直流电动机转速控制系统设计开题报告

0开题报告1本课题的研究内容、重点及难点研究内容直流电动机因其良好的起动性能和调速性能而得到广泛的应用。直流电动机在社会的应用很广泛，常应用于对起动和调速有较高要求的场合，例如在工矿、交通、医疗、工业自动化等等行业。利用单片机控制直流电动机转速往往可以提高系统的可靠性，抗干扰能力，维修方便，能耗低，性价比高等特点。直流电动机转速控制系统主要应用常应用于对起动和调速有较高要求的场合，其良好的起动性能、调速性能和制动性能而在高铁、工业、航空航天等领域得到了广泛应用。因此研究直流电动机转速控制的原理有着很大的现实意义。本课题的研究内容是基于单片机控制直流电动机转速控制系统要求采用闭环反馈控制。直流电动机初始速度为零，并且通过液晶屏显示速度。本课题的研究内容主要有以下几个方面：（1） 研究直流电动机的工作原理；（2） 研究直流电动机的测速原理；（3） 研究直流电动机的闭环反馈控制；（4） 研究如何利用单片机系统设定转速、转速数据采集，反馈处理数据；（5） 研究直流电动机的闭环反馈控制减少转速稳态误差；（6） 研究直流电动机转速控制系统的硬件。研究重点及难点重点：（1）直流电动机转速控制系统的硬件设计，使基本硬件电路能满足初始速度为零，额定负载时，单位阶跃响应超调量5%，转速稳态误差5%；（2）选择合适的测速元件，更能精准的测出直流电动机的转速；（3）正确设计转速的程序,其偏差按某种控制算法进行计算，所得数字量输出信号经 DA 转换接口直接驱动执行装置，对控制对象进行调节，使其保持在设定值上。难点：（1）利用数字 PID 技术实现对直流电动机的闭环控制；（2）如何合理单片机程序，使之能精确测量出直流电动机的转速；（3）如何减少额定负载时的转速稳态误差。12准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）研究概况及发展趋势（1）直流电动机转速控制系统研究概况 1-3在现代的工业生产中，直流电动机是很重要的驱动设备。在航空航天、工业自动化等行业对对起动和调速有较高要求的场合，直流电动机是很常用的控制对象。随着科技的发展，促进和改变了直流电动机调速控制逐渐的从模拟向数字化发展，特别是在单片机应用中，促进了直流电动机调速控制技术走向了一个全新的阶段，更加的智能化和提高可靠性已成为了必定发展的趋势。与交流电动机调速相对比，直流电动机调速控制的原理比较简单。仅仅只要改变直流电动机的电压就可以实现电动机的正反转。通常改变电压的方法有很多种，最常见的是采用脉冲宽度调制（PWM） ，调节电动机的电枢电压的占空比就能控制直流电动机的平均电压，从而调节其转速。（2）国内的发展趋势 4-9在我国，电动机的生产和起步都比较晚，但是发展非常的迅速。在 1966 年中电动机已经开始生产和应用，如江苏、南京等地都有产生，并且在各行各业中都有使用，所有半导体器件的驱动电路基本都是国产化，伴随着改革开放的步伐，80 年代直流电动机在我国发展很迅速。在小功率电动机中，经过了 40 多年的发展，特别在改革开放的 20 多年来的快速发展，取得了很大的进步。在我国，小功率电动机的发展可以分为两个阶段，第一阶段，顺应我国家电也发展的需要，应用于风扇、空调、洗衣机、排烟机、保健等产品的小功率电机，国内的企业通过技术引进、设备引进吸收、已经缩小了同发达国家的距离，有部分的产品已经达到了世界先进的水平，企业有了很多的自主研发的能力、自主知识产权，同时也形成了一些国内外知名的品牌。电机产品自身大量出口国外等国际市场，成为我国电机出口业务的主要部分。第二阶段，随着我国汽车工业的发展，车用小功率的需求也迅速的增长，带动了永刷直流和无刷直流电机主题的车用功率型电机的兴起。我国未来的电机发展趋势，由于能源和环境的问题的日益重要，对于工业领域的主要动力设备- 中小型异步电动机，国外出现了更高效率的所谓“超高效率电机” 。在我国也有必要考虑超高效率电机的发展和应用。超高效率电机具有节能潜力和经济效益，对于使用在经济上也是颇为有力的，具有降低损耗、提高效率等途径。2主要参考文献1 顾绳谷 .电机及拖动基础M. 北京：机械工业出版社， 20102 王益全 .电动机原理与实用技术M. 北京：科学出版社， 20053 宋庆环 .直流电动机调速系统中的应用J. 选煤技术， 2008（04）：57-584 胡寿送 .自动控制原理M. 北京：科学出版社，20135 陈毅，陈伯时 .电力拖动自动控制系统：运动控制系统 M.北京：机械工业出版社，20096王连英.模拟电子技术M. 北京：高等教育出版社，2008.7 牛洁，周静 .基于霍尔传感器的直流电机转速测量系统设计J. 电子测试，2008， （05）：74-789 刘小兵，刘任庆 .电单片机在直流电机转速控制系统中的应用 J. 电气开关，2008， （04）：549 张涛，张晓宇，王辉俊 .基于 PWM 和 PID 的直流电机控制系统设计与制作J. 实验室研究与探索，2014， （33）：134-13810 Neyram H,Ming C,Leu A.Complete model characterization of brushless DC motorsJ.IEEE Transactions on Industry Application,1993,28(1):172-1803现有设备和实验条件个人计算机、51 单片机开发板、示波器、直流稳压电源、数字万用表，开放实验室3实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料实施方案本课题有三个主要问题需要解决，分别是系统整体设计、系统转速稳态误差、系统程序和系统实物设计制作。其中，系统整体设计可以通过查阅相关资料和借鉴工业成品来解决；系统转速稳态误差主要通过所学知识和查阅相关资料吸取总结已有经验，减少转速控制系统误差；软件程序的设计和实物的制作与调试可以根据所学知识进行，4对于该过程中所遇到的问题可以通过查阅相关资料，和同学讨论，询问指导老师，到实验室进行试验等手段解决。具体如下：（1）系统设计基于 PWM 和 PID 的直流电动机转速控制系统的原理框图如图 1 所示。系统以单片机为基础，根据 PWM 调速的基本原理，通过改变直流电动机电枢电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，实现对直流的平滑调速。系统可以通过单片机键盘或者电位器来控制给定速度的大小。（2）系硬件计本系统包括以下几部分：以单片机 AT89S52 为核心，单片机主控核心模块，转速数据采集模块，设定和显示模块，功率控制输出模块等。AT89S52 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8 位微处理器。系统首先通过键盘或者电位器给定转速，然后系统利用单片机产生 PWM 信号，通过驱动电路控制直流电动机；直流电动机通过光电编码器反馈转速信号供单片机采集动态转速，与反馈转速进行比较，进行 PID 运算，从而实现对电动机速度和转向的控制，达到直流电动机调速的目的。电流检测可以测量电枢绕组电流大小，防止过电流。LED 显示分别用于给定转速和动态转速。系统组成如图 2 所示：电位器给定A/D 占空比 PWM 桥 键盘给定转速反馈 光电编码器测量转速图 1直流电动机转速控制系统的原理框图5AT89S52驱动电路直流电机LED 显示图 2 系统组成光电编码器键盘A/D 转换 电位给定电流检测（3）软件设计主程序软件流程图如图 3 所示，主要完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化以后，实现键盘处理、刷新显示等功能。主程序软件流程图如图 3 所示：系统初始化刷新显示图 3 程序框图开始判断是否有键按下取键值并处理进度实施计划第一阶段（2 月 28 日至 3 月 6 日）：方案设计，查找资料，画出原理框架图，提交硬件原理草图一份。第二阶段（3 月 7 日至 3 月 13 日）：方案论证。第三阶段（3 月 14 日至 4 月 1 日）：硬件设计布局，器件选型，进行调试。提交 PCB6图源文件一份。第四阶段（4 月 2 日至 5 月 15 日）：软件编程并与硬件进行联调，最后提交该电路板。预期提交的毕业设计资料1、撰写两万字以上的毕业设计说明书（兼附 15 篇以上的参考文献） ；在毕业设计说明书中应包括 300500 个单词的英文摘要及关键词；2、完成与课题相关英文资料的翻译（约四万英文字符，附英文全文） ；3、完成直流电动机转速系统开发的研究和实现方案；4、设计出系统的硬件和完成相应软件程序设计，给出必需的硬件实现原理图；5、根据课题任务与要求，完成可供演示的功能样机。指导教师意见指导教师：年 月 日开题小组意见开题小组成员签字： 年 月 日院系审核意见院系主管领导签字：年 月 日