直流电机调速调研报告1

1、大连交通大学2013届本科生毕业设计调研报告调研报告课题研究的背景直流电机是最常见的一种电机，它已经广泛应用于交通、机械、化工、航空等领域中。早期的直流电机控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件复杂，功能单一，而且系统非常不灵活，调试困难，阻碍了直流电机控制技术的发展和应用范围的推广。PWM控制技术是利用半导体器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压目的，或控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压变频目的的一种控制技术。近年来，电气传动的PWM 控制技术已成为电气传动自动控制技术的热点之一。随着近代电力电子技

2、术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，单片机成为了直流电机调速不可或缺的部分之一。单片机具有体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点，而被广泛应用于直流电机调速系统。在实际应用中，电机是把电能转化为机械能的主要设备，因此要求其具有较好的能量转换效率和能够根据生产工艺的要求调整转速。电机调速性能对提高产品质量，提高劳动生产率和节省电能有着决定性的影响。所以，电机调速一直是研究的热点。PWM 直流电动机调压调速系统拥有需用的功率元件少、线路简单、控制方便、开关频率高、低速性能好、稳速精度高及调速范围宽、控制方式多样化、能与数字速度给定信号直接接口等优点，在工厂

3、企业得到广泛的应用，有利于国家工业化的发展。通过学习并熟练掌握这个调速系统，对我们今后的工作有十分重要的意义。国内外电机控制的研究现状及发展从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。国外主要电气公司如瑞典ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用

4、产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有：综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化。随着PWM技术的发展，我国直流电机调速也正向着脉宽调制方向发展。目前我国大部分数字化控制直流调速装置还是依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间，所以国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。课题研究内容及目标单片机控制的PWM直流电机调速系统的主要目标包括：实现对直流电机的加速、减速

5、和正转、反转以及启动、停止的控制，能够很方便地实现电机智能控制。系统的主体电路是直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由AT89S51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等来控制直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转，并且可以调整电机的转速，可以方便地实现直流电机的智能控制。该系统是通过AT89S51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的工作。该单片机控制的PWM直流电机调速系统主要是由以下几个电路模块组成：输入模块：这一部分主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和启动、停止控制。控制模块：主要由AT89S51单片机

6、的外部扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298驱动芯片组成。测速显示模块：通过霍尔传感器CS3020和LED数码显示，实现对直流电机转速的实时显示。研究方案的可行性及实验条件根据直流电机调速的控制要求确定整体的设计方案，完成单片机控制的PWM直流电机调速系统设计。该系统需能实现用软件产生PWM信号，并且通过单片机对信号传输达到对电机的启动和停止，加速和减速，正传和反转的控制；直流电机的转速在LED显示器上正确实时显示。该系统主要由输入设备、单片机、显示器、电机驱动模块和测速元件等部分组成。主要内容具体描述如下：1. 输入设备的选择：与矩阵键盘相比独立键盘结构简单

7、，所以本设计采用独立键盘给单片机输入信号；2. 单片机的选型：MCS-51系列单片机有多种型号，其中AT89S51不仅兼容8051，还具有ISP编程和看门狗功能，这里选用单片机AT89S51作为控制核心；3. 显示部分的设计：LED是单片机应用系统中最常用的输出器件，用LED实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示；4. 电机驱动模块的设计：利用H桥式驱动电路可实现电机的正转，反转，制动的功能，作为集成有桥式电路的电机专用芯片L298在应用领域被广泛使用，而且其性能比较稳定可靠，所以用L298作为电机的驱动芯片。5. 测速元件的选用：测速元件有很多，本设计选用霍尔元件测速，在电机中安装霍尔开关传感

8、器，把速度传送给单片机。基于本次实验，学校已具备输入设备、各种型号的单片机、LED显示器、电机、计算机、以及测速原件。且本人也熟悉各类软件及硬件的使用方法，有信心完成本次实验。课题研究的方法1. 学习PWM相关知识,掌握单片机的应用。2. 设计系统的程序运行框图，掌握原理。3. 学习整流电路，驱动电路，检测电路，显示电路的设计方法和原理。4. 编写网络图，进行上机调试。5.测试系统运行校验测试运行结果。进度安排第 1周查阅相关资料，了解直流电机的调速方法，单片机的发展应用。第 2周完成调研报告。查阅并翻译与本专业相关英文资料。第 3周完成外文翻译内容并提交电子文本。第 4周根据任务要求确定设计

9、方案及系统的组成。第 5周整流电路设计。第 6周PWM驱动电路设计。第 7周检测电路设计。第 8周键盘及显示电路设计。第 9周完成电路的绘制。第10周进行软件设计，给出软件流程图。第11周整理已形成的设计内容，对不足的部分进行补充，完成毕业设计的初稿。第12周完成毕业设计说明书并打印上交。第13周准备答辩内容及预答辩。第14周毕业设计答辩。直流电机的调速方法直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。

10、30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为

11、 (1)式中 Ua电枢供电电压（V）；Ia 电枢电流（A）；励磁磁通（Wb）；Ra电枢回路总电阻（）；CE电势系数，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。由式1可以看出，式中Ua、Ra、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通。单片机的发展及应用单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系

12、统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。高端的32位Soc单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛

13、应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。参

14、考文献1 张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制M北京：机械工业出版社，2012.2 张红莲.交直流调速控制系统M北京：中国电力出版社，2011.3 王志新，罗文广.电机控制技术M北京：机械工业出版社，2011.4 刘刚，王志强，房建成.永磁无刷直流电机控制技术与应用M北京：机械工业出版社，2008.5 谷腰欣司，王益全.直流电动机实际应用技巧M北京：科学出版社，2011.6 薛晓明，楼桦.不同PWM控制策略无刷直流电机转子位置统一检测方法J. 电测与仪表， 2009(03)：20-23.7 韦鲲，胡长生，张仲超.一种新的消除无刷直流电机非导通相续流的PWM调制方式J. 中国电机工程学报，2005(07)：104-108.8 堵杰，孙承波，陈国呈.无刷直流电动机换相过程中续流对电压和电流的影响J. 电工技术杂志，2002(03)：5-8.9 韩新红，华云松，尚亮.基于PWM的直流电机闭环调速系统的设计J. 信息通信，2010(01)：33-35.10 解恩，王璞.一种新颖的直流电机PWM调制方式电机与控制应用J. 电机