精品直流电机正反转正反转加速课程设计.docx
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精品直流电机正反转正反转加速课程设计
湖南涉外经济学院
课程设计报告
课程名称：
专业综合课程设计
报告题目：
电机控制系统设计
学生姓名：
所在学院：
专业班级：
学生学号：
指导教师：
2015年1月3日
课程设计任务书
报告题目
专业综合课程设计
完成时间
学生姓名
专业班级
指导教师
职称
讲师
总体设计要求和技术要点
电机控制系统设计
【内容】：
选用单片机、FPGA、DSP等芯片（任选其一）设计一个电机控制系统（直流电机或步进电机都可），要求能控制和调节电机的转速、旋转方向（正转和反转）；能显示转速、旋转方向的状态。
【要求】：
1.作品要求：
有完整的电路原理图；用设计的硬件或者仿真软件演示系统功能。
工作内容及时间进度安排
第17周：
周1---周3：
立题、论证方案设计
周4---周5：
硬件设计或仿真电路设计
第18周：
周1---周3：
软件设计
周4---周5：
验收答辩
课程设计成果
1．与设计内容对应的软件程序、电路图、通过实物设计的作品或通过仿真设计的仿真图。
2．课程设计总结报告（所有项目均需按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告）。
摘要
直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。
直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用。
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、调速和制动性能，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。
因此有必要了解直流电动的运行特性。
关键词：
直流电动机；发电机；调速；频率
一、概述…………………………………………………………………………1
二、直流电机的工作原理……………………………………………………………2
三、直流电动机的结构…………………………………………………………3
1．定子……………………………………………………………3
2．转子……………………………………………………………3
四、电动机机械特征…………………………………………………4
五、PWM调速原理……………………………………………………5
1．PWM调速方法…………………………………………………………5
2．PWM实现方式…………………………………………………………6
六、总原理图及元器件清单………………………………………………8
七、结论与心得…………………………………………………………………10
一、八、参考文献……………………………………………………………………10
二、
三、
四、
五、
六、
七、
八、
九、概述
用单片机空中直流电机时，需要加驱动电路，为直流电机提供足够大的驱动电流使用不同的直流电机，其驱动电流也不同，我们要根据实际需求选择合适的驱动电路，通常有以下几种驱动电路：
三极管电路放大驱动电路、电机专用驱动电路模块和达林顿驱动器等。
如果是驱动单个电机，并且电机的驱动电流不大时，我们可用三级管搭建驱动电路，不过这样要稍微麻烦些。
如果电机所需要的驱动电电流较大，可直接选用市场上现成的电机专用驱动模块，这种模块接口简单，操作方便，并可为电机提供较大的驱动电流，不过它的价格要贵一些。
我们控制电机主要是控制他的PWM它是按一定规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以以调节输出量和波形的一种调制方式，我们在控制系统中最常用的是矩形波PWM信号，在控制时需要调节PWM波的占空比。
占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。
控制电机的转速时，占空比越大，速度越快，如果全为高电平，占空比100%时，速度达到最快。
十、直流电动机的工作原理
如图1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1-1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1直流电动机的工作原理图
三、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直流电机结构图
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、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。
四、电动机的机械特性
是指电动机的转速
与转矩
的关系
。
机械特性是电动机机械性能的主要表现，它与负载的机械特性
，运动方程式
相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。
机械特性中的
是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩
是不同的，其间差一空载转矩
，即：
（表达式1）
在一般情况下，因为空载转矩
相比
或
很小，所以在一般的工程计算中可以略去
，即：
（表达式2）
已知直流电动机的机械特性方程式为
（表达式3）
式中
为电枢回路总电阻，包括
及电枢回路串联电阻
，
为理想空载转速记为
，
记为
，为机械特性的斜率。
当
，
，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流电动机的固有机械特性。
当改变
或
或电枢回路串电阻时，其机械特性的
或
将相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。
五、PWM调速原理
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面，比如：
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。
也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
图3 PWM信号的占空比
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。
由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd,从而达到调速的目的。
严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。
1、PWM调速方法
基于单片机类由软件来实现PWM：
在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
改变占空比D的值有三种方法：
A、定宽调频法：
保持不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变。
B、调宽调频法：
保持t不变，只改变，这样使周期（或频率）也随之改变。
C、定频调宽法：
保持周期T（或频率）不变，同时改变和t。
前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。
利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。
2、PWM实现方式
方案一：
采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
方案二：
采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
故采用方案一。
六、总原理图及元器件清单
图4流程图
图5框架图
图6总原理图
（1）
图7总原理图
（2）
图8总原理图（3）
图9总原理图（4）
七、结论与心得
熟练了直流电机的机械特性和电气特性；掌握了单片机控制直流电动机正反转和调速的方法；本次课程设计，在老师的细心指导下和同学们的共同努力中，我们顺利地完成了.在这次设计过程中，我深刻地体会到了科学的严谨，必须要有一个正确的态度去面对设计，努力地为了完成各种参数的设定而实验，积极地与同学们交流，在配合下完成设计的意识.通过整个课程设计，使我对直流电动机的串电阻起动可以说是“刻骨铭心”，不仅让我深刻地了解到前人在科学研究上态度和方法，而且也让我懂得任何的创新和发现都不是一时一刻可以得到的，必须具有深厚的知识功底，敏锐的洞察力才能告破事情的真相，从根本上理解它，应用它。
通过这次课程设计，我感觉这种设计很好地锻炼了我们的团队合作精神和对知识的应用能力，从本质上为我们揭示了基础理论科学。
使我的各方面的能力得到了充分的锻炼。
八、参考文献
[1]《电机与拖动》唐介主编高等教育出版社2003年出版
[2]《电机与拖动基础》刘起新主编中国电力出版社2005年出版
[3]《电机学》李海发主编科学出版社2001年出版
[4]《电机与拖动》周绍英主编中央广播电视大学出版社1995年出版
[5]《电机理论与运行》汤蕴谬主编水利电力出版社2005年出版
教师评语及设计成绩
教师评语：
课程设计成绩：
指导教师：
（签名）
日期：
年月日
附录：
#include
sbitwela=P2^7;
sbitdula=P2^6;
sbitKEY1=P3^4;//定义调速按键
sbitKEY2=P3^5;
sbitKEY3=P3^6;
sbitPWM=P1^5;//定义调速端口
sbitZZ=P1^0;
sbitFZ=P1^1;
unsignedcharCYCLE;//定义周期该数字X基准定时时间如果是10则周期是10x0.1ms
unsignedcharPWM_ON;//定义高电平时间
/******************************************************************/
/*延时函数*/
/******************************************************************/
voiddelay（unsignedintcnt）
{
while（--cnt）;
}
/******************************************************************/
/*主函数*/
/******************************************************************/
main（）
{
unsignedcharPWM_Num;//定义档位
TMOD|=0x01;//定时器设置1msin12Mcrystal
TH0=（65536-1000）/256;
TL0=（65536-1000）%256;//定时1mS
IE=0x82;//打开中断
TR0=1;
wela=1;
P0=0xfe;
wela=0;
P0=0x00;
CYCLE=10;//时间可以调整这个是10步调整周期10ms8位PWM就是256步
while
（1）
{
if（!
KEY1）
{
delay（10000）;
if（!
KEY1）
{
PWM_Num++;
if（PWM_Num==4）PWM_Num=0;
switch（PWM_Num）{
case0:
P0=0x06;PWM_ON=6;break;//高电平时长
case1:
P0=0x5B;PWM_ON=8;break;
case2:
P0=0x4F;PWM_ON=0;break;
case3:
P0=0x66;PWM_ON=8;break;
default:
break;
}
}
}
if（!
KEY2）
{
delay（10000）;
if（!
KEY2）
{
ZZ=0;
FZ=1;
}
}
if（!
KEY3）
{
delay（10000）;
if（!
KEY3）
{
ZZ=1;
FZ=0;
}
}
}
}
/******************************************************************/
/*定时器中断函数*/
/******************************************************************/
voidtim（void）interrupt1using1
{
staticunsignedcharcount;//
TH0=（65536-1000）/256;
TL0=（65536-1000）%256;//定时1mS
if（count==PWM_ON）
{
PWM=1;//灯灭
}
count++;
if（count==CYCLE）
{
count=0;
if（PWM_ON!
=0）//如果左右时间是0保持原来状态
PWM=0;//灯亮
}
}
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