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1、济南大学毕业设计 济南大学泉城学院毕业设计题 目 基于单片机的直流电动机 软启动器的设计与仿真 学 院 工学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机设 1101 学 生 刘畅 学 号 2011010694 指导教师 王玉芳 二一五 年 四 月 二十五 日- 20 -济南大学泉城学院毕业设计摘 要本课题的主要内容是设计与仿真基于单片机的直流电动机软启动器，主要是利用单片机来控制直流电动机实现软启动。所以，在设计的过程中，阐述了直流电动机软启动、控制机制和相关特点，以及在脉冲脉宽调制方面，运行的基本原理和如何进行实现的方法。在整个设计过程中，系统设计中电路控制系统的主体部分，采用的是用STC
2、89C51单片机，主要目的是为了方便进行计算机进行操作与控制，另外配合其他的模块化电路比如输入模块、显示模块和驱动模块，来实现直流电动机转动速度的控制以及电动转动速度的测量和显示。在命令输入模块中，输入的途径主要是通过特殊的中断控制台，发送的信号是PWM脉冲波形，在整个传输过程中，采用的是单片机程序进行传输的。在设计中，直流电动机的软启动通过采用直流电动机PWM调速的方式来实现，改变单片机的PWM占空比来控制直流电动机的电枢电压的改变，以此实现对直流电动机转速的调节1。从控制系统外观来看，在硬件方面，主要采用的是集成模块，采用这种布置方式，一方面电路布置较为简洁，另一方面系统的稳定性和可靠性较
3、高，系统的整体性能能得到优化。关键词：直流电动机；软启动器；PWM调速；仿真ABSTRACTIn this topic is the research, the design and simulation of DC motor Soft starter main realization of motor Soft starter control based micro-controller. Therefore, in the design of the principle of DC motor Soft starter, DC motor Soft starter control mod
4、e and the characteristics, PWM(Pulse Width Modulation)basic principle and realization method are comprehensively described.For the realization of the system of microcomputer control, in the design, adopted the STC89C51 micro-controller as the core of the control circuit part of the whole control sys
5、tem, with all kinds of display, driver module, realize display and measurement of the rotational speed of the motor; By the command input module and photoelectric isolation module. Adopt independent type keyboard with interrupts as the command input, single chip computer under the control of the pro
6、gram, constantly send photoelectric isolating circuit PWM waveform. In the design, using PWM control mode to achieve DC motor soft start, by changing the PWM duty cycle to change the armature voltage of the motor, and then realize to the speed of the motor. On the design of the whole control system,
7、 the hardware structure USES a large number of integrated circuit module, greatly simplify the hardware circuit and improve the stability and reliability of the system, and improves the performance of the whole system.Key words：Dc motor；Soft starter；Pulse Width Modulator；Simulation目 录摘要.IABSTRACT.II
8、1 前言.11.1 选题的目的及意义.11.2 国内外的发展概况.11.3 选题的目的和意义.21.4 主要研究工作.22 设计思路与内容.32.1 软启动器设计思路.32.2 软启动器设计内容.3 2.2.1 直流电动机的结构及工作原理.3 2.2.2 单片机的选择及功能介绍.4 2.2.3 软启动器的硬件设计.5 2.2.4 软启动器的软件设计.6 2.2.5 软启动器的程序仿真.73 硬件电路的设计.83.1 直流电动机起动过程及分析.83.2 直流电动机软启动器硬件电路设计.8 3.2.1 控制电路.8 3.2.2 晶振电路.8 3.2.3 复位电路.9 3.2.4 显示电路.10 3
9、.2.5 按键电路.11 3.2.6 测速电路.11 3.2.7 电动机驱动电路.13 3.2.8 接口电路.15 3.2.9 供电电路.15 3.3 直流电动机软启动器整体电路.164 软件程序的设计.18 4.1 主程序.18 4.1.1 设计要求.18 4.1.2 主程序流程图.18 4.1.3 主程序程序设计.18 4.2 数码管显示程序.18 4.2.1 设计要求.18 4.2.2 注意事项.18 4.2.3 数码管显示程序设计.19 4.3 功能程序.19 4.3.1 设计要求.19 4.3.2 功能程序流程图.20 4.3.3 主要功能按键程序设计.205 软启动器的仿真.21
10、5.1 MATLAB仿真软件简介.21 5.2 MATLAB仿真建模与波形分析.22 5.2.1 直流电动机直接启动电路仿真.22 5.2.2 直流电动机电枢串联电阻启动电路仿真.24 5.2.3 直流电动机软启动电路仿真.266 结论.28参考文献.29致谢.30附录1 主程序.31附录2 数码管显示程序.37附录3 主要功能按键程序.38- 1 -1 前言1.1 选题背景随着科技的飞跃发展，电子信息技术也不断突破，某些不可能实现的技术成功得到了运用，比如说电弧开关、恒定电流调节等，这些技术的出现为电动机的启动创新了模式，即促成了电机软启动技术的实现。什么是电动机的软启动，就是指在输入电压从
11、0 增加至额定电压，或者电动机的频率从0增加至额定频率，相比电动机原来的启动模式，启动功率从原来的不可控转变为了可控，在实际运用过程中，电动机启动电流可以进行实时调节，依据实际需要而定。通过这种新模式，电动机启动时避免了冲击扭矩，转化为了平滑启动，这就是我们俗称的软启动模式。随着计算机控制技术和电力电子技术越来越紧密的结合，电力电子软启动器不仅用于起动电动机，而是一个完整的包括电动机的软启动、软停机，以及各种轻载节能功能的保护在电动机负载上的控制装置2。在原来的电动机启动过程中，其通常是降压启动，启动时间较长，而软启动可以有效缩短启动时间，使得启动电流一直保持恒定功率，无论是理论意义，还是实践
12、作用，都有重大突破，因此，我们要积极研发电力电子软启动装置。1.2 国内外的发展概况晶闸管的出现带动了电力电子的软启动的出现，最早使用的三相交流电压稳压电路晶闸管电动机软启动器是由英国人于1970年发明的，因为晶闸管电动机软启动器可以用软启动的方法来获得良好的起动性能，所以晶闸管电动机软启动器出现后得到了人们的重视3。在此后的三十多年中，国外的科学家们重点研究了晶闸管的三相交流电压调节器电路，并且取得了一定的突破，已经成功运用到了实际之中，同时，在工业领域之外，其技术优势也较为明显。在上个世纪九十年代，国外的一些知名制造商将软启动产品推向了市场，并且技术较为成熟。比如说，美国的AB公司生产的A
13、C3152000kW的功率调节型电子软启动器，英国的CT公司、法国的TE公司、德国的AEG公司还有欧洲的ABB公司等都推出了软启动产品。德国的西门子公司推出了一系列的产品：SIRIUS 3RW30/31适用于55kW以下电动机，SIKOSTART 3RW22适用于710kW以下电动机，SIKOSTART 2RW34适用于1050kW以下电动机4。我们国家对于软启动的研究起步比较迟，所以目前所积累的经验和技术还不够成熟，特别是技术水平方面相对西方发达国家来讲还是比较低的。其实早在1970年软启动就开始出现了，随着人们对其研究深入逐步被广泛应用。如英国最早就实现了软启动器节能的效果，并且最大化节约
14、经费支出。在国外的研究理论中，科学家们以晶闸管三相交流电压调节器电路，以及晶闸管三相交流电压调节器电路为研究主体，将数学模型引入其中，发现了电路和负荷的有效控制方法，为解决三相交流电压调节器电路使用中电动机的负荷性能，起到了关键作用。在上个世纪八十年代，我们开始实施软启动技术研究工作，截止目前，已经有多个制造企业可以生产软启动器，并且产品实现了多样化，符合轻负载、重负载等多种模式，型号包括了JKR、NJR1、STR、JKB型，以及JQ、JQZ型固态节能型等。JQ型用于轻负载起动，JQZ型用于重负载起动，最大控制功率可达到800kW5。有几所高校或者技术学校对电动机软启动技术也有一些研究，但因为
15、国内自行开发能力和生产能力相对于国外较弱，所以仍然十分的依赖国外的软启动产品。从大体上来看，我国软启动技术虽然取得了一些进步，但相比而言，与西方发达国家相关技术差距较为明显。随着技术交流国际化，技术流动越来越明显，软启动相关技术已经不再是国家秘密，其控制原理和主电路设计等方面的技术，国内和国外都已经取得了成功，相对的差距也越来越小。今后，电动机软启动器将着力于向以下几个方向发展：（1）采用集成移相调控晶闸管模块；（2）用离散频率控制的方式提高起动转矩； （3）软启动器将向中压电动机软启动方向发展；（4）软启动器将向智能化方向发展。1.3 选题的目的和意义 目的：选择本课题的目的是设计并仿真基于
16、单片机控制的直流电动机软启动器，通过软启动器控制直流电动机的启动和速度调节，解决直流电动机直接起动时通过电流过大和冲击转矩过大的问题。意义：软启动器在直流电机上的实际运用，可以使得直流电源的启动很稳定，从而保障了直流电源在启动时的安全。软启动器使用原理主要是利用单片机对整个系统进行管控，对电机采用PWM增速调整，从而保障系统启动时的稳定。1.4 主要研究工作本文在详细了解和系统分析了直流电动机软启动器几种常用的设计方案，选取了基于单片机PWM调速控制系统设计软启动器的基本设计方案。并分析了系统的大体框架，制定了可行的总体设计方案，分别进行硬件设计和软件设计。主要研究工作包括：（1）对直流电动机
17、软启动技术进行研究并提出软启动器的整体设计框架；（2）直流电机采用软启动器启动，主要有以下模块需要设计：控制、显示、按钮、测速、显示等模块；（3）撰写以下模块的程序：控制、显示、按钮这三种模块；（4）整体硬件电路和软件程序的整合调试。2 设计内容与思路本章节主要分析了直流电动机的结构和工作原理以及单片机的功能，并提出了软启动器的设计思路。根据软启动器的设计思路将设计分为硬件电路设计和软件程序设计，然后针对每一部分的设计提出基本的设计方案，最后对直流电动机软启动器的仿真作出说明。2.1 软启动器设计思路直流电源采用软启动器启动是在单片机控制的基础上的设计以及仿真，这是本文研究的重点内容。低价格的
18、单片机成为整个直流电源软启动器控制系统的重点部位，直流电动机在整个系统中处于被控制的角色，系统中设置专门的按钮来对速度进行控制，可以按照系统需要，增速或者降速。本系统采用单片机这一核心技术来有效的对系统的速度进行控制调节，解决以往设计中的难点，通过控制电动机的电流，使得电动机缓慢平稳加速，避免在电动机起动时电动机和电网承受起动瞬间大电流的冲击，提高电网的工作效率和降低起动电动机时的冲击损伤，以达到节约能源、保护装置的作用。直流电机的运行速度能被有效的控制，从而也极大提升了整个速度系统的准确性，这种技术的采用还具有成本低廉的好处，如果推广使用，社会价值和效益都很高。2.2 软启动器设计内容2.2
19、.1 直流电动机的结构及工作原理定子、转子是直流电动机最主要的组成部分。电机在运行过程中，维持静止不动的部位就是定子，它能在系统通电后，产生所需的磁场。定子组成部分包括基座、主磁极、轴承、电刷等；电机在运行时，转动的部分就是转子。转子能带来电磁转矩，还能感应出电动势，在整个系统中处于枢纽地位，主要承担能量转换，所以通常又称电动机的转子为电枢，电枢由转轴、电枢铁心、电枢绕组和换向器等部分组成6。直流电动机的结构如图2.1所示。图2.1 直流电动机结构图2.2就是直流电机的模型图。铁磁圆柱体处于磁极中间，它还可以灵活转动，线圈a、b、c、d。附着在圆柱体的外层，当线圈中有电流通过的时候，线圈在电磁
20、力的促力下不停地旋转。从左手定律我们可以得出，经过线圈的电流改变流向时，线圈的接受力的方向也会同样改变，所以只要改变电流方向，电动机转动的方向也就改变了。图2.2 直流电动机模型2.2.2 单片机的选择及功能介绍 单片机是一种集成电路芯片，是将具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等许多功能（其也可以包括一个显示驱动电路、脉冲宽度调制电路、模拟多路复用器、A/D转换电路等）利用超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统7。单片机的主要特点有：（1）集成度高，体积小，可靠性高；（2）控制功能强；（3）
21、低电压，低功耗，易产生便携；（4）易扩展；（5）优异的性能价格比。STC89C51单片机是一款低功耗、低电压、高性能CMOS 8位单片机，可编程FLASH芯片容量大小为8KB，包含可承受1000次反复擦写周期的只读程序存储器EEPROM，该装置采用了高密度的CMOS技术和ATMEL公司的一种非易失性存储器NURAM制造技术，其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，可重新编程的FLASH存储器允许系统或常规非易失性存储编程器在系统内改编程序，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快8。单片机STC89C51价格低廉，灵活性很高，还具有多种不同
22、的功能，是各领域控制系统采用的最优之选。STC89C51单片机的引脚如图2.3所示。图2.3 STC89C51引脚图示STC89C51具有以下几点主要性能：（1）FLASH存储器的程序可以被4KB改写；（2）全表态工作：024HZ；（3）256X8字节内部RAM；（4）32个外部双向输入，输出（I/O）口。2.2.3 软启动器的硬件设计直流电动机软启动器的设计中，电动机软启动器的控制系统选择采用了PWM直流调速控制系统。PWM为通过控制固定电压的直流电源的开关频率，改变负载两端的电压，从而实现控制达到所需要的电压的控制方法9。综合整个系统的研究和分析，该软启动器的硬件系统中电路主要有如下的九个
23、部分:（1）控制电路模块；（2）晶振电路模块；（3）复位电路模块；（4）显示电路模块；（5）按键电路模块；（6）测速电路模块；（7）电动机驱动模块；（8）接口电路模块；（9）供电电路模块。直流电动机软启动器的硬件电路系统框图如图2.4所示。图2.4 直流电动机软启动器的硬件电路系统框图2.2.4 软启动器的软件设计 该系统中的软启动器属于硬件电路设计的一类，根据硬件电路的属性，该系统主要程序也是三部分：主程序、数码显像、功能程序。而直流电机的控制部分、速度记录部分都属于主程序。（1）主程序:速度控制装置是主程序的重要组成部分，它能有效的控制电机的转动速度和转动的方向，主程序还能测算出旋转的速度
24、。四个数码管显示当前的转动速度和电动机的旋转方向。从而实现直流电动机的软启动。 （2）数码管显示程序：数码管要显示当前各种状态，如当前转动速度与当前转动方向。当电动机的转动速度发生改变的时候，数码管显示内容立即更新显示当前的转动速度。（3）功能程序：按钮按键的实用功能主要就是通过这个部分来实现的。软启动器的启动、停止都是通过按键来解决。2.2.5 软启动器的程序仿真该系统设计属于仿真模型实验，主要软件支持为Matlab/Simulink，系统的速度控制主要采用PWM直流调速来控制。Matlab目前己经成为控制界在国际上最流行的设计和仿真软件，Simulink是Matlab的一个组成部分，它为用
25、户提供了可视化的仿真环境，允许用户选择它提供的各种模块，用框图的形式搭建复杂的系统，并能对其准确仿真10。通过使用Matlab仿真软件对比直流电动机直接启动电路、直流电动机电枢串连电阻启动电路和直流电机软启动的电流在运行时就会有电流波形、转矩波形产生，本文着重研究软启动的优点，并对软启动和旧有的启动方式进行比较。3 硬件电路的设计本章节主要分析了直流电动机的启动过程，然后根据直流电动机在直接启动的过程中出现的瞬间电流过大以及冲击转矩过大的问题提出软启动器的使用。将直流电动机的软启动器硬件电路根据实现功能的不同分为多个模块，并对每个模块详细设计说明。3.1 直流电动机起动过程及分析 从直流电源电
26、机运行启动的过程中我们经过仔细研究和分析得出。要想大幅度提升直流电机的功能，一般通过调整来改变流电动机起动时施加于电动机两端的电压，然后分析了传统的直流电动机起动的原理和调节电压方案的利弊。在实际操作中，电机电路中电阻、电感是非常不明显的，而且旋转部分的机械惯性不可忽略，所以，当电流通过直流电机时候，起动电枢速度和相应的反电动势开始时比较小但是通过的电流很大，有时可以达到高达15至20倍的额定电流。当一定量的电流经过当前的系统，系统的电子元件就会遭到很强的冲击，甚至引起某些部分发生火花。直流电机在启动时会有大量的起动电流，为了对起动电流进行有效的管控，常用的办法就是在设计中采用串联的可变电阻。
27、电机在运行的过程中，速度不断的加大，我们就在速度加大的每个过程中逐步对电阻进行短路控制，确保通过系统的电流在可控值之内。这种方法被称为电阻范围启动，这样的起动方法还是比较容易操作的和推广的，目前在比较小的规模直流电机中使用范围较大，但是这种方法对功率消耗比较大，频繁启动停止的直流系统并不适合，大容量的电机也不可使用。目前对于大容量的电机起动，主要采用降电压的模式。这种模式依赖于独立的电源系统，通过直流电源为电压调节器输送电源，使得电源电压可控制的平稳起动电动机起动方法，也能达到调节直流电动机速度的目的，但这种方法需要更加复杂的电源设备。3.2 直流电动机软启动器硬件电路设计3.2.1 控制电路
28、 控制电路由STC89C51单片机控制为主，单片机连接其他的电路模块，在单片机中写入应用程序作为系统控制，实现对单片机发出的PWM脉冲以及其他模块的工作的控制。新开发的单片机增加了许多功能，其中就包括PWM功能。通过对单片机进行初始设置，单片机就可以自动的发送PWM脉冲，只有在改变占空比的时候CPU才会干预11。控制电路模块在电路图中的连接如图3.1所示。3.2.2 晶振电路 石英晶体谐振器经常被使用到电路中，这种模式是由单片机提供支撑的，它能发出时钟信号，还能为特殊系统产生可供参考的信息。晶振电路系统包括电容和振荡器，电容的容量为30pF，数量是2个，振荡器的频率为12MHz，数量为1个。振
29、荡器的功能主要是提供一个振荡频率，两个电容是谐振电容其作用为滤除干扰，且晶体振荡器的频率越高时谐振电容的容量越小。晶振电路模块在电路图中的连接如图3.2所示图3.1 控制电路图3.2 晶振电路3.2.3 复位电路 复位电路是用于返回到所述电路装置的初始状态的电路，它的工作电路的原理就像计算器的清零按钮的作用一样，以便回到原始状态，重新进行计算，只是在开始的原则和方法不相同。复位电路由一个容量为10F的电容，一个阻值为10K的电阻以及一个轻触按键组成。复位电路的工作过程为：VCC上电时，电容C2充电，在10K电阻R10上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C2充满，10K电阻上电流降为0，电压
30、也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下K16，C放电，在10K电阻上出现电压，使单片机复位。复位电路在电路图中的连接如图3.3所示。图3.3 复位电路3.2.4 显示电路 LED显像管通常被使用到电路显示中来，它主要采用发光半导体来实现，发光二极管是他的主要组成部分，电流通过不同的段子，对应的数码管就会发出光，相应的数字就出现。“a，b，c，d，e，f，g，dp”这个八个笔画由动态驱动器链接，通过特别的I / O来管理不同的电路，并由PO显示字形码，这时，所有的数码管上的字母都是统一的代码。而不同的数码管显不同的数字，就要通过P2.4-P2.7位选通控制电路来实现。通过分离不同的控制通过数码管的数字端COM，使数码管轮流控制数字显示，这是一个动态驱动12。 本次实验中数码管主要采用四位七段模式，并且该数码管的距离值主要通过动态驱动来实现。显示电路组成主要是以下几个部分：数码管、4根三极管、4个1K 的电阻。该电路中的三极管在实际运行中处于开关的状态，而不是处于放大区。要想输出电流值趋向于零，这时三极管就要处于截至区运行，就要保证单片机管脚停止输出。当满足上述条件时，三极管C-E间等效