直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)～課程設計指導書

1、10自動化課程設計 電力拖動自動控制系統(tǒng)姓名-學號成績分組序號同組人員簽名本人奉獻排名指導教師簽名電力拖動自動控制系統(tǒng)直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計一、系統(tǒng)結(jié)構單片機核心顯示器鍵盤和開關H橋隔離和驅(qū)動電源馬達測速馬達A/D變換器電平轉(zhuǎn)換對系統(tǒng)結(jié)構的注釋二、課程設計內(nèi)容要求1. 設置有正轉(zhuǎn)按鍵、反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵；2. 顯示馬達的運行狀態(tài)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，顯示轉(zhuǎn)速；3. 測量馬達的反電動勢系數(shù)；4. 測量馬達的力矩系數(shù)；5. 創(chuàng)立馬達的數(shù)學模型；6. 實現(xiàn)比例控制；7. 實現(xiàn)比例積分控制；8. 緩存馬達動態(tài)過程運行數(shù)據(jù)，并上傳到PC機繪出動態(tài)過程曲線對設計內(nèi)容的注釋三、硬件設計3.1列表硬

2、件，準備硬件帶測速碼盤 直流電機L298N電機驅(qū)動模塊59C51單片機實驗板LCD1602液晶顯示屏杜邦線3.2單片機系統(tǒng)的設計3.3根據(jù)自己準備的硬件和系統(tǒng)框圖，設計硬件接線圖；四、軟件設計4.1系統(tǒng)的軟件流程圖4.2對流程圖的說明五、詳細的功能設計和實現(xiàn)5.1. 設置有正轉(zhuǎn)按鍵、反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵；設計、實現(xiàn)、測量、比照分析5.2. 顯示馬達的運行狀態(tài)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，顯示轉(zhuǎn)速；設計、實現(xiàn)、測量、比照分析5.3. 測量馬達的反電動勢系數(shù)；設計、實現(xiàn)、測量、比照分析 Ke= (V-IR)/n5.4. 測量馬達的力矩系數(shù)；設計、實現(xiàn)、測量、比照分析5.5. 創(chuàng)立馬達的數(shù)學模型；設計、

3、實現(xiàn)、測量、比照分析5.6. 實現(xiàn)比例控制；設計、實現(xiàn)、測量、比照分析5.7. 實現(xiàn)比例積分控制；設計、實現(xiàn)、測量、比照分析5.8. 緩存馬達動態(tài)過程運行數(shù)據(jù)，并上傳到PC機繪出動態(tài)過程曲線設計、實現(xiàn)、測量、比照分析附錄一： 永磁直流行星齒輪減速電機F1.1直流電機的特點 直流電動機與交流電動機相比擬，具有良好的調(diào)速性能和啟動性能。直流電動機具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載；能滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運行的要求。但直流電機也有它顯著的缺點：一是制造工藝復雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)本錢高；二是運行的時候由于電刷與換

4、向器之間容易產(chǎn)生火花，所以可靠性比擬差，維護比擬困難。所以在一些對調(diào)速性能要求不高的領域中己被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)所取代。但是在某些要求調(diào)速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優(yōu)異的場合，直流電動機的應用目前仍然占有較大的比重。F1.2直流電機的根本結(jié)構直流電機的根本結(jié)構圖見圖4-1：圖 直流電機的根本結(jié)構F1.3直流電動機的參數(shù)特性1)感應電勢E 4-1式中: -電動勢(V); 一對磁極的磁通(Wb);-電樞轉(zhuǎn)速(r/min); -與結(jié)構有關的常數(shù).2)電磁轉(zhuǎn)矩T 4-2式中:-電磁轉(zhuǎn)矩(Nm); 一對磁極的磁通(Wb);-電樞電流(A); -與結(jié)構有關的常數(shù).3)直流電動機電樞電壓平衡方程式

5、4-3為電樞電阻4)直流電動機機械特性的一般表達式 4-4F1.4 直流電機的機械特性曲線直流電機的機械特性曲線如下列圖4-2所示：TNTn 0nN圖-直流電機的機械特性曲線轉(zhuǎn)速下降的原因：電機帶負載勻速運行時，TeTL，假設負載TL增加，那么電機的輸出電磁轉(zhuǎn)距Te也要隨之增加，也即電樞電流Ia增大。那么電樞繞組的內(nèi)阻所消耗的壓降IaRa增加，所以轉(zhuǎn)速n下降。 4-5F1.5永磁直流電機調(diào)速調(diào)壓調(diào)速通：過改變輸入電壓實現(xiàn)調(diào)速，如圖4-3所示。n 0n 1n 2n 3UNU1U2U3UN >U1 >U2 >U3UNn圖 降壓調(diào)速原理附錄二： 直流電動機PWM調(diào)速原理所謂脈沖寬度

6、調(diào)制是指用改變電機電樞電壓接通與斷開的時間的占空比來控制電機轉(zhuǎn)速的方法，稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)。對于直流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用FPGA進行調(diào)速是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓導通時間與通電時間的比值，即占空比，來控制電機速度。PWM調(diào)速原理如圖4-4所示：Tt1t2圖 PWM調(diào)速原理在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加，電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。設電機永遠接通電源時，其轉(zhuǎn)速最大為 ，設占空比為 ，那么電機的平均速度為 4-6 式中： 電機的平均速度電機全通時間的速度最大占空平均速度與占空比的函數(shù)曲線，如圖4-6(a)所示：占空

7、比D電壓V0Tt1t2通電斷電時間t平均速度VdVmax100.5(a)(b)圖 平均速度與占空比的關系 由圖4-6(b)所示可以看出，與占空比并不是完全線性關系圖中實線，當系統(tǒng)4允許時，可以將其近似的看成線性關系途中虛線。因此也就可以看成電機電樞電壓與占空比成正比，改變占空比的大小即可控制電機的速度。由以上表達可知：電機的轉(zhuǎn)速電樞電壓成比例，而電機電樞電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快，當占空比時，電機轉(zhuǎn)速最大。占空比D表示了在一個周期T里開關管導通的時間與周期的比值。D的變化范圍為0D1。當電源電壓U不變的情況下，輸出電壓的平均值U取決于占

8、空比D的大小，改變D值也就改變了輸出電壓的平均值，從而到達控制電動機轉(zhuǎn)速的目的，即實現(xiàn)PWM調(diào)速。在PWM調(diào)速時，占空比D是一個重要參數(shù)。改變占空比的方法有定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法等。常用的定頻調(diào)寬法，同時改變t1和t2，但周期T或頻率保持不變。附錄三：H型全橋式驅(qū)動電路和L298N簡紹F3.1直流電機驅(qū)動電路使用最廣泛的就是H型全橋式驅(qū)動電路，這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。它的根本原理圖如下圖。MNET1NET0NET0NET1V3V1V4V2VCC圖 H型橋式驅(qū)動電路 H型全橋式驅(qū)動電路的4只三極管都工作在斬波狀態(tài)，V1、

9、V4為一組，V2、V3為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導通那么另一組必須關斷。當V1、V4導通時，V2、V3關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當V2、V3導通時，V1、V4關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。在直流電機運轉(zhuǎn)的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在V1、V4導通且V2、V3關斷，到V1、V4關斷且V2、V3導通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補，但是，由于實際的開關器件都存在開通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導致上下橋臂直通短路，比方在上橋臂關斷的過程中，下橋臂導通了。為了防

10、止直通短路且保證各個開關管動作之間的同步性，兩組控制信號在理論上要求互為倒相的邏輯關系，而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間，這個矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時。F3.2 L298N芯片L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止

11、器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路局部在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反應給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。實物如圖5-2所示。圖 L298N芯片芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構圖見圖 圖 L298N芯片邏輯結(jié)構引腳說明見表3-4：表5-4 MW.15NameFunction1;15Sense A; Sense B在這個引腳和低之間可以接感應電阻用于控制負載電流2;3Out 1; Out 2A橋的輸出端口；流經(jīng)這兩個端子連接的負載電流在端子1被檢測4VS用于驅(qū)動負載的功率輸出電源電壓。在這個引腳和地之間必須接一個1

12、00nf的無極性電容5;7Input 1; Input 2A橋TTL輸入端6;11Enable A; EnableBTTL使能輸入端：低電平使橋A或橋B無效8GND地9VSS邏輯模塊的電源供給。引腳與地間必須接一個100nF的電容10; 12Input 3; Input 4B橋TTL輸入端13; 14Out 3; Out 4B橋的輸出；流經(jīng)這兩個端子連接的負載電流在端子15被檢測極限參數(shù)：Vs：功率電源50VVss：邏輯電源電壓7VVi、Ven：輸入和使能電壓-0.37VIo：最大輸出電流每個通道無重復重復直流操作3A2.5A2AVsens：感應電壓-12.3VPtot：總的功率耗散溫度到達75度25WTop：結(jié)操作溫度-25130度Tstg、Ti:儲存和結(jié)溫度-40150度芯片引腳圖如圖3-6所示:圖3-6 L298N芯片引腳功能模塊參數(shù)：1.驅(qū)動芯片：L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片2.驅(qū)動局部端子供電范圍Vs：5V35V ； 如需要板內(nèi)取電，那么供電范圍Vs：+7V+35V3.驅(qū)動局部峰值電流Io：2A4.邏輯局部端子供電范圍Vss：5V7V可板內(nèi)取電5V5.邏輯局部工作電流范圍:036mA6.控制信號輸