1、苏州大学城市轨道交通学院课题名称：直流电机转速控制与测量学 院： 城市轨道交通学院 班 级： 10级通信工程 学 号： 1042401045 姓 名： 袁 圆 其他成员： 李吟乔 王佳毓 苏朗 直流电机转速测量与控制一、 设计要求1) 电机转速比例测量，并数码管显示；2) 电机转速由按键设定，步长为1rad/min。二、 直流电机转速测量与PWM控制的基本原理:直流电机的工作原理为：直流电机的磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定着线圈abcd。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此通
2、过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。由于方波的有效电压跟电压幅值和占空比有关，因此我们通过单片机的控制电路改变占空比，从而改变有效电压，以此控制电机的转速。即采用PWM（脉宽调制）方法实现调速。三、 设计方案程序应用模块化进行设计，主要有初始化模块、显示模块、读键模块、数制转换模块、双字节除法模块、中断模块和控制调节模块。初始化模块：8155工作方式、T0和T1工作方式、标志位状态、所用单元初值、中断设置以及初始显示等。显示模块：设定值和实测值的数值与字符动态显示。读键模块：从I/O口依据某位数码管亮时读入小按键是否有效，然后根据四个小键盘的不同功能进行相应的处理，只要设定值一改变立刻显示
3、。加1键和减1键要有连加连减功能。数制转换模块：将二进制转换为十进制。外部中断模块：将转1圈的时间通过双字节除法程序求出即时转速。定时中断模块：PWM输出波形形成。控制调节模块：通过设定值和实测值的比较来改变脉冲波的占空比，该数据的调节分为简单比例调节PP和比例积分调节PI。调节公式分别为：YK=YK1+KP*EKYK=YK1+KP*EK+KI*EK2YK：要输出的数据YK1：上次输出的数据EK：设定值和实测值的差值EK1：上次的EK值EK2：EK-EK1的差值KP：比例系数（设KP=12）KI：积分系数（设KI=12）四、 硬件设计我们将整个模块分为以下几个部分：控制部分，驱动电路和负载的续
4、流电路。4.1控制部分图4.1 系统方框图控制电路主要由单片机来控制，编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实现对驱动的控制。新一代的单片机具有PWM功能。通过对单片机的初始化设置，使其自动发出PWM脉冲波，只有在改变占空比的时候CPU才干预。4.2驱动电路的设计开关驱动是利用大功率晶体管的开关作用。将恒定的直流电源电压转换为一定的方波电压加在电机电枢上，与线性方式不同，在这种驱动方式下，驱动器的功率管工作在开关状态，当器件导通时，器件的电流很大但是压降很小；器件关断时，压降很大但是电流很小。因此驱动器的功率消耗少，发热量少，效率较高。通过控制开关的频率和脉宽，可以对电机的转向进行控制。我们在
5、本次设计中采用的PWM脉冲调制方式正是一种开关驱动方式，是直流电机最重要也是最常见的驱动方式。采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲及在具有惯性环节上时，其效果基本相同，这正是PWM控制技术的理论基础。PWM驱动方式易与处理器接口，使用简单，最常见的就是H桥电路。集成H桥芯片很很多型号，我们使用的是L298的芯片（如图4.2）。图4.2 L298引脚及外形图表4.1 L298引脚符号及功能一般利用H桥电路来实现调速。H桥驱动电路：图4.3 H桥驱动电路图4.3中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿
6、，而电机就是H中的横杠（注意：图4.3及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.4所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周
7、围的箭头指示为顺时针方向）。图4.4 H桥电路驱动电机顺时针转动图4.5所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图4.5 H桥电路驱动电机逆时针转动可以把Q1跟Q4接在一起，Q3跟Q2接在一起，这样只要两个单片机I/O口就行。这个桥式电路图只用来说明原理，实际应用还要看电机的额定电压、电流。也可以用L293、L298直流的集成芯片。我们采用的是模块是H桥芯片L298,图4.6所示是L298的内部原理图。图4.6 L298内部原理图L298需要2个电压，一个为逻
8、辑电路工作时所需要的5V电压VCC，另一个为功率电路所需的驱动电压VSS。驱动电路的输入可直接与单片机的引脚相连，为了进一步提高抗干扰能力我们还使用了光电耦合器件组成的隔离电路和控制电路和动力电路进行电气隔离。参见表4.1。原理分析：使能端输入使能，控制输入端A端输入PWM信号，控制输入端B端输入PWM的反相信号，在一个PWM周期里，电机的电枢承受双极性的电压，电机的速度和方向均由PWM决定。PWM占空比为50%（数码管显示50）时，对应的电机的转速为+113r/min， 为电机初始转速。占空比为0%-50%（数码管显示0-50）的时候电机的转速是63-113r/min；占空比为50%-99%
9、（数码管显示50-99）的时候电机的转速是113-162r/min。电机的转动速度由PWM脉冲方波的占空比决定。占空比越大则速度越快，即电机加速，占空比减小则是电机转动速度减慢，即电机减速（转速控制通过电路中SPEED UP和SLOW DOWN两个按键输入改变），键盘设置见图4.7。图4.7 直流电机转速测量与控制电路模块图4.3续流电路的设计由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压，损坏器件。我们应用二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管的选用必须要根据PWM的频率和电机的电流来决定。二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。电流如果突
10、变易损坏功率管即L298芯片。为保护芯片而加上续流电路，如图4.8所示。图4.8 续流电路工作原理图4.4整个电路原理图五、 程序设计1） 设计流程图2）源程序#includesbit pwm=P00;sbit MOTOR_ENA=P17;sbit led1=P01;sbit led2=P02;unsigned char pwm_count;volatile unsigned char pwm_duty;/占空比系数unsigned char code DSY_CODE=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; void DelayM
11、S(unsigned int x) unsigned char t; while(x-) for(t=0;t100;t+); void display()led1=0;P2=DSY_CODEpwm_duty/10;DelayMS(1);led1=1;led2=0;P2=DSY_CODEpwm_duty%10;DelayMS(1);led2=1; /* 初始化*/void intial()pwm_count=0;pwm_duty=50;/50% dutyIE|=0x87;/1000 0111IP=0x04;/0000 0100外部中断1高优先级TMOD=0x02;/定时器0，方式2IT0=1;I
12、T1=1;/外部中断下降沿触发TR0=1;/启动定时器0TH0=256-10;/定时10us ，假定晶振频率12MHzP2=0;P0=0;MOTOR_ENA=1;led1=1;led2=1;P2=0;void main()intial();while(1)display();void pwm_gernate() interrupt 1 /定时器0中断子程序pwm_count+;if(pwm_count99)pwm_duty=99;void pwm_down()interrupt 2/外部中断1子程序if(pwm_duty=0)pwm_duty=1; pwm_duty-;六、 实验结果上电，数码
13、管显示初始态50，此时电机实际转速为+113r/min。见图6.1。图6.1 电路上电初始态上电后电路接通，闭合开关SW2，速度初始化为50（实际转速+113r/min）。按键开关SPEED UP和SLOW DOWN分别控制电机转速的快慢，步长为1（实际速度为1r/min）。开关SW-spdt为中止开关。PWM端接示波器，可以观察PWM脉宽调制，此时为占空比50%的情况。（见下图6.2）图6.2 PWM端示波器脉宽调制显示（此为占空比50%的情况）七、 测速原理分析1.光电盘测速示意图:图7.1 光电测速示意图光码盘测速是一种精度较高的测速方法。由于光码盘原理和结构上的特点,测速精度不可能达到
14、相当高的程度,但其廉价和方便性是显而易见的。光码盘原理简单,输出精度和分辨率高,寿命长,比较适合部队装备使用的要求。基本的测速装置如图7.2所示。图7.2 测速装置功能结构框图2. 速度信号采样电路速度信号采集采用光码盘转换电路,如图7.3 所示。发光二极管LED 发出红外光,透过遮光板TLP 的圆孔照射光敏三极管T1 ,使其迅速由截止状态变为导通,如此反复形成光脉冲信号,经T2 的放大,再由74LS04反向整形后送给单片机。为了提高响应速度,选用脉冲响应时间为50ns 的GaA1As 红外发光二极管,将光敏三极管做光敏二用另外数据的处理由单片机完成。设: n 电机转速(r/ min) N 一
15、个采样周期T 内计数器记录的光脉冲的个数P 测速盘开孔的总数T 采样周期(s) f 脉冲频率则:Tnp/ 60 = N因此电机转速为:n = 60N/ (PT)图7.3 光码盘转换电路3.测试结果测速精度可由下式得到:n =(nxn0)/n0100 %式中,nx 为转速测量值,n0 为转速实际值。Proteus仿真中所用的直流电机自带显示转速功能，转速范围为63r/min162r/min。数码管显示数字每变化单位“1”，电机转速就随之变化1r/min。八、 实验总结1.整个过程中出现的问题及解决的方案。（1）选题 本次小组设计我们的题目是直流电机转速的测量与控制，相对比较难，也是对我们的考验，
16、在没有什么设计经验的前提下，对于我们来说压力还是很大的。(2)电动机组的选择 本设计需要较精确的控制,需要用配置较高的直流电机才能实现设计的全部功能，由于条件所限，没有买到十分合适的电机，本实验中均由仿真代替。(3)驱动电路的选择 刚开始的时候，我们不知道选择什么样的驱动电路，经过查阅资料，采用了驱动能力较强的驱动芯片 L298，该芯片电压电流的范围较宽，响应频率高，方便使用 PWM 调节电机。 2.团队管理的心得体会 通过学期的课程设计，我们真正体会到什么是团队协作，真正的了解到团队合作的有利之处，真正感受到团队成员为了共同的目标联合在一起时的强大的力量。我们之所以称为是一个团队，是因为我们
17、有共同的目标 完成好实验设计。 团队成员之间要相互信任、相互帮助。但遇到困难时，要同心协力，不要相互推脱责任，更不能相互指责，我们应该心平气和的好好商量一下，这个问题到底该怎么解决。在团队的管理中，要充分照顾好每一个人的意见，对于一个问题，要集思广益，运用集体的智慧来完成它。我们主要有以下心得体会：(1) 要有奉献精神，不要怕自己多做了，不要怕自己承担的任务有多重，而其他成员做的很少。多去做一点又不会吃多少亏，还能学到更多的东西。这样当其他成员不能有效的完成任务时，团队还可以有效的运行。团队成员之间应团结互助，不计功过得失；(2) 分工上不能马虎，要具体到个人，每个人负责哪部分任务，什么时候完
18、成，都要有明确的说明。这一点我们庆幸自己做的很好，从一开始我们就通过集体商量确定各个成员的分工，接下来每位成员都只用按照自己的任务按部就班的执行下去，效率非常的高。分配各成员工作时，应各尽其能，做到资源优化配置；(3) 具体工作时，各成员应频繁交流，避免各自为政，最后导致软硬件不兼容，或是论文作者无从下手；(4) 当工作出现问题是，各成员应仔细商讨，尽快找到问题的症结，决不应推卸责任，更不能相互埋怨；(5) 每个团队都应有一个核心，负责协调各成员之间的工作，调节各成员之间关系，使团队和谐发展，使各成员为尽早完成任务而努力；此核心成员还应该兼通软硬件设计，从而沟通软件编程人员和硬件设计人员，在出
19、现问题时能从全局考虑尽快解决。第三部分：课程设计的心得体会在这一学期的单片机课程中，我们学到了许多关于单片机系统开发的知识，从最开始选题到最后的结题，更使我们得到了充分的锻炼。虽然在这期间，我们也曾灰心，也曾茫然，也曾不知所措，从一开始的毫无头绪，到最后的紧张繁杂，所有的这些都令我们回味无穷，这已经成为了我们人生的一个宝藏。我想今后的学习和工作也是这样的，汗水见证成功，大家为了一个共同的目标，相互合作，共同奋斗。在这次的课程设计中，我们遇到了很多困难，过程很艰难，但是我们都克服了，这是对我们自己的肯定。我们也发现理论和实际的差别，书本上的知识固然重要，但是我们也需要学会使用它们，把他们运用到我
20、们的实验设计中。 这次的单片机课程使我们学到了很多，不单单是课本上那些知识，更重要的是一些课本上没有但是有很重要的知识,像是团队合作精神，查找电路的故障等等。我们觉得这些无形之中学到的知识更加弥足珍贵！最后，我们真心感谢仲兴荣老师能够在我们的实验设计过程中给予我们有效的建议和悉心的指导。 九、 参考文献1陈蕾，邓晶，仲兴荣 . 单片机原理与接口技术 M . 北京：机械工业出版社，2012 .2余小平，奚大顺 . 电子系统设计基础篇 M . 北京：北京航空航天大学出版社，2010 .3邹久朋 . 80C51单片机实用技术M. 北京：北京航天航空大学出版社 .附录资料：不需要的可以自行删除玻璃幕墙
21、安装施工工艺流程1、施工准备1、 设计方案送甲方审核，明确钢板、钢拉杆材断面，以便备料；2、 送材料样品供甲方认可，以便设计、加工；3、 协调处理现场施工相关事项；4、 与土建交接基准线；5、 编制详细的可行的材料计划、加工计划和施工进度计划，并保证实施；6、 根据现场情况和设计要求，编制局部分项施工方案（如钢架等），并进行交底；7、 确定水平和垂直运输路线以及施工临时堆放处；8、 了解施工用电分布情况，确定电源的走道方式；9、 检查安装所需用机具及安全设施；10、附件及其他物资准备。11、根据现场情况和施工方案提出脚手架方面的配合要求；12、进行现场办公、加工、材料存放保管、食宿、通讯等安排
22、布置；13、做好技术交底工作。2、测量放线放线时，测量人员必须熟悉有关的施工图纸和甲方给出的现场基准轴线控制网和水平基准线，选择合适的测设方法进行测设。轴线放测时首先应找出相关建筑轴线与轴线的交点，找出所需的楼层控制标高位置，以此为依据进行放线。测量放线使用的测量仪器和测量工具应经检定合格结构使用。水平线的放测采用LNA10激光水准仪，垂直线的放测应采用JD2激光经纬仪，在异形部位可采用电脑辅助方法进行。测量时风力不应大于四级，放线应沿楼板及屋架定出幕墙平面的基准线，从基准线外反一定距离作为幕墙平面，以此线为基准确定桁架构件及玻璃的前后位置，确定整片幕墙位置。 3、预埋件检查、连接件安装测量放
23、线完成后，应对事先做好的预埋件进行检查，对补充的预埋件进行安装，预埋件安装应确保预埋件标高偏差：；表面深浅偏差；表面平整偏差：。在预埋件处理完毕后，即可进行连接件安装。连接件除了不锈钢和轻金属材料以外，其他金属材料必须经过热镀锌防腐处。4、现场焊接工艺流程坡口检查记录焊接安全设施的准备、检查焊接设备、材料准备定位焊接衬垫、引弧板坡口检查坡口表面清理预 热焊 接焊接外观及超声波探伤检查检查、验收记录焊接施工记录焊接时应采取有效措施，避免或减少焊接变形，消除积累误差。焊接完成后，依照有关焊接标准对焊缝进行检查验收，验收时现场监理工程师应在场并签署验收意见，作为中间隐蔽工程验收。6、施工顺序：脚手架
24、搭设测量放线钢结构安装拉杆安装、调整玻璃安装、调整打胶玻璃清洁工程验收成品保护。7、施工方法1）、脚手架搭设在玻璃内、外面各搭设双排钢管脚手架。外架距离玻璃面450mm；内架距离玻璃面650mm。等玻璃清洁完并经过验收后，脚手架才可以拆除。拆除脚手架时要注意成品的保护。2）测量放线测量放线前要求甲方提供有关的轴位线、水平标高等基准线。根据图纸提供的尺寸，放出玻璃的进出控制线及标高线；再根据各钢立柱的轴线放出玻璃分格线及各钢板铰接座的控制线，同时测量各立柱的垂直度，以便铰接座加工时可以预留调整量。3）预埋件安装质量支承结构屋面（楼板）梁（悬梁）上的预埋件应重点检测预埋标高。地锚预埋件，应重点检测
25、标高以保证地锚底板面上的地坪装饰层厚牢的要求，并作必要的拉拨试验。4）支承钢柱、梁安装质量纵向钢柱：检测纵横轴线位置，尤其应检查上锚墩及地锚位置偏差，以保证日后安装钢杆桁架的垂直精度及幕墙立面定位精度。钢杆施加预应力将使梁产生挠曲，在控制主梁标高时，应予以反变形预调控制，以保证幕墙安装完成后，索桁架上端在同一水平位置上。5）地锚的安装质量检查其轴线位置及其与上锚墩间位置偏差以保证索桁架的垂直精度及墙体定位；检查地锚筋板孔的标高是否致；检查地锚底板与预埋件、底板与筋板的焊接质量。c. 玻璃提升就位玻璃的提升采用汽车吊辅以电动吸盘进行，对于汽车吊无法达到的部位，可以利用结构设专用导轨架设电动葫芦，
26、利用电动葫芦辅以电动吸盘进行提升。玻璃的就位采用人工方法进行就位。夹具不能直接和玻璃接触，应加设橡胶垫圈。对于最底下一层玻璃，在安装前应在驳接玻璃底部的U型槽中放入氯丁橡胶垫块后，才可将玻璃插入。d.调整、固定玻璃初步固定后应进行板块调整。玻璃调整的标准为“横平、竖直、面平”，横平即横向胶缝应水平，竖直即竖向胶缝应垂直，面平即各玻璃处于同一平面上。另外还应检查胶缝大小是否一致，如不一致应进行调整。玻璃板块调整完成后应马上进行固定，之后进行玻璃外竖缝铝合金片竖向装饰线条安装。8、铝合金玻璃幕墙安装安装程序如下：1）连接铁件安装为了保证幕墙安装后处在规定的平面上，准确地焊接安装连接件很重要。一般要
27、求连接件位置精确度为标高偏差不大于3mm，左右位置偏差不大于3mm，平面外偏差不应大于2mm，为了保证上述安装准确度，在焊接固定连接角钢之前，需在幕墙的上下两端之间用经纬仪或重型线锤定位，确定出控制用垂直平面的上下两条边线。用以控制、检测安装尺寸，在确定的上下边线位置设置固定悬挑点，拉设铅丝位置线，用以控制一列连接角钢的位置。在连接角钢的安装中应随时依据控制铅丝测量铁件位置，使所有连接的安装孔或安装平面做到垂直、平整，误差在允许的范围以内。连接角钢焊接时，应先点焊，找正后再焊接固定。2）横梁安装A、连接角钢准确安装就位后，即可安装铝合金立柱，安装时将已加工、钻孔后的立柱嵌入连接角钢内，并且在角
28、钢与立柱接触处设PVC衬垫隔离，防止电位差腐蚀。用不锈钢螺栓初步固定立柱，螺母与角钢间要加设足够强度的不锈钢弹簧垫圈。根据控制通线对立柱进行复核，调整立柱的垂直、平整度，达到要求后再将螺母最终拧紧固定。立柱每段之间的接头应有一定的空隙，不要顶紧，采用套筒连接法，以适应和消除建筑受力变形和温度变形的影响。立柱的安装应下自上逐层进行，每安装完一层，均应进行检查校正。B、安装横梁时可根据设计位置，在立柱外面拉横线，控制安装质量，但由于横梁的安装偏差主要取决于立柱的加工精度和安装精度，立柱上固定横梁的定位螺孔位置基本上已决定了横梁的位置，所以必须在立柱制作及安装时严格控制各项偏差，才能保证横梁安装的准
29、确。同一层横梁的安装应由下向上进行。当安装完一层时，应进行检查、调整、校正后再固定，以保证达到质量标准的要求。C、幕墙框架安装质量除了加工精度控制之外，安装质量也是确保幕墙性能的重要环节，幕墙框架安装质量偏差控制应符合下表要求。 单位：mm序号项 目尺寸范围允许偏差检查方法1相邻两竖向构件间距尺寸（固定端头）2.0钢卷尺2相邻两横向构件间距尺寸间距2000时间距2000时1.52.0钢卷尺3分格对角线差对角线长2000时对角线长2000时3. 03.5钢卷尺或伸缩尺4竖向构件垂直度高度30m时高度60m时高度90m时高度90m时10152025经纬仪或激光仪5相邻两横向构件的水平标高差1钢板尺
30、或水平仪6横向构件水平度构件长2000时构件长2000时23水平仪或水平尺7竖向构件的直线度2.52.0m靠尺8竖向构件的表面平面度相邻三立柱宽度20m时宽度40m时宽度60m时宽度60m时257910激光仪9同高度主要横向构件的水平标高度差长度35长度3557水平仪施工中如发现个别立柱、横梁位置超偏差过大时，应进行相应的调整或更换。3）铝合金玻璃幕墙板块安装幕墙板块到达安装位置后，采用人工方法将玻璃嵌入铝合金框架的镶嵌槽内后套上扣件，用螺栓初步固定后，进行检查、调整、校正后再正式固定。幕墙安装的外观质量应符合下表要求。单位：mm序号项目允许偏差测量方法1竖缝及幕墙平面垂直度幕墙高度H30m3
31、0m,60m60m,90m90m10152025激光仪或经纬仪2幕墙的平面度2.52m靠尺，钢板尺3竖缝的直线度2.52m靠尺，钢板尺4横缝的直线度2.52m靠尺，钢板尺5线缝宽度（与设计值比较）2卡尺6两相邻面板之间的高低差1.0深度尺板块与镶嵌槽壁之间应用橡胶条隔开，不得与槽壁直接接触。板块安装完成后在板块与槽壁之间注硅酮胶密封。4）铝扣板装饰条安装用扣座固定的玻璃两边检查密封胶条必须连续平直，其后安装铝扣板装饰条。（四）、石材幕墙施工方法及技术措施石材幕墙花岗石饰面板采用“干法”安装施工，花岗石板悬挂在专门设计的金属骨架上，金属骨架固定在主体结构上。1、施工前的准备工作（1）、安装前，应根据设计图纸认真核实结构实际偏差，检查基体墙面垂直平整情况，偏差较大的应剔凿或修补，超出允许偏差的，则应重新排列分块。（2）、柱面应先测出柱的实际长度和柱子中心线，以及柱与柱之间上、
