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直流电机设计论文
目录
绪论1
一、总体设计方案2
1.1PWM波调速2
1.2直流电机调速检测系统原理框图3
二、单元模块设计4
2.1H桥驱动电路的设计方案4
2.2调速设计方案5
2.3系统硬件电路设计6
（1）LM3S2110芯片介绍6
（2）电源电路7
（3）H桥的驱动电路8
（4）按键模块：
含按键模块、4*4矩阵键盘，并可4位单独使用。
8
（5）基于霍尔传感器的测速模块9
（6）LCD显示模块9
2.4调速设计模块11
三、系统功能调试14
3.1调试软件介绍14
3.2直流电机介绍14
（1）直流电机的特点14
（2）直流电机的基本工作原理15
3.3电机速度的测量16
3.4系统电路的原理图16
3.5系统的PCB图17
四、设计总结18
五、参考文献19
绪论
随着公元前古人对电荷的发现，到如今各种使用电流的电子器件在工业生产及家庭生活中的普遍运用。
可以说我们现在生活的社会离不开“电”。
通常意义上电流可初步地分为交流电和直流电，其中有一种使用直流的电动机运用广泛我们叫它直流电机。
从小的方面说，例如空调，吹风机，电动剃须刀，电视机，电饭煲，电子玩具等等内部都有直流电机的身影；从大的方面说像工厂中的自动控制系统，医院中的各种医疗电子器件，或者是整个城市的交通监管设备都不能缺少直流电机。
这样看来，控制直流电机是一门很贴近生活的技术，是一项很有实用性能力。
直流电机是依靠直流工作电压运行的电动机。
大体上可以分为三类：
电磁式直流电动机，永磁式直流电动机，无刷式直流电动机。
直流电机的特点是启动转矩大，最大转矩大，优点是易于调速，调速后的效率很高。
但是由于它采用整流设备，所以结构复杂不易于维修并且它使用的是直流电与交流电相比生产成本较高。
随着现今科技的迅猛发展大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，从而研制出了各种类型功率的变频调速装置，并在工业上得以被广泛应用。
直流调速器的应用范围有：
电工机械，包装机械，食品加工机械，纺织机械，轻工机械，生物医疗设备，通讯雷达设备等等各种领域，各个行业。
即便如此，拥有高性能低成本的交流转动电机的使用比重在逐年上升，随着技术的日益成熟，用可调速的交流转动电机取代直流转动电机将成为一种必然的趋势[1]。
虽然这样，但是我觉得作为一名电子系的学生设计一个直流电机调速系统，无论是从学习还是实践的角度来说都是大有益处的。
这更能使我们把枯燥的理论知识与生活中的实际应用结合起来，大大地提高了我们的学习兴趣。
一、总体设计方案
1.1PWM波调速
近年来，随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation,简称PWM）控制方式已成为主流。
这种方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电机控制数字化提供了契机。
我们就是利用PWM波的原理来进行直流电机的调速。
图1PWM波调速电路
达林顿管用单片机控制使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围[2]。
1.2直流电机调速检测系统原理框图
图2直流电机调速检测系统原理框图
二、单元模块设计
2.1H桥驱动电路的设计方案
H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
如图4所示，要是电机运转，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，可以控制电机的转向。
图4H桥驱动电路
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5所示，当三极管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5H桥驱动电机顺时针转动
如图6另一对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6H桥驱动电机逆时针转动
2.2调速设计方案
所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制（PWM）。
对于直流电机调速系统，使用FPGA进行调速是极为方便的。
其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。
PWM调速原理如图7所示。
在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。
只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。
设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为
Vd=Vmax·D
式中，Vd——电机的平均速度
Vmax——电机全通时的速度（最大）
D=t1/T——占空比
平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图7所示。
图7平均速度和占空比的关系
由图7所示可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。
因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。
[7]
由以上叙述可知：
电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。
2.3系统硬件电路设计
（1）LM3S2110芯片介绍
LM3S2110芯片是LuminaryMicro公司所提供一系列的微控制器是首款基于췆RM®Cortex™-M3的控制器，它们为对成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。
这些具备领先技术的芯片使用户能够以传统的8位和16位器件的价位来享受32位的性能，而且所有型号都是以小占位面积的封装形式提供。
该LM3S2110微控制器是针对工业应用方案而设计的，包括远程监控、电子贩售机、测试和测量设备、网络设备和交换机、工厂自动化、HVAC和建筑控制、游戏设备、运动控制、医疗器械、以及火警安防。
除此之外，该LM3S2110微控制器的优势还在于能够方便的运用多种ARM的开发工具和片上系统（SoC）的底层IP应用方案，以及广大的用户群体。
该微控制器使用了兼容ARM的Thumb®指令集的Thumb2指令集来减少存储容量的需求，并以此达到降低成本的目的。
（2）电源电路
1）对外输出交流和多路直流，参数如下：
交流输出端子：
～A、～B、～C；UAB=15V，UBC=15V，UAC=30V，
直流输出端子：
+12V+5VGND-5V-12V；
四路输出额定电流为：
1A、7A、0.5A、0.5A；四路负载调整率均为：
1％
2）参考电压源为系统芯片如A/D、D/A转换IC或外设提供参考电压，电路如图7。
电压源以TL431为核心，RW1调节参考电压，“电压输出1、2”调节范围分别为0～2.5V、5～9V。
参考电压源：
“电压输出1”0～2.5V可调；“电压输出2”5～9V可调；恒流源：
0～200mA可调。
图7电源模块图
（3）H桥的驱动电路
图8H桥的电机驱动电路
基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。
直流电机控制使用H桥驱动电路（图8），当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。
（4）按键模块：
含按键模块、4*4矩阵键盘，并可4位单独使用。
图9按键模块电路
（5）基于霍尔传感器的测速模块
1）霍尔传感器的工作原理
霍尔效应：
在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。
该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。
工作原理：
霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。
信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。
单位时间内输出的脉冲数N，可求出单位时间内的速度V＝NT。
2）霍尔传感器的电路原理图
图10霍尔传感器的测速电路
（6）LCD显示模块
1）液晶LCD1062芯片介绍
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”[6]。
表1字符型LCD引脚定义
引脚号
引脚名
电平
输入/输出
作用
1
VSS
电源地
2
VCC
电源（+5v）
3
VEE
对比调整电压
4
RS
0/1
输入
0=输入指令
1=输入数据
5
R/W
0/1
输入
0=向LCD写入指令或数据
1=从LCD读取信息
6
E
1,1→0
输入
使能信号，1时读取信息
1→0（下降沿）执行指令
7
D0
0/1
输入/输出
数据总线line0（最低位）
8
D1
0/1
输入/输出
数据总线line1
9
D2
0/1
输入/输出
数据总线line2
10
D3
0/1
输入/输出
数据总线line3
11
D4
0/1
输入/输出
数据总线line4
12
D5
0/1
输入/输出
数据总线line5
13
D6
0/1
输入/输出
数据总线line6
14
D7
0/1
输入/输出
数据总线line7（最高位）
15
A
+vcc
LCD背光电源正极
16
K
接地
LCD背光电源负极
2）电路原理图
图11LCD显示电路
2.4调速设计模块
（1）PWM波软件设计——程序流程图：
改变转向或关闭电机
通过控制总中断使能EA控制电机的开关，同时使能对霍尔传感器输出的方波在单位时间内脉冲个数的计数。
其中定时器T0,T1分别对脉冲的宽度、霍尔元件输出的脉冲数对应的1秒时间定时。
对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长度，由变量high控制。
变量change、sub_speed、add_speed分别实现电机的转向、加速、减速。
***************通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序***************
voidmotor_control（）
{
if（open==1）
EA=1;
if（close==1）
EA=0;
if（swap==1）
{
change=~change;
while（swap!
=0）
}
if（sub_speed==1）
{high++;
if（high==30）
EA=0;
while（sub_speed!
=0）
}
if（add_speed==1）
{high--;
if（high==5）
high=5;
while（add_speed!
=0）
}
}
（2）测速软件设计
液晶显示电机速度
***********T1中断服务程序********单位时间（S）方波的个数*************
voidtime1_int（void）interrupt3
{
count_speed++;
if（count_speed==20）
{count_speed=0;
num_display=num_medium;
num_medium=0;
}
}[5]
三、系统功能调试
3.1调试软件介绍
Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。
按照系统功能来划分，Protel99se主要包含6个功能模块：
电路工程设计部分、印刷电路板设计系统、自动布线系统、电路模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统、高级信号完整性分析系统。
存储器和特殊功能寄存器的存取、中断功能、灵活的指针
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
KEILC51编译器由uVision2集成开发环境与编辑器和调试器以及C51编译器组成。
其中uVision2集成开发环境中的工程（project）是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的;编辑器和调试器包括源代码编辑器、断点设置、调试函数语言、变量和存储器[3]。
3.2直流电机介绍
（1）直流电机的特点
电机是把电能转换成机械能的装置。
电机的种类繁多，如果按电源类型分，可分为直流电机和交流电机两大类。
常见的直流电机包括有刷电机、无刷电机、步进电机等。
直流有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。
（2）直流电机的基本工作原理
直流电机由永久磁铁、电枢、换相器等组成。
如图a和图b所示，上下是两个固定的永久磁铁，上面是N极，下面是S极，磁力线从N到S。
两极之间是一段可旋转的导体abcd,称为电枢。
电枢的ab段与cd段分别连接到两个互不接触的半圆形金属片上，这两个金属片称为换向器。
图a直流电机的旋转原理
如图a所示，在换向器的AB两端上加上一个上正下负的直流电压，电流由a到b，由c到d。
根据左手定则，ab段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，cd段向右移动。
在这两个力的作用下，abcd电枢开始逆时针旋转，因为换向器和电枢固定在一起，它也跟着转动。
图b直流电机的旋转原理
当电枢转过180°时如图b所示，cd段在上方，ab段在下方，电流由d到c,由b到a。
根据左手定则，cd段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，ab段向右移动,即电枢继续往逆时针旋转方向旋转。
当电枢再转过180°后，变回图a的情况，电机继续重复地转动。
如果把AB两端的电压方向反过来，电枢将顺时针旋转，原理同上。
3.3电机速度的测量
对电机转速的显示，为使用者提供了更为直观的界面。
用户可以根据液晶显示屏上的数字，调整电机的转速，为调速提供了方便。
从显示数字的稳定程度，也可以判断电机转速的稳定性。
若显示数字几乎不变，则说明电机工作十分稳定；与之相反，显示数字不停地变化，则说明电机工作非常不稳定。
3.4系统电路的原理图
图11系统电路的原理图
3.5系统的PCB图
图12直流电机调速系统的ProtelPCB图[4
]
四、设计总结
为期两周的大型作业，是我明白要成功地设计出一个电路，我们必须要把理论和实际结合起来，光学会理论是远远不够的，并且我们还要具备永不言败的精神失败是难免的。
我对这次的设计并不奢望一定能成功，但我希望能对各种电子知识能有一定的运用能力，检查下对所学知识的运用能力的好坏，对以后实际工作中遇到的困难能够很好的解决，这是非常可贵的一点。
并且我要感谢我的小组成员，能完成这份报告离不开和她们的讨论并给与我一定的指导。
五、参考文献
[1]周立功，直流电机原理与驱动[M].西安：
西安电子科技大学出版社，2008.1
[2]傅丰林．模拟电子线路基础[M].西安：
西安电子科技大学出版社，2001.1
[3]江志红．51单片机技术与应用系统开发案列精选[M].北京：
清华大学出版社2008.12
[4]王选民智能仪器原理及设计[M].北京:
清华大学出版社，2008.7
[5]文东孙鹏飞C语言程序设计[M].北京：
中国人民大学出版社，2009.2
[6]说明书，LCD1602液晶完整中文资料
[7]徐进，基于FGPA的PWM机床电力拖动系统的研究[R]．北京：
北京理工大学，2004．
[8]
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