悬臂吊车无配重计算机速度调节拖动系统设计 - - 本科毕业论文 -

沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文）

摘 要

本毕设主要研究计算机对吊车电机速度调节从而使其满足空勾或有负载时匀速提升，下放。

文章中对吊车电机的起动，调速，制动等都做了详细的介绍，提出多种调速、制动方法并加以详细的讨论，具体采用了串级调速和反接制动的方法对电机进行控制。

最终达到了使吊车空勾或有负载时的匀速提升，下放、越线停车、过载停车等要求。

关键词： 串级调速；反接制动；电机调速

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Abstract

The project mainly studies of crane motor speed regulating computer so that the empty hook or load uniform raising and lowering.

In the article, the starting of crane motor speed and braking etc are described in detail, and put forward many speed and braking method is discussed in detail, and specific adopted cascade control and reverse connect braking of motor control method.

Finally reached that crane load or empty hook the uniform raising and lowering the line, parking, overload parking requirements.

Keywords: cascade control；reverse connect braking；motor speed

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目 录

1绪 论 ............................................................ 1

1.1课题意义..................................................... 1 2 系统总体设计框图及单片机系统的设计................................ 2

2.1 基本设计思路 ................................................ 2 2.2 系统总体设计框图 ............................................ 4 2.3 8051单片机简介.............................................. 4 2.4单片机系统中所用其他芯片简介................................. 8 3 三相异步电动机................................................... 10

3.1 三相异步电动机机械特性和人为特性 ........................... 10 3.2 三相异步电动机的各种运转状态 ............................... 13 3.3 三相异步电动机的起动 ...................................... 14 3.4 电机的调速方法与讨论 ...................................... 15 3.5 制动方法的选择与讨论 ...................................... 18 4 主电路图......................................................... 25 5 结束语........................................................... 29 参考文献........................................................... 30 致 谢............................................................ 31 附 录............................................................ 32

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1绪 论

1.1课题意义

悬臂吊车被广泛应用在工厂中，能够节省人力，提高工作效率。吊车空勾或有负载时的匀速提升与下方需要计算机的调节。

本次毕设研究了利用MCS-51系列单片机，通过 串级调速的方法来对三相步进电机进行速度调节。

中等以上功率的绕线转子异步电动机与其他电动机或电子设备串级连接以实现平滑调速，称为串级调速。

异步电动机的串级调速，就是在异步电动机转子电路内引入感应电动势，以调节异步电动机的转速。引入电动势的方向，可与转子电动势的方向相同或相反，其频率则与转子频率相同。

串级调速技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限。

本文就是利用这种控制方式来改变串入电阻的多少以及相序的反接实现三相步进电机速度的控制。

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2 系统总体设计框图及单片机系统的设计

2.1 基本设计思路

本课题主要采用改变电路中串入电阻的多少来调节电机的转速，当闭合图2.1开关S1时K1线圈吸合图2.2中K1控制开关闭合。当闭合图2.1开关S2时K2线圈吸合。图2.1中K2控制图2.2开关K2闭合, 电机实现正转。当闭合图2.1开关S3时，线圈K3吸合，线圈K3控制图2.1中开关K3闭合同时K5控制的常闭开关K5断开电机实现了反转。

通过软件控制图2.3中开关K6,K7,K8,K9.K10.K11,K12使图2.2中开关K6,K7,K8,K9.K10.K11,K12分别闭合达到调速的效果。

K1 S1 S2 S3 K1 急停开关 正转开关 反转开关 K1K3 K2K2K3N 图2.1 控制开关图

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A B C F1 K1 K2 K3 R1 R2 R3 R4 R5 R6 K6 K7 K8 K9 K10 K11 R7 K12 图2.2 电机开关图

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P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 K6 K7 K8 K9 K10 K11 K12 12V 图2.3 单片机信号（用三极管驱动）

2.2 系统总体设计框图

决策程序 A B C 阻转矩负载 计算机系统 计算机控制 产生程序控制信号 执行机构四级串接电阻 减速机构 求和程序速度给定与数模变换器速度环 传感器速度位置 位能负载 2.3 8051单片机简介

（1）．8051单片机的基本组成

8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了

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图2.4位能负载计算机速度调节系统示意图

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特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：

图2.5 8051基本组成 （2）．CPU及8个部件的作用功能介绍如下

中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。 内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。

特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80H—FFH。

内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。

并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。

串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。 定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。

中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。

振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。

（3）．8051单片机引脚图

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图2.6 8051引脚图

下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。 1、主电源引脚VCC和VSS VCC——（40脚）接+5V电压； VSS——（20脚）接地。

2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。

3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP ①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。

VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。

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当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

②ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。

③PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

④EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。

对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。

4、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

①P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。

②P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功

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能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

③P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

④P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。

作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。

值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。

2.4单片机系统中所用其他芯片简介

1. 7805简介

7805是三段正电源稳压电路，它有一系列稳固的电压输出，应用非常广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全区工作的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它就能提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。

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图2.7 78系列芯片图、

2.RS232介绍

目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

收、发端的数据信号是相对于信号地，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平，DB25各引脚定义参见图1。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。

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3 三相异步电动机

3.1 三相异步电动机机械特性和人为特性

一、固有机械特性

固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性曲线 。

图3.1 固有特性曲线图

二、人为机械特性 （一）降低UX

降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏。

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图3.2降低定子相电压时的人为机械特性 （二）转子电路内串联对称电阻

转子电路串联对称电阻适用于绕线转子异步电动机的起动，也可用于调速。

图3.3 转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性

（三）定子电路串联对称电抗

定子电路串联对称电抗一般用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5rh3.html