直流电机的PWM调速系统设计
（申请工程硕士学位论文） 直流电动机控制系统的设计 培养单位 ：自动化学院 工程领域 ：控制工程 研究生 ：蒋理剑 指导教师 ：陈静 教 授 副指导教师 ：陈凯 高级工程师
2012年11月
直
流
电
动
机
控
制
系
统
的
设
计
蒋
理
剑
武
汉
理
工
大
学
独创性声明
本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名：日期：
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（保密的论文在解密后应遵守此规定）
签名：导师签名：日期：
分类号
密 级 U D C 学校代码 10497
学 位 论 文
题 目 直流电动机控制系统的设计 英 文
题 目 Design of Control System for DC Motor 研究生姓名 蒋理剑 姓 名 陈静 职称 教授 学位 博士
单位名称 武汉理工大学 邮 编 430070
姓 名 陈凯 职 称 高级工程师 单位名称 丽水学院 邮 编 323000
申请学位级别 工程硕士 学科专业名称 控制工程 论文提交日期 2012年11月 论文答辩日期 2012年11月 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 陈伟 教授 评阅人 陈伟 教授
岳锐 高级工程师
2012年11月
指导教师 副指导教师
摘要
直流电动机虽不像交流电动机那样结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠、但由于交流电动机的调速问题长期未能得到满意的解决，因此在过去一段时间内，直流电动机显示出交流电动机所不能比拟的良好启动性能和调速性能。目前，虽然交流电动机的调速问题已经解决，但是速度调节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械，仍采用直流电动机拖动。
本文深入研究了无刷直流电机的工作原理和调速方法，并比较了无刷直流电机控制的两种方案，模拟集成调速系统和数字调速系统。通过两种控制方案的优缺点对比，最终选取以MCU为控制器的数字调速系统，它不仅具有调速方便，控制灵活等特点，还具有使用范围广，通用性强等特点。在此基础上给出直流电动机控制系统的总体设计框图，并按功能块的划分，对各个子系统进行原理图设计。最后结合硬件电路编写程序实现无刷直流电机中的相应控制算法。
本文的主要工作如下：
（1）本文从无刷直流电机控制系统的发展现状和发展意义入手，详尽描述无刷直流电机控制技术的发展现状和研究的必要性，在此基础上展开本文的主要内容。
（2）本文深入研究了无刷直流电机的结构类型，工作原理和调速方法，并提出PWM调速的控制方案，通过改变PWM波形的占空比实现输出电压值调节，以改变加在无刷直流电机电枢两端的电压，控制电机转速，从而将电机转速控制转变成PWM波的占空比调节。
（3）提出无刷直流电机控制的两种方案，并对数字控制方案进行原理层次的设计，完成了器件选型，电机驱动电路设计，PWM输出信号驱动电路和电流采样电路与过电流保护电路的设计。
（4）本文在深入分析无刷直流电机控制算法的基础上，给出了控制流程和程序流程图，并对本系统中的核心算法进行软件开发。在此基础上完成整个系统的设计。
本文的主要优点在于：基于C8051内核的微处理器用于无刷直流电机控制系统技术成熟，实现简单，成本低廉和系统实际运行效果良好。同时还具有应用范围广，通用性强等特点。
关键词：直流电动机，数字调速系统，PWM调速，C8051内核单片机
I
ABSTRACT
DC motor shows a good start-up performance and speed performance when compared to AC motor, though it doesn’t like AC motor which has a simple structure, easy to manufacture, easy to maintain and operation reliably. But AC motor has its own weakness such as speed regulation problem that haven’t been solved for a long time. Now although AC motor speed regulation problem has been improved but when used in speed adjustment require is tough, positive inversion frequently, starting-braking frequently and operating in multi-unit for synchronizing production machinery places, it can’t meet the requirement. So DC motor shows great advantages.
This article researched the DC motor working theory and speed regulation method deeply, and compared the two plans for DC motor controlling system which are analog integrated speed regulation system and digital speed regulation system. Through comparing the advantages and disadvantages of the two control systems, the author selected digital system controlled by MCU. It is not only speed adjustment convenient and control flexible, but also can be widely used. On this base giving the overall block diagram design of the DC motor control system and dividing by function block to design for each subsystem. Finally writing corresponding control algorithm for DC motor speed regulation system based on the designed hardware.
The main research contents, results are as follows:
Firstly, this article begins with present situation and development significance of the DC motor control system. Described the DC motor control technology in detail and clarified the necessity of DC motor control system. Then start the main content of this article on this basis.
Secondly, it researched the DC motor structure type, working theory and speed adjustment methods and put out a control scheme of PWM speed adjustment. It changes output voltage by adjust the duty cycle of the PWM waveform. In this way, we can change the voltage added to the both ends of the motor armature to control the
II
motor speed.
Thirdly, it put forward two control schemes for DC motor, and mainly designed for digital control system from theory layer. It completed device selection, motor driving circuit design, PWM output signal driving circuit and the current sampling circuit and over-current protection circuit design.
Fourthly, it complete the program flow chart and write the code for the core algorithm based on deeply analyze for DC motor control system. Finally finish the entire system design.
The advantages of this design lies in mature technology for DC motor control using MCU based on C8051 kernel, simple achieve, low cost and good performance of actual operating effect. At the same time, it has a wide range of application and strong versatility.
Key words： DC motor, digital speed regulation system, PWM speed adjustment, C8051 kernel single chip microcontroller
目录
摘要...................................................................................................................I ABSTRACT.........................................................................................................II 目录................................................................................................................IV 第1章绪论 (1)
1.1引言 (3)
1.2直流电动机的结构及工作原理 (3)
1.2.1直流电机类型 (3)
1.2.2直流电机结构 (4)
1.2.3无刷直流电机工作原理及调速方法 (8)
1.3本文主要工作 (10)
第2章直流电动机控制系统总体方案设计 (12)
2.1直流电动机控制系统建模 (12)
2.2直流电动机控制系统设计方案比较 (18)
2.3直流电动机控制系统设计框图 (18)
2.4本章小结 (20)
第3章直流电动机控制系统硬件设计 (21)
3.1逆变电路设计 (21)
3.1.1电力电子开关器件选型 (21)
3.1.2PWM电机驱动电路 (22)
3.2逆变开关管驱动电路设计 (25)
3.3单片机控制系统电路设计 (27)
3.3.1C8051系列单片机的特点 (27)
3.3.2PWM输出信号驱动电路设计 (29)
3.3.3电流采样及过电流保护电路设计 (32)
3.3.4三端稳压电路的设计 (32)
IV
3.3.5系统总电路图设计 (33)
3.4本章小结 (34)
第4章直流电动机控制系统软件设计 (35)
4.1无刷直流电机控制系统运行流程 (35)
4.2控制算法的软件实现 (35)
4.3软件流程图 (36)
4.4本章小结 (37)
第5章总结与展望 (39)
5.1全文总结 (39)
5.2前景展望 (40)
参考文献 (41)
致谢 (44)
第1章绪论
1.1 引言
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。据资料统计，现在有90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机。电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着科技的发展，人们对很多技术产品的要求越来越精细化，尤其是在一些先进高端的研究领域。例如在医疗器械、家电、交通工具等方方面面都对其提出了更高的要求，希望其越来越小型化、精密化、使其能更好地满足人们的需要。而日常的产品中大多都离不开电机的驱动，要想使得这些技术能更好地满足人们的要求，电机驱动的便捷化将会给这些领域带来很快的发展和改进。
我们都知道，动力和运动是可以相互转换的，从这个意义上来讲，电动机也是最常用的运动源。对运动控制的最有效方式是对运动源的控制，因此，常常通过对电动机的控制来实现对运动的控制。
电动机有直流电动机和交流电动机两大类，主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点。表1-1从多方面的特性对交流异步电机、有刷直流电机和无刷直流电机进行了比较。
表1-1电机性能比较
1
直流电动机在20世纪80年代以前一直处于调速传动领域的主导地位，这主要源于其完美的转矩控制特性，即通过调节电枢电压和励磁电流就可以任意调节其转速和转矩。但传统的直流电动机均采用电刷、换向器以机械方式进行换相，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高以及维修困难等缺点，因而大大的限制了它的应用范围。长期以来，人们一直在寻找一种不用电刷和换相器的无刷直流电机，既具有传统无刷直流电机的优点，又具有结构简单，维护方便等特点的非机械换相的直流电动机。无刷直流电机由于采用电子换向、PWM调速，其在进一步提高无刷直流电机性能的同时又克服了直流电机机械换向带来的一系列问题，从而大大延长了电机的使用寿命。无刷直流电机的这些优越性能，使得其在家电、汽车、数控机床、机器人等领域得到广泛应用。对无刷直流电机转速的控制既可以采用开环控制，也可采用闭环控制。对无刷直流电机控制系统进行科学的设计，可以充分发挥无刷直流电机的优势，对提高机电产品的质量水平，具有十分重要的意义。
20世纪五六十年代，微电子、电子电力、传感器、永磁材料、自动控制、微机应用等技术迅速发展，同时这些技术与电动机控制技术相结合，使得电动机控制技术在最近20多年发生了翻天覆地的变化。其中，工业控制计算机可谓功能最强大，它有极高的速度、强大的运算能力和接口功能、方便的软件环境。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。
随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。
2
在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。
1.2 直流电动机的结构及工作原理
1.2.1 直流电机类型
直流电机既可用做电动机（将电能转换为机械能），也可以用作发电机（将机械能转换为电能）。直流发电机主要作为直流电源，例如，供给直流电动机、同步电机的励磁以及化工、采矿、交通运输等部门的直流电源，目前，由于晶闸管等整流设备的大量使用，直流发电机已逐步被取代。但从电源的质量与可靠性来说，直流发电机仍有其优点，现仍有一定的应用范围。直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电机。直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
他励直流电机——励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机；并励直流电机——并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电，作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同；串励直流电机——串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流；复励直流电机——复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励，若两个磁通势方向相反，则称为差复励。
直流电机特点：调速性能好。电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速，直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽；起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节，因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。
3
1.2.2 直流电机结构
直流电机的结构包括定子和转子两部分。定子和转子之间由空气隙分开。定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机，它的组成部分有主磁极、换向片、机座、端盖和轴承等，电刷用电刷座固定在定子上。转子的作用是产生感应电动势及产生机械转矩以实现能量的转换，它的组成部分有电枢铁芯、电枢绕组、换向器、轴、风扇等。直流电机结构如图1-1所示。
电刷
换向片
电枢铁芯
主磁极
图1-1 直流电动机结构
定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑，定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承组成。
（1）主磁极
主磁极的作用是产生恒定、有一定的空间分布形状的气隙磁通密度。主磁极由主磁极铁心和放置在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心分成极身和极靴，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁心是用1.0～1.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是用来产生主磁通的，称为励磁绕组。当给励磁绕组通入直流电时，各主磁极均产生一定极性，相邻两主磁极的极性是N、S交替出现的。
4
（2）机座
直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁率效果较好的铸钢材料制成的，该种机座能同时起到导磁和机械支撑作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，成为定子铁轭。主磁极、换向极及端盖均固定在机座上，机座起支撑作用。一般直流电机均采用整体机座。叠片机座是用薄钢板冲片叠压成定子铁轭，再把定子铁轭固定在一个专起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。叠片机座主要用于主磁通变化快，调速范围较高的场合。
（3）换向极
换向极又称为附加极，安装在相邻的两主磁极之间，用螺钉固定在机座上，用来改善直流电机的换向，一般电机容量超过1kW时均应安装换向极。换向极是由换向极铁心和换向极线圈组成。
换向极铁心可根据换向要求用整块钢制成，也可用厚1～1.5mm厚钢板或硅钢片叠成，所有的换向极线圈串联后称换向绕组，换向绕组与电枢绕组串联。换向极数目一般与主极数目相同，但在功率很小的直流电机中，只装主极数一半的换向极或不装换向极。换向极极性根据换向要求确定。
（4）电刷
电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路连接起来。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和汇流条组成。电刷是用石墨制成的导电块，放在刷握内，用弹簧以一定的压力将它压在换向器的表面上。刷握用螺钉夹紧在刷杆上，刷杆装在一个可以转动的刷杆座上，成为一个整体部件。刷杆与刷杆座之间是绝缘的，以免正、负电刷短路。
（5）端盖
电机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。
5
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转子又称电枢，是电机的转动部分，其作用是感应电势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换，转子由电枢铁心、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承和风扇组成。
（1）电枢铁心
电枢铁心的作用是通过磁通(电机磁路的一部分)和嵌放电枢绕组。为减小当电机旋转时铁心中的磁通方向发生变化引起的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心用0.35mm 或0.5mm 厚的硅钢片叠成，叠片两面涂有绝缘漆。铁心叠片沿轴向叠装，中小型电机的电枢铁心通常直接压装在轴上；在大型电机中，由于转子直径较大，电枢铁心压装在套于轴上的转子支架上。
电枢铁心冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风孔。图1-2所示为小型直流电机的电枢冲片形状和电枢铁心装配图。
图1-2 电枢冲片和电枢铁心装配图
（2）换向器
换向器又称为整流子，对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压，对于电动机，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器结构如图1-3所示。换向器是由换向片组合而成，是直流电机的关键部件，也是最薄弱的部分。
换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形状，换向片的燕尾部分嵌在含有云母绝缘的V 型钢环内，拼成圆筒形套入钢套筒上，相邻的两换向片间以0.6～1.2mm 的云母片作为绝缘，最后用螺旋压圈压紧。换向器固定在转轴的一端。换向片靠近电枢绕组一段的齿 槽 轴向通风口 换向器 电枢绕组 电枢铁芯
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部分与绕组引出线相焊接。
（3）转轴
转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。
（4）电枢绕组
电枢绕组安放在电枢铁心槽内，随着电枢旋转，在电枢绕组中产生感应电势；当电枢绕组中通过电流时，能与磁场作用产生电磁转矩，使电枢向一定的方向旋转。在电机中每一个线圈称为一个元件，多个元件有规律地连接起来形成电枢绕组。绕制好的绕组放置在电枢铁心上的槽内，放置在铁心槽内的直线部分在电机运转时将产生感应电动势，称为元件的有效部分；在电枢槽两端把有效部分连接起来的部分称为端接部分，端接部分仅起连接作用，在电机运行过程中不产生感应电动势。
电枢绕组用圆铜线或矩形截面铜导线制成，铜线的截面积决定于线圈中通过电流的大小。在直流电机电枢槽的剖面图中，除导线本身包有绝缘外，上下层线圈间及线圈和铁心之间都必须妥善绝缘。为了防止线圈在离心力作用下甩出，在槽口处用槽楔将线圈边封在槽内，线圈伸出槽外的端接部分，用热固性无纬玻璃丝带或非磁性钢丝扎紧。槽楔可用竹片或酚醛玻璃布板制成。 云母片 螺旋压圈 V 形钢环 V 形云母环 钢套筒 绝缘套筒
图1-3 换向器结构
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1.2.3 无刷直流电机工作原理及调速方法
无刷直流电机电路模型如图1-4所示，磁极N 、S 间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd 。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向；时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。
图1-4 直流电动机电路模型
众所周知，无刷直流电机转速n 的表达式为： Φ?=K IR U n （1-1）
式中，U 为电枢端电压；I 为电枢电流；R 为电枢电路总电阻；Φ是每极磁通量；K 与电机结构有关的常数。
由上式可知，无刷直流电机转速n 的控制方法可分为两大类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是论文中设计系统所采用的方法。改变电枢电压主要有三种方式：旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM ）变换器（或称直流斩波器）。
（1）旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。
（2）20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角α。进而改变整流电压U d的大小，达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。
（3）脉宽调制(PWM)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。对于无刷直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为1-5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。
图1-5 施加在电枢两端的脉动电压
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：
aver =
U U D
×（1-2）由式（1-1）得到：
9
10
//n Ea Ce U D Ce KD ??=≈?=
（1-3）
在假设电枢内阻转小的情况下式中e /K U C ?=，是常数。 图1-6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。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，不过一般无刷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，这就是无刷直流电机PWM 调速原理。
图1-6 占空比与电机转速的关系
1.3 本文主要工作
本文在查阅大量国内外相关参考文献基础上，对无刷直流电机控制技术的相关原理进行深入研究，进而对无刷直流电机控制系统进行硬件设计和软件实现。本文共分五章，主要内容安排如下：
第1章 绪论。简要介绍了无刷直流电机的结构类型和工作原理以及控制系统的发展概况。
第2章 直流电动机控制系统总体方案设计。本章从整体入手，通过对设计方案的对比，选出最佳设计方案作为本文的主要研究内容，并在此基础上设计出系统框图。
第3章 直流电动机控制系统硬件设计。本章主要从逆变电路设计、开关管驱动电路设计、PWM 输出信号驱动电路设计和电流采样与电流保护电路设计出发，搭建系统的硬件电路。
第4章 直流电动机控制系统软件设计。本章首先介绍了无刷直流电机控制
转度
占空比D
系统的运行流程和关键算法的实现，在此基础上给出软件流程图。
第5章总结与展望。本章对本文所做的研究工作进行简单的回顾和总结，并对无刷直流电机控制技术中的前景做出展望。
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12
第2章 直流电动机控制系统总体方案设计
2.1 直流电动机控制系统建模
直流调速系统具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能的交流调速技术发展很快，交流调速系统已经逐步取代了直流调速系统。然而直流拖动系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。因此掌握直流拖动控制系统的控制规律和控制方法是非常必要的。
对于电机的控制离不开对控制器的设计，由于对调节器的设计工作量庞大，所以一般是用工程设计方法设计的，即通常的典I 和典Ⅱ调节器的校正。如果事先对这些典型系统作比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当作预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式或图表来进行参数的计算，设计过程就简单多了，这就是工程设计的方法。对于典型Ⅱ型系统，利用的是它的中频段以-20dB/dec 的斜率穿越零分贝线。且对应中频段宽度越宽系统动态品质越好，同时在截至频率处产生的相角裕度越大系统的稳定性越好。
对于调速系统而言，控制对象是转速。而理想的起动过程是在起动的过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡。从而迅速进入稳态运行。在所能满足要求的情况下最佳起动过程如下图2-1所示。
第I 阶段，电流上升的阶段：突加给定电压*n U 后，d I 上升，当d I 小于负载
电流1d I 时，电机还不能转动。当1d d I I ≥后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR 输入偏差电压仍较大，ASR 很快进入饱和状态，而ACR
一般不饱和。直到d dm I I =，*1im U U =。
第II 阶段，恒流升速阶段：在这个阶段中，ASR 始终是饱和的转速环相当
基于STM32的直流电机PWM调速控制
电动摩托车控制器中的电机PWM调速 摘要：随着“低碳”社会理念的深入，新型的电动摩托车发展迅速，逐渐成为人们主要的代步工具之一，由于直流无刷电机的种种优点，在电动摩托车中也得到了广泛应用，因此，本文控制部分主要介绍一种基于STM32F103芯片的新型直流无刷电机调速控制系统，这里主要通过PWM技术来进行电机的调速控制，且运行稳定，安全可靠，成本低，具有深远的意义。 1.总体设计概述 1.1 直流无刷电机及工作原理 直流无刷电机（简称BLDCM），由于利用电子换向取代了传统的机械电刷和换向器，使得其电磁性能可靠，结构简单，易于维护，既保持了直流电机的优点又避免了直流电机因电刷而引起的缺陷，因此，被广泛应用。另外，由于直流无刷电机专用控制芯片价格昂贵，本文介绍了一种基于STM32的新型直流无刷电机控制系统，既可降低直流无刷电机的应用成本，又弥补了专用处理器功能单一的缺点，具有重要的现实意义和发展前景。 工作原理：直流无刷电机是同步电机的一种，其转子为永磁体，而定子则为三个按照星形连接方式连接起来的线圈，根据同步电机的原理，如果电子线圈产生一个旋转的磁场，则永磁体的转子也会随着这个磁场转动因此，驱动直流无刷电机的根本是产生旋转的磁场，而这个旋转的磁场可以通过调整A、B、C三相的电流来实现，其需要的电流如图1所示 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 1.2 总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图1所示。
直流电机PWM调速
直流电机转速的PWM控制测速 王鹏辉 姬玉燕
摘要 本设计采用PWM的控制原理来完成对直流电机的正转、反转以及其加速、减速过程的控制，在此过程中是通过单片机的定时器加上中断的方式产生不同时长的高低电压脉冲信号来完成。并通过霍尔传感器对直流电机的转速进行测定，最后将实时测定的转速数值1602液晶屏上。 关键词： PWM控制直流电机霍尔传感器 1602液晶显示屏 L298驱动 一、设计目的： 了解直流电机工作原理，掌握用单片机来控制直流电机系统的硬件设计方法，熟悉直流电机驱动程序的设计与调试，能够熟练应用PWM方法来控制直流电机的正反转和加减速，提高单片机应用系统设计和调试水平。 1.1系统方案提出和论证 转速测量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。本说明书中给出两种转速测量方案，经过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，总体电路我们有两套设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。 1.2 方案一：霍尔传感器测量方案 霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的？其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构
原理图如图3.1, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。 传感器的定子上有2 个互相垂直的绕组A 和B, 在绕组的中心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 图3.1 霍尔转速传感器的结构原理图 方案霍尔转速传感器的接线图 缺点：采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。 1.3方案二：光电传感器 整个测量系统的组成框图如图3.2所示。从图中可见,转子由一直流调速电机驱
基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计
基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计 第一章:前言 1.1前言： 直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。 近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。 采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 1.2本设计任务: 任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统 设计的主要内容以及技术参数: 功能主要包括： 1)直流电机的正转； 2)直流电机的反转； 3)直流电机的加速； 4)直流电机的减速； 5)直流电机的转速在数码管上显示； 6)直流电机的启动； 7)直流电机的停止； 第二章：总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。
直流电机PWM调速系统参考论文
毕业论文 基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计 所在学院 专业名称 年级 学生姓名、学号 指导教师姓名、职称 完成日期
摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。本文中采用了三极管组成了PWM信号的驱动系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过处理后，将测量值送到液晶显示出来。 关键词：PWM信号，霍尔元件，液晶显示，直流电动机 I
目录 目录 ................................................................................................................................ III 1 引言 (1) 1.1 课题背景 (1) 1.1.2 开发背景 (1) 1.1.3 选题意义 (2) 1.2 研究方法及调速原理 (2) 1.2.1 直流调速系统实现方式 (4) 1.2.2 控制程序的设计 (5) 2 系统硬件电路的设计 (6) 2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 (6) 2.2 STC89C51单片机简介 (6) 2.2.1 STC89C51单片机的组成 (6) 2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能 (7) 2.2.3 STC89C51单片机引脚图 (8) 2.2.4 STC89C51引脚功能 (8) 3 PWM信号发生电路设计 (11) 3.1 PWM的基本原理 (11) 3.2 系统的硬件电路设计与分析 (11) 3.3 H桥的驱动电路设计方案 (12) 5 主电路设计 (14) 5.1 单片机最小系统 (14) 5.2 液晶电路 (14) 5.2.1 LCD 1602功能介绍 (15) 5.2.2 LCD 1602性能参数 (16) 5.2.3 LCD 1602与单片机连接 (18) 5.2.4 LCD 1602的显示与控制命令 (19) 5.3 按键电路 (20) 5.4 霍尔元件电路 (21) III
直流电机PWM调速电路汇编
《电子技术》课程设计报告课题：直流电机PWM调速电路 班级电气1107 学号 1101205712学生姓名王海彬 专业电气信息类 学院电子与电气工程学院 指导教师电子技术课程设计指导小组 淮阴工学院 电子与电气工程学院 2012年05月
直流电机PWM调速电路 一）设计任务与要求： 1.设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动； 2.设计PWM驱动信号发生电路； 3.设计电机转速显示电路； 4.设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速； 5.安装调试。 二）系统原理及功能概述 1）直流电机脉宽调速电路原理 对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称 PWM。 改变占空比的方法有 3 种： （1）定宽调频法，这种方法是保持 t1 不变，只改变 t2 ，这样周期 T（或频率）也随之改变； （2）调宽调频法，保持 t1 不变，而改变 t2 ，这样也使周期 T（或频率）改变； （3）定频调宽法，这种方法是使周期 T（或频率）不变，而同时改变 t2 和 t1 由，当控制频率与系统的固有频率接近于前两种方法都改变了周期（或频率）时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。设电机永远接通电源时，其最大转速为 Vmax，设占空比 D＝ t1 /T ，则电机的平均速度为 Vd，平均速度 Vd 与占空比 D 的函数曲线如图 1－2 所示，从图可以看出，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，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。
直流电动机的PWM调压调速原理
直流电动机的PWM调压调速原理 直流电动机转速N的表达式为：N=U-IR/Kφ 由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。 对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。 在PWM调速时，占空比α是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的值。 （1）定宽调频法 这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。 （2）调频调宽法 这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T（或频率）也随之改变。 （3）定频调宽法 这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统 双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作为在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。 双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆控制系统的组合。但由于T型双极性驱动中的开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。 另一种称为H型。 H型双极性驱动 一、显示接口模块 方案一：液晶显示器也是一种常用的显示器件。它的优点是功耗低，寿命长，本身无老化问题，显示信息量大（可以显示字母和数字），在显示字符上没有限制。但价格高，接口电路较为复杂。其只在一些（袖珍型）设备上作为显示之用。
基于PWM控制的直流电机调速
基于PWM控制的直流电机调速摘要：直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 本文设计了直流电机控制系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构，工作原理，运行特性及其设计方法，主要研究直流电机的控制和测量方法。本设计系统以单片机AT80C52为核心，实现直流电机调速的系统。 关键字：直流电机 PWM 控制 AT80C52 DC motor is a rotary motor that can convert a direct current into a mechanical energy (a DC motor) or a mechanical energy into a direct current (DC generator). It is capable of achieving the conversion of DC electric energy and mechanical energy to each other. When the motor is running, it is a direct current motor, the electric energy can be converted into mechanical energy; the generator is a direct current generator, the mechanical energy can be converted to electric energy. The structure of the DC motor is composed of two parts, the stator and the rotor. Operation of the DC motor are still part of the said stator, stator's main function is produces a magnetic field, is composed of a frame, a main pole, Huan Xiangji, an end cover, a bearing and an electric brush device and composition. Said operation, the rotating part of the rotor, the main role is electromagnetic torque and induction electromotive force generated, the DC motor is the hub of energy conversion, so is often referred to as the armature and is composed of a shaft, the armature core, an armature wining and commutator and fan.
直流电机PWM调速电路
《电子技术》课程设计报告 课题：直流电机PWM调速电路 班级电气工程1101学号1101205304 学生姓名xxx 专业电气信息类 系别电子与电气工程学院 指导老师电子技术课程设计指导小组 xxxxx 电子与电气工程学院 2012年5月 一、设计目的 a)培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。 b)学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。 c)进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。 d)培养学生的创新能力。 二、设计任务与要求 1．设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向驱动； 2．设计PWM驱动信号发生电路； 3．设计电机转速显示电路； 4. 设计电机转速调节电路；可以按键或电位器调节电机转速； 5.安装调试； 6.撰写设计报告。
三、设计思想及设计原理 1．信号可以采用数字方法给定，也可以采用电位器给定。建议采用数字方法。 2．PWM信号可以采用三角波发生器和比较器产生，也可采用数字电路及可编程器件产生。建议采用数字方法。 3．正反转主回路可以采用双极型器件实现，也可以用MOS器件实现； 4．转速测量电路可以采用增量型光电编码器，也可采用自行制作的光电编码电路、霍尔传感器以及其它近似测速方法。建议采用光电编码器。 5．显用数字方法显示电机转速。采用光电编码等方法的脉冲测速方法时，可采用计数法测量电机转速；电机转速信号为模拟信号时，可采用数字表头显示转速。建议采用数字方法。 6．(提高部分)可以采用反馈控制技术对系统进一步完善。 四、单元电路设计 4.1 LM324组成的PWM直流电机产生电路 4.1.1 它主要由U1（LM324）和Q1组成 图4.1中，由U1a、U1d组成振荡器电路，提供频率约为400Hz的方波/三角形波。U1c产生6V的参考电压作为振荡器电路的虚拟地。这是为了振荡器电路能在单电源情况下也能工作而不需要用正负双电源。U1b这里接成比较器的形式，它的反相输入端(6脚)接入电阻R6、R7和VR1，用来提供比较器的参考电压。这个电压与U1d的输出端(14脚)的三角形波电压进行比较。当该波形电压高于U1b的6脚电压．U1b的7脚输出为高电平；反之，当该波形电压低于U1b的6脚电压，U1b的7脚输出为低电平。由此我们可知，改变U1b的6脚电位使其与输入三角形波电压进行比较。就可增加或减小输出方波的宽度，实现脉宽调制(PWM)。电阻R6、R7用于控制VR1的结束点，保证在调节VR1时可以实现输出为全开(全速或全亮)或全关(停转或全灭)，其实际的阻值可能会根据实际电路不同有所改变。 图4.1中，Q1为N沟道场效应管，这里用作功率开关管(电流放大)，来驱动负载部分。前面电路提供的不同宽度的方波信号通过栅极(G)来控制Q1的通断。LED1的亮度变化可以用来指示电路输出的脉冲宽度。C3可以改善电路输出波形和减轻电路的射频干扰(RFI)。D1是用来防止电机的反电动势损坏Q1。 当使用24v的电源电压时，图1电路通过U2将24V转换成12V供控制电路使用。而Q1可以直接在21v电源上，对于Q1来讲这与接在12v电源上没有什么区别。参考图1，改变J1、J2的接法可使电路工作在不同电源电压(12V或24V)下。当通过Q1的电流不超过1A时，Q1可不用散热器。但如果Q1工作时电流超过1A时，需加装散热器。如果需要更大的电流（大于3A），可采用IRFZ34N
直流电机PWM调速控制
§1.1 直流电机调速原理 §1.1.1 直流电机电压调速原理 图1.2为按电机惯例标定的直流电机稳定运行量各物理量的正方向。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，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。 根据基尔霍夫第二定律，对图中的电枢回路列回路电压方程可得直流电动的电动势平衡方程式： U=Ea-Ia （Ra+Rc ） （1.4） 式1.4中，Ra 为电枢回路电阻，电枢回路串联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/Ce Φ （1.5） 由1.1式和1.2式得 n =Ea/Ce （1.6） 由式子1.6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，它的转速由电枢电压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。总之电机的调速可以通过控制电枢电压实现 错误！未找到引用源。。 说明: U ………………> 电压 Ea ……… >电枢电动势 n …………………>转速 I ………………>电枢电流 r a ……… >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1-3 PWM 调速原理 §1.1.2 直流电机PWM 调速原理
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1-3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 （1.7）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1.4所示。 图1-4 平均速度和占空比的关系 由图1-4可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），理想情况下，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。 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。
直流电机pwm调速代码
#include
EN1=1; EN2=1; pro_right=70; pro_left=70; M1=0; M2=1; M3=0; M4=1; } void turnleft() { EN1=1; EN2=1; pro_right=20; pro_left=99; M1=0; M2=1; M3=1; M4=0; } void turnright() { EN1=1; EN2=1; pro_right=99; pro_left=20; M1=1; M2=0; M3=0; M4=1; } void init() { TMOD=0x01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1;
直流电机PWM调速电路
《电子技术》课程设计报告 班级电气1107 学号1101205712学生海彬 专业电气信息类 学院电子与电气工程学院 指导教师电子技术课程设计指导小组 工学院 电子与电气工程学院 2012年05月
直流电机PWM调速电路 一）设计任务与要求： 1.设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动； 2.设计PWM驱动信号发生电路； 3.设计电机转速显示电路； 4.设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速； 5.安装调试。 二）系统原理及功能概述 1）直流电机脉宽调速电路原理 对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为便的。其法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。 改变占空比的法有3 种： （1）定宽调频法，这种法是保持t1 不变，只改变t2 ，这样期T（或频率）也随之改变； （2）调宽调频法，保持t1 不变，而改变t2 ，这样也使期T（或频率）改变； （3）定频调宽法，这种法是使期T（或频率）不变，而同时改变t2 和t1 由，当控制频率与系统的固有频率接近于前两种法都改变了期（或频率）时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。设电机永远接通电源时，其最大转速为Vmax，设占空比D＝t1 /T ，则电机的平均速度为Vd，平均速度Vd 与占空比D 的函数曲线如图1－2 所示，从图可以看出，VD 与占空比 D 并不是完全线性关系（图中实线），当系统允时，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。
直流电机PWM-调速实验报告
实验报告
直流电机PWM调速实验 一、实验目的: 1、掌握脉宽调制的方法； 2、用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制 二、实验设备： PC机一台，单片机最小系统，驱动板，直流电机，连接导线等 三、实验原理： 1、PWM(Pulse Width Modulation)简称脉宽调制。即，通 过改变输出脉冲的占空比，实现对直流电机进行调速控制。 2、实验线路图： 四、实验内容： 1、利用实验时提供的单片机应用系统及直流电机驱动电路板，编制控 制程序，实现直流电机PWM调速控制。 2、连接实验电路，观察PWM调控速度控制，实现的加速、减速等调速 控制。 五、实验步骤： 1、按系统电路图连线，调试完成； 2、开启单片机，按下键盘启动按钮，电机正常旋转；
3、按动键盘加速、减速、正转、反转、停止按键，分别实现预定功能。 4、实验完成，收拾实验器械，整理。 六、实验程序： #include
液晶显示的PWM直流电机调速报告
课程名称：微机原理课程设计 题目：基于51单片机的PWM直流电机调速
直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称PWM)调速产生于20世纪70 年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等的驱动，后来由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展, PWM 技术得到了高速发展,各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。而51单片机却没有PWM 输出功能，采用定时器配合软件的方法可以实现51单片机PWM的输出功能。本设计就是由单片机STC89C52RC芯片，直流电机（搭建H桥电路驱动）和1602液晶为核心，辅以必要的电路，构成了一个基于51单片机PWM可调速的直流电机。该可调直流电机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。该可调直流电机布置合理，全部器件分布在7*9cm洞洞板上，看起来小巧精简。采用的是单片机内部定时器产生方波并且两个P口交换输出，可以方便灵活地调速度和方向。该可调直流电机从0到最大速度1200转每分钟一共设置了60个档次的转速，采用1602蓝光液晶，可以直观地显示出来（显示的是每分钟的转速）。有红光和绿光的两个二极管作为转速指示灯。四个控制按键就可以控制电机的转速，方向与暂停。每按一个键，该可调电机就会实现相对应的功能，操作非常简单。 关键词：直流电机，51单片机，C语言，1602液晶
一、设计任务与要求 (4) 1.1 设计任务 (4) 1.2 设计要求 (4) 二、方案总体设计 (5) 2.1 方案一 (5) 2.2 方案二 (5) 2.3 系统采用方案 (5) 三、硬件设计 (7) 3.1 单片机最小系统 (7) 3.2 液晶显示模块 (7) 3.3 系统电源 (8) 3.4驱动电路 (8) 3.5 整体电路 (9) 四、软件设计 (10) 4.1 keil软件介绍 (10) 4.2 系统程序流程 (10) 五、仿真与实现 (13) 5.1 proteus软件介绍 (13) 5.2 仿真过程 (13) 5.3 实物制作与调试 (15) 5.4 使用说明 (16) 六、总结 (17) 6.1 设计总结 (17) 6.2 经验总结 (17) 七、参考文献 (19)
直流电机调速的PWM实现方法
直流电机调速的PWM实现方法 PWM在控制中使用非常广泛，可以以数字量对模拟电路进行控制。这里对PWM的原理进行讲述，并举例说明PWM的重要应用。 1、PWM简介 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。通俗的说PWM是采用数字量对模拟量进行合成的方法。 数字量是怎么样对模拟量进行合成的呢？请看下例： 用PWM波代替正弦冲半波： 上图中用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。这两种波作用于电路时，所产生的效果基本相同。 2、PWM的应用 基于面积相等的原理实际上可以对任意波形进行合成，再如下图： 上图中用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。这两种波作用于电路时，所产生的效果基本相同。 3、PWM的应用 基于面积相等的原理实际上可以对任意波形进行合成，再如下图： ******************************************************************** #define V_TH0 0XFF #define V_TL0 0XF6 #define V_TMOD 0X01 void init_sys(void); /*系统初始化函数*/ void Delay5Ms(void);
基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计
基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计 I
摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。本文中采用了三极管组成了PWM信号的驱动系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过处理后，将测量值送到液晶显示出来。 关键词：PWM信号，霍尔元件，液晶显示，直流电动机 II
目录 目录 ................................................................................................................................ III 1 引言 (1) 1.1 课题背景 (1) 1.1.2 开发背景 (1) 1.1.3 选题意义 (2) 1.2 研究方法及调速原理 (2) 1.2.1 直流调速系统实现方式 (4) 1.2.2 控制程序的设计 (5) 2 系统硬件电路的设计 (6) 2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 (6) 2.2 STC89C51单片机简介 (6) 2.2.1 STC89C51单片机的组成 (6) 2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能 (6) 2.2.3 STC89C51单片机引脚图 (7) 2.2.4 STC89C51引脚功能 (7) 3 PWM信号发生电路设计 (10) 3.1 PWM的基本原理 (10) 3.2 系统的硬件电路设计与分析 (10) 3.3 H桥的驱动电路设计方案 (11) 5 主电路设计 (13) 5.1 单片机最小系统 (13) 5.2 液晶电路 (13) 5.2.1 LCD 1602功能介绍 (14) 5.2.2 LCD 1602性能参数 (15) 5.2.3 LCD 1602与单片机连接 (17) 5.2.4 LCD 1602的显示与控制命令 (18) 5.3 按键电路 (19) 5.4 霍尔元件电路 (20) III
直流电机PWM调速控制系统
直流电机PWM调速控制系统 摘要：为了验证控制策略和电机参数设计的合理性，基于matlab/simulink平台，从无刷直流电机的基本原理出发，详细介绍电机各个模块的组成，构建了无刷直流电机pwm调速控制系统的建模与仿真模型，给出仿真曲线并验证该模型的正确性。 关键词：无刷直流电机模型仿真 1、引言 随着无刷直流电机（bldcm）应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。本文主要研究反电势近似梯形波的永磁无刷直流电机模型的建立与仿真，根据电机的参数和实际运行状况，通过matlab软件的simulink和psb 模块，快捷地创建一些电机控制系统模型，并与simulink结合，实现电机控制算法的仿真。文章介绍了如何创建无刷直流电动机的动态数学模型和pwm调速控制系统模型，并利用该模型，进行了pwm 调速控制系统的仿真试验。 2、无刷直流电机的数学模型 以两相导通三相六状态的无刷直流电机为例。方波无刷直流电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性[1]。采用直、交变换理论己经不是有效的分析方法，因此应该利用电机本身的相变量来建立数学模型。为简化数学模型的建
立，在电动机模型建立时，认为电动机气隙是均匀的。并作以下假设[2]： (1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波分布)； (2)定子齿槽的影响忽略不计； (3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4)忽略电动机中的磁滞和涡流损耗； (5)三相绕组完全对称。 无刷直流电动机在运行过程中，每相绕组通过的不是持续不变的电流，该电流和转子作用产生的转矩，以及绕组上的感应电动势也都不是持续的。因此转矩和反电动势都采用平均值的概念。由以上假设，根据无刷直流电动机的特性，可建立其电压方程、转矩方程、状态方程以及等效电路结构。 对于三相无刷直流电机，其电压平衡方程可表示为[3] 式中：为定子相绕组电压（v）；为定子相绕组电流（a）；为定子相绕组反电动势（v）；r为每相绕组的电阻（）； l为每相绕组的电感（h）；m 为每相绕组间的互感（h）。 在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的反电动势为理想梯形波，其幅值为 式中：为反电动势系数；为转子的机械角速度。 无刷直流电动机的电磁转矩方程为： 式中：为电磁转矩；转子的机械角速度。
直流电机PWM调速电路驱动与保护部分
前言 上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一般低于400Hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。 随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。与此同时，脉冲宽度调制（PWM）技术与开关功率电路成为功率应用中的主流技术；长期以来，直流电机以其良好的线性特性，优异的控制性能、低成本等特点成为大多是变速运动控制系统和闭环位置伺服系统的最佳选择。因此，基于PWM（Pulse Width Modulation）的直流电机调速技术在现代电气传动系统中被广泛运用。 电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向。而驱动电路则是调速电路的重要组成部分，其处在主电路和控制电路之间，将控制电路的信号进行放大。保护电路以及检测电路是对电机速度精确控制的前提，本次课程设计是对直流电机调速驱动电路进行设计，下面是驱动电路设计的具体过程。 一、设计目的： 1、培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生
基于51系列单片机的直流电机PWM调速系统设计说明
课程设计 设计题目：基于51系列单片机的直流电机PWM 调速系统设计 学院：机电工程学院 专业：机械工程及自动化 班级：机自07级01班 姓名：强艳梅 学号： 指导老师：敏 完成时间：2011年1月11日
目录 1 直流电动机调速概述 (4) 1.1直流电机调速原理 (4) 1.2直流调速系统实现方式 (5) 1.3 89C51单片机 (6) 2 硬件电路设计 (6) 2.1 PWM波形的程序实现 (6) 2.2直流电动机驱动 (7) 2.3续流电路设计 (8) 3 软件设计 (8) 3.1主程序设计 (8) 3.2 数码显数设计 (10) 3.3 功能程序设计 (11) 3.4仿真图 (15) 3.5 仿真结果分析 (16) 心得体会 (17) 参考文献 (18)
1 直流电动机调速概述 1.1直流电机调速原理 直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以 —励磁绕组本身的电阻；下公式：n=U/C cφ-TR/C r C cφ其中：U—电压；R 内 φ—每极磁通(Wb)；C c—电势常数；C r—转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。 图1-1 直流电机的工作原理图 电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动
直流电机PWM调速系统的设计与仿真
直流电机PWM调速系统的设计与仿真 一、引言 1本课题设计的目的和要求 1. 直流电机PWM调速系统的目的： （1）熟悉直流电机PWM调速系统的整体运行过程和总体布局 （2）掌握该硬件电路的设计方法 （3）掌握电机PWM调速系统程序的设计和调试 2. 直流电机PWM调速系统的要求 （1）可输入0~1范围的占空比，占空比可用电位器输入、拨码开关输入或键盘输入。 （2）设计电机驱动电路，根据输入的占空比控制电机转速。 （3）检测电机转速，并用LED或LCD显示。 （4）在PROTUES下仿真。 二、系统总体框图与原理说明 2.1 总体方案原理及设计框图 本设计是基于AT89c51为核心的直流调速器，由单片机控制和产生适合要求的PWM信号，该PWM信号通过驱动芯片电路进行直流调速，使输出电压平均值和功率可以按照PWM信号的占空比而变化，从而达到对直流电机调速的目的。拨码开关输入0~1范围的占空比，用LCD1602作为主液晶显示器，显示输入的占空比控制电机转速，能够实现较好的人机交互。
总体方案设计框图 三、硬件电路图 拨码开关输入模块 AT89c51单片机 LCD1602显示 电机驱动模块 直流电机 示波器显示 用压控振荡器（可用555电路构成）来模拟直流电机的运行
3.1 PWM 产生方式 （1）PWM （脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两 端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM 可以应用在很多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。 在PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开的电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。正因为如此，PWM 又被称为“开关驱动装置”。PWM 波形如图所示： PWM 波形图 设电机始终接通电路时，电机转速最大为V max ，设占空比为： T t D 1 = 则电机的平均转速为 D V V a *max = 其中V a 指的是电机的平均速度，V max 是指电机在全通电时最大速度，D 指的是占空比。 由上面的公式可见，当改变占空比D 时，就可以得到不同电机平均速度V a ,从而达到调速的目的。 （2）单片机片内软件生成PWM 信号 PWM 信号采用单片机定时中断的方式软件模拟产生，这样实现比较容易，可以节 约硬件成本。 //===================定时器0初始化设置=================== //===================定时器0初始化设置=================== void Time0_Init() //定时器0初始化函数 { TMOD=0x01; //定时器0为工作方式1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; //初始化为定时时间为50ms