直流电动机设计方案.docx
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直流电动机设计方案
直流电动机设计方案
第1章前沿
1.1课题研究的背景及意义
直流电动机以其良好的起动、制动性能，较宽围平滑调速的优点，在许多调速要求较高、要求快速正反向、以蓄电池为电源的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
近年来，虽然高性能交流调速技术得到了很快的发展，在某些领域交流调速系统已逐步取代直流调速系统。
然而直流调速系统系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用，比如轧钢机、电气机车等都还有用直流电机；而且从控制规律的角度来看，交流拖动控制系统的控制方式是建立在直流拖动控制系统的基础之上的，从某种意义上说有相似的地方。
因此，掌握和了解直流拖动控制系统的控制规律和方法是非常必要的。
从生产机械的要求的角度看，电力拖动控制系统分为调速系统、伺服系统、多电动机同步控制系统、力控制系统等多种类型。
而各种系统大多都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统最基本的系统[1]。
从直流电机在国民生产生活中所占位置的角度来看，直流电机目前依旧应用于工业生产中，并广泛应用于人们的生活中。
因此直流电机的控制技术的发展很大程度上影响着国民经济的增长，影响着人们的生产生活水平，因此，对直流电机调速系统的研究还是很有必要的。
1.2课题发展历程及趋势
在很长的一段时间里直流电动机作为最主要的电力拖动工具，其应用已经渗透到人们的工作、学习、生活的各个方面。
早期电动机调速控制器主要由模拟器件构成，由于模拟器件存在的固有缺点，比如存在温漂，零漂电压等，使系统控制精度和可靠性降低。
后来，随着可编程控制器比如AT89C51，PLC等和IGBT、GTR等电力电子开关器件，传感器技术等的发展使得直流电机调速系统进入了数字控制的阶段，这使得直流电机调速系统的发展突飞猛进，从而出现了各种控制算法，比如比较经典的PID调节算法和后来的模糊控制算法等，这些领域的发展使得直流电机调速的精度和可靠性能大大提高，它取代了常规的模拟检测、显示等单元，基本上实现了智能化，使被控对象的动态过程按照规定的方式运行，已经能够满足绝大部分的工作要求，这使得以微控制器为核心的控制系统成为工业生产中控制系统的主流。
90年代由于计算机技术的飞速发展，利用PC机的软硬件资源开发出来的控制系统具有更高的精度和可靠性，处理速度更高，需要的外围单元更少，这使得直流电机调速系统向着更加智能化、网络化发展。
目前，国外主要电气公司，如瑞典ABB公司，日本三菱，德国西门子，AEG公司，美国GE公司均已开发出数字式直流调速装置，开发出各种各样的系列化，模块化，标准化的应用产品供选用，使得直流电机调速系统的设计更加方便，更加简单，精度更高，可靠性更好。
在今后的时间里，直流电机调速系统会朝着更高的精度，更好的可靠性，更加智能化，网络化发展。
本次课题正是结合实际生产要求，以直流电机电机为被控对象，以自动控制理论为基础，结合大学所学知识，通过软件程序的编写来实现直流电机的调速系统。
1.3本章小结
本章主要介绍了从多个方面研究直流电机调速系统的目的和意义，并且介绍了直流电机调速系统国外的发展状况，以及直流电机调速系统今后的发展方向及前景。
从而确定了本次课题研究的意义和目的。
第2章设计方案的选择
本次设计以STC89C52为核心，自动控制原理为基础，PWM调速为方法，实现直流电机的闭环调速，用键盘设定一个一定围的速度，直流电机会按照给定速度运行，并最终达到稳定运行，并能够对电机的电枢电流进行检测显示并能够对电机进行电流保护。
2.1直流调速系统调速方式的选择
直流电机的稳定转速为：
（2-1）
由上式可知，直流电机调节转速的方案有：
方案一：
调节电枢两端电压
；
方案二：
减弱励磁磁通
；
方案三：
改变电枢回路电阻
；
改变电枢回路电阻的方法只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够实现无级调速，但是调速围不大，因此直流电机调速最好的方法是调节电枢两端的电压，能够在一定围实现无级调速，且调速围宽[2]。
因此，根据本次设计的要求要实现无级平滑调速，选择方案一调节电枢两端电压的方式来进行电机的调速。
2.2直流调速系统可控直流电源的选择
直流电机所用的电源为直流电源，而如何得到直流电源有以下方法：
方案一：
采用晶闸管整流器-电动机调速系统,通过调节可控触发装置晶闸管的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而改变整流器输出的平均电压，即电枢两端电压，以实现直流电动机的平滑调速；
方案二：
脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，用脉冲宽度调制的方法把给定的恒定的直流电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲电压序列，从而改变电枢两端的平均电压，以实现直流电机的平滑调速；
方案一中的晶闸管是单向导电的，给电动机的可逆运行带来极大的困难，在可逆运行中，需要采用正反两组可控整流电路；晶闸管对过电压和过电流以及过高
和
十分敏感，任何一项指标超过其允许值都会使晶闸管烧坏；当电动机在低速运行时，晶闸管的导通角很小，系统功率因数变小，在交流侧产生较大谐波电流，引起电网电压畸变，因此要在电网中增设无功补偿装置；由于电压波形的脉动，使得电流波形也会脉动，因此要设置一个电感量足够大的平波电抗器；电路比较复杂。
方案二中开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较少；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高；变换器的开关频率高，电流脉动幅值不大，再影响到反电动势和转速，波动就更小了；具有低速性能好，稳速精度高，调速围宽的优点；电路比较简单。
综合考虑，本次设计采用方案二直流PWM调速系统。
2.3直流电动机驱动模块选择
对直流电机驱动有很多种方法，然而根据设计要求选择一个合适的方法很重要：
方案一：
用继电器来启动和停止电机，通过不断的切换继电器的开和关来对电机调速，这种方案电路简单，但是继电器响应时间较长，只能在开关频率低时使用，机械结构易磨损；
方案二：
用功率开关器件构成的H桥来驱动直流电机，功率开关器件开关频率高，响应时间短，能够快速响应给定，系统滞后时间短，通过单片机输出PWM波来控制H桥开关器件的开和关，从而改变直流电机电枢电压，达到调速的目的。
考虑到PWM波的频率问题，本次设计采用方案二，应用电机驱动模块L298N来驱动直流电机。
2.4PWM实现方式
PWM波的实现方法主要分为硬件和软件两种实现方法，而硬件和软件的实现方法又是多种多样的，由于条件限制，我们能采取的实现方法主要有：
方案一：
应用单片机用软件延时的方式产生PWM波，这种方法比较占用处理器的资源，并且精度不高；
方案二：
采用模拟PWM波形发生器芯片产生PWM波，通过单片机给定来改变输出的PWM波的占空比，这种方法控制简单，精度也比较高，但是需要外围的PWM波发生电路；
方案三：
应用单片机的定时器来产生PWM波，对定时器赋不同的初始值来改变PWM波的占空比，从而实现PWM的定频调宽，这种方式精度比较高，单片机部带有定时器，使用方便简单。
通过对三种方案的比较，本次设计最终选择方案三来产生PWM波。
2.5H桥可逆斩波调速系统调制方式
H桥可逆斩波控制的方法有很多种，也各有其优缺点，供我们选择的方案有：
方案一：
单极性脉宽调制方式，通过控制直流电压的极性来改变输出电压的极性，这种控制方式要求直流电压极性控制和脉宽调制信号配合使用比较麻烦，并且要进行电机正反转时要求外加直流电源极性变化；
方案二：
双极性脉宽调制方式，这种方式通过改变控制信号的占空比来进行电机的正反转控制，当占空比大于
时，电机正转，小于
时，电机反转，等于
时，电机停止，这种调制方式电机电流一定连续；可以使电机在四象限运行；电机停止时有微震电流，恩能够消除静摩擦死区；低速平稳性好，系统调速围宽可以达到1:
20000左右；低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通，但是这种调速方式在工作过程中4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大；在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故[3]。
通过综合考虑，本次设计最终采用方案二双极性脉宽调制方式，虽然双极性有其自身的缺点，但在一定程度上不影响直流电机的调速，并且对于上、下桥臂直通的事故，可以通过软件的编程来避免，在本次设计中，主要通过对L298使能端的控制来达到防止上、下桥臂直通事故。
2.6显示模块的选择
在现在的生活中，用来显示的东西也是各种各样，基本的显示器件如下：
方案一：
采用LED数码管动态扫描显示，价格相对便宜，亮度高，显示数字简单，但是显示字母就不是很方便，并且连线复杂，驱动电路复杂；
方案二：
采用点阵进行显示，点阵是由发光二极管组成，显示字母，汉字比较方便，但是显示数字浪费资源，并且价格相对较高；
方案三：
用LCD进行显示，LCD显示程序简单，无需驱动电路，功能强大，可以显示字符，数字以及各种图形，亮度比较高，连线很方便。
通过比较，根据对各种方案熟悉程度和设计要求选择方案三，用LCD1602进行显示。
2.7键盘的方案选择
键盘作为输入设备，是大多电子产品的辅助物品，然而键盘的实现方案有两种：
方案一：
应用独立键盘，这种在键盘数量大于四的时候会占用较多的I/O口，但是其编程简单；
方案二：
应用矩阵键盘，这种键盘的优点在于当键盘数量多的时候，应用矩阵键盘可以大大节省I/O口，但是编程比较复杂；
综合考虑，本次设计只选用6个按键，采用独立键盘得用6个I/O口，采用矩阵键盘只需5个I/O口，因此本次设计选用2*3矩阵键盘。
2.8调节器的实现方式选择
根据所学知识，提供给我们实现调节器的方式有两种：
方案一：
选择模拟器件搭建的模拟调节器，这种调节器由于模拟器件本身的缺陷比如存在温漂、零漂电压等，使得控制精度和控制的可靠性能大大降低，并且电路复杂，需要更多的元器件，但是这种调节器对程序要求不高，程序简单；
方案二：
用单片机来进行调节器的设计，采用数字调节器，这种调节器能够克服模拟器件的缺点，使得控制精度和可靠性提高，并且不需要外围电路，电路简单，对调节器的输出限幅等都很方便。
本次设计综合考虑方案一和方案二的优缺点，最终选择方案二来进行调节器的设计。
2.9数字PI调节器算法的实现方式
用单片机通过程序实现PI调节器有两种方法：
方案一：
位置式算法，第k拍的输出为
，由公式可以看出比例部分只与当前偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的积累，这种算法结构清晰，P和I两部分作用分明，便于参数调整，但是这种算法在输出需要限幅的情况下必须积分限幅和输出限幅同时进行，两者缺一不可；
方案二：
增量式算法，第k拍的输出为
，由公式可以看出，这种算法只需在程序中保存上一拍的输出即可，当需要限幅时，只需对输出限幅[4]。
在不需要输出限幅的情况下两种算法都是一样的，但是本次设计需要对输出限幅，因此，本次设计采用方案二，因为方案二只需输出限幅，会使程序比较简单。
2.10电机测速模块的选择
用于电机测速的设备有很多，精度也不一样，适合的场合也不一样，因此选择合适的电机测速方案是很必要的：
方案一：
利用测速发电机进行测速，通过测量发电机发出的电压来计算直流电机速度，这种测速方法需要一个A/D转换，电路比较复杂；
方案二：
利用增量式旋转编码器进行测速，通过对光电旋转编码器输出电压脉冲数量的检测来计算电机转速，这种方法电路简单，程序编写也不复杂；
方案三：
利用绝对式旋转编码器进行测速，这种编码器通常用于对电机转角进行测量，需要测量速度需要对转角进行微分，比较麻烦。
通过比较，本次设计采样方案二，利用增量式光电旋转编码器对直流电机进行测速，通过对两路脉冲相位的鉴别可以知道直流电机的转向，通过对单位时间的脉冲数量来进行测量，得到直流电机的转速。
2.11数字测速方法的选择
供我们选择的数字测速的方案有：
方案一：
M法测速，这种测速方法是通过对一定的时间
测取旋转编码器的脉冲输出个数
然后根据公式
来计算出直流电机的转速，这种测速方法的分辨率与实际转速无关，它的最大误差率为
，因此它适合直流电机高速运行时的速度测量。
方案二：
T法测速，这种测速方法是通过测出旋转编码器两个输出脉冲之间的时间间隔来计算转速，它所计的是两个脉冲时间间隔计算机发出的高频时钟脉冲的个数
，然后根据
来计算电机转速，它的分辨率和实际转速有关，转速越低，分辨率越高，它的最大误差率为
因此比较适合电机低速运行时直流电机的测速。
通过比较，方案二需要对单片机另外接时钟脉冲芯片，电路比较复杂，并且适合低速运行时，本次设计主要研究直流调速系统，我们是在直流电机的高速段实现直流电机调速，因此，我们选择方案一M法测速。
2.12电机电枢电流采集方案选择
直流电的采集方式主要是将电流转换为电压，让后通过对电压的测量来检测电流，而电压的采集的主要部分是A/D转换，而A/D转换有下列几种可供选择方案：
方案一：
工作方式为双积分式A/D转换芯片，这种芯片的转换精度高，价格低廉；但是转换速度较慢。
方案二：
工作方式为逐次逼近式式A/D转换芯片，它的精度比较高，并且速度快。
通过比较，本次设计选择方案二来进行电流检测。
2.13本章小结
本章通过对系统某一功能实现的不同方法的比较，从而得到更加可靠合理的方法，主要包括显示模块、键盘模块、调节器算法等的多种实现方法优缺点的比较，根据自身设计要求，选择合适的方案，这是系统能够成功的关键所在。
第3章直流电机调速系统设计
3.1STC89C52单片机的简介
3.1.1STC89C52单片机最小系统
STC89C52最小系统跟其他微控制器最小系统一样，处理器是不能独立工作的，必须给它接上电源，加上时钟信号，并有复位电路，如果芯片没有片存储器，还得外部提供存储器，才能保证最小系统能够运行。
最小系统如图3.1所示：
图3.1最小系统结构图
对于STC89C52最小系统，由于其部自带有存储器，因此可以没有存储器系统，如果系统不需要调试，调试测试接口也可以没有，但是在这次设计中，需要进行软件调试，因此调试测试接口必须。
1.供电系统
供电系统为整个系统提供能量，是整个系统能够工作的基础，具有很重要的地位，电源设计需要考虑到输出电压、电流、功率等因素。
STC89C52的工作电压为3.4~5.5V，一般情况下设计时设计的工作电压为5V。
2.时钟系统
所有的微控制器均为时序电路，只有有了时钟信号，微控制器才能正常工作。
STC89C52部自带有时钟电路，但是必须外接一个晶体或者瓷谐振器，这样才能给单片机提供时序，使单片机能够工作，如图3.2：
图3.2外部时钟电路
外接晶振与电容C1、C2构成并联谐振电路，加电以后延迟约10ms后，振荡器开始起振并产生时钟信号，不受软件的控制。
电容器的作用是帮助谐振电路起振，称为谐振电容，振荡器的振荡频率取决于晶体的频率，一般常用的晶振有6MHz、11.0592MHz和12MHz，本次设计单片机晶振采用11.0592MHz，在设计电路板的时候应该使晶体和电容尽量接近单片机的芯片，这样可以减少寄生电容，保证振荡器能够稳定和可靠的运行和工作，并且晶振的外壳一般要可靠接地，才能减少晶振高频振荡产生的干扰。
3.复位系统
复位系统是对单片机进行初始化操作的一种方式，单片机复位方式有两种方式，外部复位和看门狗复位两种方式，复位并不影响片存储器存放的容，它只是使单片机从0000H开始执行程序，特殊功能寄存器也恢复到初始化状态。
看门狗复位是为了防止程序跑飞而出现的安全隐患而设置的复位方式，当看门狗复位打开后，看门狗计数器开始计数，当计数器溢出时，看门狗会使单片机复位，因此需要及时喂狗，这种复位方式是一种软件复位方式。
外部复位是一种硬件复位，它是通过复位电路持续给单片机复位引脚一个有效的电平达到一定得时间后，会使单片机进行复位，对于STC89C52，是持续给RST引脚两个机器周期的高电平时，单片机完成复位。
外部复位又分为上电复位和手动复位两种，相应的电路图如图3.3。
（a）（b）
图3.3复位电路
（a）手动开关复位；（b）上电复位
4.调试测试接口
STC89C52有两种Flash存储器编程方法：
并行编程和串行编程。
并行编程方法是：
首先，在地址线上加上要编程单元的地址信号；接着，在数据线上加上要写入的数据字节；然后，激活相应的控制信号；接着，将EA/VPP端加上+12V的编程电压；最后每对Flash存储器写入一个字节或者每写一个程序加密位，都要给ALE/PROG加上编程一个脉冲；改变编程单元的地址和数据重复上述步骤，直到程序都写入Flash为止。
串行编程是将RST接至电源正极，通过串口ISP接口进行编程，串行接口包含串行时钟线、输入线和输出线。
本次设计的调试测试接口用串口调试方式，通过USB转串芯片MAX232进行程序的下载。
5.存储器系统
程序存储器一般用于存放编好的程序、表格和常数，而数据存储器用于存放运算中间结果，起到数据暂存和缓冲、标志位以及用户自定义的字形表等。
STC89C52具有256B的片RAM和8K的片ROM，在本次设计中已经足够了，因此不需要外扩的存储器系统。
3.1.2STC89C52单片机中断、定时器
单片机系统的运行和其他系统一样，需要不断的与外部设备进行数据交换，当CPU与外界进行数据交换时采用查询方式，会大大的占用CPU的资源，浪费了时间去等待外设，为了解决这一问题，单片机系统引入了中断技术。
中断时单片机暂时停止当前执行的任务而去处理触发中断的事件，处理完后，自动返回到被暂停的程序断点处，继续执行被暂停的程序。
51子系列单片机有5个中断源，52子系列单片机比51子系列多一个，具有6个中断源，具有两级中断优先级，可以实现中断的两级嵌套，用于控制中断的特殊功能寄存器有4个，它们是IE、IP、TCON和SCON，分别控制中断的开放、禁止和优先级。
51系列单片机的5个中断源可以分为两大类：
外部中断和部中断，外部中断由P3.2和P3.3输入，部中断源包括两个定时器T0和T1以及串行口中断，52子系列比51子系列多一个部中断定时器T2中断，其他均一样。
外部中断有两种触发方式：
边沿触发方式和电平触发方式，由特殊功能寄存器TCON进行控制，当采用边沿触发方式时，外部中断输入的高电平和低电平时间需要保持一个机器周期，才能保证单片机可靠的检测到中断信号。
当采用电平触发方式时，需要保持低电平有效，直到中断请求被响应，才能够撤销中断请求信号。
CPU与外部进行信息交换称为通信，通信的方式有串行通信和并行通信。
并行通信的主要特征是传输速度快，在传输距离较短的情况下，占有很大的优势，对于长距离传输来说，由于信号线太多导致线路复杂，成本变高；串行通信线路简单，但是传输速度慢，当传输距离较长时，在成本方面占有很大的优势。
定时/计数器中断有4种工作方式：
方式0、方式1、方式2和方式3。
方式0为13位定时/计数器。
13位计数寄存器由TH0（TH1）的高8位和TL0（TL1）的低5位构成，其他位不用。
这种方式下的最大计数值为
，即8192个数。
方式1为16位定时/计数器。
16位计数寄存器由TH0（TH1）和TL0（TL1）构成，其用法和方式0基本一样，只是最大计数值为
，即65536个数。
方式2是能自动重装计数初值的8位计数器，TH0（TH1）用来存放计数初值，TL0（TL1）用来计数，当低8位产生中断溢出后，单片机自动将高8位中的计数初值重新装入低8位计数器，如此循环不止。
不过这种方式的计数最大值为
，即256个数。
方式3跟前三种方式大不相同，只有T0能工作在方式3模式，T1不能工作在方式3，这种方式下是将T0分为两个独立的8位计数器，TH0只能用作定时器方式，对机器周期进行计数，TL0只能不仅可以工作在计数器模式也可以工作在定时器模式，功能和操作和方式0、方式1、方式2完全相同。
定时/计数器的初始化包含下面几点容：
1.确定定时/计数器的工作模式和工作方式，给寄存器TMOD置相应的值；
2.计算计数初值，并根据工作方式对TH0（TL1）和TL0（TL1）赋相应的值；
3.根据使用要求确定是否需要开放中断，如需要中断，需要对中断允许寄存器和中断优先级控制寄存器赋相应的值；
4.给定时/计数器控制寄存器送入命令字，启动定时/计数器。
3.1.3并行I/O口
MCS-51系列单片机具有四个双向8位I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，共32根I/O口线。
每个I/O口都可以作为8位并行I/O口使用，并且可以独立的作为1位双向I/O口线进行使用。
各个口的每一位都由一个锁存器和一个输出驱动器以及输入缓冲器组成。
作为输出时，数据可以锁存；作为输入时，数据可以缓冲。
P0口试一个三态的双向I/O口，在系统进行扩展时，作为低8位地址线和数据总线的分时复用，当没有系统扩展时作为通用的准I/O口使用。
值得注意的是当P0口作为输出口时，若要驱动NMOS或者其他拉电流负载时，需要外接上拉电阻。
P1口是一个准双向口，通常作为通用I/O口使用，作为输出口使用时，不需要接上拉电阻，它能够共拉电流负载。
P2口也是一个准双向口，有两种功能，作为通用I/O口使用和高8位地址总线输出两种功能，当作为通用I/O口使用时和P1口的使用方法一样，当需要外部扩展时，P2口和P0口作为外部接口的地址总线，给外围电路输出地址。
P3口也是一个准双向口，P3口可以作为通用I/O口，并且每一位都可以独立的定义为通用I/O口功能输入输出。
但是它的很多端口都具有第二功能，外部中断INT0和INT1，定时计数器T0和T1的外部时钟接口、串行中断源，都是通过P3口的。
因此，P3口一般不作为通用口使用，而是作为它的第二功能口来使用[5]。
3.2直流电机调速系统整体框图
直流电机调速系统控制硬件主要部分包括单片机STC89C52以及外围电路、L298电机驱动模块，LCD1602液晶显示模块，转速给定模块2*3键盘以及光电旋转编码器直流电机测速模块，实现直流电机调速系统的单闭环，使得直流电机速度能够跟随给定，并且抵抗负载扰动和闭环的扰动，用ADC0809芯片进行电机电枢电流的检测并实现电流限幅而对电机进行电流保护。
系统整体框图如图3.4所示：
图3.4直流电机调速系统整体框图
3.3直流电机调速系统动态结构框图
对系统的动态性能分析，需要知道动态响应，而这些都是建立在对描述系统动态物理规律的数学模型的分析之上的，因此建立系统的数学模型是至关重要的，它影响到系统所选择的控制规律对系统的作用，系统的稳定性，稳态误差分析都是建立在系统动态数学模型之上的。
因此要对系统先进行数学模型的建立。
他励直流电动机在额定励磁条件下的等效电路图如图3.5：
图3.5他励直流电动机在额定励磁条件下的等效电路
在主回路电流连续的前提下，动态电压方程为：
（3-1）
在忽略各种阻力的情况下，电动机轴上的动力学方程为：
（3-2）
公式中
包括电动机空载转矩在的负载转矩，单位为N*m，
是电力拖动装置这算到电动机轴上的飞轮转矩，单位为
。
额定励磁下的感应电势以及电磁转矩分别如下：
（3-3）
（3-4）
电动机额定励磁条件下的电动势系数和电磁转矩之间的关系为
（3-5）
定义电枢回路时间常数
；
定义电力拖动时间常数
。
单位均为s。
整理式（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）后得到
（3-6）
（3-7）
在零初始条件下得到电压与电流之间的传递函数，电流与电动势之间的传递函数分别为：
（3-8）
（3-9）
整理后得到直流电动机
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