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设计题目：直流电机调速控制系统设计
目录
（1） 直流电动机的综述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
（二）他励直流电动机．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
（三）直流电动机调速系统设计．．．．．．．．．．．．．．．．14
（四）结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
直流电机调速控制系统课程设计
1、 直流电动机的综述
直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用。直流电动机是将直流电转换成机械能的而带动生产机械运转的电器设备。与交流电动机相比，直流机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，但是它具有良好的起动、调速和制动性能，因此在速度调节要求较要、正反转和起动频繁或多个单元同步协调运转的生产机械上，仍广泛采用直流电动机拖动。在工业领域直流电动机仍占有一席之地。因此有必要了解直流电动的运行特性。在四种直流电动机中，他励电动机应用最为广泛。
直流电机它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。
直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。
1.1直流电机调速控制原理
图1.1所示点数电压为U，电枢电流为I，电枢回路总电阻为R，电机常数为K，励磁磁通量是φ。
直流电机的转速计算
公式
小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载
：
n=（U-IR）/Kφ （1）
其中，对于极对数p，匝数为N，电枢支路数为a的电机来说，电机常数为
K=pN/60a （2）
意味着电机确定后，该值是不变的。而在（U-IR）中，由于R仅为绕组电阻，导致IR非常小，所以（U-IR）约等于U。由此可见我们改变电枢电压时，转速n即可随之改变，同时可以看出，转速和U、I有关，并且可控量只有这两个，因此我们可以通过调节这两个量来改变转速。
公式（1）中的I可以通过改变电压进行改变，而我们常提到的PWM控制也就是用来调节电压波形的常用方法，这里我们也用PWM控制来进行点击转速调节。通过单片机输出一定频率的方波，方波的占空比大小决定电压的大小，也决定了电机的转速大小。
直流电机原理图如下所示：
本次设计所采用的电机为Z2-11：
Z2系列电动机技术参数（220伏，1500转/分）
序号
电机
型号
额定功率
(千瓦)
额定电压
（伏）
额定转速
（转/分）
额定电流
（安培）
最高转速
（转/分）
飞轮矩
（公斤-米2）
重量
（公斤）
1
Z2-11
0.4
220
1500
2.64
3000
0.012
30
2、 他励直流电动机
2.1直流电动机机械特性
他励直流电动机的固有机械特性是指当电动机电源电压、磁通为额定值，且电枢回路不串联电阻时的机械特性，其
表
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达式为
因为机械特性为一条向下倾斜的直线，故斜率较 小，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特性，他励直流电动机固有机械特性如下图所示：
2.2直流电动机启动条件、启动方法
2.2.1 直流电动机的启动条件
电动机拖动负载启动的一般条件是：
（1） I≤（2~2.5）I,因为换向最大允许电流为（2~2.5）I，式中I为启动电流。
（2） T≥（1.1~1.2）T,这样系统才能顺利启动。
2.2.2直流电动机的启动方法
1. 电枢回路串电阻启动
如图2-2-1所示为电枢回路串电阻启动的原理图。启动时，触点KM1、KM2、KM3断开，分级电阻全部串入电枢回路，在启动的过程中，依次闭合触点KM1、KM2、KM3。启动结束时，触点KM1、KM2、KM3全部闭合，电动机稳定运行。
电枢回路串电阻启动的机械特性如图2-2-2所示。电枢回路串电阻启动的优点是操作简单、可靠，缺点是启动时电阻消耗的电能较大、效率较低。
2. 降压启动
所谓降压启动，是指启动前降低电动机电枢绕组两端的电压，以减小启动电流的启动方法。当直流电源电压可调时，可以采用此方法，降压启动机械特性如图2-2-3所示。
降电压启动，有时为了保持启动过程中电磁转矩一直较大及电枢电流一直较小，可以逐渐升高电压U，直至最后升到U，特性如上图所示。E点为稳定运行点。实际上，电源电压可以连续升高，启动更快，更稳。
他励直流电动机空载启动或拖动反抗性恒转矩负载启动，改变电源电压U的方向或改变励磁电流的方向，电动机都要反方向启动，然后稳定运行。
本次设计中采用降电压启动。
2.3直流电动机调速方法
常见的调速方法有电枢回路串电阻调速、降低电源电压调速和减弱磁通调速。
1. 电枢回路串电阻调速
当他励直流电动机运行于额定电压和额定励磁电流时，通过在电动机电枢回路中串入不同的电阻而实现调速的方法称为电枢回路串电阻调速。
如图2-3-1所示为他励直流电动机串电阻调速的电路原理图。电动机正常运行时，触点KM1、KM2闭合，当需要调速时，依次断开KM1、KM2，此时电枢回路串入电阻， 从而实现调速。其机械特性如图2-3-2所示。
电枢回路串电阻调速的优点是方法简单、操作方便；缺点是相对稳定性差，而且串入电阻使能耗增大，经济性较差。常用于电动机拖动的电车、炼钢车间等生产机械上。
2.降低电源电压调速
当他励直流电动机在额定励磁电流下运行，且保证电枢电阻不变时，通过调节电动机电枢两端的电压而实现调速的方法称为降低电源电压调速。由于电动机的工作电压不允许超过额定电压，故电枢电压只能在额定电压以下进行调节，如图2-3-3所示为降低电源电压调速时的机械特性。
降低电源电压调速的优点：由于电源电压可连续调节，故可以实现无级调速。调速前后机械特性的斜率不变，负载变化时，转速稳定性好。调速范围较宽，一般为 2.5~12。调速过程能耗低，且经济性好。
降低电源电压调速的缺点：调速时需要一套电压可连续调节的直流电压，设备投资大。
3.减弱磁通调速
当他励直流电动机在额定电压运行，且保证电枢电阻不变时，通过调节励磁电流（磁通）而实现调速的方法称为减弱磁通调速。由于电动机在额定状态下运行时，磁路已基本饱和，即使励磁电流增大很多，磁通也增加很少，而且一般也不允许磁路过饱和，故改变磁通只能在额定值以下的范围调节。如图2-3-4所示为减弱磁通调速时的机械特性。
减弱磁通调速的优点：由于励磁电流If<
方案
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。
引脚排列如图3.5所示。
图3.5 89C51引脚图
图3.6 89C51的最小电路系统
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。
特殊功能寄存器
初始态
特殊功能寄存器
初始态
ACC
00H
B
00H
PSW
00H
SP
07H
DPH
00H
TH0
00H
DPL
00H
TL0
00H
IP
xxx00000B
TH1
00H
IE
0xx00000B
TL1
00H
TMOD
00H
TCON
00H
SCON
xxxxxxxxB
SBUF
00H
P0-P3
1111111B
PCON
0xxxxxxxB
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
3.3 PWM的输出方式与端口的选择
本实验再用PWM控制，因此需要一个数模转换装置，即A/D转换器。
根据设计分析，选择DAC0832芯片。DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、借口简单、转换控制容易等优点，在单品a级应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
最后在单片机的一个I/O端口设置为PWM输出指令。其指令程序如下：（其中使用了P10端口输出PWM，定义变量pwmvalue为占空比数值，信号频率为400H）
#include
sbit PWM =P10;
unsigned char pwmflag = 0;
unsigned char pwmvalue = 0;
//unsigned char pwmvalue2 = 0;
void Timer-Init (void);
void main(void)
{
Timer-Init();
Tro = 1;
Pwm = 1 ;
pwmvalue = 9;//占空比90%，可由其它函数赋值
While（1）；
}
void timer0-Intr（void） interrupt 1
{
pwmflag++;
If(pwmflag<=pwmvalue)
{
Pwm = 1;
}
else
{
Pwm = 0;
}
If(pwmflag==10)
{
pwmflag = 0 ;
}
}
Void Timer-Init(void)
{
TMOD |= 0x02;
THO = 0x06;
TLO = 0x06;
EA = 1;
ETO = 1;
}
3.4 PWM功率放大电路
此电路的作用是将从AT89C51单片机P10端口输出的PWM脉冲波进行放大，然后传给下一阶段的电机驱动电路。
其工作原理图如图3.7所示：
图3.7 PWM功率放大电路原理图
由于线性功率放大器的最大缺点就是效率低，引起过热，尤其在低电压、大电流时特别突出，因此采用晶体管放大器，而在采用晶体管放大器时必须降低晶体管本身的损耗。
晶体管有三种状态：放大、饱和与截止，因此采用开放式功率放大器可以使其工作在饱和与截止状态，以断续供电代替连续供电，可以满足设计需要。
3.5 驱动电路
此电路设计的电机是利用PWM信号控制电机转速的方法，要控制电机的转速，就要控制电机正负两端的电压以及电流。
3.5.1元件
MOS管、大的电解电容、许留二极管 。本系统采用L298驱动模块。
L298直流电机/直流电机双用驱动器，
驱动器尺寸：宽42mm,长78mm，最大高度23mm
主要元件：恒压恒流桥式2A驱动芯片L298，光电耦合器TLP521.4
工作方式：直流
工作电压：信号端4.6V，控制端5.36V。
调速方式：直流电机采用PWM信号平滑调速。
特点：
1.可实现电机正反转及调速。
2.启动性能好，启动转矩大。
3.工作电压可到达36V,4A。
4.可同时驱动两台直流电机
L298引脚图
图3.8 L298引脚图
表3.8 L298引脚功能表
引脚
符号
功能
1
15
SENSING A
SENSING B
此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号
2
3
OUT 1
OUT 2
此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载
4
Vs
电机驱动电源输入端
5
7
IN 1
IN2
输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关
6
11
ENABLE A
ENABLE B
使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作
8
GND
接地端，芯片本身的散热片与8脚相通
9
Vss
逻辑控制部分的电源输人端口
10
12
IN 3
IN 4
输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关
13
14
OUT 3
OUT 4
此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载
驱动电路图如图3.9所示：
图3.9 电机驱动电路
3.5.2 电机驱动的原理
利用PWM产生高低电平来控制MOS管的G极，从而控制D极和S极之间的通断，当D极和S极导通时，电极正极接电源，负极接地。当D极和S极断开时，电极正极和电源相恋，而负极通过二极管通向电容的正极，给二极管充电，形成回路。这样就可以达到一种平衡状态，调节PWM方波的占空比就可以调节电极两端的电流，从而控制电机的转速。
3.5.3 电机驱动的优势
这种控制电机的方法使MOS管要么工作在饱和区，要么工作在截止区，有效的控制了MOS管的发热量，从而增加稳定性，电路简单，易实现。
3.5.4 电机驱动的不足
二极管续流会严重影响电源，对电源和驱动管的选取要求比较高，同时也有可能会产生一定的振动。
3.6 电源设计
此系统中采用LM7805降为5V，简化了电路设计中电路板上存在的大电源干扰问题。
图3.10 电源电路
3.7 直流电动机
Z2系列电动机技术参数（220伏，1500转/分）
序号
电机
型号
额定功率
(千瓦)
额定电压
（伏）
额定转速
（转/分）
额定电流
（安培）
最高转速
（转/分）
飞轮矩
（公斤-米2）
重量
（公斤）
1
Z2-11
0.4
220
1500
2.64
3000
0.012
30
1. 作固有机械特性图
R的估算式为： （3）
带入数值得，=25.28()
理想空载转速公式为： （4）
式中，=0.102
故，=2157（r/min）
电磁转矩公式为： (5)
带入数值，得 =9.550.1022.64≈ 2.571
直流电动机转轴上输出转矩为： (6)
带入数值，得 =9550 =2.55
空载转矩为： =2.57-2.55=0.02
故时的转速为：=-β≈2151
所以，（0，） 和（，） 两点分别为（0,2157）和（2.57,1500）.做出该直流电动机的固有机械特性曲线如下图所示：
Z2-11电动机的固有机械特性图
2. 占空比的计算
(n=500（r/min）时
=5000.102+2.6425.28=117(V)
占空比=100%=53.5%
(n=1000(r/min)时
=10000.102+2.6425.28=168（V）
占空比=100%=76.7%
利用单片机A/D转换器输出控制直流电机两端电压，来控制转速。可采用简单的比例调剂器，其公式为：Y=Kp*e（t）
其中：e(t)为偏差电压，即输入；Kp为比例系数；Y为输出。
比例调节是最简单最基本的方式，调节器的输出与输入成正比，与调节比例系数成正比。
3.8 速度测量电路原理说明和器件选择
转速时
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的专属来表示。其单位是r/min。转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速时较为常用的一种测量方法。
如3.12图所示，为速度测量电路的原理图：
图3.12 转速测量原理图
霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁场B，在沿l方向的两个断面加以外电场，则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛伦兹力，其大小为：
fl=qvB
式中：fl--洛伦兹力，q--载流子电荷，v--载流子运动速度，B--磁感应强度。
这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面见的电位差称为霍尔电压。
霍尔电压大小为： U=R（mv）
式中：R---霍尔常数，d---元件厚度，B---磁感应强度，I---控制电流
设K=R/d,则U=K（mv）
其中，K为霍尔器件的灵敏度系数（mv/mA/T），她表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B方向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化。根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件收到磁钢所产生的磁场影响，古输出脉冲信号，器频率表和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。
3.9 显示电路原理与芯片的选择
显示电路采用74LS164串入并出的移位寄存器给出串行口扩展的3位LED显示接口电路。如图3.13所示，分别为74LS164寄存器的引脚图和功能图:
图3.13 74LS164引脚图和功能图
74HCT164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。
时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（DSA和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。
主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。
引脚说明：
显示电路：
图3.14 显示电路
4、 结论
在本设计中，因为采用了PWM控制，所以具有PWM控制的特点：在对电机的转速控制方面，课大大节省能量。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点，可以大幅度降低成本和功耗。同时，系统的响应速度和稳定精度等指标比较好；电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作；系统的调速范围宽；使用元件少、线路简单。
总而言之就是：操作简单，成本低，可控性好，系统的随动性能优秀，唯一不足的是对驱动电路的要求比较高。
参考文献：
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[12] http://wenku.baidu.com/view/3f2d43de50e2524de5187e32.html
[13] http://wenku.baidu.com/view/df590856ad02de80d4d8401f.html
[14] http://wenku.baidu.com/view/73a509fff705cc1755270971.html
[15] http://wenku.baidu.com/view/a58b56513c1ec5da50e2708d.html
� EMBED Equation.3 \* MERGEFORMAT ���
图2-2-1 电枢回路串电阻启动的原理图
图2-2-2 电枢回路串电阻启动的机械特性
图2-2-3 降压启动机械特性
图2-3-1 他励直流电动机串电阻调速的电路原理图
图2-3-2 串电阻调速时的机械特性
图2-3-3 降低电源电压调速时的机械特性
图2-3-4 减弱磁通调速时的机械特性
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_1234567909.unknown
_1234567917.vsd
单片机
晶振电路
复位电路
电源电路
显示电路
键盘电路
电机驱动电路
DC
Motor
测速电路
浙公网安备 33021202002483