|
目 录 第一章 绪论
1.1 电力拖动控制的发展现状 3
1.2电力拖动控制的技术现状 4
1.3 选题意义 6
1.4 本设计的工作 7
第二章 硬件部分简介
2.1 具体方案论证 8
2.2 主控芯片的简介 11
第三章 电力拖动控制的原理
3.1 电力拖动控制电路原理图 12
3.2电路实图............................................................................................................................13
3.3程序......................................................................................................................................14
第四章 结论
结论：............................................................................................................................................18
心得体会：..................................................................................................................................19
参考文献：..................................................................................................................................20
第1章 绪 论 1.1 电力拖动控制的发展现状
直流电机拖动控制技术在19世纪末期就有相应的研究。在20世纪上半叶的年代，由于直流电机拖动控制速度比较方便，很多高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统采用的交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相媲美。到了1960至1970年，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是集成电路控制的出现，很多高性能交流调速系统便应运而生，这种调速的格局被慢慢的变化。
在我国，经过改革开放20多年的发展，电力拖动控制技术有了长足的发展，特别是单片机，plc和FPGA技术的发展，使得电力拖动取得很大的进步。电机行业的发展的也取得飞跃的进步，电机产品的品种.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世界先进水平。目前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。这些年我国电机行业的发展也取得令人瞩目的成绩。异步电动机和同步电动机；在中小型电机和控制电机方面，亦自行设计和生产了不少新系列电机。
与电机发展过程一样，电力拖动技术也在不断的发展，在现代工业发达的背景下自动控制方面显得尤为重要。近年来，随着电子技术和控制理论的不断发展，相续出现了顺序控制，可编程无触点断续控制，采样控制等多种控制方式。控制芯片种类比较多，可通过单片机，CPLD和PLC编程进行控制，通过不断优化算法可以提高控制的精度满足一般的生产和家用的需求。由于电力在生产，传输，分配，使用和控制方面的优越性，使得电力拖动具有方便，经济，效率高，调节性能好，易于实现生产过程自动化等优点，所以电力控制系统获得了广泛的应用。在日常生活中使用的风扇，洗衣机等家用电器，在生产中使用的各种各样的生产机械，如车床，钻床，造纸机，轧钢机等，都采用的是电力拖动自动控制的。所以，有效的控制电机使其可靠工作的情况下提高控制精度显得尤为重要。
1.2 电力拖动自动控制技术的现状
电力拖动控制系统由电动机和控制装置构成。电动机(特别是直流电动机)控制简便、灵活、可靠，而且易于实现自动化，因而电力拖动在生产部门中得到了广泛的应用。
目前，很多直流电机的速度控制采用PWM(脉冲宽度调制)，PWM通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变电机两端的电压，进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，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调速系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并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”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。电枢电压“占空比”与平均电压关系图如下所示：
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps14E8.tmp.jpg
电压平均值描述Vd=Vmax*D（D=t2/t1+t2）式中，Vd——电机的平均速度；Vmax——电机全通电时的速度(最大)；D=t1/T由公式(2)可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度n与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。PWM实现方法PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。目前广泛应用的是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值f占空比)来控制电机的转速。PWM能通过对单片机、CPLD等进行编程来实现输出波形占空比可调，从而控制电机的转速。要实现其自动控制还有需增加辅助电路，比如比较器，定时器等，从而有效的控制电机。
电力拖动控制系统根据要求的功能主要分为四种控制方式控制方式。（一）电动机的起动、制动和反向 这种功能通常由继电器接触器装置来实现。它的优点是结构比较简单，所以应用范围很广，如机床、风机、泵等的控制。（二） 精度要求不高的电动机转速调节 包括起动和转速的切换。电动机的起动和转速切换常由继电器接触器组成的系统来实现。对精度要求不高的转速调节一般采 用开环控制。转速的调节误差完全由电动机的机械特性所决定。这类调速系统广泛应用于金属切削机床、轧机、起重机、电梯等各种机械。（三）高精度转速的给定和调节 高精度的转速调节需要采用闭环控制，称为转速自动调节。转速自动调节系统能在各种外扰作用下保持转速恒定，在精密磨床、轧钢机、造纸机等方面有广泛的应用。（四）随动传动 输出轴复现输入轴运动的一类电力拖动，常用机电伺服系统来实现，广泛应用于飞剪、轧机的压下装置和大型天线等方面。
1.3 选题意义
巩固了模拟电子技术基本知识，综合运用所学知识；掌握模拟电子线路的调试方法，增强工程实践能力和综合分析问题的能力；掌握数字系统控制的方法。进一步加强EDA 编程能力，能运用其解决实际问题。学会用软硬件结合完成对电机进行自动控制，使其满足生产要求。
1.4 本设计的工作
（1）采用电机——发电机方式，两个电机采用轴连接；（采用同一样型号，或不同型号的直流电机做发电机）
（2）分析电路实现的功能，如何设置元件参数并购置相应的元器件，了解元件的功能和使用，将电路的原理图绘制出来。
（3）先在面包板上调试电路的功能，是电机基本受输入控制。功能实现后使用Altium Designer绘制pcb图并焊接硬件电路。
（4）通过EDA编程编写PWM波，先实现基本的功能，后通过改进实现控制精度的提升、实现其按设定值自动加减。
（5）发电机采用整流滤波电路（选取小滤波电容）输出，负载为10Ω电阻。
（6）电机通过调节PWM脉冲宽度，控制电机转速，间接控制发电机的输出电压的大小，使输出电压控制在1V以内。
（7）通过数码管显示电机当前转速的档位，共设置了10个档位，当输出电压稳定，数码管显示的档位稳定。
（8）使用LM339作为电压比较器，以此给CPLD提供反馈信号。
（9）确定调试方案，选择测试仪器；
（10）安装电路和调试电路达到设计要求。
第2章 硬件部分简介 2.1 具体方案论证与设计
方案１：
硬件电路的主要分为三个小模块，一块是电动机的控制电路，一块是发电机输出电压比较反馈到控制芯片；另一块就是两电机传动模块。在编程上通过固定输入信号的占空比下改变信号的频率。
控制采用的是三级管K8050做为开关控制器件。之前考虑过用可控硅进行控制，后查阅资料发现可控硅的响应速度不及三级管，所以采用三级管。该三极管属于NPN型硅材料，最大集电极电流：0.5A,最大集电极-发射极电压为25V，基本上可以满足电机控制需要。为防止电机停转时电流过大击穿三级管，在电机两旁接上一个1N4007使其能在断开瞬间放电保护三级管。接着就将这些在面包板上插好并调试，使电机能受输入电压控制。
两个电机的连接方面，刚开始是想通过两个电机的轴相互重合用烙铁将其焊稳，后面发现这样连接的问题就是轴没在同一水平线上导致电机转的时候总是在动，这样不行。后面又想着用齿轮带动电机相互转，这一想法实现起来比较麻烦且还需找到合适的齿轮，所以这一方案废除。最后想起的是一个比较简单易行的法子。把两个电机的轴对齐，用胶带把它连接好，电机将其固定在一底座上减少因震动带来的误差。这是比较好的方法，一电机能能带动另一电机运行并稳定的工作。
比较器的利用的是LM339，它内部集成了四个运放，本设计中利用了其中一个运放，在它的反向输入端设置一参考电压。当发电机输出电压大于参考电压是输出为低电平，当小于时输出电压为高电平，以此来反馈到控制芯片上。
以下是方案一的硬件电路实物图：
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps14F8.tmp.png
两电机传动部分：
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps1509.tmp.png
方案一还存在以下一些问题：1.电机转动的电流达到0.4A了，导致三级管发热比较严重，长时间工作可能会烧坏； 2.控制芯片EMP570100C5的输出引脚直接接在三极管的基极上，未进行隔离。若电路出故障反向电流很容易烧坏控制芯片。 3.比较器的比较电压时有时候不灵敏，且存在一些误差。
方案２：
在方案一的基础进行了改进。
1.用两个三级管构成达灵顿管，达灵顿三级管具有高电流增益，电压增益约等于1，高输入阻抗、低输出阻抗，因此具有良好的开关特性。
2.软件上通过固定输入信号频率改变占空比来控制电机转速，这种方案能有效控制转速，比调频的方法好很多。
3.在三级管的基极输入处用到LM244驱动芯片，它可以隔离三级管控制电路产生较大电流对控制芯片造成的影响。还可将控制芯片的电压提高，使三级管工作在深度饱和状态。
4.通过软件编程增加一档位显示电路，将波形分为10个档位，用数码管显示。
5.电路的制作采用了PCB制板，电路减少了由引线带来的不稳定性，且较美观。
2.2 主控芯片的简介
可编程逻辑控制器件（FPGA）是通过硬件语言实现芯片内部逻辑门按一定组合实现一定的电路功能。PFGA的发展经历了30的发展，从刚开始只有1000多个逻辑门，到后面能集成25万个逻辑门，到现在的Altera公司推出了几百万门的可编程逻辑控制芯片。从它的发展历程来看，FPGA的发展以达到了一个新的高度，今后要取得质的突破可能要在材料及硬件结构上进行配置。
可编程逻辑控制器的优点可归纳为：成本较低，便于维护，工作可靠。在效能方面，它执行算法的速度数字处理器速度，能在同一周期内完成很多的作业。有分析公司认为，某些应用中使用的数字处理器的方案应用FPGA,能在硬件层级控制I/O缩短回应的时间，能够更好的满足使用者的需求。
第3章 电力拖动自动控制原理 3.1 电路原理图
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps150A.tmp.jpg
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps150B.tmp.jpg
3.2 实物图
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps151B.tmp.png
FPGA输出波形:
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps151C.tmp.png
3.3 实验程序
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity love4 is
Port(clk,fankui:in std_logic; --输入clk，
out1,b0,b1,b2,b3,b4,b5,b6:out std_logic); --输出
end;
architecture kc2 of love4 is
signal clk1:std_logic;
signal count_4:std_logic_vector(3 downto 0);
signal out_7:std_logic_vector(6 downto 0);
signal cout3:integer range -1 to 40;
begin
b0<=out_7(0);b1<=out_7(1); --将信号赋给输出
b2<=out_7(2);b3<=out_7(3);
b4<=out_7(4);b5<=out_7(5);
b6<=out_7(6);
process(clk)
variable cnt:integer range 0 to 50000000;
begin
if(clk'event and clk='1') then
cnt:=cnt+1;
if(cnt<25000000) then clk1<='0'; --clk1是250k的方波
elsif(cnt<50000000) then clk1<='1';
else cnt:=0;clk1<='0';
end if;
end if;
end process;
process(a1,b1,clk)
begin
if (clk'event and clk='1') then
if a1='0' then
if sum = 5 then sum <= 0;
else sum <= sum+1;
end if;
elsif b1='0' then --sum-- b1
if sum = 0 then sum <= 5;
else sum <= sum-1;
end if;
end if;
end if;
end process;
process(fankui)
begin
if cout3>19 then cout3<=19;
elsif cout3<0 then cout3<=0;
else
if clk1'event and clk1='1' then
if feed='0' then --反馈信号，0时自减，其他情况自加
cout3<=cout3-1;
else cout3<=cout3+1;
end if;
else null;
end if;
end if;
end process;
process(cout3)
variable cnt,cna:integer range 0 to 50000;
variable i:integer range 0 to 40;
begin
if cnt=50000 then cnt:=0;
else
if clk'event and clk='1' then
if cout3=0 then --分频出1khz的信号
cnt:=0;
else
cnt:=10000+2000*cout3;
end if;
end if;
end if;
if clk'event and clk='1' then cna:=cna+1;
if cna<cnt then out1<='1'; --通过cna与cnt的比较确定输出高、低电平
elsif cna<50000 then out1<='0' ;
else cna:=0;out1<='0';
end if;
end if;
end process;
process(cout3)
begin
case cout3 is
when 0=>out_7<="0111111"; --数码显示
when 1=>out_7<="0001100";
when 2=>out_7<="1110110";
when 3=>out_7<="1011110";
when 4=>out_7<="1001101";
when 5=>out_7<="1011011";
when 6=>out_7<="1111011";
when 7=>out_7<="0001110";
when 8=>out_7<="1111111";
when 9=>out_7<="1011111";
when others=>out_7<="0111111";
end case;
end process;
end kc2;
第4章 结论 经过一个月半的努力终于完成了课设，在本设计中存在一些毛病，比如焊接贴片元件不是很好，控制电压的精度还是有待提高等。该设计的优点能显示电机转速的档位，输出电压能控制在0.95--1.05V间波动，电路的整体布局比较美观等。
本设计中的不足与改进建议：
（1）本设计存在的缺点是PWM信号每次加减占空比的幅度较大，导致输出电压的精度不高。因此，可以在软件上修改加减占空比的的幅度，这种做法可能用一个数码管显示档位显得不够，可以用两位的显示。
（2）在比较器参考电压的设置上采用的比控制的电压偏高的方式去设定的，这样做的原因一个是占空比的加减幅度较大，另一个是比较器的反应速度较慢造成的，建议可以提高比较器的响应速度。
（3）要能够将课设电路运用到实际的工作中，将其运用到小车的速度控制等上面.
心得体会 经历了一个多月的努力，课设电路的功能基本实现了，真的是好事多磨，终于可以分开心去做其他的事了。当老师验收电路时看到自己设计的电路能合格通过，那喜悦之情难以用言语表达，能让人开心许久，也让人记忆深刻。
通过做课设让我学会很多，把所学的东西用上了巩固了。之前感觉在大学里自己的专业方面的知识学进去的很少，有的是在吃高中时期的老本，做课设培养的是动手能力和分析解决问题的能力。这个电路在硬件上比较简单，关键是软件编程上，之前EDA学的并不怎样，要让它实现软硬件结合也是花了较多的时间。
通过课设让我感悟很多，做课设我体会了第一次在实验室熬夜编程，也经历了多次失败仍愈挫愈勇。电路的实现方案想了很多，之前想偷点懒套用以前调频率的去控制，后面发现调频对直流电机的转速控制效果不好，后面还是采用了pwm进行控制。在将各个方案实现的过程上也是个曲折的过程，有的试了还是不行，于是继续尝试，这种感受确实挺考验人的耐性，不过还是做出来了。由于第一次做软硬件的结合实现一定功能的电路，所以很多东西都不怎么懂，在电路方案的设计和参数的确定上是通过老师的指导和自己摸索才做出来的。
以后在电路的设计上，我会先做好分析，找出最优的方案去实现电路功能。做实验有时候并不是看一个人的是不是很聪明，还要有静下心做实验，能排除各种干扰专注手头之事。要经得起失败的考验，也要对自己有信心。
参考文献
[1]喻凯余.浅析电力拖动自动控制系统[J].科技风.2013(12)
[2]段勇.电力拖动教学浅谈[J].黑河教育.2014(03)
[3]周建良.电力拖动系统的自动控制和安全保护[J].电子技术与软件工程.2015(03)
[4]陈中孝,苗荣霞.电力拖动系统运行过程的分析[J].价值工程.2012(07)
[5]袭祥军.浅析电力拖动自动控制系统[J].知识经济.2011(07)
|
QQ好友和群
QQ空间
腾讯微博
腾讯朋友
收藏
淘帖
顶
踩
