【本科优秀毕业设计】红外遥控直流电机速度控制器的设计=黄靖宇

毕业设计（论文）红外遥控直流电机速度控制器的设计摘要随着红外光电器件的大量出现，红外线遥控已广泛应用在家用电器、安全保卫，工业控制以及人们的日常生活等许多领域。本文首先描述了直流电机的结构和工作原理，其次，着重介绍了红外线遥控系统的基本原理，最后，结合本课题的研究方向，详细的阐述了红外遥控直流电机速度控制器的的基本原理，并根据红外发射接收的原理，绘制了电路图。本文编写的主导思想是基于MCS51单片机和所要求的38KHZ红外发射对其直流电机进行控制，这里用38KHZ的晶振与4060相连组成晶体振荡电路来产生38KHZ的方波，同时利用电子电路软件PROTEL对其进行电路设计。本系统以单片机的汇编语言进行软件设计，并力求使程序设计的逻辑关系简洁明了，从而有效地控制直流电机。关键词红外线，直流电机，单片机，PROTEL99，调速ABSTRACTWITHINFRAREDPHOTOELECTRICDEVICESHAVEEMERGED,INFRAREDREMOTECONTROLHASBEENWIDELYUSEDINHOMEAPPLIANCES,SECURITYANDINDUSTRIALCONTROLANDPEOPLESDAILYLIVESANDMANYOTHERFIELDSTHISPAPERFIRSTDESCRIBESTHEDCMOTOROFTHESTRUCTUREANDWORKINGPRINCIPLE,ANDSECONDLY,FOCUSONTHEINFRAREDREMOTECONTROLSYSTEMTOTHEBASICPRINCIPLESFINALLY,THESUBJECTOFRESEARCH,DETAILEDDESCRIPTIONOFTHEINFRAREDREMOTECONTROLDCMOTORSPEEDCONTROLLEROFTHEBASICPRINCIPLES,ANDINACCORDANCEWITHINFRAREDTRANSMITTERRECEIVERTHEORY,DRAWINGACIRCUITDIAGRAMTHISPAPERPREPAREDBYTHEDOMINANTIDEOLOGYISBASEDONTHEMCS51MICROCONTROLLERANDTHEREQUIRED38KHZITSINFRAREDEMISSIONMOTORCONTROL,HEREBRILLIANTTOSHAKE,LINKWITH4060,MAKEUPCRYSTALSHAKECIRCUITCOMESQUAREWAVETOPRODUCE38KHZWITH38KHZ,THEUSEOFELECTRONICCIRCUITPORTALSOFTWAREFORITSCIRCUITDESIGNTHESCMSYSTEMSTOACOMPILATIONOFLANGUAGESOFTWAREDESIGNS,ANDSTRIVETOMAKETHEPROGRAMDESIGNLOGICCONCISE,THEREBYEFFECTIVELYDCMOTORCONTROLKEYWORDSNFRARED,DIRECTCURRENTMACHINE,MONOLITHICINTEGRATEDCIRCUIT,PROTEL99,VELOCITYMODULATION目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题研究的意义和主要内容1111课题研究的意义1112课题主要内容112课题背景1本章小结3第2章直流电机521直流电机的特点和用途5211直流电机的特点5212直流电机的用途522直流电机的结构6221直流电机结构的组成6222直流电机结构详细介绍723直流电机的工作原理8231直流电动机的工作原理8232直流发电机的工作原理924直流电机的铭牌数据及主要系列10241直流电机的铭牌数据10242直流电机的主要系列1025直流电机的运行原理11251直流电机的基本方程式11252直流电机的机电能量变换过程1326直流电机的使用14261起动14262调速14263反转15264制动15本章小结15第3章红外线遥控系统1731红外遥控器信号发射原理简介1732遥控技术及控制原理17321遥控技术17322遥控系统的一般原理1833红外遥控器信号接收芯片外围电路1834频分遥控系统1935码分遥控系统19本章小结20第4章红外线电机控制系统总体设计2141红外线控制电机设计原理21411红外线发射与接受器件介绍21412控制器的设计原理22413红外发射电路模块的设计原理22414红外接收电路模块的设计原理2342红外数据发射接收电路26421红外发射电路设计26422红外接收电路设计2643设计结果27本章小结28结论29参考文献31附录33致谢39第1章绪论11课题研究的意义和主要内容111课题研究的意义单片机自20世纪70年代问世以来，作为微计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已对人类产生了巨大的影响。尤其美国INTEL公司生产的MCS51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性好、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在我国已经得到广泛的应用，在智能仪器仪表、工业检测控制、电力电子、机电一体化等方面取得了瞩目的成果。在高压、辐射、有毒气体等环境下，直接操作生产设备会影响设备操作者的健康，甚至影响设备的成本结构为了保证生产的质量、安全和可靠性，遥控技术得到广泛的应用。红外线遥控具有体积小、方向性好、功耗低、功能强和成本低等特点，因此该控制器是选用红外线遥控技术，并结合单片机，针对电机系统的较远距离现场控制而进行设计、又由于电机调速范围宽，具有迟滞性，受负载影响显著，因此本设计是由单片机完成解码，并控制信号输出，从而较好地实现电机的远离现场调控，同时通过对本文利用单片机强大的控制能力设计了一个单片机控制直流电机的控制系统，这不仅使人们更了解单片机的控制功能，也了解了直流电机的功能和使用和红外线控制的有关特性，这些都为以后的研究和工作打下了很好的基础，也使我学到了更多的知识。112课题主要内容本课题主要是采用8051单片机设计红外线控制电机电路，要求可以用按钮对直流电机进行加速和减速的正反控制，且实时在数码管上显示当前的电机转速。12课题背景电机是现代工农业生产中不可缺少的能量变换装置，电能的产生、输送、分配和使用几乎都离不开它。可以说，电机的发明和应用开创了世界电气化的新时期。自从1812年法拉第发现了利用电磁力将电能转换成机械能的可能性，1831年又发现了将机械能装换成电能的电磁感应定律以后，各种电机相继问世。其中发明最早的是直流电机，当时已应用于照明、化学工业和城市交通运输等方面。随着用电区域和输电距离的扩大，又发明了变压器和同步电机。特别是在十九世纪末，三相同步发电机、三相变压器和三相异步电动机的出现，使得电机工业得到了更为迅速的发展1。进入二十一世纪以后，由于人们对电机理论研究的日益深入，许多新的导磁材料和绝缘材料的采用，冷却方法的改善，电机的单机容量在不断扩大，而同容量电机的外型尺寸和重量却逐渐减小，电机的性能更加提高，许多使用于各种行业和不同环境的电机新品种陆续制成。随着生产过程自动化和遥测遥控技术的发展，各种微型控制电机纷纷出现，并得到了迅速广泛的发展和应用。电机的种类很多，它们的理论分析也日益深入和完善。直流电机是工业上广泛使用的一种电机，它是旋转电机的一种，当作为电动机运行时，由直流电源供电，驱动机械负载旋转；当作为发电机运行时，由原动机驱动，供电给各种需用直流的用电装置。微型直流电机常作为自动控制装置中的元件，进行机、电信号的转换。直流发电机主要作为工业部门所需要的直流电源，曾得到长期和普遍的应用。近年来，随着电子工业的发展，用可控硅整流电源来代替直流发电机已日益广泛。但是在无交流输电网络供电而需要直流电源以及如真空冶炼等特殊需要直流供电的场合，直流电机仍然是必需的。直流电动机是拖动生产机械的一种动力设备，与交流电动机相比较，它具有良好的起动性能和调速性能，因此获得广泛的使用，并且在不断发展。随着国民经济和国防建设的发展，工业生产自动化程度的不断提高，要求直流电动机具有更高的动态特性，较大的过载能力，更宽的调速范围，较低的转动惯量,不断提高产品的可靠性,耐用性和主要技术经济指标在某些场合则要求提高大型直流电机的单机功率要求发展更多能适应特种用途和在特殊环境条件下使用的专用直流电机2。由于直流电机的生产不断发展，对直流电机的要求日益提高，在直流电机设计方面应该积极开展的工作是多方面的。如结合新技术、新工艺、新材料的发展，不断改进电机的结构；提高产品的系列化、部件的通用化和零件的标准化程度；扩大电子计算机在设计上的应用；进一步对直流电机的电磁场、换向、通风散热和振动噪声等问题的研究等。本章小结本章主要介绍了课题研究的背景和意义以及研究的主要内容和需要做的工作。其中，对直流电机的发展做了概述，还对单片机做了简要的介绍，并且对在设计中所需要的软件进行了了解，使我们掌握了一种画图工具和仿真工具的使用及他们的特点，对以后的工作有很大的帮助。本章的目的就是让大家对本课题有一个简单的认识。第2章直流电机21直流电机的特点和用途211直流电机的特点和其他旋转电机一样，一般的直流电机在结构上具有旋转部分和静止部分；在作用原理上实行机电能量的转换；在性能上使发电机的电压或电动机的转速能满足使用要求。除此之外，直流电机还有其他特点。直流电机在结构上的特点是具有旋转的电枢和换向器；旋转的换向器和静止的电刷装置间构成滑动接触，使外电路和电枢绕组相连通；磁极是静止的，它所产生的磁场是稳定的。直流电机的磁极可以用具有励磁绕组的铁心做成，也可以用永久磁钢做成，前者用于一般的直流电机，后者常用于控制用直流电机或特种直流电机。励磁绕组有并励绕组和串励绕组两类，根据他们的不同联接情况可以形成他励、并励、串励、复励四种不同的励磁方式。不同的励磁方式使直流电机具有不同的特性，可以适应不同的用途。直流电机的大小一般按电枢直径尺寸来划分电枢直径小于或等于368毫米的，通称为小型直流电机；电枢直径大于368毫米而又小于或等于990毫米的，通称为中型直流电机；电枢直径大于990毫米的，通称为大型直流电机。直流电动机在性能方面的特点是能够在宽广范围内平滑而又方便的无级调速；可实现频繁的快速起动、制动和反转；具有较高的过载能力，能够承受频繁的冲击负载；能适应生产过程自动化的要求，根据不同设备的需要而制造出满足其特殊要求的运行特性。直流发电机在性能方面的特点是输出电压易于调节或控制；能够满足不同控制系统所要求的电源特性；具有较大的过载能力4。212直流电机的用途直流电机广泛应用于矿山机械、冶金、轧钢、起重、船舶、电传动机车、机床、纺织、印染、造纸、印刷、水泥和化工等工业设备中需要宽广调速的动力系统和自动化控制系统。直流发电机常作为直流供电电源和同步电机的励磁机等。具体来说，他励或并励电动机用于起动转速不大的恒速负载或要求调速的传动系统，如离心泵、风扇、金属切削机床、纺织印染机械、造纸机和印刷机等。复励电动机用于起动转矩较大而转速变化不大的负载，如空气压缩机和冶金辅助传动机械等。串励电动机用于高起动转矩转速允许有较大变化的负载，如蓄电池供电车、起货机、起锚机、电车、电传动机等。他励发电机常用于电动机发电机电动机系统中，实现直流电动机的宽广调速。并励发电机常作为充电、冶炼、电解、电镀等用的直流电源。积复励发电机作为电压变化较小的一般直流供电电源5。22直流电机的结构221直流电机结构的组成（1）直流电机结构的主要组成部分有1、子部分包括机座、主磁极、换向极和补偿绕组等；2、枢部分包括电枢铁心、电枢绕组和换向器等；3、刷装置部分包括电刷、刷握、刷杆和导电环等；4、械支撑部分包括转轴、端盖、轴承和底板等；5、风和防护装置部分包括风扇或风机、冷却器、过滤器、防护端罩和档风板等。这些零部件要能承受电机的机械负载（包括冲击性负载、电磁力和振动等）、电磁负载（包括过电压和过电流等）和热负载。有些零部件尺寸要经过计算后才能确定，有些则根据实践经验选取。合理的结构可以提高电机运行的可靠性和便于维护。各种直流电机的结构是基本相似的，但也随功率大小、转速高低、冷却方式、防护类型、运行特性、安装型式与运输要求等因素有所差异。（2）常见的大、中、小型直流电机在结构上的某些主要差别是1、通风冷却方式中小型电机一般采用自冷或自扇式通风而大型电机普遍采用强制循环通风或直通式通风；2、座结构方面中小型电机常用铸钢、钢板焊接或叠片整体结构机座；而大型电机用铸钢、钢板焊接或叠片式分半结构机座；3、枢铁心结构方面中小型电机用整圆冲片、叠片铁心直接套装在滚花或带键的轴上，部分中型电机采用整圆冲片叠装在电枢支架上；大型电机用扇形电枢冲片拼合成圆，冲片与支架之间用切向和径向楔键或鸽尾筋固定；4、承型式方面小型电机常用滚动轴承；大中型电机用座式滑动轴承。对载荷较大的滑动轴承，采用油盘式带油润滑和高压油泵顶起装置；5、向器方面小型电机常采用塑料换向器、铆接式换向器或螺帽紧固式换向器，换向器直接套装在轴上；大型电机采用长螺杆紧固的拱式换向器或分段换向器，换向器悬挂地固定在电枢支架上；6、电刷装置方面小型电机的电刷装置固定在端盖上，刷握一般用直刷盒；部分中型电机及大型电机的刷握形式有直刷盒、斜刷盒；大型电机的电刷装置为分半结构，固定于定子机座或独立的支架上7、与原动机或传动机械的连接方式小型电机一般采用弹性联接；大型电机采用刚性连接。222直流电机结构详细介绍2221定子结构定子结构直流电机定子的作用是用来产生磁场，并作为机械的支撑。它主要由机座、主磁极铁心盒线圈、换向极铁心盒线圈、补偿绕组、定子引线电缆等零部件组成。（1）机座直流电机的机座是磁路的组成部分，也是固定主磁极、换向极、端盖等零部件的支撑件。它一般由导磁性较好的铸钢或钢板焊接构成。机座壁厚主要取决于磁通密度的大小，同时也应有足够的刚度，使电机运行时不产生有害的变形和振动。（2）主磁极主磁极的作用是产生主磁通，它由铁心、线圈、磁极压板、极身绝缘和紧固件组成。主磁极一般是用螺栓固定在机座上。主磁极铁心的紧固按铁心的长短分别用焊接、铆接和螺杆紧固三种方法。主磁极励磁绕组有并励和串励两种，绕组的安排和布置应考虑到有利于绕组的通风冷却和有效地利用定子空间。（3）换向极换向极用以改善换向，它装在相邻主磁极间地几何中心线上，由换向极铁心和换向极线圈组成，用螺杆固定在机座上。（4）补偿绕组它用来抵消主磁极极弧范围内的交轴电枢反应磁动势，以改善电机的换向性能。补偿绕组均匀分布在主磁极极靴的槽内，其基本结构形式有菱形、同心式和条式三种。2222电枢直流电机的电枢是旋转部件，用以实现机电能量转换。它主要由轴、电枢铁心、电枢支架、电枢绕组、换向器和风扇等零部件组成（1）轴转轴的作用是担负电枢的全部重量和传递转矩。因此在电机运转时，它将受扭矩、弯矩、单向磁拉力、轴向推力以及扭振时所产生的交变力矩。轴的结构和材料选取要保证有足够的强度和刚度。（2）电枢铁心电枢铁心是电机磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑件。它由05毫米厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成，以减少其磁滞和涡流损耗。（3）电枢支架电枢支架是电枢铁心的支撑件，能减轻电枢重量和有利于电枢的通风冷却。（4）电枢绕组电枢绕组是用来感应电动势和通过电流，实现能量转换。它通常由圆形和矩形截面的铜线绕成。（5）换向器换向器是直流电机的重要部件，它和电枢绕组相连接，并与电刷间保持滑动接触。它的作用是将电枢绕组中感应的交流电动势经过电刷变为直流电动势，或把外电路通过电刷的直流电流转换成电枢绕组中所需要的交流电流。换向器是由梯形截面的铜排和绝缘材料等紧固而成。2223电刷装置电刷装置是直流电机的主要导电部分，它和旋转的换向器之间保持滑动接触，使电枢绕组和外电路相连。2224轴承装置轴承的作用是支持电枢的重量和其他的作用力，并使电枢能灵活转动。2225端盖端盖是保护电机内部和构成风路的一个部件，它一般用铸铁做成。23直流电机的工作原理231直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理是建立在皮萨电磁力定律的基础上。下面介绍一下皮萨电磁力定律。根据实验可知，若磁场与载流导体互相垂直，则作用在导体上的电磁力应为FBIL式中B为磁场的磁感应强度（韦每平方米）；I为导体中的电流（安）；L为导体的有效长度（米）。算出来的电磁力单位是牛。力的方向用左手定则决定。由于绝大多数的电动机都须作连续的旋转运动，因此必须使载流导体在磁场中所受到的电磁力，形成一种方向不变的转矩。有一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可以是永久磁铁），两极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈，上线圈边长为A，下线圈边长为X（下面把装有线圈的铁质圆柱体成为电枢）。当线圈中通入直流电流时，线圈边A和X上均受到电磁力，根据左手定则决定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈边A和X的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时的加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置。换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的电刷AB接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边流入，使线圈边只要处于磁极地北极下，其中通过电流地方向总是由电刷流入地方向，而在南极下时总是从电刷B流出地方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样使电动机能连续的旋转。这就是直流电动机的工作原理6。232直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电势，靠换向器的换向作用，从电刷端引出时变为直流电势的原理。电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢逆时针方向转动，线圈边AB和CD就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而感应出电势，电势方向按右手定则决定。由于电枢连续的旋转线圈边交替的切割磁极下的磁力线。每个线圈边和整个线圈中的感应电势的方向是交变的，线圈内的感应电势是交流电势，而在电刷的电势为直流电势。因为在电枢转动过程中，无论电枢转到什么位置，由于换向器的换向作用，电刷A通过换向片所引出的电势始终是切割S极磁力线的线圈边中的电势，因此电刷A始终有正极性。同样道理，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的，但大小变化的脉很电势。如每极下的线圈数增多，就可获得直流电势。这就是直流发电机的工作原理。同时也说明了直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。从上述基本电磁情况来看，一台直流电机即可作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界的条件不同而已。在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入，电机既可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为电动机；如果原动机拖动直流电机的电枢这个可转动部件，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电势作为直流电源，可输送出电能，电机将机械能变换成电能而成为发电机。这种同一台电机，能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。24直流电机的铭牌数据及主要系列241直流电机的铭牌数据每台直流电机的机座上都有一个铭牌。上面标注着一些叫做额定值的铭牌数据。额定值是电机制造厂对电机正常运行时，对有关的电量或机械量所规定的数据。若电机运行时，这些电量和机械量都符合额定值，这样的电机运行情况称为额定工况。在额定工况下运行，可以保证电机正常的工作，并且具有良好的性能。直流电机的额定值有额定功率，额定电压，额定电流，额定转速，额定励磁电压，额定励磁电流和励磁方式等。直流电动机的额定功率是指输出的机械功率，它等于额定电压和额定电流的乘积，再乘以电动机的效率。直流发电机的额定功率是指电机出线端输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。242直流电机的主要系列为了产品的标准化和通用化，电机制造厂生产的产品有很多是系列电机。所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水平、生产工艺等方面有共同性，功率按一定比例系数递增，并成批生产的一系列电机。我国直流电机的主要系列简单介绍如下Z2系列为一般用途的小型直流电机系列，型号涵义是“Z”表示“直流”，“2”表示“第二次改型设计”。Z2系列的电动机使用于恒速或调速范围不大于14的电力拖动系统中。Z2系列的发电机可作照明、动力电源或其他恒压供电之用。系列容量为04200千瓦。电动机的电压为110、220伏，转速为600、750、1000、1500、3000转/分。发电机的电压为115、230伏，转速为960、1450、2850转/分。Z和ZF系列为一般用途的中大型直流电机系列。“Z”为直流电动机型号；“ZF”为直流发电机型号。本系列中，中型直流电动机用于拖动轧延机床的辅助机构，和其他需要广泛变速的中型和大型的金属切削机床，挖土机、造纸机及卷扬机等。ZZJ系列这个系列是专供起重冶金工业用的专用直流电动机。它们具有快速起动和承受较大过载倍数的特性。还有其它各种型号的直流电机。各种型号直流电机的详细规格，技术指标等可查阅产品目录或电机工程手册。25直流电机的运行原理直流电机是拖动系统中进行机电能量变换的元件，必须了解直流电机的内部规律，才能掌握其性能而有效的使用直流电机。本节以电动机为主要研究对象，在学习了直流电机的工作原理和结构，并具备了关于直流电机电枢电路和磁场的一些理性知识的基础上进行深入分析直流电机负载时的电磁过程，以及所表现的特性，为学习后续内容提供必要的基础知识。251直流电机的基本方程式直流电机的基本方程式是指直流电机的电系统中的电势平衡方程式，和机械系统中的转矩平衡方程式。这两种方程式综合了电机内部的电磁过程，以及表达了电机外部的运行特性。下面分别讨论这两种基本方程式。1、电势平衡方程式直流电机运行时，就某磁场的激励情况而言，是一种定子和转子双方励磁的电磁系统。前已指出，由于电刷与换向器的作用，电枢电流产生的电枢磁势方向与励磁磁势方向始终互相垂直，这说明电枢绕组的轴线励磁绕组的轴线互相垂直，所以励磁磁势与电枢绕组之间不存在交链作用，但是电枢绕组又在切割励磁电流产生的磁场，即两者之间存在相对运动。这说明励磁回路与电枢回路之间一方面不存在互感作用，另一方面转动的电枢回路切割气隙磁场，则在其中存在一种由旋转而感应的电势，这个电势就是电枢绕组的支路电势E。考虑到直流电机这种特殊关系不计AFGI电机磁路的饱和效应，将这两个电路中的一些参数均视为常数，若电磁量和机械量均为时间函数，根据基尔霍夫定律，可列出并励电动机的电枢回路与励磁回路的瞬态的电势平衡方程式如下（21）AUAFADITUTGITRITL（22）FFFTITTAFTT式中电源电压；U电枢绕组上的端电压；AT励磁绕组上的端电压；F电枢电流；IT励磁电流；F电枢电路的电阻；AR励磁回路的电阻；F励磁回路的自感系数；L电枢回路的自感系数；A电动机的机械角速度。T若电机稳态运行，则电路中的电磁量与机械量不是时间的函数，式21和22变为（23）AFAAUGIREI（2FI4）若电机作发电机运行，因感应电势不是反电势性质，在电机里发生电磁功率而不是吸收电磁功率，电枢电流方向与感应电势的方向相同，则发电机的瞬态的电势平衡方程式为（2AAAFADITUTGITRITL5）（2FFFTITT6）稳态的电势平衡方程式则为（2AAEURI7）（2FFURI8）2、转矩平衡方程式根据力学中的牛顿定律，在直流电机的机械系统中，任何瞬间必须保持转矩平衡。在电动机中电磁转矩M是拖动性质的，它必须与轴上机械负载转矩或称阻转矩及惯性转矩相平衡。列出电动机的瞬态的转矩平JDT衡方程式如下（220TTTJDT9）如电动机以恒定角速度转动，则，且电磁转矩与机械0JT负载转矩不是时间的函数，得出电动机稳态的转矩平衡方程式为（220M10）在发电机中，原动机的拖动转矩为，其瞬态及稳态的转矩平衡1T方程式则为（210DTTTJT11）（2M12）252直流电机的机电能量变换过程在直流电机中，实现机电能量变换是我们是用直流电机的目的，这也是直流电机在机电系统中之所以成为一种重要元件的原因。在电机内部的能量变换过程中，包含了四种能量形式电能、机械能、磁场储能和热能。根据能量守恒原理，这些能量之间具有以下关系，由电源输入的电能磁场储能的增加变为热能的能量损耗机械能输出对电动机来说，式中电能和机械能均为正值，对发电机来说，均为负值。在能量变换过程中，必然会引起损耗，这些损耗将变为热能。变换为热能的能量主要包括三部分一部分由消耗在导体电阻中的电能变换而来另一部分由消耗于摩擦损耗和通风损耗的机械能变换而来还有一部分是由耦合磁场所吸收的消耗于铁芯的损耗的能量变换而来。如果把上述三种能量损耗各自归并到对应的电能，机械能和磁场能量中，可得下列平衡方程式，电源输入的电能减去电阻种能量损耗磁场中能量的增加加上铁芯中损耗的能输出的机械能加上通风、摩擦损耗的能量）直流电机在稳态运行时，其气隙磁场不变，磁场的能量不增加，因此磁场并未直接参加能量变换，而仅起媒介作用。26直流电机的使用下面以他励直流电动机为例来进一步讨论直流电机在使用时经常遇到的起动、调速、反转和制动等问题。261起动电动机工作时，转子总是从静止状态开始转动起来最后达到稳定的运转的。由静止状态到稳定状态这段过程称为起动过程。起动瞬间的电枢电流称为起动电流，起动瞬间的电磁转矩称为起动转矩。对于任何一种电动机来说。再起动时都有下列两个基本要求第一，有足够大的起动转矩。因为只有当起动转矩大于负载的反抗转矩时，电动机才能改变原来的静止状态，带动生产机械运转。起动转矩大，起动过程所需要的时间就短。第二，动电流不要超过安全范围。如前所述，在直流电动机中，因受换向的限制，电枢电流不能超过额定电流的1525倍。因此，起动转矩和起动电流时表示电动机起动性能好坏的两个指标。起动转矩大，起动电流小，电动机的起动性能就好。262调速调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机地转速。这是生产机械经常向电动机提出地重要要求。调速性能地好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。电动机调速的性能和特点通常用下列指标来描述1、调速范围2、调速的平滑性3、调速的经济性4、调速的稳定性5、调速方向6、调速时的允许负载263反转所谓反转就是指改变电动机的旋转方向，其关键在于如何改变电动机电磁转矩的方向。如前所述，电磁转矩的方向是由主磁极磁通的方向和电枢电流的方向决定的，两者之中任意改变一个就可以改变电磁转矩的方向具体方法1、磁励绕组接到电源去的两根导线对调，也就是改变磁励电压的极性2、将电枢绕组接到电源取得两根导线对调，也就是改变电枢电压极性264制动很多生产机械不仅希望电动机能很快起动起来，还希望很快停止。这样有利于缩短辅助工时，提高工作效率和安全操作。可是在电动机断电后自由停车时，由于转子及其拖动的机械负载的惯性，往往需要较长的时间才能停下来。为了解决要求电动机迅速停车的矛盾，就需要对电动机进行制动，强迫立即停车。为了对电动机进行制动，就必须在电动机停车的顺间，在其轴上加上一个和原来转向相反的制动转矩。其中最广泛使用的一种制动方法是能耗制动，在制动过程中，实际上是将转子及其拖动的生产机械的动能转变成电能消耗在制动电阻上。本章小结本章对直流电机的结构、特点、用途、工作原理、运行原理和使用方法都做了详细的介绍，使我们对直流电机有了更深刻的了解，也为系统的设计提供了理论知识。第3章红外线遥控系统31红外遥控器信号发射原理简介通用红外发射器由指令键、指令信号产生电路、调制电路、驱动电路以及红外发射器组成见图1。图1红外遥控发射原理图遥控器所产生的脉冲编码的格式一般为引导脉冲头识别码用户码键码键码的反码。其引导脉冲为宽度为10MS左右的一个高脉冲和一个低脉冲的组合，用来是标识指令码的开始。识别码、键码、键码的反码均为数据编码脉冲，用二进制数表示。“0”和“1”均由毫秒量级的高低脉冲的组合代表。识别码即用户码是对每个遥控系统的标识。通过对识别码的检验，每个遥控器只能控制一个设备动作，有效的防止多个设备之间的串扰。当指令键按下时，指令信号产生电路便产生脉冲编码。键码后面一般还要有键码的反码，用来检验键码接收的正确性，防止误动作，增强系统的可靠性。这些指令信号由调制电路调制成3240KHZ的信号，经调制后输出，最后由驱动电路驱动红外发射器件发出红外遥控信号14。32遥控技术及控制原理321遥控技术遥控技术是指实现对被控目标的远距离控制。按控制指令的传输过程来分,遥控可分为有线遥控和无线遥控两大类。有线遥控是指利用金属导线、光导纤维等传导导体作为传输媒体,实现对被控目标的控制。无线遥控则是指利用无线电波、红外线、超声波等作为载体,不用导线,而在空间传输,实现对被控目标的控制。322遥控系统的一般原理遥控系统一般由发射器和接收器两部分组成。发射器一般由指令键、指令键指令信号产生调制驱动红外发射指令编码电路、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。如图21A所示,当按下时,指令编码电路产生相应的指令编码信号,编码指令信号对载体进行调制,再由驱动电路进行功率放大之后由发射电路向外发射经过调制的指令编码信号。接收器一般由接收电路、放大电路、解调电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路等几部分组成。如图21B所示,接收电路将发射器发射的已调制的编码指令信号接收下来,并进行放大后送解调电路。解调电路将已调制的编码信号解调下来,即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码,最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制。33红外遥控器信号接收芯片外围电路接收电路可以使用集成红外接收器成品。一般不需要任何外接元件就能完成从红外接收到输出1TTL电平兼容信号的所有工作。注意选择接收器件时要保证接收器件的中心频率与发射信号的中心频率相匹配。接收器对外只有3个引脚、GND和1个脉冲信号输出OUT。与单片机接口CV非常方便见图2。图2红外遥控信号接受芯片外围电路VCOUTIO/NTGNDGND5VCPU脉冲信号输出接CPU的普通输入引脚或中断输入引脚IOINT。采取这种连接方法，软件解码既可工作于查询方式，也可工作于中断方式。在实际应用中，还可以进一步增加抑制干扰电路和提高驱动能力电路，增强系统的稳定性15。34频分遥控系统频分制红外线遥控就是指令信号产生电路以不同频率的电信号代表不同的控制指令。当不同的指令键被按下时，指令信号产生电路就产生不同频率的指令信号。接收器中指令信号检出电路就是对应发射器的不同指令信号频率的频率选择电路，简称选频电路。对应每一个指令，就要有个选频电路。红外发射、接收器件发射与接收的是波长为的近红08M94外光，频分制遥控电路中指令信号的频率一般为几百HZ一几十KHZ，由于采用这种频分制遥控方式时红外光具有较强的抗干扰能力，因此，一般情况下，频分制红外遥控的发射器中不用调制电路，不同频率的指令信号直接加至驱动电路，驱动红外发射器件发射不同频率的近红外光信号。当然，接收器中的解调电路也就不需要了。这样一来，电路得到简化，成本随之降低。当然，遥控系统的调制与解调电路也可保留，这对于提高电路抗干扰能力有好处，不过电路复杂一些，成本高一些。频分制红外线遥控电路原理简单，易于组装，是一种应用较广的红外遥控系统。但由于每有一个指令信号，接收电路就要有一个选频电路相对应，当系统的通道数较多时，电路将会变得非常复杂和庞大，且各通道间可能会产生串路干扰，因此，当通道数目较多时，一般采用码分制红外遥控电路16。35码分遥控系统码分制红外遥控电路就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码不同的脉冲数目及组合代表不同的指令。当不同的指令键被按下时，指令信号产生电路将产生不同脉冲编码的指令信号，也就是进行编码，然后经调制电路调制，变为编码脉冲调制信号，再由驱动电路驱动红外发射器件发射红外光信号。接收器接收下来的信号经过前置放大后，送入解调电路，对调制信号进行解调，再经指令信号检出电路检出指令信号。这里的指令信号检出电路就是与发射器中编码电路相对应的译码电路，它将指令信号译出。由上述可见，红外线遥控系统中的指令信号产生及检出电路，在频分制系统中由多频振荡电路及频率选择电路构成，在码分制系统中则由编码电路及译码电路构成。这是频分制与码分制红外遥控系统约主要区别。另外、在频分制中调制与解调电路可以省去，而在码分制中，就不可省去。这是因为码分制系统编码脉冲的频率极低，为超低额，如果不用调制与解调电路，外界突然的光线变化可能会对接收电路造成干扰，产生误动作，系统的抗干扰能力及可靠性就难以保证17。本章小结红外线遥控系统就是指利用红外线来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制的目的；具体来讲，就是由发射器发出红外线指令信号，由接收器接收信号并对信号进行处理，最后实现对对象的各种功能的远距离控制。同时本章还介绍了频分制与码分制的红外遥控系统。第4章红外线电机控制系统总体设计41红外线控制电机设计原理411红外线发射与接受器件介绍红外发光二极管是只有一个PN结的半导体器件，它与普通发光二极管如红、绿、黄、发光二极管结构原理与制作工艺基本相同，只是所用的材料不同。制造红外发光二极管材料有砷化镓、砷铝化镓等，其中应用最多的是砷化镓。在一块砷化镓半导体上，采用半导体渗杂工艺使其部分为P型半导体，另一部分为N型半导体。在P型和N型半导体交界面就形成半导体PN结。P区多数载流子为空穴，少数载流子为空穴，并且具有一定的内电场。当给这个PN结加上正向电压时P区接正电压，N区接负电压，在外加电压的作用下。内电场被抵消。这样，N区的多数载流子电子在外电场的作用下注入P区，同时，P区的多数载流子空穴在外电场的作用下注入N区。实际上，外加正向电压作用就是加强了多数载流子的扩散运动。这些注入P区的电子和注入N区的空穴，对于注入区来讲都是非平衡少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与注入区的多数载流子复合，将原来从外加电场吸收的能量以光子的形式释放，从而发出光来。这种发光过程叫辐射复合。这与导带中的电子到价带上与空穴复合一样，要释放出禁带宽度大小的能量，这种能量的释放是以发光的形式来进行的。这就是PN结GE发光的基本原理18。红外发光二极管一船采用环氧树脂、玻璃、塑料等透明材料封装，除白色透明材料封装外，还可见到用蓝色透明材料封装的发光二极管。红外发光二极管技发光功率的大小，可分为小功率几MW、中功率几十MW、大功率几百MW三种。另外，红外发光二极管除了顶面发光型，还有侧面发光型。小功率管一般采用全塑封装，也有部分是采用陶瓷底座，顶端用玻璃或环氧树脂透镜封装的冲大功率管一般采用带螺纹金属底座，以便安装散热片。随着发光功率的提高，相应的管子的体积也增大。412控制器的设计原理根据电机调速和控制的特点，该控制器在原理上由两部分组成，即红外线发射电路和红外线接收电路。在发射电路中，每一键对应一红外线信号，并由编码电路编码。当操作该按键后，该编码被红外线发射管发射。接收电路的红外线接收管收到该编码信号后，经放大电路传输给单片机，红外线译码由单片机完成。单片机根据接收电路收到的信息，通过软件完成译码，并根据代表的信息，执行相应功能，完成电机状态调节。在正常运行状态，没有控制信号时，系统保持状态不变。该接口电路只具有暂时记忆功能。停车或停电后，再启动时速度为零，需重新确定状态。这样，适于一般电机系统，有利于电机保护和生产安全。当然，记忆性可以根据实际情况改变。另外，为了避免发射时造成互相干扰，通常采用了异步单工的通信方式，即只由通信的一方发送，另一方只负责接收。一般红外接收模块的接收载波中心频率是38KHZ，在红外传输过程中采用的是负逻辑。即有红外线表示逻辑0，无红外线表示逻辑1。所以本接收电路的接收信号是经过反相后在送入单片机进行解码。而红外接收头在不接收时为低电平，接收到红外信号时表现为高电平19。在本系统中，采用红外发射，接收电路，其数据传输距离是比较近的。413红外发射电路模块的设计原理发射电路的组成主要有控制键电路，编码电路和晶体振荡电路等。编码电路选用8051单片机。控制键电路根据电机的功能控制的需要，设置了正转、反转等按键。考虑到本论文所用的元件都是常用的电子元器件，所以应当本着方便、简洁、实用的原则进行设计。首先，由于8051单片机的内部有时钟脉冲电路，所以要外接一个晶振来提供它的工作脉冲，通常采用12MHZ的晶振，一般的晶振振荡电路有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15P或125P，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个30P的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。为了达到利用红外线发射的目的，其次应当了解红外线的一些基本特点，要实现信号的发射，必须有脉冲信号源，本论文设计的是通过手控制按键来产生单个脉冲信号。为了产生脉冲信号，应当设计一个晶体振荡和分频电路，可以利用内含非门电路的集成芯片4060外加石英晶体的方法构成晶体振荡器。4060是16脚双列直插式CMOS集成电路，内含6级反向器、一级施密特反向器和14级串行2分频电路，其中Q4Q10和Q12Q14共10个引脚有输出端。最大分频比是1/16384。11脚是时钟输入端CLOCKIN，12脚是复位端RESET。这两个信号与各级分频输出之间的关系见下表表414060真值表CLOCKINRESETOUTPUT上升沿0不变下降沿0计数分频X1全零资料来源根据相关资料整理这里用38KHZ的晶振与4060相连组成晶体振荡电路，要想将调制信号发射出去，这就需要加发光二极管LED，我们知道发光二极管有一定的功率，这样还需要将信号的功率调整到二极管的工作范围，我们加上三极管用来对信号进行放大，这里考虑到三极管有导通电流的限制，应当在三极管前加一个限流电阻。通过这样的设计大体实现了红外信号的发射，其中各个芯片的工作电压均为5V，同时在电路设计图上加一个接口，以便接入电源和地线，这样就设计好了一个红外发射模块。414红外接收电路模块的设计原理4141受限单极性驱动可逆PWM系统的控制原理图41是受限单极可逆PWM驱动系统。在要求电动机正转时，开关管受PWM控制信号控制，开关管施加高电平使其常开；开关管，1V4V2V施加低电平，使它们全都截止。3在要求电动机反转时，开关管受PWM控制信号控制，开关管施3加高电平使其常开；开关管，施加低电平，使它们全都截止。14下面以电动机在正转的情况为例，介绍这种控制的特点。当要求电动机正转时，在每个PWM周期的区间，导通，电流10T1V沿D1经过电机，在流向D4，电动机工作在电动转态。在每个PWM周期的区间，截止，电流在自感电动势的作用下，经过和D2形成续12T1V4流回路，电动机继续工作在电动状态。当要求电动机制动时，PWM控制信号的占空比减少，使电枢两端的平均电压小于反电动势。在反电动势的作用下，电流的路线应该从电动机左面出发，经和D4到电动机的右面来产生制动转矩，但是由于处于2V2V截至状态，使耗能制动电流通路受到限制，所谓“受阻”因此而得名。图41受限单极可逆PWM驱动系统4142红外接收设计原理红外接收电路应当和发射电路相对应。为了接收来自发射端的红外信号，接收端应有一个一体化的红外接收头，用于接收光信号，同时将其转化为电信号。这里多用的接收头是三引脚的一体化接收头，一端接高电平，一端接地，一端接入单片机的输入端。利用它来直接接收红外信号，并实现对信号的放大，解调，再反相后输入单片机8051进行解码。单片机所用的是新型的8051单片机，用它的INT1输入由接收头解调后的电信号，用它的P1口作为电信号的输出，P1口的特点是它是一个内部提供上拉电阻的8位I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。8051芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接，这在红外发射电路里已经做了介绍。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率为12MHZ，其接收频率为38KHZ，它直接将38KHZ的调制信号解调为基带信号，提供给接收CPU。该芯片接收灵敏度高，性能稳定。其基本工作过程为当接收到38KHZ信号时，输出低电平，否则输出为高电平。考虑到它的安全性我们再在晶振的两端各接一个30PF的电容再接地，其工作特点是利用单片机上电复位后，首先对其内部定时器、串行口初始化，并开发串行口中断。然后检测P3口，进入自学习状态P3口有一引脚输入为低电平并维持1S以上时，用定时器及软件计数的方法，测量INT1引脚上输入高、低电平的宽度。INT1引脚平时为高电平，当接收到红外遥控信号时，由于一体化红外接收头的反向作用，INT1引脚下跳至低电平，此为引导码。将测得的高低电平的宽度保存在存储器中，并将每次测得的低电平的宽度与引导码低电平宽度比较，若相等则识别为遥控命令码、存储后结束。再次检测P3口，若为低电平并维持1S以上，为退出自学习状态。利用P1和P0口做电信号的8位输出口，输出的数据通过74LS48BCD7段译码器/驱动器驱动数码管显示数据。这样就利用接收头接收到了来自发射端的信号，实现了红外接收电路的基本特点。通过这样的设计正好可以做成红外接收模块，它的基本工作原理符合预期的要求。根据红外遥控信号的编码和发射的过程，所产生的遥控信号的识别即解码过程是除去38KHZ载波信号并识别出二进制脉冲信号中的0和1。由一体化的接收头负责接收信号并解调，将调制在38KHZ载波上的红外脉冲信号解调并反相后输入8051单片机，由单片机进行高电平和低电平宽度的测量，单片机的工作频率可通过外接12MHZ的晶振来提供，通过单片机程序的解码将电信号送入数码管显示出数据。用来和发射端的原始数据进行对比。这就是接收电路的基本工作原理。42红外数据发射接收电路421红外发射电路设计红外发电路的主要工作原理就是实现数据的发射，其发射电路的主要电路图设计如下图42发射电路图发射电路的基本工作原理是通过按键电路输入要发射的控制数字，在通过编码电路进行编码，采用38KHZ的载波，主要是通过红外发射二极管进行发射。所有红外遥控器的输出都是用编码后串行数据对3840KHZ的方波进行脉冲幅度调制而产生的。用遥控脉冲信号调制38KHZ方波，然后将已调波放大，驱动红外发光二极管，就可以得到遥发射信号。调制可用一个与门实现，38KHZ方波可用4060芯片的晶振产生，发射部分的程序相对来说非常简单，主要是生产不同时间间隔的38KHZ脉冲串信号控制发射管的通断。一旦发现有键按下，即将相应的数值发送出。422红外接收电路