科技学院模板-自动跟踪智能型太阳能系统设计

高等教育自学考试本科毕业论文

三相异步电动机的控制和运行维护

考生姓名： 吴艺超 准考证号： 1112441636

专业层次：本 科 院 （系）：机械与动力工程学院

指导教师： 钱 游 职 称： 讲 师

重庆科技学院

二O一二年七月二十九日

高等教育自学考试本科毕业论文

三相异步电动机的控制和运行维护

考生姓名： 吴艺超 准考证号： 1112441636 专业层次： 本 科

指导教师： 钱 游 院 （系）： 机械与动力工程学院

重庆科技学院

二O一三年七月二十九日

重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 中文摘要

摘 要

近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的的应用。特别是 在乡镇企业及家用电器中，更需要有大量的中、小功率电动机。由于这种电动机的发展及广泛的应用，它的使用、保养和维护工作也越来越重要。

电动机机应用广泛，种类繁多、性能各异，分类方法也很多。并且随着科技的发展结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜的三相异步电动机越来越受到广大中小型企业的欢迎。因此本课题所研究的三相异步电动机的控制和运行维护就显得尤为重要。

本文将围绕电动机的发展史、三相异步电动机工作原理、各种控制和日常的运行维护进行论述。

关键字 发展史 三相异步电动机 工作原理 控制 运行维护

I

重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 英文摘要

Automatic tracing intelligent solar

energy system design

Abstract

In recent years, with the development of power electronic technology, microelectronic technology and modern control theory, medium, small power motors in industrial and agricultural production and people's daily life are extremely extensive application. Especially

In the township enterprises and household appliances, but also need to have a lot of, small power motor. Due to the development of the motor and the widespread application, its use, maintenance and maintenance work is more important application of motor machine widely, variety, the performance of different classification methods are many. And with the increasing of three-phase asynchronous motor technology development structure simple, reliable operation, light weight, low price and more by the vast number of small and medium enterprises welcome. So it is very important to control and operation of three-phase asynchronous motor the maintenance.

In this paper, the development history, working principle, around the motor three-phase asynchronous motor control and daily operation and maintenance are discussed.

Keywords history phase of working principle of asynchronous motor control operation and maintenance

II

重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录

目 录

中文摘要 ........................................................................................................................... I 英文摘要 .......................................................................................................................... II 1 绪 论 ............................................................................................................................ 1

1.1 课题背景 .................................................................................................................................... 1 1.1.1能源现状及发展 .................................................................................................................. 1 1.1.2我国太阳能资源 ................................................................................ 错误！未定义书签。 1.1.3目前太阳能的开发和利用 ................................................................ 错误！未定义书签。 1.2研究课题的意义 ......................................................................................................................... 2 1.2.1新环保能源 .......................................................................................................................... 2 1.2.2提高太阳能的利用率 ........................................................................ 错误！未定义书签。 1.3太阳能利用的国内外发展现状 ............................................................... 错误！未定义书签。 1.4太阳追踪系统的国内外研究现状 ........................................................... 错误！未定义书签。

2太阳能自动跟踪系统总体设计 ................................................................................... 5

2.1太阳运行的规律 ......................................................................................................................... 5 2.2跟踪器机械执行部分比较选择 ............................................................... 错误！未定义书签。 2.2.1立柱转动式跟踪器 ............................................................................ 错误！未定义书签。 2.2.2陀螺仪式跟踪器 ................................................................................ 错误！未定义书签。 2.2.3齿圈转动式跟踪器 ............................................................................ 错误！未定义书签。 2.2.4本课题的机械设计方案 .................................................................... 错误！未定义书签。 2.3跟踪方案的比较选择 ............................................................................... 错误！未定义书签。 2.3.1视日运动轨迹跟踪 ............................................................................ 错误！未定义书签。 2.3.2光电跟踪 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 2.3.3视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合............................................. 错误！未定义书签。 2.3.4 本设计的跟踪方案 ........................................................................... 错误！未定义书签。

3 机械设计部分 .................................................................................错误！未定义书签。

3.1太阳能自动跟踪系统机械设计方案 ....................................................................................... 28 3.2第一齿轮转动计算 ................................................................................... 错误！未定义书签。 3.2.1材料选择 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 3.2.2尺寸计算 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 3.2.3校核计算 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 3.2.4 齿根弯曲疲劳强度验算 ................................................................... 错误！未定义书签。

III

重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录

3.3第二齿轮转动计算 ................................................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1材料选择 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.2尺寸计算 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.3校核计算 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.4 齿根弯曲疲劳强度验算 ................................................................... 错误！未定义书签。 3.4 轴瓦校核计算 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 3.4.1大轴瓦校核计算 ................................................................................ 错误！未定义书签。 3.4.2小轴瓦校核计算 ................................................................................ 错误！未定义书签。 3.5键联接计算 ............................................................................................... 错误！未定义书签。 3.5.1主轴与大齿轮的键联接 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.5.2 小轴与齿圈的键联接 ....................................................................... 错误！未定义书签。 3.5.3 步进电机1输出轴与小齿轮1的联接............................................ 错误！未定义书签。 3.5.4 步进电机2输出轴与小齿轮2的联接............................................ 错误！未定义书签。 3.6抗风性分析 ............................................................................................... 错误！未定义书签。 3.6.1底座上螺钉校核 ................................................................................ 错误！未定义书签。 3.6.2轴校核 ................................................................................................ 错误！未定义书签。

4自动跟踪系统设计 ..................................................................................................... 31

4.1系统总体结构 ........................................................................................................................... 36 4.2光电转换器 ............................................................................................................................... 51 4.3单片机及其外围电路 ............................................................................................................... 52 4.3.1 AT89C51单片机 ................................................................................................................ 52 4.3.2外围电路 ............................................................................................................................ 55 4.4步进电动机及驱动电路 ........................................................................................................... 56 4.4.1步进电动机介绍 ................................................................................................................ 56 4.4.2步进电机的主要特性 ........................................................................................................ 56 4.4.3步进电机的选择 ................................................................................................................ 57 4.4.4驱动电路 ............................................................................................................................ 58 4.5系统的实现 ............................................................................................................................... 59 4.5.1光敏电阻光强比较法 ........................................................................................................ 59 4.5.2光敏电阻光强比较法的工作过程 .................................................................................... 60 4.5.3系统的流程图 .................................................................................................................... 61

5 结 论 .......................................................................................................................... 40 致 谢 ........................................................................................................................ 41 参考文献 ........................................................................................................................ 42

IV

重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1 绪论

1 绪 论

1.1 课题背景

1.1.1电动机现状及发展

电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。它是随着生产力的发展而发展的，反过来，电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点，已成为电动机学科的一个独立分支。

电动机的功能是将电能转换成机械能，它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械。

在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。种生产机械运转，可以采用气动液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单﹑调节性能好﹑耗损小﹑经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点因此大多数生产机械都采用电力拖动。

按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。 虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点，但是由于它具有电刷与换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也受到了限制（如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用），其电压等级，额定转速，单机容量的发展也受到了限制。所以，在20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速，各种类型的变频调速，无换向器电动机调速等，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽，稳态精度高，动态响应快以及在四象限

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重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1 绪论

做可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。除此之外，由于交流电力拖动具有调速性能优良，维修费用低等优点，将广泛应用于各个工业电气自动化领域。

经历了100多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力。未来电动机将会沿着体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。

1.1.2我国电机

新中国成立前，我国的电机工业极端落后，全国只有少数几家规模小、设备差、生产能力低的电机制造厂，新中国成立以来，我国的电机工业发生了巨大的变化，经过50年的努力，不仅建成了独立自主和完整的体系，而且有一些产品已经达到或接近世界先进水平。咋电动机调速系统方面，随着大功率电力电子元件及微电子器的出现和变频技术的发展，是交流异步机的调速在平滑度、范围和效率方面都得到了很大进步，由于生产商的需要，近几年来，对电机的新原理、新结构、新工艺、新材料、新的运行方式和调试方法，进行了许多的探索、研究和试验工作，取得了一定的成就。

1.2研究课题的意义

1.2.1电动机的控制和运行维护的深远影响

电动机是人类在生产和生活中必不可少的一部分；而三相异步电动机是电动机的核心部分。在现代的生产工艺中需要各种的机械，而机械的拖动一般是气动式、液体压力式以及电机拖动式。由于电机拖动式结构简单、调节性能好、损耗少并且经济实用，所以在现代的生产中大部分都使用电机拖动。并且三相异步电动机又是电动机中的核心部分，所以本课题有关三相异步电动机的控制和维护显得至关重要。

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重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2太阳能自动跟踪系统总体设计

2 电动机的分类

2.1电动机的分类

按电源分电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。而直流电动机又分为有刷直流电动机和无刷直流电动机两类；交流电动机分为单相交流电动机和三相交流电动机两类。

按结构和工作原理电动可分为同步电动机和异步电动机两大类。同步电动机包括永磁同步电动机、磁阻同步电机以及磁滞同步电机三种。异步电动机包括单相异步电动机、三相异步电动机等。

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3.三相异步电动机的工作原理

3.1三相异步电动机的结构

3.1.1三相异步电动机的总结构

图3-1 封闭式三相异步电动机的结构

1—端盖 2—轴承 3—机座 4—定子绕组 5—转子 6—轴承 7—端盖 8—风扇 9—风罩 10—接线盒

电动机的结构也可分为定子、转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。另外，定、转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙)，以保证转子的自由转动。异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为0.2 mm～2mm。

三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式、潜水泵式等。不管外形如何电动机结构基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图3-1所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。

3.1.2定子部分

定子部分由机座、定子铁心、定子绕组及端盖、轴承等部件组成。

机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。

定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。

3 定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是

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由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。槽内绕组匝间、绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组(就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边)，还要加放层间绝缘。

轴承。轴承是电动机定、转子衔接的部位，轴承有滚动轴承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承)，目前多数电动机都采用滚动轴承。这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。

3.1.3转子部分

转子是电动机中的旋转部分，如图1中的部件5一般由转轴、转子铁心、转子绕组、风扇等组成。转轴用碳纲制成，两端轴颈与轴承相配合。出轴端铣有键槽，用以固定皮带轮或联轴器。转轴是输出转矩、带动负载的部件。转子铁心也是电动机磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片叠压成圆柱体，并紧固在转子轴上。转子铁心的外表面有均匀分布的线槽，用以嵌放转子绕组。

三相交流异步电动机按照转子绕组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。

笼型转子线槽一般都是斜槽(线槽与轴线不平行)，目的是改善起动与调速性能。其外形如图3-1中的第5部分；笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接)，即构成了转子绕组；小型笼型电动机一般用铸铝转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以得名笼型绕组，如图2所示。

(a) 直条形式 (b) 斜条形式

图3-2笼型异步电动机的转子绕组形式

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绕线型转子绕组与定子绕组类似，由镶嵌在转子铁心槽中的三相绕组组成。绕组一般采用星形连接，三相绕组绕组的尾端接在一起，首瑞分别接到转轴上的3个铜滑环上，通过电刷把3根旋转的线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便于控制，如图3所示。有的电动机还装有提刷短路装置，当电动机起动后又不需要调速时，可提起电刷，同时使用3个滑环短路，以减少 电刷摩擦。

图3-3绕线式异步电动机的转子

两种转子相比较，笼型转子结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用十分广泛。绕线型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能较好，并能利用变阻器阻值的变化，使电动机能在一定范围内调速；在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械(如起重机)中常常被采用。

一般电动机转子上还装有风扇或风翼(如图3-1中部件8)，便于电动机运转时通风散热。铸铝转子一般是将风翼和绕组(导条)一起浇铸出来，如图3-3(b)所示。

3.1.4气隙

所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。中小型异步电动机的气隙一般为0.2mm～1.5mm。气隙的大小对电动机性能影响较大，气隙大。磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流Im也越大，电动机的功率因数也就越低。但气隙过小，将给装配造成困难，运行时定、转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。

3.1.5三相异步电动机的铭牌数据

三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额定数据。主要的额定数据为：

额定功率PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。 额定电压UN(v)：指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。 额定电流IN(A)：指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。

PN?3INUNCOS?N?N

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额定转速门nN(r/min)：指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速。 额定频率fN(Hz)：指电动机所接交流电源的频率。

额定工作制：指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。

此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形)、绝缘等级及温升等。对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。

3.2三相异步电动机的工作原理

3.2.1三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。

图3-4

假设定子只有一对磁极，转子只有一匝绕组。在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因而在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F（其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩，且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。如图3-4所示。

3.2.2定子旋转磁场

假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的6个凹槽之中。现将三相绕组的末端U2、V2、W2相连，首端U1、V1、W1接三相交流电源。且三相绕组分别叫做U、V、W相绕组。如3-5所示。

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图3-5

假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相绕组的电流作为参考正弦量，即 iU的初相位为零，则三相绕组U、V、W的电流（相序为U—V—W）的瞬时值为：

如图3-6所示是这些电流随时间变化的曲线。

iU?Imsin?tiV?Imsin(?t?iW?Imsin(?t?2?)34?)3

图3-6

t=0时iU=0，iV为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从V2端流到V1端；iW为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从W1端流到W2端。按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场如图3-7（a）箭头所示。

t=π/2 ia为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从U1端流到U2端。Iv、iw为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从V2、W2端流到V1、W1端；此时的合成磁场如图3-7（b）所示，合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转

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了90。

图3-7

t=πiu=0，iv为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从v1端流到v2端。Iw为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从W2端流到W1端；此时的合成磁场 如图3-8（c）所示，合成磁场已从t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了180。

t=3π/2 IU为负,电流实际方向与正方向相反， Iv\\iW为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从V1、W1端流到V2、W2端。此时的合成磁场如图3-8（d）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了3π /2 。按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称旋转磁场。

图3-8

3.2.3旋转磁场的旋转方向和速度

U相绕组内的电流超前V相绕组内的电流2π/3，而V相绕组内的电流又超前W相绕组内的电流2π/3，当三相交流电的U→V→W，旋转磁场的旋转方向为从U→V→W，即向顺时针方向旋转。

在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用n0表示。 n0?60f

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以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用p表示）即p=1。 从上述分析可以看出，电流变化经过一个周期（变化360电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了360机械角度），若电流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转60f 转，即：如果把定子铁心的槽数增加1倍（12个槽），制成如图3-9所示的三相绕组。其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。如图3-9所示。

图3-9

对应于不同时刻，旋转磁场在空间转到不同位置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了 /2，即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：

所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。

图3-10为24槽4极三相异步电动机旋转磁场。

n0?60fp

图3-10

3.2.4转差率 S

转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。由工作原理可知：转子的转速n（电动机的转速）恒比旋转磁场的旋转速度n0（同步速度）要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。因此，转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。

定义：转速差(n0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用表示n0?nS?S，即

n0

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转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数

3.2.5异步电动机的三种运行状态

根据转差率的大小和正负，异步电动几有三种运行状态。 电动机运行状态所对应的转差率区间为：0?s?1（与与

n1?n?0)。特点是n??n?n1)。特点是n

n1同方向，且n?n1，电磁转矩是驱动性质的，将电能变为机械能。

发电机运行状态所对应的转差率区间为：???s?0（

n1同方向且n?n1，电磁转矩是制动性质的，将机械能变为电能。

电磁制动运行状态所对应的转差率区间为：1?s???（0?n???）。特点

是n与

n1反方向；转子导体以高于同步的速度切割旋转磁场，电磁转矩是制动的，

定子从电网吸收的电能和转子的机械能都变成电机内部的损耗而转换为热能(电源反接制动就是一个例子)。

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4电动机的控制

4.1plc对三相异步电动机的控制

4.1.1三相异步电动机的ㄚ-△减压起动控制

三相笼型异步电动机具有结构简单、价格便宜、坚固耐用、维修方便等优点，因而获得了广泛的应用。它的起动控制有直接（全压）起动和减压起动两种方式。对于较大容量的笼型异步电动机（大于10KW），其起动电流较大，一般采用减压起动的方式起动。

减压起动是利用某些设备或者采用电动机定子绕组换接的方法，降低起动时加在电动机定子绕组上的电压，而起动后再将电压恢复到额定值，使之在正常电压下运行。

4.1.2三相异步电动机ㄚ-△减压起动的继电器控制

星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。正常运转时再换接成三角形接法。

图4-1 ㄚ-△减压起动的继电器控制电路图

图4-1中主电路通过三组接触器主触点将电动机的定子绕组接成三角形或星

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形，即KM1、KM3主触点闭合时，绕组接成星形；KM1、KM2主触点闭合时，接为三角形。

电路的工作过程： 先接通三相电源开关Q。 ①起动：按下起动按钮SB2

②电动机接成星形，减压起动

触点KT断开 ③延时一定时间 △t机接成三角形

触点KT闭合

与此同时，触点KM2断开停止：按下SB1

KM1线圈得电①

KM3线圈得电② KT线圈得电③

KM3线圈失电

电动KM2线圈得电

KT线圈失电释放。

电动机停止运转。

KM1、KM2线圈失电

4.1.3三相异步电动机ㄚ-△减压起动的PLC控制

星形-三角形减压起动用于定子绕组在正常运行时接为三角形的电动机。在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。正常运转时再换接成三角形接法。有电工基础知识可知，星形连接时起动电流仅为三角形连接时的1/√3，相应的起动转矩也是三角形连接时的1/3。

输入 输出 停止按钮SB1:X0 KM1:Y0

起动按钮SB2:X1 KM2:Y1 接触器△ FR:X2 KM3:Y2 接触器ㄚ

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图4-2 三相异步电动机减压起动的I/O接线图

图4-3减压起动梯形图

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对应的指令如下图： 步 序 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 指令 数据 LD X001 OR Y000 ANI X000 ANI X002 OUT Y000 LD Y000 ANI Y001 MPS ANI T0 OUT Y002 步 序 10 11 12 13 14 15 16 17 18 指令 数据 MPP OUT T0 K50 LD T0 OR Y001 ANI Y000 ANI Y002 ANI X002 OUT Y001 END 图4-4三相异步电动机的ㄚ-△减压起动的指令语句表

4.1.4三相异步电动机正反转的PLC控制

因为三相异步电动机的转动方向是由旋转磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取决于定子绕组中通入三相电流的相序。因此，要改变三相异步电动机的转动方向非常容易，只要将电动机三相供电电源中的任意两相对调，这时接到电动机定子绕组的电流相序被改变，旋转磁场的方向也被改变，电动机就实现了反转。

4.1.5三相异步电动机正反转的继电器控制

在没有按下停止按钮SB3且热继电器FR没有动作的情况下，X000和X003触点均为闭合状态。此时按下正向起动按钮SB1，输入继电器X001动合触点闭合，输出继电器Y000线圈得电并自锁，接触器KM1得电吸合，电动机正转；与此同时，Y000的动断触点断开Y001线圈的驱动回路,KM2不能吸合，实现了电气互锁。按下反向起动按钮SB2时，X002动合触点闭合，Y001线圈得电并自锁，接触器KM2得电吸合，电动机反转；与此同时，Y001的动断触点断开Y000线圈的驱动回路，KM1不能吸合，实现电气互锁。停机时按下按钮SB3，X000动断触点断开；过载时热继电器FR动作，X003触点断开，这两种情况都使得Y000、Y001线圈失电，进而使KM1、KM2失电释放，电动机停转。

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图4-5 电动机正反转继电器控制图

4.1.6三相异步电动机正反转PLC控制

输入 输出 SB1：X1 KM1：Y0 SB2：X2 KM2：Y1 SB3：X0 FR：X3

SB1为正 SB2为反 KM1为正转接触线圈 KM2为反转接触线圈

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图4-6输入输出接线图

图4-7梯形图

将PLC连上编程器并接通电源后，PLC电源指示灯亮，将编程器开关打到“PROGRAM”位置，这时PLC处于编程状态。编程器显示PASSWORD!这时依次按Cltr键和Montr键，直至屏幕显示地址号0000，这时即可输入程序。

在输入程序前，需清除存储器中内容，按照以上控制的梯形图或程序指令将

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控制程序写入PLC，当程序输入到PLC指令如下图。 对应的指令如下图

图4-3减压起动梯形图 指 令 数据 步 序 步 序 指 令 数据 0 1 2 3 4 5 6 LD X001 OR Y001 ANI X000 ANI X003 ANI Y002 OUT Y001 LD X002 7 8 9 10 11 12 OR Y002 ANI X000 ANI X003 ANI Y001 OUT Y002 END 图4-8减压起动梯形图

4.1.7三相异步电动机的反接制动的继电器控制

在生产过程中，有些设备电动机断电后由于惯性作用，停机时间拖得过长，导致生产率降低，还会造成停机位置不准确，工作不安全。为了缩短辅助工作时间、提高生产率和获得准确的停机位置，必须对电动机采取有效的制动措施。

停机制动有两种类型：一是电磁铁操纵机械进行制动的电磁机械制动；二是电气制动，即电动机产生一个与转子原来的转动方向相反的转矩来进行制动。常用的电气制动有反接制动和能耗制动。

反接制动就是通过改变异步电动机定子绕组中三相电源相序，产生一个与转子惯性转动方向相反的反向起动转矩而进行制动停转的。

反接制动的关键在于将电动机三相电源相序进行切换，且当转速接近于零时，能自动将电源断开。

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图4-9反接制动继电器控制图

主电路：接触器KM1用来控制电动机M正常运转，接触器KM2用来改变电动机M的电源相序。因为电动机反接制动电流很大，所以在制动电路中串接了降压电阻R，以限制反向制动电流。

控制电路：由两条控制回路组成。一条是控制M正常运转的回路，另一条是控制M反向制动的回路。

电路的起动过程： 起动：按下SB2反接制动做准备。

制动：按下复合按钮SB1触点复位断开，KM2线圈失电

KM1线圈失电，KM2线圈由于KS的动合触点在转制动结束，停机。

子惯性转动仍闭合自锁，电动机进入反接制动，当电动机转速接近于零时，KS的

KM1线圈得电

M开始转动，同时KM1辅助动合触点闭

合自锁，KM1辅助动断触点断开，进行互锁。M处于正常运转，KS的触点闭合，为

4.1.8三相异步电动机的反接制动的PLC控制

输入 输出

SB1:X0 KM1:Y1 SB2:X1 KM2:Y2 FR:X2

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KS:X3

图4-10输入输出接线图

图4-11反接制动梯形图

对应的指令如下图：

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步 序 0 1 2 3 4 5 6 指令 数据 LDI X000 LD X001 OR Y001 ANB ANI Y002 ANI X002 OUT Y001 步 序 7 8 9 10 11 12 13 指令 数据 LD X000 OR Y002 ANI Y001 AND X003 ANI X002 OUT Y002 表4-12 三相异步电动机的反接制动的指令语句表

4.2三相异步电动机的一般控制

4.2.1点动控制

一般使用在机床电路和行车控制电路中，在三胺装置中没有使用。控制时，按下启动按钮，电机转动，松开按钮，电机停止；一般使用在负荷不大，电机功率不高，不需要连续运行的电机控制中。

4.2.2自保控制

大量应用在三胺装置的各个方面。控制时，按下启动按钮，KM线圈得电，电机启动，KM的辅助常开触头闭合，短接启动按钮两端，松开启动按钮，控制线路通过KM的辅助常开触头自保持；按下停止按钮，KM线圈失电，KM的辅助常开触头释放，电机停止。在需要连续运行的装置中，这种控制方式大量使用。除了控制外，控制线路一般还提供了保护、测量、指示等一系列装置，保证电机安全稳定运行。由于电子技术特别是微电子技术的发展，一种电机综合保护仪（俗称马达保护器）被广泛应用于电机控制线路中，在三胺装置中，所有重要设备的电机大都采用马达保护器对电机进行保护。

4.2.3三相异步电动机的软启动器控制

电压由零慢慢提升到额定电压，这样电机在启动过程中的启动电流，就由过去过载冲击电流不可控制变成为可控制。并且可根据需要调节启动电流的大小。电机启动的全过程都不存在冲击转矩，而是平滑的启动运行。这就是软启动。

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软启动器（soft start）是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。

软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

软起动与传统减压起动方式的不同之处是：

（1）无冲击电流。软启动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳起动，减少对负载机械的冲击转矩，延长机器使用寿命。

（2）有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机的弊病，减轻对重载机械的冲击，避免高程供水系统的水锤效应，减少设备损坏。

（3）起动参数可调，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。

软启动器主要有整流器、中间电路、逆变器、控制电路等组成。 1、整流器：它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。 2、中间电路：有以下三种作用：

a. 使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。 b. 通过开关电源为各个控制线路供电

c. 可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。

3、逆变器：将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。 4、控制电路：它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：

a.利用信号来开关逆变器的半导体器件。 b.提供操作变频器的各种控制信号。 C.监视变频器的工作状态，提供保护功能。

三胺软启动器有P-1201A/B、P-1108A/B、P-1111A/B、T404A1/A2/A3 7台软起动器（其中P-1108A/B和P-1111A/B为ABB产品，其他为施耐德产品）。

4.3变频器对三相异步电动机的控制

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用电三相异步电动机在需要调速的场合，就需要通过变频器控制。变频器是利力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。采用变频控制的三相异步电动机不仅实现了无极调速，还具备了软启动器的所有功能，一样实现电机的软启动、软停车。三胺一共有P1134A/B、P1103A/B、P1105A/B 6台大变频器，为ABB产品；905包装楼7台小变频器和P1301A/B、P1302A/B 4台大型变频调速柜，为西门子产品。

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5三相异步电动机的运行维护和检修

5.1三相异步电动机的运行维护

5.1.1电动机启动前的准备

为了保证电动机正常安全地启动，一般启动前应作好下述准备：

（1）检查电源是否有电，电压是否正常，若电源电压过高或过低，都不宜启动。

（2）启动器是否正常，如零部件有无损坏，使用是否灵活，触头接触是否良好，接线是否正确、牢固等。

（3）熔丝规格大小是否合适，安装是否牢固，有无熔断或损伤。 （4）电动机接线板上接头有无松动或氧化。

（5）检查传动装置，如皮带轻紧是否合适，连接是否牢固，联轴器的螺丝、销子是否紧固等。

（6）传动电动机转子和负载机械的转轴，看其转动是否灵活。

（7）检查电动机及启动电器外壳是否接地，接地线有无断路，接地螺丝是否松动、脱落等。

（8）搬开电动机周围的杂物并清除机座表面灰尘、油垢等。 （9）检查负载机械是否妥善地作好了启动准备。

（10）对正常运行中的绕线式电动机，应经常观察电动机滑环有无偏心摆动现象；观察滑环的火花是否发生异常现象。滑环上碳刷是否要更换。

5.1.2启动时应注意的问题

（1）接通电源后，如果电动机不转，应立即切断电源，绝不能迟疑等待，更不能带电检查电动机发故障，否则将会烧毁电动机和发生危险。

（2）启动时应注意观察电动机、传动装置、负载机械的工作情况，以及线路上的电流表和电压表的指示，若有异常现象，应立即断电检查，待故障排除后，载行启动。

（3）利用手动补偿器或手动星三角启动器启动电动机时，特别要注意操作顺序。一定要先将手柄推到启动位置，待电动机转速稳定后再拉到运转位置，防止误操作造成设备和人身事故。

（4）同一线路上的电动机不应同时启动，一般应由大到小逐台启动以免多太电动机同时启动，线路上电流太大。电压降低过多，造成电动机启动困难引起线路故障或使开关设备跳闸。

（5）启动时，若电动机的旋转方向反了，应立即切断电源，将三相电源线中

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的任意两相互换一下位置，即可改变电动机转向。

5.1.3监视电动机的温度

电动机正常运行时会发热，使电动机温度升高，但不应超出允许的限度。如果电动机负载过大，使用环境温度过高，通风不畅或运行中发生故障，就会使其温度超出允许限度，导致绕组

过热烧毁，因此电动机温度的高低是反映电动机运行的主要标志，在运行中经常检查。判断电动机是否过热，可以用以下方法：

（1）凭手的感觉：如果以手接触外壳，没有烫手的感觉，说明电动机温度正常；如果手放上去烫得马上缩回来，说明电动机已经过热。

（2）在电动机外壳上滴2-3滴水，如果只冒热气没有声音，则说明电动机没有过热，如果水滴急剧汽化同时伴有\咝咝\声，说明电动机已经过热。

（3）判别电动机是否过热的准确方法还是用温度计测量。

发现电动机过热应该立即停车检查，等查明原因，排除故障后再行使用。

5.1.4监视电动机的电流

一般容量较大的电动机应装设电流表，随时对其电流进行监视。若电流大小或三相电流不平衡超过了允许值。应立即停车检查。容量较小的电动机一般不装电流表，但也经常用钳形表测量。

5.1.5监视电动机的电压

电动机的电源上最好装设一只电压表和转换开关，以便对其三相电源、压进行监视。电动机的电源电压过高、过低或三相电压不平衡，特别是三相电源缺相，都会带来不良后果。如发现这种情况应立即停车，待查明原因，排除故障后再使用。

5.1.6注意电动机的振动、响声和气味

电动机正常运行时，应平稳、轻快、无异常气味和响声。若发生剧烈振动，噪音和焦臭气味，应停车进行检查修理。

5.1.5 注意传动装置的检查

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电动机运行时要随时注意查看皮带轮或联轴器有无松动，传动皮带是否有过紧、过松的现象等，如果有，应停车上紧或进行调整。

5.1.6 注意轴承的工作情况

电动机运行中应注意轴承声响和发热情况。若轴承声音不正常或过热，应检查润滑情况是否良好和有无磨损。

5.1.7注意交流电动机的滑环或直流电动机的换向器火花

电动机运行中，电刷与换向器或滑环之间难免出现火花。如果所发生的火花大于某一规定限度，尤其是出现放电性的红色电弧火花时，将产生破坏作用，必须及时加以纠正。

5.2电动机的定期检查和保养

为了保证电动机正常工作，除了按操作规程正确使用，运行过程中注意监视和维护外还应进行定期检查和保养。间隔时间可根据电动机的类型、使用环境决定。主要检查和保养项目如下：

（1）及时清除电动机机座外部的灰尘、油泥，如使用环境灰尘较多，最好每天清扫一次。

（2）经常检查接线板螺丝是否松动或烧伤。

（3）定期测量电动机的绝缘电阻，若使用环境比较潮湿更应经常测量。 （4）定期用煤油清洗轴承并更换新油（一般半年更换一次），换油时不应上满，一般占油腔的1/2~2/3，否则，容易发热或甩出，油要从一面加人，可以把没有清洗干净的杂质，从另一面挤出来。

（5）定期检查启动设备，看触头和接线有无烧伤，氧化，接触是否良好等。 （6）绝缘情况的检查。绝缘材料的绝缘能力因干燥程度不同而异，所以保持电动机绕组的干燥是非常重要的。电动机工作环境潮湿、工作间有腐蚀性气体等因素的存在，都会破坏电动机的绝缘。最常见的是绕组接地故障即绝缘损坏，使带电部分与机壳等不应带电的金属部分相碰，发生这种故障，不仅影响电动机正常工作。还会危及人身安全。所以电动机在使用中，应经常检查绝缘电阻，还要注意查看电动机机壳接地是否可靠。

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（7）除了按上述几项内容对电动机定期维护外，运行一年后要大修一次。大修的目的在于，对电动机进行一次彻底、全面的检查、维护，增补电动机缺少、磨损的元件，彻底清除电动机内外的灰尘、污物，检查绝缘情况，清洗轴承并检查其磨损情况。

5.3三相异步电动机常见的故障和维修

本系统包括光电转换器、步进电机、89C51系列单片机以及相应的外围电路等。太阳能电池板有两个自由度。控制机构将分别对水平方向与垂直方向进行调整。单片机加电复位后，垂直方向将处于旋转状态，单片机将对采样进来的电压信号进行判断，电压有增大和减小两种可能，如电压增大，则让电池板继续转动，一旦电压减小，单片机将立即发出信号，让电机反转，实现电池板对太阳的跟踪。

传感器 光电转换 单片机 驱动器 步进电机 电源 图4-1系统总体结构

4.2光电转换器

光电转换器接收太阳光，将光信号转换成电信号，单片机根据采集来的信号进行分析比较，得出结果最终控制步进电动机的转动与转向来达到太阳能电池面板始终垂直于入射光线，从而达到最高效率的利用太阳能。本设计的光敏器件选为光敏电阻。利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光强度相同，所以它们的阻值相同，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减少，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，称为光敏电阻光强比较法。其优点在于控制较精确且电路比较容易实现。

下图中光电转换电路是其中的一组，另一组电路与此相同。当阳光正对太阳

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能板时，光敏电阻R1、R2都是高电阻，A、B两点电压相等。四运放LM124的输出的电压相同，单片机收到的信号差为零，所以单片机不控制电动机转动。若阳光发生倾斜，使Rl被阳光射中呈低电阻，则A点电位比B点高。运算放大器U2A的作用是一个电压跟随器，起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，保持采样信号的稳定。U3A是减法器，其输出为A与B的电压差值。因为A与B的电压差值可正可负，而单片机的输入端不能为负的电压值，所以U3A正的输入端接了个偏置电压电路，使U3的输出始终为正值。

图4-2光电转换电路

4.3单片机及其外围电路

4.3.1 AT89C51单片机

控制部件选择ATMEL公司生产的AT89C5l型单片机。AT89C5l是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有4KB的Flash可编程可擦除只读存贮器，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存贮器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存贮器编程器来编程。AT89C5l是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。

（1）结构框图

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AT89C5l的结构框图如图4-3所示。它具有如下的主要特征:

4KB可改编程序的Flash存贮器(可擦写1000次)；全静态工作频率: 24MHz； 三级程序存贮器保密；128字节内部RMA；32条可编程I/O线；2个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程全双工串行通道；片内时钟震荡器 。

图4-3单片机结构框图

AT89C5是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到OHz，并提供两种可用软件选择的省电方式，即空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保持内部RAM的内容，直到下一次硬件复位为止。

（2）AT89C51的引脚

AT8C951引脚采用双列直插式封装(DIP)或方形封装。双列直插式封装的如图所示，共有40个引脚，下面将对这些引脚进行说明。

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图4-4 AT89C51的引脚

①主电源引脚 1)Vcc:电源端。 2)GND:接地端。

②外接晶体引脚XTAL1和XTAL2：

1)XTAL1:接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡信号源时，该引脚接收外部振荡源的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

2)XTAL2:接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡信号源源时，此引脚应悬浮不连接。

③控制或与其它电源复位引脚RTS。

RST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。在对Flash存贮器编程期间，该引脚也用于施加编程语序电源。

④输入/输出引脚P0.0-P0.7、Pl.O-P1.7、P2.0-P2.7。

1)P0端口(PO.0-PO.7):P0是一个8位漏极开路型双向I/0端口。作为输入口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8位TTL输入，对端口锁存器写“1”时，又可作为高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据时，它是分时多路转换的地址(低8位)/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在对Flash编程时，PO端口接收指令字节;而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。

2)P1端口(P1.0-P1.7):P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。Pl的输出可驱动4个TTL输入。作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序验证期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。

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3)P2端口(P2.0-P2.7):P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

4.3.2外围电路

电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源，因此作为电子设备的基础元件，电源受到越来越多的重视。系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项极其重要的工作，它对整个单片机系统能否正常运行起着至关重要的作用。电源设计应该同时考虑功率、电平及抗干扰等问题。电源功率必须能满足整个系统的需要。

在系统电路中，除单片机系统需要+5V直流电源外，步进电机和驱动器还需要一个模拟电源12V。选用PKB05电源变压器将220V交流电压变换成正负12V的电压。这种变压器结构紧凑、坚固、抗震、防潮、阻燃，外型美观，使用方便，抗电强度高。它的初级是220V，50HZ/60Hz，次级既可以是单路输出，也可以双路输出。由于这种变压器变出的电压仍是交流电压，且又不十分准确和稳定，所以再利用全桥整流，电容滤波电压稳定后，分别用三端稳压电源模块7812，7912，输出正负12V。电路在7812和7912的输入端分别接上0.33uF的CBB电容、2000uF/25V的电解电容和2.2uF的CBB电容、2000uF/25V的电解电容。CBB电容可以滤掉高频干扰，电解电容组合可以滤掉低频干扰。在输出端接上104瓷片（0.1uF）电容，对输出的+5V电源再次进行滤波，以得到干净的电源。

图4-5电源管理部分电路

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4.4步进电动机及驱动电路

4.4.1步进电动机介绍

步进电机其功用是将脉冲电信号变换相应的角位脉电号电动机就转动一个角度或前进一步。因此非常适合单片机控制，推动了步进电动机的发展，步进电动机的应用开辟了广阔的前景。

按励磁方式分类，步进电动机可分为3大类： (1)反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。

它的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。

(2)永磁式步进电功机

永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的。转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信号。又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。移或直线位移，即给一个冲信。

(3)混合式步进电动机

混合式步进电动机也称为感应式步进电动机。它综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩，动态性能好，步距角小，是一种很有发展前途的步进电动机。

4.4.2步进电机的主要特性

（1）步距角

步距角指每给一个电脉冲信号电机转子所应转过的角度。步进电机的步距角是由转子齿数和电机的相数所决定。典型的混合式步进电机是四相200步的电机，

。

步距角为1.9选择步进电机时，步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度。电机的步距角应等于或小于此角度。

（2）矩角特性

矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直流电流时，电磁转矩与失调角的关系。

（3）响应频率

在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率f作为衡量的指标。它是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限启动频率或突跳频率。

（4）启动矩频特性

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在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，启动频率与负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称牵入特性。

（5）运行矩频特性

在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称牵出特性。

（6）惯频特性

在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，称为惯频特性。惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性。

4.4.3步进电机的选择

（1）步进电机1选择

估计步进电机1所需要的最大静力矩不大于200N，故选用57BYGH1001混合式步进电机。

表4-1 57BYGH1001混合式步进电机

型号 电压(V) 电流(A) 电阻 (Ω) 最大静力矩 (N.cm) 200 机身长(mm) 100 57BYGH1001 5 3 1.4 输出转动惯重量轴直量(kg) 径 (g.cm2) (mm) 10 1.5 650 接线图 4.6 （2）步进电机2选择

估计步进电机2所需要的最大推力不大于2000N，故选用8700系列螺杆轴混合式步进电机。技术参数如下：

①线圈双极性， 2)最大推力 2270 N， 3）位移分辨率0.127mm，4）工作电压 5 V， 5）相电流 3.12 Amps ， 6）相电阻1.6 ， 7）相电感 8.8 mH ， 9）功耗 31.2 W, 10)最高温度 130°C， 11）重量 2.3 Kg，12）绝缘电阻 20

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电源 步 进 电 机 步进电机驱动器 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4自动跟踪系统设计

图4-6步进电示意图

4.4.4驱动电路

（1）B L- 240 1BL-240型驱动模块 ○

1)适用电压范围宽 (12-40V)； 2)恒流斩波,双极性全桥式驱动； 3)运行特性良好； 4)自动半流锁定； 5)可靠性高； 6)适配4A以下两相和四相混合式步进电机

2技术数据 ○

1）输入电压: 12-40V 单电压供电； 2)相电流:本模块相电流可在0-4A之间调节； 3)驱动模式∶全桥驱动； 4)运行方式∶半步(0.9°)； 5)运行特性:优于原电机出厂指标； 6)保护方式:过热保护,锁定自动半流； 7)外形尺寸:126 mm×73mm×32mm； 8)重量∶<300g； 9)运行环境:温度-15-40℃ 湿度<90%。

3接线端子:(I/O PORTS) ○

1)VCC:供电电源12-40V 注:切忌超过40V,以免损坏模块； 2)GND:VCC对应地线； 3)B＋； 4)A＋； 5)CP IN＋:时钟脉冲输入端，光藕输入端，上升沿有效； 6)CP IN－:光藕输入负端； 7)CW/CCW＋:电机运转方向控制，光藕输入端； 8)CW/CCW－:光藕输入负端； 9)FREE＋:脱机电平； 10)FREE－:脱机电平。

图4-7 BL-240型驱动摸块

（2）MT-2HB03M驱动器

特点：双极驱动； 驱动器工作电压12-40 V； 驱动电流0.8-3.5 A；用户可根据需要采用共阳极接法、共阴极接法或差分输入接法。

共阳极接法：分别将CP+，U/D+，FREE+连接到控制系统的电源上，如果此电源是+5V 则可直接接入，如果此电源大于+5V，则须外部另加限流电阻R，保证给

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驱动器内部光藕提供8-15mA 的驱动电流。输入信号通过CP-加入。此时，U/D-，FREE-在低电平时起作用。

共阴极接法：分别将CP-，U/D-，FREE-连接到控制系统的地端（SGND，与电源地隔离），+5V 的输入信号通过CP+加入。此时，U/D+，FREE+在高电平时起作用。限流电阻R 的要求与共阳极接法相同。差分输入接法：分别将CP-，U/D-，FREE-接差分信号的负端、CP+，U/D+，FREE+接差分信号的正端。

图4-8 MT-2HB03M驱动器

4.5系统的实现

4.5.1光敏电阻光强比较法

利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。

其控制主要由以下三部分来完成: （1）信号采集部分

用光敏电阻实现信号采集的电路原理为桥式电路，电路的输出信号只与照射在两个光敏电阻上光强的相对值有关，不受外界环境的影响，增加了装置的抗干扰能力。

（2）数据处理部分

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采用非倒向放大接法，由运算放大器及其外围电阻组成线性放大单元。零电位调整单元以抵消零点漂移的直流信号。因调零后包含一定量的负脉冲信号，用反相单元为下一级电路提供正电压信号。对输入信号进行判断，当输出信号的强度大于一定值时，给下一级一个高电平信号；反之，提供低电平信号，这样能屏蔽一些微小信号的扰动，使系统的工作更稳定。 （3）控制单元

根据前一级送出的触发信号，控制电动机的工作状态。由于继电器在实现逻辑过程中需要的吸合电流较大，会造成整体电路的耗电增大；另外，继电器的反应速度很慢，灵敏度不高，会造成设备整体灵敏度及精确度下降。

4.5.2光敏电阻光强比较法的工作过程

系统采用光敏电阻光强比较法，设计出一种全新的光电转换装置，很好的实现了光电转换。它能够利用光敏电阻比较法实现对太阳水平、垂直方向的全方位跟踪，晚上便自动复位。当太阳的水平或垂直位置发生偏移时，R1、R2或R3、R4(另一组控制电路)四个光电管中必有一个受阳光照射，这样就可确认太阳运动的方向了。R1、R2、R3、R4放置见图4-9。

控制电路有两组，电路图中是其中的一组（图4-2），另一组电路与此相同。光电管是直接与控制电路连接的，当太阳能板正对太阳时，R1、R2都是高电阻，A、B两点电压相等。四运放LM124的A1、A2输出的电压相同，单片机收到的信号差为零，所以单片机不控制电动机转动。若阳光发生倾斜，使Rl被阳光射中呈低电阻，则A点电位比B点高，信号经过放大和转换，则单片机使得电机得电转动并拖动太阳能板转动，使太阳能板重新对准太阳。当R1、R2重新转为高电阻时，电机停转。若阳光偏转时使R2被阳光射中则电机反转。不论哪种情况，电机运动的方向和太阳运动的方向总是一致的．从而达到了跟踪的目的。到太阳西坠之时光线减弱，光电管R5(水平、垂直复位共用)的电阻升高。BG5导通，电机反转。回到原位时，限位开关断开，电机停转。当光敏电阻对准阳光时，采用微凋W1、W2使得A、B两点的电位相等，以提高系统的准确度。 3 2

1 太阳能板 60 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4自动跟踪系统设计

4 图4-9光敏电阻放置

4.5.3系统的流程图

开机之后，上电复位，系统进行初始化，初始化之后，系统首先判断当时是白天还是黑夜，若是黑夜，则系统启用中断处理程序，进入等待状态，系统进入光电追踪模式。

系统主流程图

开始 系统初始化

N 日出？

Y

N 传感器跟踪 电机要驱动 Y 吗？ Y N N 步进电机驱动 图4-10系统主流程图

光敏电阻光强比较法流程图

这部分的程序设计很简单，只需要单片机检测4个光敏电阻所对应的单片机的4个引脚的电位的高低，就可以判断当时太阳的朝向，并对电动机发出相应的

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命令，程序流程图如图4-11示：

开始 电机 反转 N N Y R1是否小于R2？ 电机 正转 电机 反转 NR3是否小于 R4？ Y 电机 正转 返回 图4-11光敏电阻光强比较法流程图

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重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 5 结论

5 结 论

本文的主要研究内容是太阳自动系统。本系统是基于单片机的自动控制系统，采用光电检测追踪模式，配合机械装置使系统更加稳定，提高了系统的追踪精度。 （1）详细分析了国内外目前的太阳追踪方式，比较之后，选择了以单片机为控制核心的自动控制系统，由于光电检测追踪模式和太阳角度追踪都有各自的优缺点，因此，经过比较用光电检测追踪模式。

（2）选择AT89C51单片机，通过比较选择了光敏电阻作为光电传感器，用4个光敏电阻连接成2组比较电路，实现判断太阳所在位置的功能，这样可以大大简化电路。

（3）机械部分零件图，装配图的绘制，按照各部分电路的设计将电路元件焊接到电路板上。联合硬件、软件、机械装置来调试电路。

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重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 致谢

致 谢

经过几个月的查资料、整理材料、设计和写论文，今天终于可以顺利的完成论文的最后的谢辞了，想了很久，要写下这一段谢词，表示可以进行毕业答辩了，??????????.

（此处要改）

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重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 参考文献

参考文献

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论文原创性声明

本人以信誉声明：所呈交的毕业论文是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，论文中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业论文作者（签字）： 签字日期： 年 月 日

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