自动门控制装置的研究

摘婆

摘要

随着现代化工业的不断发展，直流伺服系统在许多系统的应用日益广泛，对

其性能的要求也越来越高．由于永磁直流电机伺服系统能够实现高精度、快速响

应、大范围的速度伺服与位置伺服控制，因此永磁直流电机控制系统的研究已成

为直流伺服系统研究的重点之一。本文围绕直流电机自动门控制装置展开研究，

全文主要分为五个部分，主要内容如下：

一、描述了直流电机的数学模型，分析了电机的机械特性，并在此基础上介

绍了ＰＷＭ控制原理。 二、在系统的硬件设计上，使用ＡＴ８９Ｃ５２单片机处理芯片，并辅以的专用

直流伺服控制芯片扣Ｐ叨８０户ＪＰ组成直流伺服系统并详细介绍该系统的硬件设

计，包括控制电源部分、检测电路、驱动电路，能耗和保护电路部分。

三、详细介绍了自动门的功能以及实现这些功能的软件设计。包括单片机内

部资源分配，数据的规格化处理；给出程序流程图和部分详细的子程序。

四、对自动门控制系统可靠性进行设计，主要是ＰＷＭ控制系统的电磁兼容设计。首先介绍电磁干扰方面的一些知识，然后采取一些相应的措施消除ＰＷＭ

控制系统中的电磁干扰。重点介绍了电源ＥＭＩ滤波器的设计。

五、在软硬件设计的基础上，对伺服系统进行实验调试，在实际系统调试中

进行了一系列实验并给出实验结果；最后对实验结果及在实验过程中出现的问愚

进行了分析和讨论，并给出解决方案。实验证明该系统可以满足伺服系统的基本

要求，对伺服控制系统的设计具有参考意义，并为后续研究奠定基础。关键词：永磁直流电机，ＡＴ８９Ｃ５２，ＰＷＭ控制系统、扭Ｐ４０８（）Ａ

电源ＥＭＩ滤波器

广东「业大学硕十学位论文

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独创性声明

秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人

在导师的指导下进行的研究工作及取得的成果．尽我所知，除了文中特别加以

标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何

贡献均以在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，

论文成果归广东工业大学所有。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明．

指导教，币签字：二卿茸

论文作者签字：

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第・章绪论

第一章绪论

１．１自动门控制系统概述

伺服技术是跟踪与定位控制技术，是机电一体化技术的重要组成部分，

它广泛地应用于数控机床、工业机器人等自动化装备中。随着现代工业生产

规模的不断扩大，各个行业对电伺服系统的需求日益增大，并对其性能提出

了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驰动系统是工业先

进国家竞相努力的目标，有着十分重要的现实意义。伺服系统的发展与伺服

电动机的发展紧密相联。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构式。随

着磁性材料的发展，利用稀土材料（铝镍钻、枷铁翻合金）制作的永磁式电

动机其性能超过了电磁式伺服电动机。

随着单片机技术的发展和提高，用单片机控制的自动门也迅速发展。它是许多宾馆、超市、百货大楼等现代建筑所必备的。自动门不仅仅可以美化出入口环境，

还具有节能（空调）、防尘、隔噪音等功能。自动门工程在整个建筑投资中的比例虽然很小，但在建筑的日常使用和管理中却占有很重要的地位，是建筑智能化水平的

重要指标。因此，自动门在国内外有很大的市场需求。世界上制造自动门的公司很多，国内常见的产品有德国的ＢＬＡＳＬ、瑞士的ＴＯＲＭＡＸ、愈大利的队、荷

兰的Ｂ００ＮＥＤＡＭ、日本的ＮＡ等等。欧美国家的产品功能繁多，性能可靠，

其中以德国的产品性能最好，但这些产品价格偏高，操作复杂。国内设计的

同类产品往往性能不稳定，经常发生故障．［ｌ习１１” 鉴于以上情况，我们决定研制直流电机自动门控制系统。系统要求既要功能

全面，能满足中国用户的要求，又要使用户操作方便，更改设置方便，并且运行

可靠，具有完整的自保护系统和故障诊断功能。

１．２课题研究的目的和意义 直流伺服控制技术广泛应用在军工、精密机床和机器人等工业部门。脉

宽调制方式的直流调速系统可以使调速范围达到万倍以上，并具有优良的性

能。随着电力电子技术、集成电路和计算机及微电子技术的日益发展，国际

上己经进入一个全新一代技术产品的时代。近年来，我国在电气自动化领域

的研究已取得可喜的进展，可是距离国外技术先进的国家还有一段距离。而

且，随着各个领域的飞速发展，对伺服系统的要求也日益严格，不同的应用

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环境对伺服系统的性能要求也不尽相同，对伺服系统又提出了许多特殊的要

求：高速、高精度、高可靠性和较强的抗干扰能力。川

本课题的主要研究任务是针对自动门伺服驱动控制器，设计出一种基于

单片机控制策略的直流伺服驱动系统。要解决的关键问题包括：驱动系统的

实现，调节器的设计等，从而实现对永磁直流电机的控制。１．３课题研究的内容

本文分六个章节系统地阐述了所从事的课题研究工作，各章内容安排如

下：

（１）第一章绪论主要阐述了直流伺服系统的概况、发展趋势和国内研究状况

以及本课题要研究的目的和需要解决的问题。（２）第二章描述了永磁直流电机的数学模型、机械特性以及调速方法、ＰｗＭ控

制系统，闭环控制的稳态特性和动态特性。

（３）第三章是关于系统硬件的设计，论述了直流伺服控制系统的设计和制作。

包括硬件设计总体架构、单片机控制电路、驰动电路、控制电源以及保护等

各单元的设计。

（４）第四章详细介绍了系统软件设计的原理及实现，包括单片机初始化、控制信号程序、中断服务程序，并给出相应程序流程图，从而实现对永磁直流电机进行

控制。

（５）第五章叙述了ＰＷＭ控制的电磁干扰以及抗干扰采取的措施。重点阐述了电

源ＥＭＩ滤波器的设计方法。

（旬第六章系统实验。在实际系统调试中进行实验，同时给出实验结果，最后对实验结果及在实验过程中出现的问题进行了分析和讨论，并给出了解决方案。

在文章最后总结了本文所做的工作，并对下一步工作进行了展望。

作为直流伺服系统发展的一种重要趋势，永磁直流电动机伺服系统的研究愈

益受到人们的重视．同其它伺服系统相比，永磁直流电动机伺服系统在性能和结

构设计上有其独特之处，为此我国必须加大该领域的科研与开发的力度。

第二章直流电动机控制系统

第二章直流电动机控制系统

本章首先建立直流电机的数学模型，在机械特性分析基础上介绍了直流

电机的调速方法，介绍了ＰＷＭ控制系统，并对直流电机闭环控制性能作了

分析。２．１直流伺服电动机控制基础

２，，．１直流电动机的机械特性方程

直流伺服电动机是系统的关键部件之一。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构型式。随着磁性材料的发展，利用稀土材料制作的永磁式直流伺服电

动机其性能超过了电磁式伺服电动机，目前已经被广泛的使用于机床电力进给驱

动、工业机器人、计算机外围设备以及高精度伺服系统中。

他励直流电动机的控制基础是建立在直流电动机的机械特性之上的。机械

特性就是在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻都为常数时，电动机产生的电磁

转矩和转速之间的函数关系。机械特性是电动机运行机械性能的具体表现，反映

系统的静态和动态运行性能。可用转速特性方程式代替机械特性方程式。

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Ｆ电．２，ＩＦＭ】尤Ｍ成ｏｒ．创加翻 在直流电动机的电枢绕组加上直流电压，电枢绕组中就有电流流过，则

电动机的转子就产生电磁转矩，电磁转矩的大小为：

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式中，Ｔ『ｅｅ电动机转矩，单位为Ｎ・ｍ； ＫＴ一转矩系数，单位为Ｎ・回Ａ二

衬一电枢电流，单位为Ａ。 当电机旋转后，转子导体在磁场中切割磁力线，产生感应电动势，电动