基于单片机的矿用电机车调速系统设计(硬件)

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）i湖南科技大学毕业设计（论文）题目基于单片机的矿用电机车调速系统设计（硬件）作者胡智光学院潇湘学院专业电气工程及其自动化学院学号0554010409指导教师郭小定二〇〇年月日湖南科技大学本科生毕业设计（论文）ii湖南科技大学毕业设计（论文）任务书潇湘学院电气系（教研室）系（教研室）主任:（签名）年月日学生姓名:胡智光学号:0554010409专业:电气工程及其自动化1设计（论文）题目及专题：基于单片机的矿用电机车的调速系统设计(硬件)2学生设计（论文）时间：自2009年2月16日开始至2009年6月5日止3设计（论文）所用资源和参考资料：（1）单片机原理与应用教程；（2）单片机原理与应用（3）电气传动技术手册；（4）机电传动与控制；（5）单片机实验仿真；（6）矿用电机车电气原理图；4设计（论文）应完成的主要内容：第一章绪论;第二章方案比较与选择；第三章控制原理分析；第四章主电路设计；第五章控制电路设计；5提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：（1）提交的论文必须有文字版与电子版，论文字数不少于25000字；（2）论文格式要符合要求，内容完整，条理清楚；6发题时间：2009年2月16日指导教师：（签名）学生：（签名）湖南科技大学本科生毕业设计（论文）iii湖南科技大学毕业设计（论文）指导人评语指导人：（签名）年月日指导人评定成绩：湖南科技大学本科生毕业设计（论文）iv湖南科技大学毕业设计（论文）评阅人评语评阅人：（签名）年月日评阅人评定成绩：湖南科技大学本科生毕业设计（论文）v湖南科技大学毕业设计（论文）答辩记录日期：学生：学号：班级：题目：提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1设计（论文）说明书共页2设计（论文）图纸共页3指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：答辩委员会主任：（签名）委员：（签名）（签名）（签名）（签名）答辩成绩：总评成绩：湖南科技大学本科生毕业设计（论文）vi摘要本文主要介绍了基于单片机的矿用电机车的调速系统硬件设计，文中先对直流调速的原理，降压斩波电路控制方式及调速特性，PWM基本原理及实现方式进行了阐述。再将硬件分成主电路和控制电路分别进行描述。为实现系统的微机数字化控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动、测量对模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；主电路由整流电路、滤波电路组成，控制电路以单片微机为核心,组成包括电流检测模块、转速检测模块、保护模块等。在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。为了提高控制系统的性能和可靠性。关键词：AT89C51单片机；矿用电机车；调速湖南科技大学本科生毕业设计（论文）viiABSTRACTThispapermainlyintroducessingle-chipbasedontheminelocomotivepowerthespeedcontrolsystemhardwaredesign，Inthispaper,firsttheprincipleoftheDCconverter,step-downchoppercontrolmodeandspeedcharacteristics,PWMrealizationofthebasicprinciplesandmethods，Hardwareandthenintothemaincircuitandcontrolcircuitsweredescribed.Toachievethecomputerdigitalcontrol,intermsofdesign,usedAT89C51asawholecontrolsystemofthecontrolcircuitcore,andwithallthatdriving,Measurementofmodulestoachievetheparametersofthemotorspeeddisplayandmeasurement;rectifiercircuitbycircuit,thefiltercircuit,thatthepowerconversionmodulecomponents,thecontrolcircuitforamicrocomputercoreconsistsofcurrentdetectionmodule,speeddetectionmodule,protectionmodule.Inthedesign,usingPWMspeedcontrolmodebychangingthedutycycleofthePWMthuschangingthemotorarmaturevoltage,therebyrealizingtherightmotorspeedcontrol.Keywords:AT89C51；Mineelectriclocomotive；speedcontrolsystem湖南科技大学本科生毕业设计（论文）viii目录第一章绪论……………………………………………………………………………11.1单片机控制调速系统发展现状………………………………………………11.2矿用电机车简介…………………………………………………………………11.3矿用电机车调速的发展趋势……………………………………………………2第二章方案比较与选择………………………………………………………………………22.1系统控制对象的确定………………………………………………………………………22.2电动机供电方案的选择……………………………………………………………………32.3系统结构选择………………………………………………………………………3第三章控制原理分析…………………………………………………………………………53.1电动机调速原理…………………………………………………………………53.2降压斩波电路控制原理…………………………………………………………53.3桥式降压斩波电路控制原理……………………………………………………63.3双闭环控制原理…………………………………………………………………7第四章系统主电路设计………………………………………………………………………94.1主电路………………………………………………………………………………94.2驱动电路…………………………………………………………………………104.3参数计算和元件选择……………………………………………………………134.4主电路器件表……………………………………………………………………16第五章控制电路设计…………………………………………………………………………175.1降压斩波电路……………………………………………………………………175.2AT89C51单片机介绍……………………………………………………………185.3显示与键盘模块设计……………………………………………………………195.4时钟电路设计……………………………………………………………………205.5复位电路…………………………………………………………………………215.6故障检测及保护电路设计……………………………………………………215.7转速检测………………………………………………………………225.8电流检测…………………………………………………………………………245.9A/D转换器………………………………………………………………………25湖南科技大学本科生毕业设计（论文）ix结论………………………………………………………………………………………26参考文献…………………………………………………………………………………27致谢………………………………………………………………………………………28附录A:线路总图………………………………………………………………………29湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-1-第一章绪论1.1单片机控制调速系统发展现状单片微型计算机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑。近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心—单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。1.2矿用电机车简介主要用于主要用于井下运输大巷和地面的长距离运输。它相当于铁路运输中的电气机车头，牵引着由矿车或人车组成的列车在轨道上行走，完成对煤炭、矸石、材料、设备、人员的运送的电机车称为矿用电机车。矿用电机车由由机械部分和电气部分组成。机械部分包括：车架、轮对、轴承箱、弹簧托架、制动装置、撒砂装置、连接缓冲装置等。电气部分包括：直流串激电动机、控制器、电阻箱、受电弓、空气自动开关（架线式电机车）或隔爆插销、蓄电池（蓄电池电机车）。车架是机车的主体，是由厚钢板焊接而成的框架结构。除了轮对和轴承箱，机车上的机械和电气装置都安装在车架上。车架用弹簧托架支承在轴承箱上。运行中因常受到冲击、碰撞，而产生变形，所以应加大钢板厚度或采取相应的增加车架刚度的措施。轮对由两个车轮压装在一根轴上而成。车轮有两种，一种是轮箍和轮芯热压装在一起的结构；另一种是整体车轮。前者的优点是轮箍磨损到极限时，只更换轮箍不用整个车轮报废。驱动轮对有传动齿轮，电动机经齿轮减速后带动轮对旋转。轴箱是轴承箱的简称，与轮对两端的轴颈配合安装，轴箱两侧的滑槽与车架上的导轨相配，上面有安放弹簧托架的座孔。车架靠弹簧托架支承在轴箱上，轴箱是车架与轮对的连接点。轨道不平时，轮对与车架的相对运动发生在轴箱的滑槽与车架的导轨之间，并依靠弹簧托架起缓冲作用。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-2-弹簧托架是一个组件，由弹簧、连杆、均衡梁组成。一种使用板簧的弹簧托架。每个轴箱上座装一付板簧，板簧用连杆与车架相连。均衡梁在轨道不平或局部有凹陷时，起均衡各车轮上负荷的作用。矿用电机车的齿轮传动装置有两种型式：一种是单级开式齿轮传动，另一种是两级闭式齿轮减速箱。开式传动方式传动效率低，传动比较小，而闭式齿轮箱传动效率较高，齿轮使用寿命较长。1.3矿用电机车调速的发展趋势直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到广泛的应用。而以往直流电动机的控制只是简单的控制，很难进行调速，不能实现智能化。如今，直流电动机的调速控制已经离不开单片机的支持，单片机应用技术的飞速发展促进了自动控制技术的发展，使人类社会步入了自动化时代，单片机应用技术与其他学科领域交叉融合，促进了学科发展和专业更新，引发了新兴交叉学科与技术的不断涌现。现代科学技术的飞速发展，改变了世界，也改变了人类的生活。由于单片机的体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点，计算机性能的不断提高，单片机的应用也更加广泛特别是在各种领域的控制、自动化等方面。所以在本系统设计中我采用了由单片机控制单闭环直流电动机的调速控制系统。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）-3-第二章方案比较与选择2.1系统控制对象的确定30NPKW；220NUV；157.5NIA；2250minNnr;2.5m；86.5%；222.8GDkgm；调速范围5D；低速时S0.012.2电动机供电方案的选择变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电