（精品）毕设-毕业论文

摘 要

本课题的研究方向是设计和仿真实现功能为控制基于单片机的直流电动机软启动的软启动器。因此，设计中全面的描述了直流电动机软启动、直流电动机软启动控制机制和特点，PWM（Pulse Width Modulation脉冲脉宽调制）的基本原理和实现方法的原理设计。

为了易于实现计算机控制，系统中的控制电路的控制系统采用STC89C51单片机作为核心设计的中心部分，另外配合其他的电路模块如输入模块、显示模块和驱动模块，实现电动机转动速度控制、速度的测量和显示。命令输入模块选择使用特殊的中断控制台用于命令输入；根据由单片机程序控制的光电隔离模块，不间断的为光电隔离电路发送一个个的PWM脉冲波形。

在设计中，直流电动机的软启动通过采用PWM直流电动机调速的方式来实现，改变PWM占空比来改变电动机的电枢电压来实现对电动机转速的调节。整个控制系统的设计，硬件结构具有大量的集成模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，整个系统的性能得到了改善。

关键词：直流电动机；软启动器；PWM调速

ABSTRACT

In 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 mode 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 system, 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 program, 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, the -System Programming)在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。使用一个简单的接口和连接线将单片机与上位机连接起来，通过ISP下载程序软件将编写好的单片机程序下载到要使用的单片机中。图3.12即为接口电路在电路图的连接。

图3.12 接口电路

3.2.8 供电电路

供电电路模块是为整个电路提供电源的部分，整个模块由一个直流电源插座和一个自锁开关组成。因为本课题研究的是直流电动机的软启动器的设计与仿真，所以选择使用直流电源供电。直流电源插座是一种直流电源输入线相配的插座，由横向插口、纵向插口、绝缘基座、叉型接触弹片、定向键槽组成，两只叉型接触弹片

定位在基座中心部位，成纵横向排列互不相连。叉型接触弹片一端为接线口，外露在基座圆柱体顶面，供连接输入电源线用，另一端由基体互连的两只弹性臂组成，设置在直流电源插头插入方向绝缘基座插孔内。自锁开关是一种常见的按钮开关，第一次按时，开关接通并保持，即自锁，在开关按钮第二次按时，开关断开，同时开关按钮弹出来。

图3.13 供电电路

3.3 直流电动机软启动器整体电路

直流电动机软启动器的整体电路如图3.14所示。

图3.14 直流电动机软启动器整体电路

4 软件程序的设计

4.1 主程序

4.1.1 设计要求

主程序的作用主要是完成各功能模块子程序的调用以及中断器的初始化、定时器的初始化和堆栈的设置。通过调节直流电动机的电压可以改变电动机的转速，但是一般我们设计的电源大都是固定的电压，而且模拟可调电源不易于单片机控制，数字可调电源设计麻烦。所以这里用脉宽调制（PWM）来实现调速。

直流电动机利用PWM控制子程序模块时主要是由单片机给直流电动机控制芯片输出相应的控制信号。单片机根据上述算法由反馈信号计算得出方向信号和占空比参数大小，再由单片机调用下载模块的子程序，通过写入到特定的寄存器中，由单片机通过驱动芯片L293D完成对直流电动机的控制。方波的有效电压跟电压幅值和占空比有关，我们可以通过站空比实现改变有效电压。一般用软件模拟PWM可以有延时和定时两种方法，延时方法占用大量的CPU，所以这里采用定时方法。 4.1.2 主程序流程图

主程序要实现的功能主要是通过对直流电动机转动速度的测量，并用L293D器件来驱动直流电动机的转动速度的加减变化。然后用4位数码管显示出来直流电动机当前的转动速度与转动方向。主程序的完整流程图如图4.1所示。

图4.1 主程序流程图

4.1.3 主程序程序设计 主程序如下：

**************************************************** ========= 直流电动机控制和速度显示 ========== **************************************************** #include

init();

while(1) { }

key(); sudu();

}

**************************************************

函数名称：定时器计数器0中断子函数 函数功能：控制定时器和中断

************************************************** void T1_time() interrupt 3 { }

void T0_time() interrupt 1 {

num1++;

if(num1==10) {

num1=0; flag=1;

每0.5s刷新一次数据 定时器0

count++; if(count>CYCLE) { } else { }

PWM1=1; PWM2=1;

如果计时时间大于高电平时时间，电动机停

if(flat==0) { } if(flat==1) { }

PWM1=1; PWM2=0; PWM1=0; PWM2=1; count=0;

如果计时时间在不大于高电平时时间，电动机转

if(count

}

}

void timer() interrupt 0 外部中断1 { }

num2++;

4.2 数码管显示程序

4.2.1 设计要求

数码管要及时的显示当前直流电动机的各种状态，比如说直流电动机的当前转动速度与当前转动方向。当电动机转动速度发生改变的时候，数码管显示内容立即刷新变化为当前直流电动机的转动速度。 4.2.2 注意事项

数码管显示程序在设计过程中需要注意以下几点： （1）相邻的数码管之间的显示阴影部分一定要消除；

（2）由于直流电动机软启动器的硬件电路中没有设置锁存器，那么想要使数码管显示的更加清晰则需要延长数码管的点亮时间；

（3）为了避免数码管显示不清晰，所以要合理的运用数码管的程序空间；

（4）各个数码管的不同显示可以通过使用动态扫描来实现。

（5）使数码管具有恒定的工作电流，且不受温度及其它因素的影响可以保证数码管具有良好的亮度均匀度。 4.2.3 数码管显示程序设计

数码管显示程序如下：

**************************************************** 数码管显示

****************************************************

if(flat==0) P0=table[11]; else

P0=table[12]; P2=0xfe; delayms(3); P2=0xfd;

P0=table[shuju100];

\

\

delayms(3); P2=0xfb;

P0=table[shuju010]; delayms(3); P2=0xf7;

P0=table[shuju]; delayms(3);

P2=0xff; 消隐部分

4.3 功能程序

4.3.1 设计要求

功能程序的部分主要为了实现直流电动机软启动器上的各个按键的功能，各个按键的功能主要有如下几个：

（1）起动停止按键：用来控制直流电动机的起动或者停止的按键，第一次按下起动停止按键时直流电动机起动，再次按下起动停止按键时直流电动机停止。 （2）加速按键：用来控制直流电动机的转动速度，可以增加直流电动机的当前转动速度，按下加速按钮时，单片机根据PWM脉冲信号调整占空比，直流电动机即根据速度反馈增加直流电动机的转速。

（3）减速按键：用来控制直流电动机的转动速度，减缓直流电动机的转动速度，按下减速按钮时，单片机根据PWM脉冲信号调整占空比，直流电动机即根据速度反馈减缓直流电动机的转速。

（4）正反转按键：用来控制直流电动机的正反转之间的调节，直流电动机初次起动时沿逆时针方向转动，第一次按下正反转按钮时，直流电动机沿逆时针方向减速停止之后沿顺时针方向加速转动，再次按下正反转按钮时，直流电动机沿顺时方向减速停止之后沿逆时针方向加速转动。 4.3.2 功能程序流程图

主要功能按键程序流程图如图4.2所示。

图4.2 主要功能按键程序流程图

4.3.3 主要功能按键程序设计 主要功能按键程序如下：

if(K4==0) { }

if(K1==0) {

delayms(5); if(K1==0) {

while(!K1);

加速键

delayms(5); if(K4==0) { }

while(!K4); num=!num;

起动 停止

}

}

if(num<3) num++;

if(K2==0) { }

delayms(5); if(K2==0) { }

减速键

while(!K2); if(num>0) num--;

5 软启动器的仿真

5.1 MATLAB仿真软件简介

MATLAB(Matrix Laboratory)是美国Math-works公司推出的一种集数值计算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的图形化语言。在工程技术界，系统仿真是通过对系统模型实验，去研究一个存在或设计中的系统，是建立在系统科学、系统辨识、控制理论、计算机技术和计算方法等学科上的一种综合性很强的实验科学技术。因此通过计算机技术和控制理论的结合，以实现仿真技术在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面的重要作用。在控制系统仿真技术的诸多环节中，MATLAB的仿真算法选择是很重要的环节，它直接影响到仿真模型是否能精确地替代实际系统。本文在分析直流电动机调速系统数学模型的基础上，借助于MATLAB强大的仿真建模功能，在MATLABSIMULINK中建立直流电动机PWM调速系统软启动器的仿真模型，通过对MATLAB的仿真算法的不同选择，得到不同的仿真结果，从而研究得出如何选择MATLAB的仿真算法。MATLAB仿真软件的工作界面如图5.1所示。

图5.1 MATLAB工作界面

MATLAB是一个高级的矩阵阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

5.2 MATLAB仿真建模与波形分析

分别选取他励直流电动机直接启动电路、他励直流电动机电枢串联电阻启动电路与直流电动机软启动电路，利用MATLAB内的SIMULINK搭建模型进行仿真分析并对三种启动电路的仿真结果进行对比，通过对比来分析直流电动机软启动相对于他励直流电动机直接启动和他励直流电动机电枢串联电阻启动的优点有哪些。 5.2.1 他励直流电动机直接启动仿真

直流电动机在直接起动的时候，起动的瞬间电流会很大，大约可以达到额定电流的10到20倍，所以会对直流电动机产生非常大的冲击转矩，对直流电动机的磨损消耗很大，不利于直流电动机的使用。现在试用MATLABSIMULINK对他励直流电动机的直接启动的过程建立一个仿真模型，通过对仿真模型的分析得到他励直流电动机的直接启动电流的变化过程以及电磁转矩在启动时的变化过程。

图5.2 他励直流电动机直接起动仿真模型原理图

图5.2是他励直流电动机直接启动电路仿真图，他励直流电动机直接启动电路由直流电源模块、直流电动机模块、定时模块、开关模块等模块组成。其中直流电源模块有两个，分别为直流电动机电枢以及直流电动机励磁提供电源电压，直流电动机模块包括一个他励直流电动机，定时模块的作用为定时接通或断开电源的开关，开关模块为控制电路电源通断的模块。

各电路模块参数的设定如下:

（1）直流电动机模块: Preset model设置为：5HP 240V 1750RPM Field：300V； （2）直流电源模块:Amplotude(V)

设置为:240；

（3）定时模块: Time（s）设置为：[0 0.5]，Amplitude设置为：[0 1]； （4）开关模块：Threshold设置为：1000；

（5）其它模块采用默认设置。

设置仿真的开始时间为0s，结束时间为1s，采用Ode23tb算法。 MATLABSIMULINK仿真的结果如图5.3所示。

图 4 电机定子绕组串电抗降压启动电流、转矩波形

5.2.2 电动机软启动电路仿真

图 5是电机软启动电路仿真图 [ 7] , 由电源模块、电机模块、六脉冲触发模块、常量输入模块、有效测量模块、电压 流测量模块、示波器、晶闸管、回馈控制部分 (由选路器、放大器、阶跃信号模块、增益模块、信号求和模块组成 )组成。 模块参数设定: 1)电机模块: 5H P;

2)电源模块: ?? Peak amp litude??设置为 220* sqrt( 2) ; 3)常量输入模块: 设置为 11. 87(电机转矩 );

4)六脉冲触发模块: ?? Pulse w idth( degrees) ??设置为 10; ?? Frequency of synchron ization voltages??设置为 50; 5)其它模块采用默认设置。

设置仿真开始时间为 0s , 结束时间为 0. 5s , 采用 Ode23 tb算法。 S i m ulink仿真结果如图 6所示:

5.2.3 电动机软启动的优点分析

通过仿真波形和实时数字显示模块的读数可知: 串电抗器降压启动瞬间, 产生较大的冲击量 (其中电流约为稳定时的 5倍, 转矩为稳定时的 7倍 ),过程变化突然, 其中转矩出现两次变化。 软启动瞬间, 产生的冲击明显减弱 (电流约为稳定时的 3倍,转矩为稳定时的 4倍 ), 变化趋于平缓, 且转矩未出现两次变化, 有利于系统稳定和设备保护。

启动电流和启动转矩是体现异步电动机启动性能最重要的两个因素。 因此在电机的启动过程中,如何降低起动电流, 减小冲击成为电机启动控制的关键。 电动机软启动器以大功率双向晶闸管构成交流调压电路, 通过控制晶闸管的触发角来调节晶闸

管调压电路的输出电压, 很方便的实现了电动机的无触点降压软启动。 软启动器从本质上解决了传统启动设备存在一些固有的缺点, 具有传统启动方法无法比拟的优势。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gl9p.html