課程設(shè)計直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

1、指導(dǎo)教師評定成績： 審定成績： * 課程設(shè)計報告 設(shè)計題目：直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 校： * 學(xué) 生 姓 名： * 專 業(yè)： * 班 級： * 學(xué) 號： * 指 導(dǎo) 教 師： *8 設(shè)計時間： 2013 年 12 月目 錄 引言· ·····························

2、83;·············3一、直流電動機(jī)的工作原理···························4二、直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)·····

3、83;··························5三、直流電動機(jī)的分類·····················

4、3;··········6四、電動機(jī)的機(jī)械特性································7五、他勵直流電動機(jī)起動····

5、;························10六、他勵直流電動機(jī)的調(diào)速方法····················11七、PWM調(diào)制電路·&#

6、183;···································14八、H橋驅(qū)動電路············

7、3;······················14九、直流電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計·······················15十、心得體會

8、83;········································22附錄參考文獻(xiàn)········&

9、#183;·······························23課程設(shè)計任務(wù)書················

10、3;···················23引言現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動機(jī)是主要的驅(qū)動設(shè)備，目前在直流電動機(jī)拖動系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動機(jī)供電的KZD拖動系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動一電動機(jī)的FD系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。直流電機(jī)調(diào)速基本原理是比

11、較簡單的（相對于交流電機(jī)），只要改變電機(jī)的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。改變電壓的方法很多，最常見的一種PWM脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直

12、流電機(jī)速度的控制。文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)，然后通過放大來驅(qū)動電機(jī)。利用直流測速發(fā)電機(jī)測得電機(jī)速度，經(jīng)過濾波電路得到直流電壓信號，把電壓信號輸入給A/D轉(zhuǎn)換芯片最后反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行PI運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。一、直流電動機(jī)的工作原理 應(yīng)用了“通電導(dǎo)體在磁場中受力的作用”的原理，勵磁線圈兩個端線同有相反方向的電流，使整個線圈產(chǎn)生繞軸的扭力，使線圈轉(zhuǎn)動。要使電樞受到一個方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于：當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以變換， 即進(jìn)行所謂“換向” 。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器配合電刷可

13、保證每個極下線圈邊中電流始終是一個方向，就可以使電動機(jī)能連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，這就是直流電動機(jī)的工作原理。 如圖1-1所示，圖1-1 直流電動機(jī)的工作原理圖將電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的轉(zhuǎn)軸與機(jī)械負(fù)載項鏈，這時便有電流從電源的正極流出，經(jīng)A電刷流入點數(shù)繞組，再經(jīng)電刷B流回電源的負(fù)極。在圖（a）所示位置時，線圈的ab邊在N極下，cd邊在S極下，電樞繞組中的電流沿著a-b-c-d的方向流動。電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力F，其方向可用左手定則來判斷。這一對電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩使電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)線圈的ab邊在S極下，cd邊在N極下，如果線圈中電流的方向仍然不變，那么作用在這兩個線圈上的電磁力和

14、電磁轉(zhuǎn)矩的方向就會與原來的方向相反，電機(jī)便無法旋轉(zhuǎn)。如圖（b）所示，由于原來與電刷A接觸的線圈a端的銅片現(xiàn)在已改接成與電刷B接觸，而原來與電刷B接觸的線圈d端的銅片現(xiàn)在已改接成與電刷A接觸，因而電樞繞組中的電流沿著d-c-b-a的方向流動。利用左手定則來判斷出：電磁力及電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍然是電動機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)。這樣，就使得電機(jī)一直旋轉(zhuǎn)下去。二、直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座等部分構(gòu)成。1、定子主磁極 主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成。換向極 換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間

15、的一個小磁極，它的作用是改善直流電機(jī)的換向情況，使電機(jī)運行時不產(chǎn)生有害的火花。機(jī)座 機(jī)座有兩個作用，一是用來固定主磁極、換向級和端蓋；另一個是作為磁路的一部分。電刷裝置 電刷裝置是把直流電壓、直流電流引入或引出的裝置。由電刷、刷握、刷桿座和銅絲辮組成。圖2-1 直流電機(jī)的定子 圖2-2 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子2、轉(zhuǎn)子電樞鐵心 電樞鐵心也有兩個用處，一是作為主磁路的主要部分，二是嵌放電樞繞組。電樞繞組電樞繞組由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成，它是直流電機(jī)的主要電路部分，是通過電流和感應(yīng)產(chǎn)生電動勢以實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。換向器換向器也是直流電機(jī)的重要部件。在直流電動機(jī)中，它的作用是將電刷上所通過的直流

16、電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流；在直流發(fā)電機(jī)中，它將繞組內(nèi)的交變電動勢轉(zhuǎn)換為電刷端上的直流電動勢。三、直流電動機(jī)的分類根據(jù)勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的連接關(guān)系，勵磁式的直流電機(jī)又可細(xì)分為：他勵直流電動機(jī)、并勵直流電動機(jī)、串勵直流電動機(jī)和復(fù)勵直流電動機(jī)。1、他勵直流電動機(jī)他勵直流電動機(jī)是一種勵磁繞組與電樞繞組無連接關(guān)系，而由其他直流電源而由其他直流電源對勵磁繞組單獨供電的直流電動機(jī)，如圖3-1（a）所示。2、并勵電直流動機(jī)并勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖3-1（b）所示。這種直流電動機(jī)的勵磁繞組上所加的電壓就是電樞電路兩端的電壓。3、串勵直流電動機(jī)串勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與電樞繞串聯(lián)，如圖3-1

17、（c）所示。這種直流電動機(jī)的勵磁電流就是電樞電流，若有調(diào)節(jié)電阻與勵磁繞組并聯(lián)，其電流則為電樞電流的一部分。4、復(fù)勵直流電動機(jī)這種直流電機(jī)的主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個與電樞電路并聯(lián)，然后再和另一個勵磁繞組串聯(lián)，如圖3-1（d）所示。 圖3-1 他勵直流電動機(jī) 圖3-2 并勵直流電動機(jī) 圖3-3 串勵直流電動機(jī) 圖3-4 復(fù)勵直流電動機(jī)四、電動機(jī)的機(jī)械特性4.1他勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系由于是電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為是機(jī)械特性的斜率，其值為是機(jī)械特性的硬度，其值為斜率越大，硬度越大，機(jī)械特性特硬。4.2他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性當(dāng)他勵直流電動機(jī)的額定電壓、氣隙每極磁通量為額定值，電

18、樞回路不電阻時的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性，其表達(dá)式為 由于電樞繞組的電阻值很小，而值大，因此n很小，固有機(jī)械特性為硬特性。4.3他勵直流電動機(jī)的人為機(jī)械特性他勵直流電動機(jī)的參數(shù)如電壓、勵磁電流、電樞回路電阻大小等改變后，其機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。主要人為機(jī)械特性有3種。(1)電樞回路串聯(lián)電阻時的人為機(jī)械特性 1）人為機(jī)械特性方程為 2）人為機(jī)械特性的特點理想空載轉(zhuǎn)速保持不變；機(jī)械特性的斜率隨R的增大而增大，特性曲線變軟。 從圖4-1中可以看出改變電阻R大小，可以使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。因此，電樞回路串電阻可用于調(diào)速，R越大，轉(zhuǎn)速越低。(2)改變電源電壓U時的人為機(jī)械特性1）人為機(jī)械特性方程為

19、 2）人為機(jī)械特性的特點理想空載轉(zhuǎn)速正比于電壓U，U下降時，成正比例減??；特性曲線斜率不變。從圖4-1中可以看出改變電壓U大小，可以使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。因此，降低電源電壓也可用于調(diào)速，U越低，轉(zhuǎn)速越低。 (3)改變勵磁電流時的人為機(jī)械特性1）人為機(jī)械特性方程式為2）人為機(jī)械特性的特點理想空載轉(zhuǎn)速與勵磁電流成反比，減小勵磁電流，升高；斜率與磁通二次方成反比，減小勵磁電流使斜率增大。從圖4-1中可以看出改變勵磁電流大小，可以使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。因此，降低勵磁電流也可用于調(diào)速，越大，轉(zhuǎn)速越低。圖4-1五、他勵直流電動機(jī)起動5.1直流電動機(jī)啟動條件起動是指電動機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動起來，直至最后

20、達(dá)到穩(wěn)定運行。對于任何一臺電動機(jī)，在啟動時，都有下列兩個基本的要求：1）起動轉(zhuǎn)矩要足夠大。2）啟動電流不要超過允許范圍。此外，他勵直流電動機(jī)在起動瞬間，轉(zhuǎn)速n=0，電動勢E=0，起動電流在額定電壓下直接起動時，由于很小，很大，一般可達(dá)到電樞電流額定值的1020倍，這樣大的電流是換向所不允許的，起動轉(zhuǎn)矩也能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的1020倍，過大的起動轉(zhuǎn)矩會使電動機(jī)和它所拖動的生產(chǎn)機(jī)械遭受突然的巨大沖擊，以致?lián)p壞傳動機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)機(jī)械。因此，除了額定功率在數(shù)百瓦以下的微型直流電動機(jī)，因電樞繞組導(dǎo)線細(xì)、電樞電阻大、轉(zhuǎn)動慣量有比較小、可以直接起動外，一般的直流電動機(jī)是不允許采用直接啟動的。5.2直流電動機(jī)啟動方法

21、1、直接起動 直接起動是指接通勵磁電源后，將電動機(jī)的電樞直接投入額定電壓的電源上起動。直接起動又稱為全壓起動。由于起動瞬間，轉(zhuǎn)速等于零，電樞繞組的感應(yīng)電動勢 （5-1）則起動電流為 （5-2）由于電樞繞組的電阻Ra很小，所以起動電流很大，可達(dá)到額定電流的十幾倍。該電流對電網(wǎng)的沖擊很大。因而，除了小容量電機(jī)可采用直接起動外，對大中、容量的電動機(jī)不能直接起動。2、電樞串電阻起動電樞回路串電阻R,啟動電流為 為了保持啟動過程中電磁轉(zhuǎn)矩持續(xù)較大及電樞電流持續(xù)較小，可以逐漸切除啟動電阻，啟動完成后，啟動電阻全部切除，這種情況下的特性如圖5-1所示。圖5-1 直流他勵電動機(jī)串電路啟動的電路圖和特性圖3、降

22、電壓起動 降低電源電壓到,啟動電流為 降低電樞電壓起動，即起動前將施加在電動機(jī)電樞兩端的電源電壓降低，以減小起動電流 ，電動機(jī)起動后，再逐漸提高電源電壓，使起動電磁轉(zhuǎn)矩維持在一定數(shù)值，保證電動機(jī)按需要的加速度升速。這種起動方法需要專用電源，投資較大，但起動電流小，起動轉(zhuǎn)矩容易控制，起動平穩(wěn)，起動能耗小，是一種較好的起動方法。 這種情況下的特性如圖5-2所示圖5-2 直流他勵電動機(jī)降電壓啟動的特性圖 六、他勵直流電動機(jī)調(diào)速方法前面曾介紹過他勵直流電動機(jī)具有三種人為的機(jī)械特性，因而他勵直流電動機(jī)有三種調(diào)速方法，下面分別介紹。1. 串電阻調(diào)速他勵直流電動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械運行時，保持電樞電壓額定，勵磁電

23、流（磁通）額定，在電樞回路串入不同的電阻時，電動機(jī)可運行于不同的速度。他勵直流電動機(jī)電樞回路串電阻調(diào)速的電氣原理圖如圖6-1a示。電樞串電阻調(diào)速的機(jī)械特性方程式為 他勵直流電動機(jī)串電阻調(diào)速的機(jī)械特性如圖6-1b所示，是一組過理想空載點的直線，串入的電阻越大，其斜率越大。 圖6-1 他勵直流電動機(jī)串電阻調(diào)速 2、降低電源電壓調(diào)速 保持他勵直流電動機(jī)磁通額定值不變，電樞回路不串電阻，降低電樞的電源電壓可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使電動機(jī)拖動負(fù)載運行于不同的轉(zhuǎn)速上，如圖6-2所示。 圖3-19降壓電源電壓調(diào)速3、 弱磁調(diào)速 他勵直流電動機(jī)拖動負(fù)載運行時，保持電樞電壓額定，電樞回路不串電阻，改變勵磁電流（磁通），可以

24、得到不同的轉(zhuǎn)速。由于電動機(jī)在額定運行時，磁路已接近飽和，因此改變磁通調(diào)速，實際上是減弱磁通，所以叫弱磁調(diào)速。弱磁調(diào)速的原理如圖6-3所示。弱磁調(diào)速時，機(jī)械特性方程式為 圖6-3 弱磁調(diào)七、PWM調(diào)制技術(shù) PWM調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制）是一種模擬控制方式，它根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的變化，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用為處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。本設(shè)計采用單片機(jī)內(nèi)定時器產(chǎn)生PWM脈沖，設(shè)計方法是調(diào)整一個周期內(nèi)高電平持續(xù)時間占一個周期時間的比例，即調(diào)整脈沖的占空比。將產(chǎn)生的脈

25、沖輸入到L298的EN A端，通過控制H橋一路橋臂兩個晶閘管的導(dǎo)通時間來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖7-1所示的是PWM脈沖波形。 圖7-1 幾種占空比不同的PWM脈沖波形八、H橋驅(qū)動電路 H橋驅(qū)動電路是一種典型的直流電機(jī)控制電路。由4個三極管組成H橋條橋臂，通過控制對角橋臂上的一組三極管，是電流以不同的方向流過電機(jī)，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。因電動機(jī)是感性元件，當(dāng)電動機(jī)在正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的過程中，4 個續(xù)流二極管起釋放反電動勢的作用。 圖8-1 H橋驅(qū)動電路九、直流電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計（一）、直流調(diào)速系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng)本設(shè)計是利用一塊單片機(jī)，實現(xiàn) Z2-52 直流電機(jī)的啟動、停止、加速、減速和轉(zhuǎn)向控制，具體硬件

26、部分由晶振電路、復(fù)位電路、顯示電路、鍵盤電路、電源電路、單片機(jī)驅(qū)動電路、測速點路和電源電路等組成，系統(tǒng)框圖如圖所示：1）.主控制模塊本設(shè)計選用 AT89S52 單片機(jī)作為主控制模塊。 AT89S52 單片機(jī)是一種低功耗、高性能 CMOS 8位微控器，具有 8K 可編程 Flash 存儲器，256 字節(jié)RAM，32 位 I/O口線， 看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針， 3 個 16 位定時器/計數(shù)器， 全雙工串行口。AT89S52 單片機(jī)作為主控芯片，在本設(shè)計中主要實現(xiàn)一下幾個功能：接收鍵盤輸入的控制信號 驅(qū)動發(fā)光二極管顯示電機(jī)工作狀態(tài) 驅(qū)動八段數(shù)碼管顯示電機(jī)速度 通過使能端控制電機(jī)啟動、正轉(zhuǎn)或反

27、轉(zhuǎn) 產(chǎn)生 PWM 脈沖，對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速 接收脈沖測速點路測得的電機(jī)速度 主電路控制模塊的硬件電路包含復(fù)位電路，時鐘電路和電源3部分，共同組成單片機(jī)的最小系統(tǒng)，滿足單片機(jī)正常工作，具體硬件電路如圖所示2） 轉(zhuǎn)速檢測模塊轉(zhuǎn)速檢測模塊采用紅外對管作為檢測器件。其原理為：在電機(jī)轉(zhuǎn)動軸上安裝帶有感光孔的碼盤，然后采用紅外對管的傳感器來記錄脈沖的數(shù)目，進(jìn)而通過脈沖的數(shù)目求得電機(jī)在一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)的圈數(shù)。紅外對管測速元件輸出的信號為脈沖信號， 輸入到單片機(jī)的外部中斷口P3.2對脈沖計數(shù)，測速模塊具體硬件電路如圖所示。3）、直流電機(jī)驅(qū)動模塊本設(shè)計中直流電機(jī)驅(qū)動部分采用電機(jī)驅(qū)動芯片L298對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。直流電機(jī)驅(qū)

28、動模塊硬件實現(xiàn)如圖所示。其中，與H橋相連接的是IB2110集成芯片。IR2110將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動信號，可以驅(qū)動同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，工作電壓比較高，是目前功率放大驅(qū)動電路中使用最多的驅(qū)動芯片。其結(jié)構(gòu)也比較簡單，芯片引腳圖如下所示： IR2110引腳圖4）、顯示模塊設(shè)計中顯示模塊采用 4 個八段數(shù)碼管顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速， 八段數(shù)碼管采用共陰極方式連接，當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時，點亮數(shù)碼管。一般點亮數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管時需要 5mA 以上電流，但是單片機(jī)的 I/O 接口送不出如此大的電流，所以數(shù)碼管與單片機(jī)連接時需要加驅(qū)動電路，可采用上拉電阻的方式或?qū)Ｓ抿?qū)動芯片（比

29、如 74HC573 鎖存器）對數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動。本設(shè)計中采用上拉電阻的方式對數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動，如圖所示。5）、按鍵模塊設(shè)計的鍵盤模塊有5個彈性按鍵，采用低電平的方式進(jìn)行信號輸入，其中加入5個1k的限流電阻保證單片機(jī)的I/O口的輸入電路不會太大，如圖所示：6）、調(diào)速系統(tǒng)的軟件實際的應(yīng)用程序一般都有一個主程序，若干個子程序構(gòu)成，主要完成電機(jī)的控制和速度調(diào)節(jié)。如圖所示：（2） 、直流電動機(jī)的機(jī)械特性計算已知電機(jī)參數(shù)：電機(jī)型號：Z2-32; 勵磁方式：他勵； 額定功率：2.2KW;額定電壓：220V;額定轉(zhuǎn)速：1500r/min;額定電流：12.50A。電樞電路的總電阻：額定轉(zhuǎn)速時的額定轉(zhuǎn)矩 圖9-3 固有機(jī)械特性圖(三）、PWM波占空比求解當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n1=1000rpm時占空比 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n2=500rpm時占空比 十、心得體會經(jīng)過這次課程設(shè)計我感受頗多，在正式進(jìn)行設(shè)計之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過對這些設(shè)計方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。此次課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)電力電子技術(shù)和電力與拖動控制理論的一種檢驗，更是對所學(xué)知識大融合，站在新的高度看待新的問題，而且也是對自己運用所學(xué)知識的能力的一種提高。通過這次課程設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學(xué)習(xí)的東西還太多。以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過