综合电子设计指导书-电机

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1、北京信息科技大学综合电子设计实验指导书-----直流电机调速控制系统设计自动化学院陈福彬1课程设计题目：直流电机调速控制系统设计1.1设计目的了解电机的基本控制原理，主要利用C8051F020开发板、电机控制板，实现对直流电机的开环、闭环调速控制。通过设计需要理解直流电机的基本控制原理，掌握处理器C8051F020芯片的定时器多通道PWM输出功能、频率信号捕获功能，多通道ADC采集功能等应用技术。应用外设掌握人机交互技术，设计友好的人机交互界面。1.2设计任务与要求1．基本要求A、利用1个H桥对直流电机进行正、反转，停止控制B、利用PWM对直流电

2、机进行开环调速控制C、利用反射式光电码盘对电机进行测速D、综合以上功能对电机进行闭环调速控制2．扩展要求A、利用LCD设计友好的人机交互界面B、采用数字PID控制算法及性能优化方案实现闭环调速控制1.3设计报告要求见附录二1.4设计思路一、设计原理（1）系统框图AD端口电枢电流采直流电机外中断光电编码器C8051F020PID算法处理输出PWMH桥驱动电路人机交互控制模块图1.4.1系统框图本系统主要包括中央控制模块、H桥驱动电路、光电测速模块、人机交互控制模块、电枢电流采集模块、电源管理模块。系统组成如图1.4.1所示。2(1)微处理器模块：实

3、现信号处理与协调控制。(2)H桥驱动电路：实现电机正反转的切换操作。(3)光电测速模块：对直流电机的转速进行采集。(4)电枢电流采集模块：对电枢电流进行采样。(5)人机交互控制模块：包括键盘和液晶显示。键盘显示用来完成系统参数设置以及动作方式指示等。（2）H桥电机驱动模块图1.4.2中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从

4、左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图1.4.2H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图1.4.3所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图1.4.3H桥电路驱动电机顺时针转动图1.4.4所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左

5、流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示3为逆时针方向）。图1.4.4H桥驱动电机逆时针转动（3）光电码盘模块图1.4.6是光点码盘的结构图，光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如直射式，反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以反射式为例，如图所示，它主要由被测旋转部件、反光片（或反光贴纸）、反射式光点传感器组成，在可以进行精确定位的情况下没在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。由于测试距离近而且测试要求不高，由于采用金属器件制作，本身就具备反光能力，所以

6、仅在被测部件上镂空即可。因此，当旋转部件上的未镂空部分通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变的频率f，就可取得转速。图1.4.6反射式光电码盘结构图（4）直流电机控制原理直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(PulsWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。PWM调压调速原理直流电动机转速n的表达式为：4U−IRn=（

7、1）Kφ1其中，U为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；Φ为每极磁通量；K为电动机结构参数。所以直流电动机的转速控制方法可分为两类：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法。绝大多数直流电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。图1.4.8开关管PWM调速控制原

8、理图图1.4.8是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。图中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关