直流伺服电机课程设计.docx

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直流伺服电机课程设计

绪论

设计内容

设计一个以单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统。

单片机是应控制领域应用的要求而出现的，随着单片机的迅速发展，起应用领域越来越广。

尽管目前已经发展众多种类的单片机，但是应用较广、也是最成熟的还是最早有Intel开发的MCS-51系列单片机（51系列单片机）。

51系列单片机应用系统已经成为目前主流的单片机应用系统。

直流电机脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation—简称PWM）调速产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜，自动记录仪表等的驱动，后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM技术得到了高速发展，各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。

而MCS—51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM输出功能，本课设采用配合软件的方法实现了MCS—51单片机的PWM输出调速功能，这对精度要求不高的场合时非常实用的。

设计一个以单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统。

功能主要包括：

 1 直流电机的正转； 2 直流电机的反转； 3直流电机的加速； 4直流电机的减速； 5直流电机的转速在数码管上显示； 6直流电机的启动； 7直流电机的停止；

1直流伺服电机的基本结构和工作过程

1.1直流伺服电机的基本结构

1.1.1直流伺服电机的介绍

伺服电动机的作用是将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出，在自动控制系统中常作为执行元件，所以伺服电动机又称为执行电动机，其最大特点是：

有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。

转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。

常用的直流电动机有：

永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）、励磁式直流电机、混合式直流电机、无刷直流电机、直流力矩电机。

一般的直流伺服电动机的基本结构与普通的直流电动机并无本质的区别。

也是有装有磁极的定子、可以转动的电枢和换向器组成。

按励磁的方式不同，可分为电磁式与永磁式两种。

电磁式直流伺服电动机的磁场有励磁电流通过励磁组产生。

按励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，又分为他励式、并励式和串励式三种，一般多用他励式。

永磁式直流伺服电动机的磁场由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。

1.1.2直流伺服电机的结构

直流伺服电机的结构与普通小型直流电动机相同

1.定子

（1）主磁极也称为主极。

作用是产生气隙磁场。

（2）换向磁极也称为附加极或间极。

作用是改善换向。

装在主极之间。

（3）机座由铸钢或厚钢板焊成。

是电机的机械支撑。

（4）电刷装置将直流电压、电流引入或引出的装置。

其组数与主极极数相等。

（5）端盖用来支撑转子的转轴。

2.转子（电枢）

（1）电枢铁心主磁路的主要部分及嵌放电枢绕组，由硅钢片迭压而成。

（2）电枢绕组由许多按一定规律联接的线圈组成。

用来感应电动势和通过电流，是电路的主要部分。

（3）换向器由许多彼此绝缘的换向片构成。

（4）转轴电枢铁心与换向器等都固定在转轴上，通过转轴可以拖动生产机械。

（5）风扇有冷却作用

1.2直流伺服电机的工作过程

1.2.1直流伺服电机的工作原理

如图，当用原动机拖动电枢逆时针方向旋转，线圈边将切割磁力线感应出电势，电势方向可据右手定则确定。

由于电枢连续旋转，线圈边ab、cd将交替地切割N极、S极下的磁力线，每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的，线圈内的感应电动势是交变电动势，但由于电刷和换向器的作用，使流过负载的电流是单方向的直流电流，这一直流电流一般是脉动的。

　　在图中，电刷A所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势，它始终具有正极性;电刷B始终具有负极性。

这就是直流伺服电机的工作原理。

1.2.2直流伺服电机的工作特性

传统的直流伺服电动机动实质是容量较小的普通直流电动机，因此其工作特性与普通直流电动机一致。

1.静态特性

电磁转矩由下式表示:

式（1.1）

Kt—转矩常数；Φ—磁场磁通；Ia—电枢电流；TM—电磁转矩。

电枢回路的电压平衡方程式为:

式（1.2）

Ua─电枢上的外加电压；Ra─电枢电阻；Ea─电枢反电势。

电枢反电势与转速之间有以下关系：

式（1.3）

Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。

根据以上各式可以求得：

式（1.4）

当负载转矩为零时：

式（1.5）

理想空载转速当转速为零时：

式（1.6）

启动转矩当电机带动某一负载TL时电机转速与理想空载转速的差:

式（1.7）

2.动态特性

直流伺服电机的动态力矩平衡方程

式（1.8）

式中TM─电机电磁转矩；TL─折算到电机轴上的负载转矩；ω─电机转子角速度；J─电机转子上总转动惯量；t─时间自变量。

2直流伺服电机的控制方式

2.1电枢控制

采用电枢控制时，电枢绕组加上控制信号电压，电磁式伺服电动机的励磁绕组加上额定电压。

当控制信号Ua=0时，Ia=0,T=0,电机不会旋转，及转速n=0。

当Ua≠0时，Ia≠0，T≠0，电动机在电磁转矩T的作用下运转。

改变Ua室外大小或极性，电动机的转速或转向将随之改变，电动机随着电枢电压大小或极性的改变而处于调速或反转的状态中。

Ua不同时，伺服电动机的机械特性与普通直流电动机相同，是一组平行的略微倾斜的直线

机械特性控制特性

电枢控制时Uf=UfN，Ua=Uc（控制电压）

式（2.1）

2.2磁场控制

采用磁场控制是，电磁式直流伺服电动机的励磁绕组加上控制信号电压，电枢绕组加上额定电压。

这种控制方式在永磁式直流伺服电动机中不能采用。

这时电磁式伺服电动机的工作原理与电枢控制是相同，只是当控制信号电压Uf的大小和极性改变时，电动机随着磁场强弱和方向的改变额处在调速或反转状态中，Uf不同时，电磁式直流伺服电动机的机械特性与普通的直流电动机在不同If是的机械特性相同。

If减小，机械特性上移，斜率增加。

Ua=UaN，Uf=Uc（控制电压）

忽略磁路饱和、不计电枢反应，则

Φ=CUf=CUc

式（2.2）

2.3总结

两种控制方式相比，在性能上，电枢控制圆角磁场控制优越，故应用最多。

磁场控制的主要优点是控制功率小，仅用于小功率电机。

结合生活上的直流伺服电机应用来说，一般多用功率大的控制方式，所以电枢控制应用更加普遍。

3直流伺服电机控制系统

直流伺服电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。

 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对消速性能都有一定的要求。

例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载使得允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。

归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：

调速,在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地或平滑地调节转速。

稳速,以一定的精度再说需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。

加、减速,自动设备要求加、减速尽量快，以提高生产效率，不易经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

电机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。

比如：

在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。

所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。

  根据本学期的电力电子以及单片机知识，可以设计一个以单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统。

3.1总体设计方案

总体设计方案的硬件部分详细框图如下图所示

键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。

电动机的运转状态通过数码管显示出来。

电动机所处速度级以速度档级数显示。

正转时最高位显示“三” ，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“F”，其它三位为电机转速。

每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000”

3.2硬件电路设计

3.2.1硬件组成 

本系统由PC机、MCS-51单片机开发系统、、PWM脉宽调制控制板以及直流伺服电动机等组成。

3.2.2主要器件功能介绍

3.2.2.1直流伺服电机选取

负载变化大，要求精度高，为了提高性能，对直流伺服电机提出如下要求：

（1）电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象。

（2）电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求。

（3）为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机电时问常数和启动电压。

（4）电动机应能承受频繁的启动、制动和反转。

一转矩的要求

直流伺服电机是根据负载来选取的，加在伺服电机轴上的负载转矩和负载惯量。

负载转矩包括切削转矩和摩擦转矩;负载惯量指由伺服电机驱动的所有作旋转运动和直线运动的部件的惯量折算到伺服电机轴上的惯量总和。

加到伺服电机轴上的负载转矩通常由下述公式计算

式（3.1）

式中:

一一加到伺服电机轴上的负载转矩，；

一一沿丝杠轴向移动工作台所需的力，;

一一驱动系统的效率;

一一伺服电机轴每转工作台的位移，；

一一折算到电机轴上的滚珠丝杠螺母部分、轴承部分的摩擦转矩（）不包括。

力F决定于工作台质量、摩擦系数以及水平及垂直方向的切削力，或是所用的平衡体的质量（在垂直方向时）。

不切削时：

式（3.2）

切削时：

式（3.3）

式中一一工作台和工件的质量，;

一一镶条夹紧力，;

一一切削抗力，;

一一刀具切削时的轴向切削力，

一一摩擦系数。

二转动惯量的要求

一般在选择直流伺服电机时，应使负载转矩小于或等于伺服电机的额度转矩;负载转矩加上加速转矩应等于伺服电机的最大转矩;加速转矩等于最大转矩减去负载转矩（空载时等于最大转矩减去摩擦转矩）;加速转矩应考虑负载惯量与电机惯量的匹配。

系统机械传动部分的等效惯量对系统响应特性的影响增大时，响应趋缓，且出现超调;当工减小时，系统响应加快。

所以交流伺服电机的要求是

式（3.4）

所以选择型号：

博山瑞鑫70sz54，额定电压：

220V的直流伺服电动机。

SZ系列微型直流伺服电动机广泛应用于各种机械设备及自动化控制系统中用作执行元件，也可用作驱动元件。

本系列电动机是我国自行设计的新系列产品，同老系列S系列产品相比，具有体积小、重量轻、力能指标高、零部件通用化程度强等特点。

按激磁方式本系列电动机分为：

他激（并激）、串激（C）、复激（F）三种。

　按使用环境条件本系列电动机分为普通型和湿热带型两类.本系列电机可与多种系列减速器相配合，满足用户对转速、转矩、安装工位的不同要求。

型号

转矩

（mN·m）

转速

（r/min）

功率

（w）

电压

电流（A）不大于

允许顺逆转速差（r/min）

转动惯量不大于（mN·m·S）

电枢

激磁

电枢

激磁

70sz54

176

3000

55.0

110

110

0.80

0.130

200

0.070