直流电机的设计论文设计研究目的

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。

1、低转速、大扭矩输出的场合，交流调速的外特性曲线较软，在低频区（0-5Hz)不稳定，这时就表现出了直流调速的优越性，多用于大型数控机床或工作母机。2、步进与伺服电机都属直流调速范畴，其应用之广泛不言而喻。

一.电机调速模块. 我们的设计思路是先产生占空比可调的方波(方法有多种,一是用555构成多谐振荡器.二可以利用单片机产生PWM方波)+4功率器件构成的H桥电路,用以驱动直流电机转动.当然还许多驱动方案,比如三极管-电阻作栅极驱动\低压驱动电路的简易栅极驱动,还有可以直接用个MCU产生PWM外加一个MOS管驱动也可以. 直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点： 1． 功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。 2. 性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。 1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。 考虑到以上的因素我们采用555多谐振荡器产生占空比可调的方波+4功率器件构成的H桥来驱动直流电机.电路图如下: 、电机调速模块的电路图功能分析 555通过可调电阻可以实现占空比可调的方波，即组成占空比可调的多谐振荡器。 多谐振荡器实现占空比可调的方波的功能分析： 电源接通瞬间，电容C2上的初始电压为0，施密特触发器输出电压为U为高电平，与此同时由于集电极开路输出端（7脚）对地断开，电源通过R5、R7开始对电容C充电，电路进入暂稳态I状态。此后电路按下列四个阶段周而复始地循环，产生周期性的输出脉冲。 （1） 暂稳态I阶段，VCC通过R5。R7向电容C充电，电容C的电压Uc按指数上升，在UC高于2/3VCC之前，定时器暂时维持‘1’的状态，输出为高电位。 （2） 翻转I阶段，电容C继续充电，当Uc高于2/3VCC后，定时器翻转为‘0’的状态，输出为低电位。此时，集电极开路输出端（7脚）由对地断开变为导通。 （3） 暂稳态II阶段，电容C开始经历R7、R6对地（7脚）放电，Uc按照指数下降，在Uc低于1/3VCC之前，定时器依然维持‘0’的状态。输出为低电位。 （4） 翻转II阶段，电容C继续放电，当Uc低于1/3VCC后，定时器翻转为‘1’状态，输出为高电位。此时，集电极开路输出端（7脚）由对地导通变为对地断开。此后，振荡器又回复到暂稳态I状态。 （5） 可以通过调节R6的大小来调节定时器输出方波的占空比。 Uln2003芯片是16脚七路电机驱动芯片，这块芯片在这里可以看作是七非门芯片，作用是保证10脚和14脚的输出SINGLE1和SINGLE2的输出为一高一低。芯片中的二极管起到分流的作用。电路图的右部分的作用是通过调节电机的正转与反转来调节电机的转速，当SINGLE1为高 SINGLE2为低时，三极管Q2,Q3,Q5导通，Q1,Q4,Q6截止，电机1端通过Q5接地，Vcc通过Q2直接押在电机2端，此时电机2端电位高于1端，电机反转；当SINGLE1为低SINGLE2为高时，电机正转。当某一时刻占空比大于50％时，电机呈现正转加速或是反转减速状态；某一时刻占空比小于50％时，电机呈现正转减速或是反转加速状态。电机就是通过矩形波占空比的不同来调节转速的，电机呈现出来的转速是平均速度。 二.电机测速模块电路以及功能分析 我们的设计思路是利用光电隔离器件以及BCD计数器实现直流电机测速模块电路.利用电机转动时带动纸片遮挡光耦,使其发光二极管发出的红外光被其中的光敏三极管所接收,通过BCD计数器最后将在单位时间内转动的转数给显示出来.电路图如下: 、电机测速模块整个电路以及其他功能分析 芯片功能分析 CD40192: 可预置BCD加/减计数器(双时钟) NSC\TI///J1J2J3J4是可以预设数字的输入，Q1Q2Q3Q4是加减计数的输出。C0是进位端接高位的UP（加计数器）。BO是借位端图上不接，为空脚。ENABLE是使能端。VSS接地，VCC接电源。DOWN是减计数器。 CD4511 BCD锁存、7段译码,驱动器： //A、B、C、D分别接BCD加减计数器的输出端，锁存数字。再7段译码将其输出到数码管。 CD40106 六施密特触发器： NSC\TI //输入信号为A，输出信号为A反，对输入的脉冲进行整形并取反，使高位计数器的加计数能够计数。 、接受板子整个电路图功能分析 光电耦合器OPTOISO1，当其接受到光信号，LED放光，三极管饱和导通，晶体管Q1导通，因为电阻R3 为47K，大部分的电压分压在电阻上了，A为低电平。若没有接受到光的话，A为一高点平，这样在A端形成了一个负脉冲，再经过CD40106 六施密特触发器对脉冲进行整形并且取反，得到A的非为一正脉冲（指的是没有光的时候为低电平，有光信号的时候为高电平）。 经过六施密特触发器的脉冲信号再接到CD40192的UP端使BCD计数器件1为加计数器。又两个CD40192ENABLE是使能端一起接在enable信号上。 REST信号也相连一起通过按键S1接VCC高电平/通过R9 10K接地。这样只要按S1就可以实现REST重置清零。不按S1的就照常计数。 Enable使能信号的产生:是通过按键S1和555芯片以及相应的RC电路,实现一定时间的延时,也就是意味着一按S1,在定时T(由RC值确定)的时间内,计数器在计数,将光电耦合器接受到的恒定脉冲个人给计数,定时时间到的话就停止.这样的话可以将电机的速度给测出来.定时时间为. 驱动CD40192工作,我们对照图2来分析这个定时器的功能。 当一上电的时候, 3 (OUT)脚输出一个高电平,

靠别人不如靠自己，努力吧