直流电机控制系统设计

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1、直流电机控制系统设计1系统论述1.1设计思路本次直流电机控制系统的设计主要功能是实现电机的正转和反转。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种模块，实现对电动机控制。1.2总体设计框图系统组成：直流电机控制方案如图1.1所示：方案说明：直流电机控制系统以AT89C51单片机为控制核心，单片机在程序控制下，采用桥式驱动完成电机正，反转控制。图1.1直流电机控制方案2直流电机单元电路设计与分析2.1桥式驱动直流电机方向模块主要由一些达林顿晶体管、直流电机和二极管以及电阻等组成。现在介绍下直流电机的运行原

2、理2.1.1直流电机类型12直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。下面以直流电动机作为研究对象。2.1.2直流电机结构直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2.1所示。图2.1直流电动机结构2.1.3直流电

3、机工作原理直流电机电路模型如图2.2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2.2直流电动机电路模型2.1.4直流电机主要技术参数12直流电机的主要额定值有：额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压Ue：长期运行的最高电压。额定电流Ie：长期运行的最大电流。额定转速n：单位时间内的电机转动快慢。以r/min为单位。励磁电流If：施加

4、到电极线圈上的电流。2.1.5直流电机PWM调速原理（1）直流电机转速直流电机的数学模型可用图2.3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。图2.3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

5、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1.312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。（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2.3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

6、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2.3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：U平=U·D……………………………………………式1.4由式1.3得到：n=Ea/CeΦ≈U·D/CeΦ=KD；在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CeΦ，是常数。图2.4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2.4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

7、过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。3、直流电机的驱动方式123.1直流马达的驱动方式解释直流马达的驱动方式，就是把直流电源加到直流马达上，使之旋转。3.2直流马达驱动方式分类3.2.1用继电器驱动直流马达如图所示，将微控制器信号连接到晶体管，以控制继电器。当微控制器送出一个高电平信号，即可产生ib,ic，继电器激磁，而继电器的a-c接点将接通，即可提供直流马达电源，使之旋转。其中Vcc不一定是5V电源，而是根据继电器及直流马达的规格，取用适当的电压。一般来说，电功率P=V*G，V越大功率越大；即便是相同的功率，V越大i越小，损失越小。图3.1用继电器

8、开关直流马达3.2．2以