毕业设计-直流电机控制设计 - 图文(2)

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。

I T1 U T2 T0 Ea ra Φ Rc

n 说明: U ??????> 电压 Ea ??? >电枢电动势 n ???????>转速 I??????>电枢电流 ra ??? >电枢回路电阻 Rc??? >外在电枢电阻 T1，T2???>负载转矩 T0???? > 空载转矩 Φ??????> 磁通量 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。[11]

（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。

t1Tt2最大值Vmax图1-2 施加在电枢两端的脉动电压

图1.3 PWM调速原理图平均值Vd最小值Vmin 第 2 页

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。

1.3 PWM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：[9]

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。

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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。

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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。其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：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。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。

2.2 直流电机控制系统总体设计框图

系统组成：直流电机PWM调速方案如图2-1所示：

方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。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，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示。[5]

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直流电机P0口驱动模块直流电机AT89C51单片机AT89C51P2口LCD液晶显示P1口加速控制端减速控制端正转控制端反转控制端停止控制端 图2-1 直流电机PWM调速方案 2.3 各电路模块原理 2.3.1 AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—

Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。[7]其引脚如图2-2所示。

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