直流电机控制设计本科论文.docx

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直流电机控制设计本科论文

摘要

当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。

长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。

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本毕业设计主要是通过PWM调速器实现直流电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作，并实现电路的仿真。

为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。

采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。

设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。

关键词：

直流电机，AT89C51单片机，PWM调速，仿真

Abstract

Nowadays,automationcontrolsystemhasbeenwidelyusedinallwalksoflifeanddevelopment,andDCdrivecontrolasamainstreamelectricdriveplaysamajorroleinthemodernizationofproduction.Foralongtime,becausetheDCmotorspeedregulationismoreflexible,simple,easy-to-large-scalesmoothspeedcontrolperformanceandgoodfeatures,hasbeenthedominantinthefieldoftransmission.

ThegraduationprojectismainlyachievedbyPWMDCmotorspeedcontrollerforward,reverse,speedup,slowdown,stopandotheroperations,andtoachievethesimulationofthecircuit.Toachievemicrocomputercontrolsystemdesign,usingacontrolcircuitAT89C51microcontrollerasthecoreoftheentirecontrolsystempart,withvariousdisplaydrivermodule,theparametersofthemotorspeeddisplayandmeasurement;bythecommandinputmoduleopticalisolationmoduleandH-drivemodule.Usingaseparatekeyboardwithinterruptinputasacommand,themicrocontrollerunderprogramcontrol,continuousopticalisolationcircuittotransmitPWMwaveform,H-drivemotorreversingcontrolcircuitiscompletedinthedesign,usingPWMspeedcontrolmodebychangingthuschangingthedutycycleofthePWMmotorarmaturevoltage,andthusrealizethemotorspeed.Thewholecontrolsystemdesign,thehardwarestructurewithalotofintegratedcircuitmodule,greatlysimplifyingthehardwarecircuittoimprovethestabilityandreliabilityofthesystem,sothatoverallsystemperformanceisimproved.

Keywords:

Dcmotor，AT89C51microcontroller，PWMspeed,，Simulation

1绪论

1.1系统背景

直流电机（directcurrentmachine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。

它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。

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直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。

励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。

所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。

调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。

但这种传统的调压调速方法效率低。

随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM（脉宽调制）是常用的一种调速方法。

其基本原理是用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。

只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。

利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。

PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。

模拟控制电路有以下缺陷:

模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。

本次设计采用的就是PWM调速技术。

1.2PWM调速基本原理

PWM调速总的来说是通过固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。

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”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

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下面来详细介绍PWM调速的原理：

（1）直流电机转速

直流电机的数学模型可用图1-1表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，

是制动转矩。

图1-1直流电机的数学模型

根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1-1：

U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1-1

式1-1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；

Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。

由此可得到直流电机的转速公式为：

n=Ua-IR/CeΦ式1-2

式1-2中，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。

由1-1式和1-2式得

n=Ea/CeΦ式1-3

由式1-3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。

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（2）PWM电机调速原理

对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为图1-2所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。

图1-2施加在电枢两端的脉动电压

设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。

若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：

U平=U·D式1-4

由式1-3得到：

n=Ea/CeΦ≈U·D/CeΦ=KD式1-5

在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CeΦ，是常数。

图1-3为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。

图

图

图图1-3占空比与电机转速的关系

由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。

由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。

1.3PWM调速的优越性

自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器—直流电机调速系统，PWM的H型属于调压调速，PWM的H桥能实现大功率调速；国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。

本设计采用直流极式控制的桥式PWM变换器。

与V-M系统相比在很多方面有较大的优越性：

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主电路线路简单，需用的功率器件少。

开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。

低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1:

20000左右。

若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。

功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。

直流电机采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。

由于由以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能中。

已完全取代了V--M系统。

为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。

经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反

馈。

1.4直流电机控制系统概述

直流电机PWM控制系统的主要功能包括：

直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。

其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。

该直流电机系统由以下电路模块组成：

振荡器和时钟电路：

这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。

设计输入部分：

这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。

设计控制部分：

主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。

设计显示部分：

包括液晶显示部分和LED数码显示部分。

液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成;LED数码显示部分由七段数码显示管组成。

直流电机PWM控制实现部分：

主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。

2直流电机控制系统硬件设计

2.1直流电机控制系统基本原理

主体电路：

即直流电机PWM控制模块。

这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现