直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

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0開(kāi)題報(bào)告1．本課題的研究?jī)?nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn)研究?jī)?nèi)容直流電動(dòng)機(jī)因其良好的起動(dòng)性能和調(diào)速性能而得到廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)在社會(huì)的應(yīng)用很廣泛，常應(yīng)用于對(duì)起動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場(chǎng)合，例如在工礦、交通、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化等等行業(yè)。利用單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)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(jià)比高等特點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)主要應(yīng)用常應(yīng)用于對(duì)起動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場(chǎng)合，其良好的起動(dòng)性能、調(diào)速性能和制動(dòng)性能而在高鐵、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此研究直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。本課題的研究?jī)?nèi)容是基于單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)要求采用閉環(huán)反饋控制。直流電動(dòng)機(jī)初始速度為零，并且通過(guò)液晶屏顯示速度。本課題的研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：（1） 研究直流電動(dòng)機(jī)的工作原理；（2） 研究直流電動(dòng)機(jī)的測(cè)速原理；（3） 研究直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)反饋控制；（4） 研究如何利用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的硬件。研究重點(diǎn)及難點(diǎn)重點(diǎn)：（1）直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，使基本硬件電路能滿足初始速度為零，額定負(fù)載時(shí)，單位階躍響應(yīng)超調(diào)量<5%，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差<±5%；（2）選擇合適的測(cè)速元件，更能精準(zhǔn)的測(cè)出直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；（3）正確設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的程序,其偏差按某種控制算法進(jìn)行計(jì)算，所得數(shù)字量輸出信號(hào)經(jīng) D／A 轉(zhuǎn)換接口直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其保持在設(shè)定值上。難點(diǎn)：（1）利用數(shù)字 PID 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制；（2）如何合理單片機(jī)程序，使之能精確測(cè)量出直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；（3）如何減少額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差。12．準(zhǔn)備情況（查閱過(guò)的文獻(xiàn)資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件等）研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（1）直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)是很重要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。在航空航天、工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)對(duì)對(duì)起動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場(chǎng)合，直流電動(dòng)機(jī)是很常用的控制對(duì)象。隨著科技的發(fā)展，促進(jìn)和改變了直流電動(dòng)機(jī)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(jī)應(yīng)用中，促進(jìn)了直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)走向了一個(gè)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(shì)。與交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速相對(duì)比，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的原理比較簡(jiǎn)單。僅僅只要改變直流電動(dòng)機(jī)的電壓就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。通常改變電壓的方法有很多種，最常見(jiàn)的是采用脈沖寬度調(diào)制（PWM） ，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓的占空比就能控制直流電動(dòng)機(jī)的平均電壓，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。（2）國(guó)內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì) [4-9]在我國(guó)，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)和應(yīng)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(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)電路基本都是國(guó)產(chǎn)化，伴隨著改革開(kāi)放的步伐，80 年代直流電動(dòng)機(jī)在我國(guó)發(fā)展很迅速。在小功率電動(dòng)機(jī)中，經(jīng)過(guò)了 40 多年的發(fā)展，特別在改革開(kāi)放的 20 多年來(lái)的快速發(fā)展，取得了很大的進(jìn)步。在我國(guó)，小功率電動(dòng)機(jī)的發(fā)展可以分為兩個(gè)階段，第一階段，順應(yīng)我國(guó)家電也發(fā)展的需要，應(yīng)用于風(fēng)扇、空調(diào)、洗衣機(jī)、排煙機(jī)、保健等產(chǎn)品的小功率電機(jī)，國(guó)內(nèi)的企業(yè)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、設(shè)備引進(jìn)吸收、已經(jīng)縮小了同發(fā)達(dá)國(guó)家的距離，有部分的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)的水平，企業(yè)有了很多的自主研發(fā)的能力、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，同時(shí)也形成了一些國(guó)內(nèi)外知名的品牌。電機(jī)產(chǎn)品自身大量出口國(guó)外等國(guó)際市場(chǎng)，成為我國(guó)電機(jī)出口業(yè)務(wù)的主要部分。第二階段，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，車(chē)用小功率的需求也迅速的增長(zhǎng)，帶動(dòng)了永刷直流和無(wú)刷直流電機(jī)主題的車(chē)用功率型電機(jī)的興起。我國(guó)未來(lái)的電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，由于能源和環(huán)境的問(wèn)題的日益重要，對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的主要?jiǎng)恿υO(shè)備- 中小型異步電動(dòng)機(jī)，國(guó)外出現(xiàn)了更高效率的所謂“超高效率電機(jī)” 。在我國(guó)也有必要考慮超高效率電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。超高效率電機(jī)具有節(jié)能潛力和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于使用在經(jīng)濟(jì)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(xiàn)[1] 顧繩谷 .電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2010[2] 王益全 .電動(dòng)機(jī)原理與實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2005[3] 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單片機(jī)開(kāi)發(fā)板、示波器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬(wàn)用表，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室3．實(shí)施方案、進(jìn)度實(shí)施計(jì)劃及預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)資料實(shí)施方案本課題有三個(gè)主要問(wèn)題需要解決，分別是系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差、系統(tǒng)程序和系統(tǒng)實(shí)物設(shè)計(jì)制作。其中，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)可以通過(guò)查閱相關(guān)資料和借鑒工業(yè)成品來(lái)解決；系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差主要通過(guò)所學(xué)知識(shí)和查閱相關(guān)資料吸取總結(jié)已有經(jīng)驗(yàn)，減少轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)誤差；軟件程序的設(shè)計(jì)和實(shí)物的制作與調(diào)試可以根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行，4對(duì)于該過(guò)程中所遇到的問(wèn)題可以通過(guò)查閱相關(guān)資料，和同學(xué)討論，詢問(wèn)指導(dǎo)老師，到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)等手段解決。具體如下：（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于 PWM 和 PID 的直流電動(dòng)機(jī)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(jī)為基礎(chǔ)，根據(jù) PWM 調(diào)速的基本原理，通過(guò)改變直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流的平滑調(diào)速。系統(tǒng)可以通過(guò)單片機(jī)鍵盤(pán)或者電位器來(lái)控制給定速度的大小。（2）系硬件計(jì)本系統(tǒng)包括以下幾部分：以單片機(jī) AT89S52 為核心，單片機(jī)主控核心模塊，轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊，設(shè)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(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8 位微處理器。系統(tǒng)首先通過(guò)鍵盤(pán)或者電位器給定轉(zhuǎn)速，然后系統(tǒng)利用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制直流電動(dòng)機(jī)；直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)光電編碼器反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)供單片機(jī)采集動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速，與反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，進(jìn)行 PID 運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的控制，達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的。電流檢測(cè)可以測(cè)量電樞繞組電流大小，防止過(guò)電流。LED 顯示分別用于給定轉(zhuǎn)速和動(dòng)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(pán)給定轉(zhuǎn)速反饋 光電編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)速圖 1　直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的原理框圖5AT89S52驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)LED 顯示圖 2　 系統(tǒng)組成光電編碼器鍵盤(pán)A/D 轉(zhuǎn)換 電位給定電流檢測(cè)（3）軟件設(shè)計(jì)主程序軟件流程圖如圖 3 所示，主要完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化以后，實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)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(kāi)始判斷是否有鍵按下取鍵值并處理進(jìn)度實(shí)施計(jì)劃第一階段（2 月 28 日至 3 月 6 日）：方案設(shè)計(jì)，查找資料，畫(huà)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(shè)計(jì)布局，器件選型，進(jìn)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(jìn)行聯(lián)調(diào)，最后提交該電路板。預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)資料1、撰寫(xiě)兩萬(wàn)字以上的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（兼附 15 篇以上的參考文獻(xiàn)） ；在畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中應(yīng)包括 300～500 個(gè)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(wàn)英文字符，附英文全文） ；3、完成直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的研究和實(shí)現(xiàn)方案；4、設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件和完成相應(yīng)軟件程序設(shè)計(jì)，給出必需的硬件實(shí)現(xiàn)原理圖；5、根據(jù)課題任務(wù)與要求，完成可供演示的功能樣機(jī)。指導(dǎo)教師意見(jiàn)指導(dǎo)教師：年 月 日開(kāi)題小組意見(jiàn)開(kāi)題小組成員簽字： 年 月 日院系審核意見(jiàn)院系主管領(lǐng)導(dǎo)簽字：年 月 日