基于PLC的可逆变三相异步电机调速系统程设计论文.docx
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基于PLC的可逆变三相异步电机调速系统程设计论文
基础课程设计(论文)
基于PLC的可逆变三相异步电机调速系统
摘要
近年来,随着科技的进步,直流电机得到了越来越广泛的应用,直流具有优良的调速特性,调速平滑,方便,调速范围广,过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无极快速起动、制动和反转,需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求,从而对直流电机提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求,这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。
采取传统的调速系统主要有以下的缺陷:
模拟电路容易随时间飘移,会产生一些不必要的热损耗,以及对噪声敏感等。
而用PWM技术后,避免上述的缺点,实现了数字式控制模拟信号,可以大幅度减低成本和功耗。
并且PWM调速系统开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流,低速特性好;同时,开关频率高,快响应特性好,动态抗干扰能力强,可获很宽的频带;开关元件只需工作在开关状态,主电路损耗小,装置的效率高,具有节约空间、经济好等特点。
本系统已STC89C52单片机为核心,通过内部定时器产生PWM波形,控制LN298大功率H桥路驱动直流电机已达到控制转速的目的。
通过数码管将速度等级显示出来,此外可以通过按键控制电机的正传反转、以及电机速度加和减。
关键词:
STC89C52;单片机;PWM调速;数码管显示;按键
ABSTRACT
Inrecentyears,withtheprogressofscienceandtechnology,theDCmotorhasbeenusedmoreandmorewidely,DChasexcellentspeedcharacteristics,speedsmooth,convenient,widespeedrange,strongoverloadcapacity,abletowithstandtheimpactoffrequentload,extremelyfaststarting,brakingandreversecanberealizedwithoutfrequent,needtomeetthespecificrequirementsofvarioustheproductionprocessautomationsystemisdifferent,soastoputforwardahigherrequesttotheDCmotor,thearmaturecircuitresistancespeedchange,tochangethevoltagecontroltechniquecan'tmeettherequirementsofmodernscienceandtechnology,itisthroughthePWMmodecontrolDCmotorspeedwillemergeasthetimesrequire.
Takethetraditionalspeedregulationsystemmainlyhasthefollowingdefects:
analogcircuitiseasytodriftovertime,willproducesomeunnecessaryheatloss,andsensitivetonoise.UsingPWMtechnology,toavoidthedisadvantages,realizationofthedigitalcontrolofanalogsignal,cangreatlyreducethecostandpowerconsumption.AndthehigherswitchingfrequencyPWMspeedcontrolsystem,filteringeffectcanbeobtainedbyarmatureinductanceDCcurrentsmooth,goodlow-speedperformance;atthesametime,highswitchingfrequency,fastdynamicresponsecharacteristicsofagood,stronganti-interferenceability,canobtainawidefrequencyband;theswitchingelementonlyneedstoworkinthestateoftheswitch,themaincircuitloss,theefficiencyofthedeviceishigh,hasthecharacteristicsofsavingspace,economyetc..
ThesystemisSTC89C52microcontrollerasthecore,PWMwaveformgeneratedbytheinternaltimer,controlLN298highpowerHbridgedriveDCmotorhastocontrolthespeedofthe.Throughthedigitaltubedisplayspeedgrade,alsocanthroughthebuttoncontrolmotorstoryofinversion,andthemotorspeedtoaddandsubtract.
Keywords:
STC89C52;MCU;PWMcontrol;digitaltubedisplaykey;
1绪论
1.1课题研究的背景
近年来,随着科技的进步,直流电机得到了越来越广泛的应用,直流具有优良的调速特性,调速平滑,方便,调速范围广,过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无极快速起动、制动和反转,需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求,从而对直流电机提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求,这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。
采取传统的调速系统主要有以下的缺陷:
模拟电路容易随时间飘移,会产生一些不必要的热损耗,以及对噪声敏感等。
而用PWM技术后,避免上述的缺点,实现了数字式控制模拟信号,可以大幅度减低成本和功耗。
并且PWM调速系统开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流,低速特性好;同时,开关频率高,快响应特性好,动态抗干扰能力强,可获很宽的频带;开关元件只需工作在开关状态,主电路损耗小,装置的效率高,具有节约空间、经济好等特点。
现代工业生产中,电动机是主要的驱动设备,目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统,取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统,又伴随着电子技术的高度发展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别是单片机技术的应用,使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段,智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
直流电机调速基本原理是比较简单的(相对于交流电机),只要改变电机的电压就可以改变转速了。
改变电压的方法很多,最常见的一种PWM脉宽调制,调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压,控制转速。
PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展,到目前为止,已经出现了多种PWM控制技术。
随着我国经济和文化事业的发展,在很多场合,都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速,诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。
1.2国内外技术发展的现状
直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。
早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。
随着单片机技术的日新月异,使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并使系统能达到更高的性能。
采用单片机构成控制系统,可以节约人力资源和降低系统成本,从而有效的提高工作效率。
传统的控制系统采用模拟元件,虽在一定程度上满足了生产要求,但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响,并且线路复杂、通用性差,控制效果受到器件性能、温度等因素的影响,故系统的运行可靠性及准确性得不到保证,甚至出现事故。
目前,直流电动机调速系统数字化已经走向实用化,伴随着电子技术的高度发展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别是单片机技术的应用,使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段,智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
1.3本设计的目标任务
本系统已STC89C52单片机为核心,通过内部定时器产生PWM波形,控制LN298大功率H桥路驱动直流电机已达到控制转速的目的。
通过数码管将速度等级显示出来,此外可以通过按键控制电机的正传反转、以及电机速度加和减。
功能主要包括:
(1)直流电机的正转控制;
(2)直流电机的反转控制;
(3)直流电机的加速控制;
(4)直流电机的减速控制;
(5)数码管显示电路设计与实现;
(6)单片机最小系统设计;
(7)电机驱动电路设计;
2系统总体方案
2.1主控制芯片的选择
本次设计采用STC12C5A60S2单片机作为为控制,STC12C5A60S2单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机,后来随着Flashrom技术的发展,8031单片机取得了长足的进展,成为目前应用最广泛的8位单片机之一,其代表型号是ATMEL公司的AT89系列,它广泛应用于工业测控系统之中。
目前很多公司都有51系列的兼容机型推出,在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。
51单片机是基础入门的一个单片机,还是应用最广泛的一种。
需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。
51成本低廉,使用方便,适合与本系统的温度检测与控制。
2.2显示电路的比较与选择
方案一:
采用数码管显示。
数码管显示具有亮度高、显示简单简洁、成本低廉,可靠性高、响应速度快等有点。
在实际工程中,人即便站在很远的位置也能看清楚数码管显示的信息。
虽然数码管驱动简单,采用硬件驱动即不需要程序控制,完全不占用CPU的资源。
方案二:
采用LCD12864液晶显示。
LCD12864液晶器虽然显示信息丰富,能够显示汉字和字符,并且显示平稳、省电、美观。
但软件操作简单,无需专门的驱动程序方能驱动器件,系统的实时性需要也能满足。
另外液晶显示器不需要在室外进行显示,虽然显示亮度低、字符较小,但距离近时显示的信息完整。
因此符合实际的工程需要。
综上分析,我们采用了第一个方案,即用LED数码管显示信息。
2.3电源电路与电机驱动电路
本设计电源选择直流稳压电源模块。
将插线板电源经过变压、整流、滤波、稳压后输出。
为系统提供稳定可靠的电源。
虽说会有一些不稳定因素但携带方便,所以选择锂电池来负责电源。
电机驱动我采用大功率电机驱动专用芯片。
LN298内部继承大功率H桥路。
具有稳定性高、使用简单,驱动力大等特点。
能够驱动大功率电机和控制电机的正传和反转,同时对于电机调速也是非常理想的选择。
因此采用此种方法。
3系统硬件方案设计
3.1系统总电路框图设计
本系统以STC89C52单片机为核心,通过内部定时器产生PWM波形,控制LN298大功率H桥路驱动直流电机已达到控制转速的目的。
通过数码管将速度等级显示出来,此外可以通过按键控制电机的正传反转、以及电机速度加和减。
图3.1系统总体框图
3.2系统模块电路设计及原理
3.2.1单片机最小系统设计
单片机最小系统是整个系统的核心控制部分,以STC89C52单片机为核心,配以外围电路:
时钟电路、上点复位电路、电源电路构成。
主要完成数据的采集处理和转换。
MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年继MCS--48系列8位单片机之后推出的高档8位单片机,此单片机凭其稳定的性能、高性价比以及良好的兼容,在各个领域得到了最为广泛的应用,也是我国目前应用最广的单片机系列。
在性能和功能方面,MCS--51单片机大大优于MCS--48单片机。
MCS-51系列有多种机型可供用户选择。
(1)单片机内部结构
MCS--51系列单片机最早的典型代表为8051,87581,8031,由于其型号和生产厂商的不同,在片内存储器容量、中断系统、外围功能模块、最高时钟频率以及处理器速度等方面有很大的不同,但它们的指令系统完全兼容,硬件系统的基本结构也相同,其主要的性能特点如下
1)8位CPU.
2)片内128BRAM(MCS--52子系列有256BRAM)。
3)片内4KBROM/EPROM(8051/8751).
4)特殊功能寄存器区。
5)两个优先级的5个中断源结构。
6)4个8位并行I/O口(P0,P1,P2,P3)。
7)两个16位定时/计数器(MCS--52子系列有3个).
8)全双工串行口。
9)布尔处理器。
MCS--51的典型产品有8031,8051,8751.8051内部有4KBROM,8071内部有4KBEPROM,8031片内无ROM;初此之外,三者的内部结构及引脚完全相同。
在单片机芯片的内部,其基本结构的构成是通用CPU加上外围芯片的模式,内部主要由9个部件通过单一总线连接而成。
内部总体结构如图3.1所示,从图中可以看出,这9个主要部件是:
1个8位的中央处理器(包括ALU,ACC,TMP1,TMP2,B寄存器,PSW及相应的定时和控制逻辑),4KB/8KB程序寄存器(ROM/EPROM),128B/256B的数据寄存器(RAM),32条I/O接口线(图中P0.0~P0.7,P1.0~P1.7,P2.0~P2.7,P3.0~P3.7),中断控制逻辑(具有5个中断源,2个中断优先级),定时器控制逻辑(具有2个可编程定时器/计数器),串行接口控制逻辑(具有可工作于多处理机通信,I/O接口扩展或全双工通用异步接收发送器的串行接口),21个专用寄存器(包括程序计数器PC、堆栈指针寄存器SP、程序状态字存器PSW、数据指针寄存器DPTR等)以及片内振荡器和时钟电路(由OSC及相关电路组成)。
(2)复位电路逻辑图
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即两个机器周期)以上。
若使用频率位6MHz的晶振,则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器,再由片内复位电路在每一个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样,然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电复位和按键手动复位两种方式。
我们采用按键手动复位的电平方式,如图3.1。
通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现。
图3.2按键手动复位电路图
复位是单片机的初始化操作,其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。
除此之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,也需要按复位键重新启动。
AT89S52是第9脚复位,当有键按下去时,复位端成高电平,单片机复位。
(3)振荡电路
晶体振荡电路属于反馈振荡器。
从能量的观点来看,一般的功率放大器是在是在输入信号的控制下,把直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量的电路。
而反馈振荡器是不需要输入信号的控制就能自动地将直流能量转换为特定频率和振幅的交变能量的电路。
AT89S52芯片内部都有一个高增益反相放大器用于构成振荡器晶体振荡电路其属于反馈振荡器。
振荡又分外部振荡和内部振荡,如下图所示:
图3.3晶振时钟电路图
设计中根据实际情况选择了内部振荡这种方式对单片机进行驱动。
反相放大器的输入端为XATAL1,输出端为XATAL2。
分别是89S52的19脚和18脚,在XATAL1和XATAL2两端跨接石英晶体及两个电容,就构成了稳定的自激振荡器。
电容一般都取33P,单片机接11.0592MHz的晶振。
振荡器产生的信号送到CPU,作为CPU的时钟信号,驱动CPU产生执行指令功能的机器周期。
3.2.1数码管显示电路设计
(1)共阴数码管管脚说明与原理图
七段LED显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成,根据各管的极管的接线形式,可分成共阴极型和共阳极型。
实训室实训扳上使用的是四位一体的共阴数码管。
LED数码管的封装如图3.6所示。
图3.6数码管的封装形式及内部结构
(2)数码管码值的推算
LED数码管的A—DP七个发光二极管因以不同亮灭的组合就能形成不同的字形,这种组合称之为字形码,下面列出共阴极的字形码,“数字”是要数码管要显示的数字,“字形码”是单片机P0口要输出的十六进制数据。
例如数字“0”和数字“7”的字形码推算方法如图2.2所示:
图3.7数码管码值的推算方法
同理,按照上述的推倒方法和原则我们得出数字0——9的编码。
(3)数字的显示规律——查表法
由于显示的数字0-9的字形码没有规律可循,只能采用查表的方式来完成我们所需的要求了。
这样我们按着数字0-9的顺序,把每个数字的笔段代码按顺序排好,建立的表格如下所示:
TABLEDB[]={3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH},当我们要显示一个数字,比如‘4’的时候,我们就可以查表TABLEDB[4]找到66H,送P0口就可以了。
(4)数码管显示电路图
图3.8数码管显示电路
设计中,用到了四位七段共阴数码管。
LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件,具有工作电压低,耗电量小,发光效率高,发光响应时间极短,光色纯,结构牢固,抗冲击,耐振动,性能稳定可靠,重量轻,体积小,成本低等一系列特性。
数码管的显示电路连接分为串行接法和并行接法,使用串行接法可以节约I/O口资源,并行接法会占用过多的I/O口,由于考虑到操作的熟练与实际的资源,本设计采用了后者并行接法。
3.2.3L298N驱动电路设计
SGS公司的L298单片步进电机控制集成电路适用于电机的控制,与两片H桥式驱动芯片L298组合,组成完整的电机固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动器。
L298产生四相驱动信号,用以控制双极性两相步进电机或四相单极性步进电机,可以采用半步、两相励磁、单相励磁三种工作方式控制步进电机,并且控制电机的片内PWM斩波电路允许三种工作方式的切换。
使用L298突出的特点是外部只需时钟、方向和工作方式三个输入信号,同时L298自动产生电机励磁相序减轻了微处理器控制及编程的负担。
L298具有DIP20和SO20两种封装形式,可用于控制集成桥式驱动电路或分立元件组成的驱动电路。
驱动电路主要由驱动芯片LN298进行驱动,L298内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑准位信号可以驱动两个直流电机运转,此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。
电机的驱动需要定时器产生PWM波来进行控制。
脉冲宽度调制(PWM)简称脉宽调制。
它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用于测量,通信,功率控制与变换等许多领域。
一种模拟控制方式,根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。
脉冲宽度调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有(ON),要么完全无(OFF)。
电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
在这个设计里,我们用单片机内部定时器,来输出PWM方波,通过改变占空比,来调节输出的电压,从而改变直流电机的转速。
L298主要由译码器、两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出逻辑控制组成,其内部结构图如图1所示。
(1)L298内部结构框图
L298另一重要组成是PWM斩波器控制相绕组电流,实现恒流斩波控制,以获得良好的转矩-频率特性。
每个斩波器由一个比较器、一个RS触发器以及外接采样电阻组成(见图2)内部设有一公共振荡器,向两个斩波器提供触发脉冲信号,脉冲频率是由外接的RC网络决定,当时振荡器脉冲使触发器置“1”,电机绕组相电流上升,采样电阻RS的电压上升到基准电压Vref时,比较器翻转,使触发器复位,功率晶体管关断,电流下降,等待下一个振荡器脉冲的到来。
这样,触发器输出是恒频的PWM信号,调制L298的输出信号,绕组相电流峰值由Vref决定。
CONTROL信号用以选择斩波信号控制。
当它为低电平时,斩波信号作用于两个禁止信号,高电平时,斩波信号作用于A、B、C、D信号。
前者适用于单极性工作方式,而对于双极性工作方式的电机,这两种控制方式都可以采用。
图3.13PWM脉宽调试电路电路
图3.14LN298引脚图
(2)LN298驱动电路图
下图中需要使用单片机6个IO口控制电机的正反转和调速。
LN298内部继承两路大功率H桥电机驱动电路,能够控制两路电机的转动和转速。
单片机通过PWM(脉冲宽度调制)控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两端的电压,从而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面,比如:
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的,从而来控制电动机的转速。
也正因为如此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
图3.15LN298电机驱动电路
3.2.4按键电路电路设计
本系统采用三个按键作为参数设置输入方式,K1用于用于速度等级手动往上加;K2用于速度等级手动往下减;K3用于控制电机的正传和反转。
按键电路的工作原理:
I/O口默认状态为高电平,当
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