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电机正反转控制设计
毕业设计（论文）
题目：
电机正反转控制设计
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学生姓名：
指导教师：
20XX年X月
电机正反转控制设计
摘要
直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机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、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。
本文介绍了基于H桥驱动的直流电机正反转控制系统，系统采用继电器搭建H桥驱动电路，驱动信号由红外遥控接收器提供。
关键词：
电机正反转继电器H桥
目录
第1章绪论3
1.1选题目的与意义3
1.1.1国内外研究现状3
1.1.2直流电动机控制的发展历史4
1.1.3直流电动机控制的研究现状6
1.2本课题主要研究内容及意义6
第二章直流电机的工作原理7
2.1直流电动机的结构9
2.1.1定子9
2.1.2转子9
2.2电机正反转控制电路原理9
第三章直流电机正反转电路设计13
3.1继电器选型13
3.2继电器H桥驱动电路15
第1章绪论
1.1选题目的与意义
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。
无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。
以前电动机大多使用继电器实现双向转动以及由模拟电路组成的控制柜进行控制，现在普遍使用单片机控制H桥驱动电路实现电机正反转取代模拟电路作为电机控制器。
当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑开发电机的新型单片机控制器。
1.1.1国内外研究现状
电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。
正是这些技术的进步使电机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机和H桥驱动模块为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。
而国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。
根据市场需求和发展趋势，本设计将介绍一种基于H桥驱动作为基础、单片机内部时钟产生PWM调速的直流电机转速控制系统。
首先对直流调速控制电路进行设计来实现对速度的控制、检测、显示；再对直流调速控制主回路进行设计，其采用了三相桥式全控整流电路；然后进行系统的软件设计。
1.1.2直流电动机控制的发展历史
常用的控制直流电动机有以下几种:
第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。
但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。
第二，三十年代末，出现了发电机-电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。
但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。
第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。
特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。
但是汞弧变流器仍存在一些缺点:
维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。
第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。
由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。
晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧变流器（放大倍数1000）高10倍;在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。
从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。
同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。
微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。
近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。
随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。
例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。
随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。
电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。
变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。
正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。
其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。
电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。
功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。
其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。
永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。
由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。
所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。
[17]
在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。
为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。
1.1.2直流电动机控制的研究现状
数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。
1.2本课题主要研究内容及意义
直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机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、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。
直流电机在工农业生产生活中，发挥着非常重要的作用。
为此，对直流电机进行正反转控制的研究与分析，是非常有必要的。
本课题首选对电机的内部构造进行研究，然后针对内部构造，研究电机实现正转和反转的电路特点，挑选出合适的开关控制器件，设计出电机正反转控制电路。
本文介绍了基于H桥驱动的直流电机正反转控制系统，系统采用继电器搭建H桥驱动电路，驱动信号由红外遥控接收器提供。
第二章直流电机的工作原理
根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。
如果导体在磁场中的长度
，其中流过的电流为
，导体所在处的磁通密度为B，那末导体受到的电磁力的值为式（2-1）
（2-1）
如图2-1中N、S极下各根导体所受电磁力的方向，如图中箭头所示。
电磁力对转轴形成顺时针方向的转矩，驱动转子而使其旋转。
由于每个磁极下元件中电流方向不变，故此转矩方向恒定，称为直流电动机的电磁转矩。
如果直流电动机轴上带有负载，它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能够转化成机械能的电气装置。
直流电动机是可逆的，他根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。
当外力作用使其旋转，驶入机械能时，电机处于发电机状态，输出电能；当在电刷两端施加电压输入电能时，电机处于电动机状态，带动负载旋转输出机械能。
图2-1直流电动机的工作原理图
如图2-2所示，电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这是便有电流从电源正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经过电刷B流回电源的负极。
在图2-2所示位置，在N级下面导线电流是由a到b，根据左手定则可知导线ab受力的方向向左，而cd的受力方向是向右的。
当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩是，电动机逆时针旋转。
当线圈转过180度时，这是导线的电流方向变为由d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的,这样就使得电机一直旋转下去。
图2-2直流电动机的工作原理图
2.1直流电动机的结构
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。
图2-3直流电动机结构
2.1.1定子
主磁极——主磁极的作用是建立主磁场。
绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。
主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。
换向极——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。
机座——机座有两个作用，一是用来固定主磁极、换向级和端盖；另一个是作为磁路的一部分。
电刷装置——电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。
由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成。
2.1.2转子
电枢铁心——电枢铁心也有两个用处，一是作为主磁路的主要部分，二是嵌放电枢绕组。
电枢绕组——电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。
换向器——换向器也是直流电机的重要部件。
在直流电动机中，它的作用是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流；在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。
2.2电机正反转控制电路原理
图2-4中所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：
图2-4及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。
如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图2-4直流电动机的H桥控制电路
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。
例如，如图2-5所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图2-5直流电动机正转控制电路
图2-5所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。
当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
图2-6直流电动机反转控制电路
驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。
基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
图2-7所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。
4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。
而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。
图2-7具有使能控制和方向逻辑的H桥电路
采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：
两个方向信号和一个使能信号。
如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图2-8所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。
图2-8使能信号与方向信号的使用
实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。
第三章直流电机正反转电路设计
3.1继电器选型
本设计选用的继电器为 HK4100F电磁继电器。
图3-1HK4100F继电器实物图
该继电器主要技术参数：
品牌：
汇科（HUI KE）
型号：
HK4100F-DC5V-SH
外形尺寸（mm）：
10.5*15.5*11.8mm（W*L*H）
重量：
3.5g
产地：
中国宁波
触点形式：
1C（SPDT）
触点负载：
3A 220V AC/30V DC 阻抗：
≤100mΩ
额定电流：
3A
电气寿命：
≥10万次 机械寿命：
≥1000万次
线圈参数：
阻值（士10%）：
120Ω
线圈功耗：
0.2W
额定电压：
DC 5V
吸合电压：
DC 3.75V
释放电压：
DC 0.5V
工作温度：
-25℃～+70℃
绝缘电阻：
≥100MΩ
线圈与触点间耐压：
4000VAC/1分钟
触点与触点间耐压：
750VAC/1分钟
该单片机的外形参数与引脚间距如下图所示：
图3-2HK4100F外形参数
3.2继电器H桥驱动电路
本设计中，为了能实现电机正反转控制，采用4个继电器组成了H桥驱动电路。
电路如下图所示。
其中，K1和K3继电器，以及K2和K4继电器，分别两两组成联动电路，两路分别使用一个触发信号，即可实现继电器同时打开，驱动电机单方向运转。
由于红外接收电路一次只输出一个驱动信号，所以一次只能导通一个回路，继而电机一次只能向一个方向单向运动。
图3-3HK4100F继电器H桥驱动电路
致谢
（致谢内容）
参考文献
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