直流電動機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)～課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

1、10自動化課程設(shè)計(jì) 電力拖動自動控制系統(tǒng)姓名-學(xué)號成績分組序號同組人員簽名本人奉獻(xiàn)排名指導(dǎo)教師簽名電力拖動自動控制系統(tǒng)直流電動機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單片機(jī)核心顯示器鍵盤和開關(guān)H橋隔離和驅(qū)動電源馬達(dá)測速馬達(dá)A/D變換器電平轉(zhuǎn)換對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的注釋二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容要求1. 設(shè)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(dá)的運(yùn)行狀態(tài)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，顯示轉(zhuǎn)速；3. 測量馬達(dá)的反電動勢系數(shù)；4. 測量馬達(dá)的力矩系數(shù)；5. 創(chuàng)立馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型；6. 實(shí)現(xiàn)比例控制；7. 實(shí)現(xiàn)比例積分控制；8. 緩存馬達(dá)動態(tài)過程運(yùn)行數(shù)據(jù)，并上傳到PC機(jī)繪出動態(tài)過程曲線對設(shè)計(jì)內(nèi)容的注釋三、硬件設(shè)計(jì)3.1列表硬

2、件，準(zhǔn)備硬件帶測速碼盤 直流電機(jī)L298N電機(jī)驅(qū)動模塊59C51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板LCD1602液晶顯示屏杜邦線3.2單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.3根據(jù)自己準(zhǔn)備的硬件和系統(tǒng)框圖，設(shè)計(jì)硬件接線圖；四、軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)的軟件流程圖4.2對流程圖的說明五、詳細(xì)的功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)5.1. 設(shè)置有正轉(zhuǎn)按鍵、反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵；設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測量、比照分析5.2. 顯示馬達(dá)的運(yùn)行狀態(tài)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，顯示轉(zhuǎn)速；設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測量、比照分析5.3. 測量馬達(dá)的反電動勢系數(shù)；設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測量、比照分析 Ke= (V-IR)/n5.4. 測量馬達(dá)的力矩系數(shù)；設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測量、比照分析5.5. 創(chuàng)立馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型；設(shè)計(jì)、

3、實(shí)現(xiàn)、測量、比照分析5.6. 實(shí)現(xiàn)比例控制；設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測量、比照分析5.7. 實(shí)現(xiàn)比例積分控制；設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測量、比照分析5.8. 緩存馬達(dá)動態(tài)過程運(yùn)行數(shù)據(jù)，并上傳到PC機(jī)繪出動態(tài)過程曲線設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測量、比照分析附錄一： 永磁直流行星齒輪減速電機(jī)F1.1直流電機(jī)的特點(diǎn) 直流電動機(jī)與交流電動機(jī)相比擬，具有良好的調(diào)速性能和啟動性能。直流電動機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實(shí)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(fù)載；能滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運(yùn)行的要求。但直流電機(jī)也有它顯著的缺點(diǎn)：一是制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)本錢高；二是運(yùn)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(hù)比擬困難。所以在一些對調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)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(jī)的應(yīng)用目前仍然占有較大的比重。F1.2直流電機(jī)的根本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的根本結(jié)構(gòu)圖見圖4-1：圖 直流電機(jī)的根本結(jié)構(gòu)F1.3直流電動機(jī)的參數(shù)特性1)感應(yīng)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(gòu)有關(guān)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(gòu)有關(guān)的常數(shù).3)直流電動機(jī)電樞電壓平衡方程式

5、4-3為電樞電阻4)直流電動機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式 4-4F1.4 直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線如下列圖4-2所示：TNTn 0nN圖-直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線轉(zhuǎn)速下降的原因：電機(jī)帶負(fù)載勻速運(yùn)行時，TeTL，假設(shè)負(fù)載TL增加，那么電機(jī)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(jī)調(diào)速調(diào)壓調(diào)速通：過改變輸入電壓實(shí)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(jī)PWM調(diào)速原理所謂脈沖寬度

6、調(diào)制是指用改變電機(jī)電樞電壓接通與斷開的時間的占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)。對于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用FPGA進(jìn)行調(diào)速是極為方便的。其方法是通過改變電機(jī)電樞電壓導(dǎo)通時間與通電時間的比值，即占空比，來控制電機(jī)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(dāng)電機(jī)通電時，速度增加，電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)永遠(yuǎn)接通電源時，其轉(zhuǎn)速最大為 ，設(shè)占空比為 ，那么電機(jī)的平均速度為 4-6 式中： 電機(jī)的平均速度電機(jī)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(guān)系 由圖4-6(b)所示可以看出，與占空比并不是完全線性關(guān)系圖中實(shí)線，當(dāng)系統(tǒng)4允許時，可以將其近似的看成線性關(guān)系途中虛線。因此也就可以看成電機(jī)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(jī)的速度。由以上表達(dá)可知：電機(jī)的轉(zhuǎn)速電樞電壓成比例，而電機(jī)電樞電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。占空比D表示了在一個周期T里開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。D的變化范圍為0D1。當(dāng)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(dá)控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，即實(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對應(yīng)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(bǔ)，一組導(dǎo)通那么另一組必須關(guān)斷。當(dāng)V1、V4導(dǎo)通時，V2、V3關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)V2、V3導(dǎo)通時，V1、V4關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。在直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，我們要不斷地使電機(jī)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(dǎo)通且V2、V3關(guān)斷，到V1、V4關(guān)斷且V2、V3導(dǎo)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(bǔ)，但是，由于實(shí)際的開關(guān)器件都存在開通和關(guān)斷時間，絕對的互補(bǔ)控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比方在上橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了。為了防

10、止直通短路且保證各個開關(guān)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(guān)系，而實(shí)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(shí)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(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)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(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。實(shí)物如圖5-2所示。圖 L298N芯片芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖見圖 圖 L298N芯片邏輯結(jié)構(gòu)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(yīng)電阻用于控制負(fù)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(fù)載電流在端子1被檢測4VS用于驅(qū)動負(fù)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(fù)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(fù)重復(fù)直流操作3A2.5A2AVsens：感應(yīng)電壓-12.3VPtot：總的功率耗散溫度到達(dá)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(jī)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