计也很有帮助,本毕业设计就是在单片机的控制下的带传动。英特尔公司生产的MCS-51单片机是一款高档8位单片机,它的集成度高,功能较全,在控制和开发应用上有很好的特性,特别做在如今的测控领域是一款很好的CPU控制器。MCS-51单片机又有很多的分类,但是总体上的组成结构和工作原理是相似的。该系列现在非常常用,它集成度高,而且内部自带的功能很全,包括微处理器、RAM、ROM、通用I/
15、O口、定时/计数器、通信接口、PWM脉冲调制、A/D转换电路等等都集成一个芯片上,这些所有的模块在程序的编译下完成很好的调控。1.2 问题的提出在如今的现实生活中,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的发展和应用,其中自动控制调速系统的使用则有着举足轻重的作用。即使交流电机相比直流电机而言制造方便、价格便宜、结构简单、维护容易,但是直流电机具有较好的起动和制动性能,方便在大范围内实现平滑的调速,故直流调速系统到现在仍在自动调速系统中占主要形式。现在电动机的控制从简单走向复杂,并逐渐成熟成为主流。其应用领域极为广泛,例如:火炮瞄准、宇航和军事方面的雷达天线、惯性导航等的控制;工业方面有机械印刷、数
16、控机床、工业机器人等设备控制上;计算机外部设备及办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制;音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。对带传动试验台的基本要求条件为可以虚拟各种工作情况,即负载与转速可以变化,且可以稳定工作;获取实验数据并进行相应的分析和处理。早期试验台是借助调压器手动控制电机的速度,并且是工作于开环模式;用来模拟负荷的磁力制动作用,它的电流也是通过滑动变阻器进行人工调整。系统试验过程需要人为去作用,不仅劳动力度大,且控制方式较差,精度低。采集试验的数据,如用台秤检測压力,人工读数,方式极其粗糙,且无法把压力信号传至控制系统。为了更好的转向科研教学,
17、需重新设计原试验台控制系统。1.3 国内外发展概况对于原试验设备的状况落后,本设计对试验台研制是基于应用、推广数字控制计算机技术,增加系统的自动化能力,让试验台的控制系统具有先进性。基于直流电机的PWM调速系统于70年代中期产生。最先用于小功率、不可逆驱动,如自动记录仪表、自动跟踪天文望远镜等 。近年来,因晶体管器件制造水平的提升和电路理论的加深,又因出现永磁直流电机宽调速,它们的结合使的PWM技术获得快速发展,促进电气驱动技术达到一个新高度。 在国外,脉冲宽度调制最先是在军事工业和空间技术中使用。它有优越的功能,可以达到高精度、高速度随动跟踪系统的要求。近十年,还扩散到民用领域,尤其是广泛应
18、用于机床业、自动生产线和机器人等领域中。如今,电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显,使得电机控制以越来越快的脚步前进。同时伴随市场发展,用户对电机驱动的控制要求更加严格,需要它功能更完善、算法复杂、噪声低,而对于可靠性和稳定运行的要求也越来越高,并且还需要马达匀速向变速改进,同时还要满足全球环保法规的严格标准环境。我国在电气传动领域的研究速度很快,交流调速的研究速度也相当惊人,磁通控制和直接转矩控制等理论已在实际中使用,它的控制精度也可和直流传动比较,而且在能源利用等方面获得了较好的成效。在这方面国内的研究虽然也得到了一些效果,但是相比发达国家还有较大距离。现在多半处在生产过
19、程控制级,且多为单机控制,很难形成集散的计算机控制系统。在变频调速技术上的使用还不广泛,很多直流传动装置现在还釆用分离的元件作为系统控制,这种水平还有很大的提升空间。1.4 课题研究的意义本设计的控制系统核心为单片机AT89S51,本文设计了多个实用电路,如单片机主控板、键盘接口、数码显示器接口、压力传感器信号放大及转换接口、直流数字式可调电源等。软件和硬件虽然只是在本系统下设计,但也可使用于一般的其它控制系统,系统实用性较大。本控制对象为一个既有机械又有电气的计算机控制装置,满足了现代技科技发展对实验的标准,可以在本试验台上进行综合性的实验,让学生不仅学习机械方面的知识,而且对微机控制原理、
20、计算机控制技术、电子技术等都可以有部分了解,利于培养学生养成机电一体化的思维。试验台对现场生产的产品生产和质量检测也带有较强的实际意义。1.5 课题主要任务本设计基于单片机AT89S51开发了一种带传动试验台控制系统,硬件由单片机主控板、键盘接口、LED数码显示接口、测力应变片和测转速光电传感器等接口电路组成,其主要完成的工作有:检测转矩和转速信号,对测得数据进行初步处理,利用PID算法进行闭环控制,调整交流电动机的转速和磁力制动器的励磁,可实现如下实验: (1)依据不同的转速条件,控制主动轮转速恒定,调节负载大小,分别测定从动轮和主动轮的转矩和转速;(2) 依据测出的主动轮、从动轮的转矩和转
21、速,计算输入、输出功率和传动的效率;(3)根据从动轮及主动轮的速度和带轮直径,去算出滑差率;(4)测试不同初拉力情况下皮带打滑时转矩。本章小结本章先介绍了单片机和带传动的概念,而后讲述了本课题问题的提出,接着描述了国内外带传动试验台的单片机控制现状,最后讲述本设计的意义,基于此提出了本课题的设计任务。2 带传动试验台单片机控制的基本原理2.1带传动设备构造及原理带传动实验机的结构如图2-1所示。包括主动轮和从动轮,主动轮通过交流电机带动,而这个电机是转动的,图上只画了电机的外壳,在工作过程中,电机的转子给定子一个反作用力,使得机壳出现反转,这个机壳上有一个固定的测力装置通过触点传到压力传感器,
22、完成一定的操作后可以获得力矩。从动轮是一个制动器,线圈中在直流电下又一个磁场,而圆盘的转动会切割磁力线,有楞次定律可以知道会有一个反向的力矩,我们只需要改变直流电的大小就可以改变磁场,进而改变力矩达到输出功率的变化。图2-1 带传动试验机结构 阻力矩测试方法与主动轮相同,可由式2.1得到: (2.1)式中:T轴上力矩 F带传动的有效圆周力 D带轮直径 Q加载后荷载值的读数 Q0加载前荷载值的读数 L0旋转中心至触点的距离假设有张紧力的作用,也就是说主动轮安装在有滚动的导轨底座上面,如果要获得需要的作用力,只需要把吊重和轮滑的带拉筋,改变吊重就可以完成不同的预紧力作用。其对应关系为: (2.2)
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- 传动 试验台 单片机 控制系统 研究
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