直流电机控制系统论文答辩ppt

1.你做的直流电机控制系统,肯定要有反馈控制环节,即采样电机电流的反馈控制环节,故反馈环节的硬件参数肯定得变化.2.单片机仅能输出PWM信号,不能改变电源提供给电机的电压频率,换句话说就是单片机仅能通过改变脉冲的占空比来改变调节直流电机的电压,不能调频率.整个系统除了采样反馈环节需要做变化,其余应该能用的,前提是这两种型号的直流电机额定电压必须一致.

转速，电流负反馈双闭环直流电机系统，转速负反馈在外环，电流负反馈在内环，当负载加重时电机转速下降，转速负反馈信号减弱，放大器输出升高，Ud升高使转速提升，这时转速提高又会使负反馈信号增加，抑制转速继续提高，直到转速平衡。

当负载加重时电机的电枢电流会升高，电流负反馈信号升高，当达到设定值时放大器工作，控制Ud使Ud下降降低电枢电流，这样电流负反馈作用是保持电枢电流的恒定，保护电机。

简介：

反馈又称回馈，是控制论的基本概念，指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程。

反馈可分为负反馈和正反馈。前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；后者使输出起到与输入相似的作用，使系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。对负反馈的研究是控制论的核心问题。另外有电流负反馈的理论。

论文题目：直流电动机调速器硬件设计专业：自动化本科生：刘小煜 （签名）＿＿＿＿指导教师：胡晓东 （签名）＿＿＿＿直流电动机调速器硬件设计摘 要直流电动机广泛应用于各种场合,为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。该实验中搭建了基于C8051F020单片机的转速单闭环调速系统，利用PWM信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环PI控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并对PI控制原理及其参数的确定进行更深的理解。实验结果显示，控制8位PWM信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速及反转等功能。实验中使用霍尔元件进行电动机转速的检测、反馈。期望转速则可通过功能按键给定。当选择比例参数为、积分参数为时，电机转速可以在3秒左右达到稳定。由实验结果知，该单闭环调速系统可对直流电机进行调速，达到预期效果。关键字：直流电机， C8051F020，PWM，调速，数字式Subject: Hardware Design of Speed Regulator for DC motorMajor: AutomationName: Xiao yu Liu (Signature)＿＿＿＿Instructor:Xiao dong Hu (Signature) ＿＿＿＿Hardware Design of Speed Regulator for DC motorAbstractThe dc motor is a widely used machine in various speed regulaiting systerm is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment,the digital Close-loop control systerm is based on C8051F020 used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI to experiment ,the armature voltage can be controlled linearnized with regulating the 8 bit the dc motor can accelerate or decelerate or experiment, hall component is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by using the PI regulator,the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as and I value as . At last,the experiment shows that the speed regulating systerm can work as words: dc motor,C8051F020,PWM,speed regulating,digital目录第一章 绪论 直流调速系统发展概况 国内外发展概况 国内发展概况 国外发展概况 总结 本课题研究目的及意义 论文主要研究内容 4第二章 直流电动机调速器工作原理 直流电机调速方法及原理 直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理 转速负反馈单闭环直流调速系统原理 单闭环直流调速系统的组成 速度负反馈单闭环系统的静特性 转速负反馈单闭环系统的基本特征 转速负反馈单闭环系统的局限性 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统 数字式转速负反馈单闭环系统原理 原理框图 数字式PI调节器设计原理 18第三章 直流电动机调速器硬件设计 系统硬件设计总体方案及框图 系统硬件设计总体方案 总体框图 系统硬件设计 C8051F020单片机 单片机简介 使用可编程定时器/计数器阵列获得8位PWM信号 单片机端口配置 主电路 LED显示电路 按键控制电路 转速检测、反馈电路 12V电源电路 硬件设计总结 31第四章 实验运行结果及讨论 实验条件及运行结果 开环系统运行结果 单闭环系统运行结果 结果分析及讨论 实验中遇到的问题及讨论 33结论 34致谢 35参考文献 36论文小结 38附录1 直流电动机调速器硬件设计电路图 39附录2 直流电动机控制系统程序清单 42附录3 硬件实物图 57第一章 绪论直流调速系统发展概况在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。1964年和首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。通常PWM配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。目前，电机调速控制模块主要有以下三种：（1）、采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；（2）、采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整；（3）、采用由IGBT管组成的H型PWM电路。用单片机控制IGBT管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。 国内外发展概况 国内发展概况我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 ～200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：（1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。（2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。（3）、单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。（4）、模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。 国外发展概况随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I-P控制器取代PI调节器的方法、自适应和模糊PID算法等等。目前，国外主要的电气公司，如瑞典ABB公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A，并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。 总结随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。 本课题研究目的及意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中选用Cygnal公司的单片机C8051F020。通过设计基于C8051F020单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握C8051F020的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI控制器的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。 论文主要研究内容本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用C8051F020自带的PWM口，通过调整PWM的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制转速。系统硬件设计为：以C8051F020为核心，由转速环、显示、按键控制等电路组成。具体内容如下：（1）、介绍直流电动机工作原理及PWM调速方法。（2）、完成以C8051F020为控制核心的直流电机数字控制系统硬件设计。（3）、以该系统的特点为基础进行分析，使用PWM控制电机调速，并由实验得到合适的PI控制及相关参数。（4）、对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。第二章 直流电动机调速器工作原理 直流电机调速方法及原理直流电动机的转速和各参量的关系可用下式表示：由上式可以看出，要想改变直流电机的转速，即调速，可有三种不同的方式：调节电枢供电电压U，改变电枢回路电阻R，调节励磁磁通Φ。3种调速方式的比较表2-1所示.表2-1 3种电动机调速方式对比调速方式和方法 控制装置 调速范围 转速变化率 平滑性 动态性能 恒转矩或恒功 率 效率改变电枢电阻 串电枢电阻 变阻器或接触器、电阻器 2:1 低速时大 用变阻器较好用接触器、电阻器较差 无自动调节能力 恒转矩 低改变电枢电压 电动机-发电机组 发电机组或电机扩大机（磁放大器） 10:1～20:1 小 好 较好 恒转矩 60%～70%静止变流器 晶闸管变流器 50:1～100:1 小 好 好 恒转矩 80%～90%直流脉冲调宽 晶体管或晶闸管直流开关电路 50:1～100:1 小 好 好 恒转矩 80%～90%改变磁通 串联电阻或可变直流电源 直流电源变阻器 3:1～5:1 较大 差 差 恒功率 80%～90%电机扩大机或磁放大器 好 较好晶闸管变流器 好由表2-1知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最佳，而变电枢电压调速方法亦是应用最广的调速方法。直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM，谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制PWM。利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图2-1、图2-2所示。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端由电压。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-2所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值为：式2-1式中 ——占空比，占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为0≤≤1。由式2-1可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法：（1）、定宽调频法:保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。（2）、调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。（3）、定频调宽法：保持周期（或频率）不变，同时改变、。前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。图2-1 PWM调速控制原理图2-2 输入输出电压波形产生PWM控制信号的方法有4种，分别为：（1）、分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。（2）、软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。这种方法要占用CPU大量时间，需要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。（3）、专用PWM集成电路从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了由PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机系统中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。（4）、单片机PWM口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只能在改变占空比时CPU才进行干预。其中常用后两中方法获得PWM信号。实验中使用方法（4）获得PWM信号。 转速负反馈单闭环直流调速系统原理 单闭环直流调速系统的组成只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性：（1）、通过控制可调直流电源的输入信号，可以连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。（2）、开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。（3）、开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图2-3所示。在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。

转速，电流负反馈双闭环直流电机系统，转速负反馈在外环，电流负反馈在内环， 当负载加重时电机转速下降，转速负反馈信号减弱，放大器输出升高，Ud升高使转速提升，这时转速提高又会使负反馈信号增加，抑制转速继续提高...直到转速平衡。 当负载加重时电机的电枢电流会升高，电流负反馈信号升高，当达到设定值时放大器工作，控制Ud使Ud下降降低电枢电流，这样电流负反馈作用是保持电枢电流的恒定，保护电机。

直流电机科技名词定义中文名称：直流电机 英文名称：direct current machine，DC machine 定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。 所属学科：电力（一级学科）；配电与用电（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 百科名片 直流电机定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。目录直流电机的结构1. 定子2. 转子(电枢)直流电机的可逆运行原理直流电机的分类直流电机的励磁方式1．他励直流电机2．并励直流电机3．串励直流电机4．复励直流电机直流发电机直流电机铭牌直流电机的励磁方式1．他励直流电机2．并励直流电机3．串励直流电机4．复励直流电机直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理二、直流电动机的工作原理永磁无刷直流电机控制器设计1 引 言2 控制器结构与原理3 芯片功能4 实验与结论5 结 语直流电机的结构 1. 定子 2. 转子(电枢)直流电机的可逆运行原理 直流电机的分类 直流电机的励磁方式 1．他励直流电机 2．并励直流电机 3．串励直流电机 4．复励直流电机 直流发电机直流电机铭牌 直流电机的励磁方式 1．他励直流电机 2．并励直流电机 3．串励直流电机 4．复励直流电机直流电机的工作原理 一、直流发电机工作原理 二、直流电动机的工作原理永磁无刷直流电机控制器设计 1 引 言 2 控制器结构与原理 3 芯片功能 4 实验与结论 5 结 语展开 编辑本段直流电机的结构 由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。1. 定子 （1）主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用～厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上， 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心 （2）换向极 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。 （3）机座 电机定子的外壳称为机座，见图中的3。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换 图 主磁极的结构 向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用； 1—主磁极 2—励磁绕组 3—机座 二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 4）电刷装置 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。 图 换向极 图 电刷装置 1—换向极铁心 1—刷握2—电刷 2—换向极绕组 3—压紧弹簧 4—刷辫2. 转子(电枢) （1）电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成(冲片的形状如图(a)所示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。 （2）电枢绕组 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 （3）换向器 在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向 图 电枢槽的结构 片的紧固通常如图所示，换向片的下部做成鸽 1—槽楔 2—线圈绝缘 3—电枢导体 尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘 螺母锁紧。 4）转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。 图 换向器结构 图 单叠绕组元件 1—换向片 2—连接部分 1—首端 2—末端 3—元件边 4—端接部分 5—换向片编辑本段直流电机的可逆运行原理 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。编辑本段直流电机的分类 按结果主要分为直流电动机和直流发电机 按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机 直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。编辑本段直流电机的励磁方式1．他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。2．并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。3．串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。4．复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。直流发电机 直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。编辑本段直流电机铭牌 国产电机型号一般采用大写的英文的汉语拼音字母的阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的拼音字母表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁心长度代号。 以Z2---92为例：Z表示一般用途直流电动机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表示机座序号；2电枢铁心长度符号。 第一部分字符含义如下： Z系列：一般用途直流电动机（如Z2 Z3 Z4 等系列） ZY系列：永磁直流电机 ZJ系列：精密机床用直流电机 ZT系列：广调速直流电动机 ZQ系列：直流牵引电动机 ZH系列：船用直流电动机 ZA系列：防爆安全型直流电动机 ZKJ系列：挖掘机用直流电动机 ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机编辑本段直流电机的励磁方式 直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。 直流电机的励磁方式1．他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。2．并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。3．串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。4．复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。编辑本段直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。） 在图所示瞬间，导体a b 、c d 的感应电动势方向分别由 b指向 a和由d 指向 c 。这时电刷 A呈正极性,电刷B 呈负极性。 图 直流发电机原理模型 当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体c d 位于N 极下，导体a b 位于S 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。 图 直流发电机原理模型 从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。二、直流电动机的工作原理 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 图 直流电动机的原理模型 当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 图 直流电动机原理模型 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。编辑本段永磁无刷直流电机控制器设计1 引 言 随着人们生活水平的提高，产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、价格问题已经是选择家用电器的主要因素。永磁无刷直流电机既具有交流伺服电机的结构简单、 运行可靠、维护方便等优点，又具备直流伺服电机那样良好的调速特性而无机械式换向器，现已广泛应用于各种调速驱动场合。MOTOROLA 第二代电机控制专用芯片的出现，给永磁无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利。这些芯片控制功能强，保护功能完善，工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单，抗干扰能力强，特别适用于工作环境恶劣，对控制器体积，价格性能比要求较高的场合。2 控制器结构与原理 控制器结构 MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代无刷直流电机控制专用集成电路，加上1片 MC3309 电子测速器将无刷直流电动机的转子位置信号进行 F/V 转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。外接 6 个功率开关器件组成三相逆变器，就可驱动三相永磁无刷直流电机，控制器电路构成，如图 1 所示，图中 S1 控制电机转向，S2 控制系统起停，S3 选择系统开环或闭环运行，S4 控制系统制动，S5 选择转 子位置检测信号为 60°或 120°方式，S6 控制系统的复位。电位器 RP1 用以设定所需电机转速，发光二板管 L1 用作故障 指示，当出现不正常的位置检测信号、主电路过流、3种欠电压之一（芯片电压低于，驱动电路电压低于，基准电压低于）、芯片内部过热、起停端低电平时，L1发光报警，同时自动封锁系统。故障排除后，经系统复位才能恢复正常工作。 控制原理 从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号（SA,SB,SC）一方面送入 ) MC33035，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥 PWM 控制信号 （Ar ,Br, Cr）经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器的6个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。 另一方面，转子位置检测信号还送入 MC33039 经 F/V转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号 FB。FB 通过简单的 阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用 MC33035 中的误差放大器即可构成一个简单的P调节器，实现电机转速的闭环控制，以提高电机的机械特性硬度。实际应用中，还可外接各种 PI, PD，调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。3 芯片功能 MC33035 结构组成及功能 其主要组成部分包括： （ 1 ）转子位置传感器译码电路； （ 2 ）带温度补偿的内部基准电源； （ 3 ）频率可设定的锯齿波振荡器； （ 4 ）误差放大器； （ 5）脉宽调制（PWM）比较器； （ 6 ）输出驱动电路； （ 7 ）欠电压封锁保护芯片过热保护等故障输出； （ 8 ）限流电路。 该集成电路的典型控制功能包括 PWM 开环速度控制，使能控制（起动或停止），正反转控制和能耗制动控制，适当加上一些外围元件，可实现软起动。 转子位置传感器译码电路 该译码电路将电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号，三路上侧驱动输出和三路下侧驱动输出。它适合于集电极开路的霍尔集成电路或光耦合电路等传感器。输入端脚 4、5、6 都设有提升电阻，输入电路分 TTL 电路电平兼容，门槛电压为。该集成电路适用于传感器相位差为,60°、120°、240°、300° 四种情况的三相无刷电动机。由于 3 个输入逻辑信号，可有 8 种逻辑组合。其中 6 种正常状态决定了电动机 , 个不同位置状态。其余 2 种组合对应于位置传感不正常状态，即 3 个信号线开路或对地短路状态，此时脚 14 将输出故障信号（低电平）。 用脚 3 逻辑电平来确定电动机转向。当脚 3 逻辑状态改变时，传感器信号在译码器内将原来的逻辑状态改变成非，再经译码后，得到反相序的换向输出，使电动机反转。电动机的起停控制由脚 7 使能端来实现。当脚 7 悬空时，内部有电流源使驱动输出电路正常工作。若脚 7 接地，3 个上侧驱动输出开路（1 状态），3 个下侧驱动输出强制为低电平（ 0 状态），使电动机失去激励而停车，同时故障信号输出为零。 当加到脚 23 上的制动信号为高电平时，电动机进行制动操作。它使 3 个上侧驱动输出开路，下侧 3 个驱动输出为高电平，外接逆变桥下侧 3 个功率开关导通，使电动机 3 个绕组端对地短接，实现能耗制动。芯片内设一个四与门电路，其输入端是脚 23 的制动信号和上侧驱动输出 3 个信号，它的作用是等待 3 个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态后，才允许 3 个下侧驱动输出变为高电平状态，从而避免逆变桥上下开关出现同时导通的危险，其控制真值表，如表1示。 误差放大器 该芯片内设有高性能，全补偿的误差放大器。在闭环速度控制时，该放大器的直流电压增益为 80dB ，增益带宽为 ,输入共模电压范围从地到 VREF（典型值为 ），可得到良好性能。作开环速度控制时，可将此放大器改接成增益为 1 的电压跟随器，即速度设定电压从其同相输入端脚 11输入。脚 12～13 短接。 脉宽调制器 除非由于过电流或故障状态使 6 个驱动输出调闭锁，在正常情况下，误差放大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后，产生脉宽调制（ PWM ）信号，控制 3 个下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控制其转速和转矩。脉宽调制时序图，如图 3 示。 电流限制 外接逆变桥经一电阻 Rs 接地作电流采样。采样电压由脚 9 和脚 15 输入至电流检测比较器。比较器反相输入端设置有 100mV 基准电压，作为电流限流基准。在振荡器锯齿波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使下 Rs 触发器重置，将驱动输出关闭，以限制电流继续增大。在锯齿波下降时间，重新将触发器置位，使驱动输出开通。利用这样的逐个周期电流比较，实现了限流，若允许最大电流为 Imax ，则采样电阻按下式选择： Rs = Imax为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作，在脚 9 输入前可设置 RC 低通滤波器。 MC33039电子测速器 MC33039是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，系统不必使用高价的电磁式或光电测速机，就可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器 3 个输出信号，经 F / V 变换成正比于电动机转速的电压。 从 MC33039 结构图图 4 可知，脚 1 、 2、 3 接收位置传感器 3 个信号，经有滞后的缓冲电路，以抑制输入噪声。经“或”运算得到相当于电动机每对极下 6 个脉冲的信号。再经有外接定时元件 CT 和 Rr 的单稳态电路，从脚 5 输出的 fout 信号的 占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号在外接低通滤波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压。三相电动机中应用时的波形图中，fout是脚5输出，Vout，（AVG）表示它的平均值，即直流分量。4 实验与结论 为了更好的验证前面理论的可行性及安全性，按设计进行了实验。 准备 实验 的 主 要 部 分 _ 控 制 电 路，设 计 为 MC33035 和MC33039 所组成的闭环系统。由于实验条件的限制，我们对实验电路作了一些必要的调整，这些调整并没有影响系统的功能以及实验的结果。 首先要作调整的是电源。试验中选用的电机是三相六极电机，n0 = 1500r/min, I0 = 10A, U0 = 50V 。在供电电源和 MC33035 的 脚 17 之 间 加 入 LM317 稳 压 三 端 以 保证MC33035的Vcc在许可的范围内。LM317 是 50V 输入、 15V 输出的稳压三端。它的基本电路结构，如图 5 示。 其次，该闭环速度控制系统中，用 3 个霍尔集成电路作转子位置传感器。用 MC33035 的脚 8 参考电压（）作为它们 的 电 源。霍 尔 集 成 电 路 输 出 信 号 送 至 MC33039 和MC33035。实验中的电动机是六极的，从 MC33039 的脚 5 输 出的脉冲数是电动机每一转输出的 3×6 = 18 个脉冲。按电动机的最高转速来选择定时元件。实验中电动机的最高转速为1500r/min即 1500/60 = 25r/s 。此时每秒输出脉冲数是 25×18 = 450个。即其频率为 450Hz，周期约为 。由 MC33039 说明书，取定时元件参数 R1=1MΩ，C1 = 750PF，单稳态电路产生脉冲宽度为 95µs 。脚 8 接 MC33035 的基准电压。脚 5 输出经电阻 R3 接 MC33035 的脚 12 ，即误差放大反相输入端。放大器此时增益为 10，电容 C3, 起滤波平滑作用。MC33035 振荡器参数：R2 =Ω，C2 = µF，PWM 频率约为 24kHz 。 另外，因无法做成图 1 所示的 NPN-PNP 逆变桥。故用了 N 沟道的 VMOS 管，可组成六路逆变桥的电路，由于上侧驱动信号只能直接驱动 p 沟道的 VMOS 管而下侧可直接驱动 N 沟道的 VMOS 管。因而上桥臂与逆变桥之间的电路中加入反相器将驱动信号变非即可。组成后的电路图，如图 6 示。 实验结论 在电机实际操作之前，以手动方式转动电机，用万用表测量电机上设置的霍尔传感器的三路输出信号与 MC33035 输出信号真值表是否一致。实验结果，如表 2 示。 手动工作的结果：实验所得与理论真值表一致。 电机在电源驱动情况下的实验波形，如图7、8示。 两图中的上侧曲线均为传感器输出的 SB ，图 7的下侧曲线为Sc ，图 8 的下侧曲线为 SA。对照可知，实验输出与理论相符。 测量电流波形时，首先，将一驱动电动机逆变器的主回路引出，在电线上装置电流传感器，再接入一 5Ω的测量电阻后接地。然后以示波器测量电流传感器的电流，即流经电阻的波形，即电机电流波形。如图 9 示。 可是，图 9 中的波形并不与理论。只是在周期内的分布有点相同，但波形上区别较大。这是由于电机处于空载运行所致。因为在实验中，无刷电机是运行在空载状态，逆变器的每一次换相，带来的冲击电流大于满载状态时，没有负载消耗平缓电流的波动。 接着做起动加速运行的波形测试。实验以某一 MC33035 的上侧驱动输出和 MC33035 的 fout 为实验对象。测得的波形，如图 10, 示。 理论上这一波形应该是上侧输出的波形不因速度控制器的变动而改变，而 fout 波形则应该随速度控制器的变动而改变一周期内脉冲的数量，从而改变电动机两端的平均电压，改变电动机转速。 但由于试验中的种种客观原因，导致了显示的波形出现了缺相的现象。但图中仍可看到下侧的驱动波每一周期的脉冲数量逐渐增加，即电机加速。 在故障测试中，用一电位器接入控制电路的电源输入端，改变控制电路的电源电压 Vcc ，看电路对故障信号的反应。在试验过程中，电源电压 Vcc 从 15V 不断被调低 ，当到达 左右时，报警电路驱动 LED 点亮，故障报警。5 结 语 虽然在实验中，出现了一些与理论不太符合的现象，但总体来说，实验的结果基本达到了预期的结果，证明了运用小型无刷直流电机作家用传动装置的实际可行性。