直线直流电机设计(直流电机速度控制器设计),老铁们想知道有关这个问题的分析和解答吗,相信你通过以下的文章内容就会有更深入的了解,那么接下来就跟着我们的小编一起看看吧。

直线直流电机设计(直流电机速度控制器设计)

直线直流电机设计

直线直流电机是一种常见的电动机,广泛应用于工业和家庭设备中。为了实现电机的可控速度,需要设计一个适用的直流电机速度控制器。

我们需要了解直线直流电机的原理。直线直流电机由线圈和永磁体组成,当线圈通电时,产生的磁场与永磁体的磁场相互作用,产生力矩推动电机转动。为了控制电机的速度,我们需要控制线圈通电的电流量。

我们可以设计一个PID控制器来控制电机的速度。PID控制器由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个控制器组成。比例控制器根据电机的输出速度和设定的目标速度之间的差异来调整输出电流。积分控制器积累差异的累计,以消除稳态误差。微分控制器通过比较电机速度的变化率来调整输出电流,以减小速度的波动。

我们需要为控制器选择合适的电源和放大器以供电驱动电机。通常情况下,直流电源和功率放大器可以提供足够的电流和电压来驱动直线直流电机。

我们可以使用编程语言编写一个简单的控制算法,将速度输入和输出与PID控制器连接起来。通过实时监测电机的速度,并根据设定的目标速度调整输出电流,我们可以实现对直线直流电机的准确控制。

直线直流电机的速度控制器设计涉及电机原理的理解、PID控制器的应用、合适的电源和驱动器的选择以及编程算法的实现。通过合理设计和优化,我们可以实现对直线直流电机速度的精确控制,从而满足不同应用的需求。

直线直流电机设计(直流电机速度控制器设计)

第二章 直流电机(DC machine)本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法从应用角度分析直流电动机的工作特性和直流发电机的运行特性2.1 直流电机的工作原理及结构(basic operation principle and structure of DC machine)一、直流电机的工作原理(basic operation principle)1. 直流电动机:实质上是一台装有换向装置的交流电动机;直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。原理:带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩,推动转子转动起来,f=BiL 。在直流电动机中,线圈中的电流是交变的,但产生的电磁转矩方向是恒定的。 把电刷A 、B 接到直流电源上,电刷A 接正极,电刷B 接负极。此时电枢线圈中将有电流流过。如图1。在磁场作用下,N 极性下导体ab 受力方向从右向左,S 极下导体cd 受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时,电机转子逆时针方向旋转。图1 图2当电枢旋转到图2所示位置时, 原N 极性下导体ab 转到S 极下,受力方向从左向右,原S 极下导体cd 转到N 极下,受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。2. 直流发电机:实质上是一台装有换向装置的交流发电机; 原理:导体切割磁力线产生感应电动势,e=BLV; 原动机驱动电机转子逆时针旋转,如图3。图3 图4转过1800后如图4。导体ab 在S 极下,a 点低电位,b 点高电位;导体cd 在N 极下,c 点低电位,d 点高电位;电刷A 极性仍为正,电刷B 极性仍为负。 和电刷A 接触的导体总是位于N 极下,和电刷B 接触的导体总是位于S 极下。 电刷A 的极性总是正的,电刷B 的极性总是负的,在电刷 A、B 两端可获得直流电动势。线圈中的电动势及电流的方向是交变的,只是经过电刷和换向片的整流作用,才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。3. 直流电机的可逆性:一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转,就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电;如果在电刷端外加直流电压,则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转,从而把电能转变成机械能。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。二、直流电机的结构(basic structure)1. 定子:主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置; 2. 转子:电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴。 3. 气隙**注意:同步电机—旋转磁极式;直流电机—旋转电枢式。主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场, 使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩.电枢绕组是直流电机的主要电路部分,也是通过电流和感应电动势,从而实现机电能量转换的关键性部件。直流电机的主要结构定子主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承转子2.2直流电机的铭牌数据(type and rated values)1. 型号: 机座号第二次改型设计 直流2. 额定值①额定功率:额定条件下电机所能提供的功率。 发电机P N :指电刷间输出的额定电功率;电动机P N :指轴上输出的机械功率。②额定电压:U N ;在额定工况下,电机出线端的平均电压。 发电机:是指输出额定电压;电动机:是指输入额定电压。③额定电流:I N ;在额定电压下,运行于额定功率时对应的电流。 ④额定转速:n N ;在额定电压、额定电流下,运行于额定功率时对应的转速。 ⑤额定值之间的关系:发电机:额定容量P N = UN IN ;电动机:额定功率P N = UN I N ηN 。⑥额定励磁电压:U F n ;额定励磁电流:I f N ;对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。励磁方式:指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式。电机运行时,所有物理量与额定值相同——电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流——欠载运行;运行电流大于额定电流——过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费,而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近,此时电机的运行效率、工作性能等比较好。2.3 直流电机的绕组(introduction of armature winding)说明电枢绕组的绕法及基本概念。电枢绕组是直流电机的核心部分,在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。电枢绕组须满足以下要求:● 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下,尽可能节省有色金属和绝缘材料,● 并且要结构简单、运行可靠等。 一、简单绕组1. 直流电枢绕组基本知识元件:构成绕组的线圈称为绕组元件,分单匝和多匝两种。元件的首末端:每一个元件均引出两根线与换向片相连,其中一根称为首端,另一根称为末端。极距:相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离,用τ 表示。τ=πD 2p也可用槽数表示,τ=Z 2p(槽),式中Z 为电枢总槽数。元件节距y 1(第一节距): 元件两条边的距离,以槽数计,总是整数。 换向器节距y k :通常用换向片数K 来表示。 叠绕组:指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分,整个绕组成折叠式前进。波绕组:指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来,象波浪式的前进。2. 举例 P25-26 图2-12 、图2-131) 原理图 2)展开图 3)元件连接顺序表二、绕组的基本形式 1. 单叠绕组元件依次相连,元件的出线端接到相邻的换向片上, yk =1,第一个元件的下层边(虚线)连接着第二个元件的上层边,它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。单叠绕组的特点:(1)元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上。(2)同一主磁极下的元件串联成一条支路,主磁极数与并联支路数相同。 (3)整个电枢绕组的闭合回路中,感应电动势的总和为零,绕组内部无“环流”。 (4)电刷数等于主磁极数,电刷位置应使感应电动势最大,电刷间电动势等于并联支路电动势。(5)正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势,电枢电压等于支路电压。(6)由正负电刷引出的电枢电流为各支路电流之和。 2. 单波绕组两个串联元件放在同极磁极下,空间位置相距约两个极距;沿圆周向一个方向绕一周后,其末尾所在边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。 单波绕组的特点:1)同极下各元件串联起来组成一条支路,支路对数为1,与磁极对数无关; 2)当元件的几何形状对称时,电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线,支路电动势最大; 3)电刷数等于磁极数;4)电枢电动势等于支路感应电动势; 5)电枢电流等于两条支路电流之和。 相同元件数时,叠绕组并联支路数多,每条支路里串联元件数少,适用于较低电压、较大电流的电机。对于单波绕组,支路对数永远等于1,每条支路里所包含的元件数较多,所以这种绕组适应于较高电压、较小电流的电机。至于大容量的电机,可以采用混合绕组。2.4直流电机的励磁方式及磁场(exciting methods and magnetic field) 一、直流电机的励磁方式(exciting methods) 1. 定义:主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式; 2. 分类: 分为:他励式、并励式、串励式和复励式。1)他励式:励磁电流由其他直流电源单独供给,励磁绕组和电枢绕组相互独立。 2)自励式:顾名思义,励磁电流由电机自身供给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同,自励式又分为串励式、并励式和复励式: (1)串励式:电枢绕组和励磁绕组相串联,满足:I =I a =I f (2)并励式:电枢绕组和励磁绕组相并联,满足:U f =U a I =I a -I f 他励:励磁电流较稳定;并励:励磁电流随电枢端电压而变;串励:励磁电流随负载而变,由于励磁电流大,励磁绕组的匝数少而导线截面积较大;复励:以并励绕组为主,以串励绕组为辅。**说明:为了减小体积,小型直流电机采用永磁式。 他励:以电动机为例。自励:以发电机为例。二、直流电机的空载磁场(magnetic field with no-load)空载:发电机出线端没有电流输出,电动机轴上不带机械负载,即电枢电流为零的状态。这时的气隙磁场,只由主极的励磁电流所建立,所以直流电机空载时的气隙磁场,又称励磁磁场。主磁通:经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链,能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩,称为主磁通Φ0。 漏磁通:仅交链励磁绕组本身,不进入电枢铁 心,不和电枢绕组相交链,不能在电枢绕组中感 应电动势及产生电磁转矩,称为漏磁通Φσ。特点:1)由同一个磁动势所产生2)所走的路径不同,导致它们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同,气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能。漏磁通磁力线不进入电枢铁心,直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁路 主磁通磁力线由N 极出来,经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S 极,再经定子铁轭回到N 极主磁路直流电机中,主磁通是主要的,它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩,而漏磁通没有这个作用,它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上,漏磁通比主磁通小得多,大约是主磁通的20%。为了感应电动势或产生电磁转矩,直流电机Φ0气隙中需要有一定量的每极磁通Φ0 ,空载时, 气隙磁通Φ0与空载磁动势F f 0或空载励磁电ΦN流I f 0的关系,称为直流电机的空载磁化特性。 如右图所示。为了经济、合理地利用材料,一般直流电 机额定运行时,额定磁通ΦN 设定在图中A 点, 即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。三、直流电机负载时的磁场及电枢反应(magnetic field with load and armature reaction ) 1. 概述空载:气隙中磁场仅由主磁场的励磁磁动势产生(F f =Nf I f ) 负载:负载时的气隙磁场F f +电枢磁动势fN f 0N电枢反应定义:电枢磁动势对励磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。 2. 主磁场:以主磁极的轴线对称分布Φσ:只增加磁路饱和作用几何中性线:两相邻主磁极的轴线对称分布,此处B=0; If→F f →Φ0物理中性线:B=0处的直线位置3. 电枢反应:当励磁绕组中有励磁电流,电机带上负载后,气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电刷在几何中性线时的电枢反应的特点: 1) 使气隙磁场发生畸变空载时电机的物理中性线与几 何中性线重合。负载后由于电 枢反应的影响,每一个磁极下, 一半磁场被增强,一半被削弱, 物理中性线偏离几何中性线α 角,磁通密度的曲线与空载时 不同。2) 对主磁场起去磁作用磁路不饱和时,主磁场被削弱的 数量等于加强的数量,因此每极量的 磁通量与空载时相同。电机正常运行 于磁化曲线的膝部,主磁极增磁部分 因磁密增加使饱和程度提高,铁心磁 阻增大,增加的磁通少些,因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为去磁性质。2.5 电枢电动势和电磁转矩(electromotive force and electromagnetic torque)一. 电枢电动势:电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势,也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势,再求一条支路的。一个磁极极距范围内,平均磁密用B av 表示,极距为τ,电枢的轴向有效长度为l ,每极磁通为Ф,则B av =Φτl。一根导体的平均电动势为:e av =B av lv 又因为:v =2p τn 60,所以:e av =2p Φn因为一条支路里的串联总导体数是,电枢电动势为:E a ==pN 60a60N。2a(N 为电枢总导体数,N =2SN y ),于N 2ae av =N 2a2p Φn 60pN 60aΦn =C e Φn式中,C e =是一个常数,称为电动势常数。二. 电磁转矩:如果电动势和发电机相关,电磁转矩和电动机可以联系在一起,求解电磁转矩的过程和求解电动势类似。1)先求一个导体的平均电磁力:f av =B av l i a ;2)平均电磁力乘以电枢的半径,即得到一根导体所受的平均转矩:T x =f av 3)电机总的电磁转矩则为:T =B av l =pN 2πaD 2;I a 2aND 2=Φl τlI a 2aN2p τ2πpN 2πaΦI a =C T ΦI a式中:C T =是一个常数,称为转矩常数,I a =2ai a 是电枢总电流。电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。C e ,C T对于一个具体的电机而言,是一个常数,并且通过换算,两者之间有一C T C e=602π=9.55固定的关系:或C T =9.55C e 。三、直流电机的电磁功率:P M =E a I a =C e ΦnI a ==pN 2πaΦI a Ω=T ΩpN 60aΦ60Ω2πI a直流发电机和直流电动机的电枢电动势和电磁转矩的比较:2.6 直流电机的运行原理(operation principle of DC machine)一、直流电机的基本方程(basic equation of DC machine) 1. 电动势平衡方程(electromotive force balance equation)E a =U ±I a R a ±2U b式中:R a :电枢回路总电阻;U =I f (r f +r Ω) =I f R f E a =C e Φn2U b:正、负电刷电压降,一般为0.6~2伏;发电机:取“+”;电动机:取“-”; 忽略电刷压降,则E a=U ±I a R a**发电机:E a >U ;电动机:E aaI aE II发电机 电动机2. 转矩平衡方程(torque balance equation)T em =C T ΦI a1. 发电机:T em =T 1-T 0 2. 电动机:T em =T 2+T 03. 直流电机的功率平衡方程(power balance equation) 1) 电动机 电能→机械能电动机:P em =P 1-p Cua -p Cuf -p bP 2=P em -p 0=P 1-∑p2) 发电机 机械能→电能P1 (机)发电机:P em =P 1-p 0P =P em -p Cua -p Cuf -p b =P 1-∑p2 电机效率:η=P 2P 1=1-∑pP +∑2p∑p =p cuf +p cua +p Fe +p m +p ad二、直流电动机的工作特性(operation characteristics of DC motor) 直流电动机的基本方程E a =C e ΦnU =E a +I a R a +2U b ≈E a +I a R aE aT em =C T ΦI aT em =T 2+T 0P em =P 1-p C ua =T em Ω=E a I aP 2=P em -p 0=P em -(p m ec +p Fe +p ad )定义:直流电动机的工作特性,是指在U=UN ,I f =I fN 时, 转速n 、电磁转矩T em 和效率η随输出功率P 2 而变化的关系。实际运行时, 电枢电流I a 可直接测量, I a 和P 2 成正比, 变化趋势大致相同。故可将工作特性表示为n 、T em 、η=f (I a )。直流电动机的工作特性因励磁方式不同, 差别很大。须分别讨论。 1. 他励(并励)直流电动机的工作特性 1) 转速特性定义:当U =U N 、I f =I fN 时,n =f (I a ) 由方程式可得n =UNC e C T Φ忽略电枢反应的去磁作用,转速与负载电流按线性关系变化如图所示。C e Φ-R a C e ΦI an =U C e Φ-R a2T em =n 0-βT em若忽略电枢反应,Φ=C ,则为一直线;**说明:①n0为理想空载转速;②β大,机械特性硬;β小,机械特性软。 2) 转矩特性定义:当U =U N 、I f =I fN 时,T em =f (I a ) 转矩表达式T em =C T ΦN I a考虑电枢反应的作用,转矩上升的速度比电流上升的慢。 3) 效率特性定义:当U =U N 、I f =I fN 时,η=f (I a ) 由方程式可得η=P 1-∑PP 1=1-P 0+R a I a U N I a2损耗分析:结论:空载损耗为不变损耗,不随负载电流变化,当负载电流较小时效率较低,输入功率大部分消耗在空载损耗上;负载电流增大,效率也增大,输入的功率大部分消耗在机械负载上;但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如上图所示。2. 串励直流电动机的工作特性:由于串励电动机的励磁绕组与电枢串联,所以励磁电流就是电枢电流,即它是随负载的变化而变化的。其工作特性与他(并)励直流电动机的工作特性有所不同。当负载电流较小时,电机磁路不饱和,每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即:Φ=k f I f =k f I a 。 n ηa 1)转速特性:n =U N C e Φ-R a I a C e Φ=U N k f C e I a-R a +R f k f C e2)转矩特性:T em =C T ΦI a =k f C T I a 2当负载电流为零时,电机转速趋于无穷大, 所以串励电动机不宜轻载或空载运行。当负载电流较大时,磁路饱和,串励电动机的工作特性与他励电动机相同。曲线如图所示。串励电动机有较大的起动转矩与过载能力。当生产机械过载时,电动机的转速自动下降,其输出功率变化不大,使电机不致因负载过重而损坏。当负载减轻时,转速又自动上升。电力机车、电车等一类牵引机械大都采用串励电动机拖动。3. 复励直流电动机的工作特性: 复励电动机通常接成积复励,它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用,它的工作特性就接近并励电动机;如果串励磁动势起主要作用,它的工作特性就接近串励电动机。因为有并励磁动势的存在,空载时没有飞车的危险 ,复励电动机的转速特性如图所示。1.并 2.积复 3.串三、直流发电机的特性(characteristics of DC generator) 直流发电机的励磁方式:他励、并励、复励。+I =I aGU -I直流发电机的特性: (1)负载特性当n=常数且I=常数时,U=f (If ) 的关系,其中当I=0时的特性U 0=f (If ) 称为发电机的空载特性。 (2)外特性当n=常数且I f =常数或R f =常数时,U=f (I )的关系 (3)调节特性当n=常数且U=常数时,I f =f (I ) 的关系。 (4)效率曲线 (一)空载运行1.他励发电机的空载特性空载时,U =E a 。由于 E a =C e Φn ,因此空载特性实质上就是E a =f (I f ) 。由于E a 正比于Φ,所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。 直流发电机的空载特性是非线性的,上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。空载特性与励磁方式无关。2. 并励直流发电机的自励建压(build up voltage of shunt excitation DC generator)并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的,而端电压是在励磁电流作用下建立的,这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程,满足建压的条件称为自励条件。曲线1为空载特性曲线,曲线2为励磁回路励磁电阻电压Uf=ifRfUU1)自励条件:①电机的磁路必须有剩磁;②电机的转向及励磁绕组与电枢绕组的连接必须正确,以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致。③电机的励磁磁路具有饱和特性;④励磁回路的电阻应小于与电机运行转速相对应的临界电阻。 2) 励磁回路方程: 3)说明:① ②R f >R CrE 0=U 0=i f R f +L fUfdifdt 磁化曲线;=(i f )=i f R f励磁电阻电压;Uf(磁化曲线与的交点),无固定交点,空载电压不能稳定在某一值上;R f时,E 0=固定值;③转速低时,空载特性下降,R Cr ↓→要求在额定转速下自励建压。(二)负载运行运行特性(operation characteristics)U (E ) =f (I f )1)空载特性:当n =n N ,I =0时,00;磁化曲线 I =C 2)外特性:当n =n N ,f 时,U =f (I ) ;1.直流发电机的外特性:外特性曲线。电流增大时,端电压下降,其原因有两个:⑴负载增大时,电枢反应的去磁作用增强,使每极磁通量减小,从而使电枢电动势减小;⑵电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大,从而使端电压下降。U0 U1—他励发电机外特性;2—并励发电机外特性;并励方式下,端电压下降的更快一些:负载增大时,电枢反应的去磁作用增强,使每极磁通量减小,这样不仅影响了电枢电动势,使端电压下降,同时端电压的下降进一步影响励磁电流使之减小,导致电枢电动势双重减小,并励下降的更快一些。**解释:为什么并励比他励发电机的外特性下降得多?原因:一是电枢反应的去磁作用;二是电枢回路总电阻和电刷电阻引起的压降。 并励、复励、串励三种励磁方式下外特性的比较。U =U 0-U UNN100%2. 电压变化率:;他励:一般为(5~10)%恒压源并励:一般为20%以上;I =f (I )3. 调整特性:当n =n N ,U =C 时,f ;1—他励发电机调整特性;2—并励发电机调整特性;2.7直流电机的换向(commutation)一、换向过程(commutation process) 1. 换向定义:从+ia 到-i a 的过程; 2. 换向周期:T k ,几毫秒;3. 换向原因:电磁、机械、电化学和电热 二、换向元件中的电动势(emf)主要分析电磁原因:换向过程中换向元件的电动势不为零。1. 电抗电动势e r换向元件中,在电流变化时,出现由自感与互感作用所引起的感应电动势,这个电动势称为电抗电动势。 从+ia 到-i a →e r =-Ldi dt方向:由楞次定律知,阻碍换向,与换向前相同;2. 电枢反应电动势e a虽然换向元件位于几何中性线处,主磁场的磁密等于零,但是电枢磁场的磁密不等于零。因此换向元件必然切割电枢磁场,产生一种旋转电动势,称为电枢反应电动势。由于电枢反应影响e a =BLv≠0物理中性线偏移几何中性线B≠0由于电枢反应影响e=BLv≠0方向:对换向起阻碍作用,与换向前同,其大小与电机的转速及负载大小有关。 三、改善换向的方法(methods) 1. 换向的不良后果:产生火花; 产生火花的电磁原因:在换向元件中存在着两个方向相同的电动势e a +e r ,因此在换向元件中,会产生附加的换向电流i K 。由i K 所建立的电磁能量ik 2L r 要释放出来。当这部分能量21足够大时,将以火花的形式从刷边放出。此外还有机械及电化学方面的原因。 火花使电刷及换向器表面损坏,严重时将使电机不能正常运行。 火花等级:2. 改善换向的方法从产生火花的电磁原因出发,减少换向元件的电抗电动势和电枢反应电动势,就可以有效地改善换向。 ①装设换向磁极; ②增加换向回路的电阻;③电刷移到气隙磁场的物理中性线附近。 ④补偿绕组作业:2-1,2-6,2-15,2-16,2-17,2-18,2-19,2-21

直流电机控制系统设计

基于2407单片机的直流电机PWM调速系统学 生: 张 洋专 业: 电气工程及其自动化班 级: 09020702指导教师: 周素盈二.系统总体方案论证

2.1系统方案比较与选择方案一:采用专用PWM集成芯片、IR2110 功率驱动芯片构成整个系统的核心,现在市场上已经有很多种型号,如Tl公司的TL494芯片,东芝公司的ZSK313I芯片等。这些芯片除了有PWM信号发生功能外,还有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。这种专用PWM集成芯片可以减轻单片机的负担,工作更可靠,但其价格相对较高,难于控制工业成本不宜采用。方案二:采用24071单片机、功率集成电路芯片L298构成直流调速装置。L298是双H高电压大电流功率集成电路,直接采用TTL逻辑电平控制,可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其驱动电压为46V,直流电流总和为4A。该方案总体上是具有可行性,但是L298的驱动电压和电流较小,不利于工业生产应用,无法满足工业生产实践中大电压、大电流的直流电机调速。方案三:采用2407单片机、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心实现对直流电机的调速。2407具有两个定时器T1和T2。通过控制定时器初值T1和T2,从而可以实现从任意端口输出不同占空比的脉冲波形。2407控制简单,价格廉价,且利用2407构成单片机最小应用系统,可缩小系统体积,提高系统可靠性,降低系统成本。IR2110是专门的MOSFET管和IGBT的驱动芯片,带有自举电路和隔离作用,有利于和单片机联机工作,且IGBT的工作电流可达50A,电压可达1200V,适合工业生产应用。综合上述三种方案,本设计采用方案三作为整个系统的设计思路。

2.2系统方案描述本系统采用2407为控制核心,利用2407产生的PWM经过逻辑延迟电路后加载到以IR2110为驱动核心,IGBT构成的H桥主干电路上实现对直流电机的控制和调速。本系统的控制部分为5V的弱电而驱动电路和负载电路为110V以上的直流电压因此在强弱电之间、数据采集之间分别利用了带有驱动功能的光耦TLP250和线性光耦PC817实现强弱电隔离,信号串扰。具体电路框图如下图2-1图2-1系统整体框图

2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理

2.3.1原理框图该系统原理框图如图2-3所示,转速反馈控制环的调节是利用单片机软件实现的PI调节。图中虚线部分是采用单片机实现的控制功能。

2.3.2 单闭环直流调速系统的组成 图2-3 数字式转速负反馈单闭环直流调速系统只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压,达到调节电动机转速的目的,称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性:

(1)、通过控制可调直流电源的输入信号,可以连续调节直流电动机的电枢电压,实现直流电动机的平滑无极调速,在启动或大范围阶跃升速时,电枢电流可能远远超过电机额定电流,可能会损坏电动机,也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。

(2)、开环系统的额定速降一般都比较大,使得开环系统的调速范围D都很小,对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降,以增大调速范围。

(3)、开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差,为克服其缺点,提高系统的控制质量,必须采用带有负反馈的闭环系统,方框图如图2-2所示。在闭环系统中,把系统输出量通过检测装置(传感器)引向系统的输入端,与系统的输入量进行比较,从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器(调节器)产生控制作用,自动纠正偏差。带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性,改善控制精度的性能,广泛用于各类自动调节系统中。图2-2 闭环系统方框图

对于调速系统来说,输出量是转速,通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装测速装置,引出与输出量——转速成正比的负反馈电压,与转速给定电压进行比较,得到偏差电压,经过放大器A,产生驱动或触发装置的控制电压,去控制电动机的转速,这就组成了反馈控制的闭环调速系统,如图2-4所示。图2-4 转速负反馈单闭环直流调速系统静态框图

2.3.3速度负反馈单闭环系统的静特性由图2-3,按照梅森公式可以直接写出转速给定电压Un*和负载扰动电流IL与转速n的关系式如下: 式2-2

其中,闭环系统的开环放大系数为: 式2-3

开环系统的负载速降为: 式2-4

由式2-2闭环时的负载速降为: 式2-5上式表明采用速度闭环控制后,其负载速降减小了(1+Kol)倍,使得闭环系统的机械特性比开环时硬得多;因而,闭环系统的静差率要小得多,可以大大增加闭环系统的调速范围。

2.4 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统在电动机的闭环调速中,速度调节器一般采用PI调节器,即比例积分调节器。常规的模拟PI控制系统原理框图见图2-5,该系统由模拟PI调节器和被控对象组成。r(t)是给定值,y(t)是系统的实际输出值,给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)。………………………………………………(2-6)e(t)作为PI调节器的输入,u(t)作为PI调节器的输出和被控制对象的输入。所以模拟PI控制器的规律为:…………………………………(2-7)式中Kp--比例系数,TI--积分常数。比例调节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数,比例系数越大,控制越强,但过大会导致系统振荡,破坏系统的稳定性。积分调节的作用是消除静态误差。但它也会降低系统响应速度,增加系统的超调量。图2-5模拟PI控制系统原理图采用DSP对电动机进行控制时,使用的是数字PI调节器,而不是模拟PI调节器,也就是说用程序取代PI模拟电路,用软件取代硬件。将式3-6离散化处理就可以得到数字PI调节器的算法:……………………………(2-8)或 ……………………………(2-9)式中k--采样序号,k=0,1,2,…;uk--第k次采样时刻的输出值;ek--第k次采样时刻输入的偏差值; KI--积分系数,;u0--开始进行PI控制是的原始初值。用式(3-8)计算PI调节器的输出比较繁杂,可将其进一步变化,令第k次采样时刻的输出值增量为:………………………………(2-10) 所以 ……………………………………(2-11) 或 …………………………………………(2-12)式中--第k-1次采样时刻的输出值,--第k-1次采样时刻的偏差值,--,--。用式(2-11)或式(2-12)就可以通过有限次的乘法和加法快速地计算出PI调节器的输出。以下是用式(2-12)计算的程序代码:LT EK ;MPY K2 ;K2是Q12格式,LACC GIVE ;给定值SUB MEASURE ;减反馈值SACL EK ;保存偏差值LACC UK,12 ;LTA EK ;,Q12格式,MPY K1 ;k1是Q12格式,AP AC ;,Q12格式SACH UK,4 ;保存

以上程序代码只用10条指令。如果用40MIPS,只需250ns时间,足可以用于实时控制。

三.硬件电路的模块设计

3.1 H桥电机驱动电路图3-1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机,电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。如图3-1所示,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,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。图3-1H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。如图3-2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3-2 H桥驱动电路图2-3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为逆时针方向)。图3-3 H桥驱动电路

3.2放大电路的连接电路IR2111外围电路如图所示。单片机输出的PWM信号经光耦PC817后,输出至IR2111输入端,此处的光耦对PWM信号起到隔离、电平转换和功率放大的作用。图中,、为光耦上拉电阻,其值根据所用光耦的输入和输出地电流参数决定:为电容滤波电容,为自举二极管,、为栅极驱动电阻。3.3键盘输入电路本系统采用键盘,如图3.5所示。图3.5为按钮电路

3.3测速电路设计一个完善的闭环系统,其定位精度和测量精度主要由测量元件决定,高精度的测量转速对测量元件的质量要求相当高。光电编码器是现代系统中必不可少的一种数字式速度测量元件,被广泛应用于微处理器控制的闭环控制系统中。

3.3.1光栅盘光栅盘是在圆盘边刻有很多光栅。当光源照射到光栅部分时,没有被光栅挡住的光源就透射过去。本系统中采用了一个圆面上刻有60个均匀光栅格的光栅盘。当电机旋转一周时,会产生60个光脉冲信号。

3.3.2 光电传感器光电传感器原理是有一个发光二极管和一个由光信号控制放大的三极管组成。由发光二极管发出红外光线通过3mm宽的气隙透射到另一端的三极管上,使得该三极管导通。其特征如下:

气隙是3mm。

分辨率达到0.5mm。

大电流传输比。

暗电流为:0.25

在=10mA时,发光二极管产生的光线的波长为940nm。

安装时将光栅盘圆面钳到沟槽中,光电传感器的发光二极管发出的红外线通过3mm气隙照射到光栅盘,光通过光栅盘面上透光的光栅气隙可以使得光传感器的三极管导通,从C极会输出一个低电平,被光栅挡住的光不能透过去,使得光电传感器的C极会输出一个高电平。3.6光电传感器原理图光电传感器在硬件电路设计上很简单, 如图3.7。在光电传感器的1引脚上接一个限流电阻R,限制流过发光二极管的电流=10mA左右。计算公式如下:3.7光电传感器设计图

3.4 稳压电源电路电池放电时内阻稳定的增大,电压则稳定的减小, 而且接上大功率的负载时电压会瞬时降低, 不能用于提供固定的电压,对于各种IC芯片需要的稳定电压, 需要专门的稳压器件,或者稳压电路, 基本的稳压器有两种:线性(LDO)和开关(DCDC), 其中前者只能降压使用,而前者还可以升压使用而且效率很高。控制芯片89C51的标准供电电压是5V,可以选择使用线性电压调整芯片稳压,如:

7805:最大输出电流1.5A,内部过热保护,内部短路电流限制,典型输入电压7~20V, 输出电压4.9~5.1V,静态电流典型值4.2mA,压差(输出与输入的差)至少2V。

78L05(电流较小):最大输出电流100mA,内部过热保护,典型输入电压7~20V, 输出电压4.75~5.25V,静态电流典型值3mA。

LM317(电压可调):输出电流可达1.5A,输出电压1.2V~37V,内部过热保护等。 选用7805,一方面简单;另一方面比较常用且比较便宜。LM78系列是美国国家半导体公司的固定输出三端正稳压器集成电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用,是使用极为广泛的一类串联集成稳压器。内置过热保护电路,无需外部器件,输出晶体管安全范围保护,内置短路电流限制电路。对于滤波电容的选择,需要注意整流管的压降。稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成, a.整流和滤波电路:整流作用是将交流电压变换成脉动电压。滤波电路一般由电容组成,其作用是脉动电压中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压。b.稳压电路:由于得到的输出电压受负载、输入电压和温度的影响不稳定,为了得到更为稳定电压添加了稳压电路,从而得到稳定的电压。3.8光电传感器设计图

三端集成稳压器LM7805正常工作时,输入、输出电压差2~3V。C1为输入稳定电容,其作用是减小纹波、消振、抑制高频和脉冲干扰,C1一般为0.1~0.47μf。C2为输出稳定电容,其作用是改善负载的瞬态响应,C2一般为1μF。使用三端稳压器时注意一定要加散热器,否则是不能工作到额定电流。二极管IN4007用来卸掉C2上的储存电能,防止反向击穿LM7805。查相关资料该芯片的最大承受电流为0.1A,因此输入端必须界限流电阻R1,R1=(12*0.9-5)/0.1=58Ω,取近似值,选用70Ω的电阻。

3.5.显示电路液晶显示模块(LCD)由于其具有功耗低、无电磁辐射、寿命长、价格低、接口方便等一系列显著优点,被广泛应用与各种仪表仪器、测量显示装置、计算机显示终端等方面。字符液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示模块。TS1620字符液晶显示模块以ST7066和ST7065为控制器,其接口信号功能和操作指令与HD44780控制器具有兼容性。字符液晶有81、162、202、402等20多种规格型号齐全的字符液晶显示模块,均具有相同的引线功能和编程指令,与单片机的接口具有通用性。下图为外观机构。TS1620的引脚与功能表下图所示。

引脚好 引脚符号 名称 功

1 GND 电源地 接5V电

源地端

2 VDD 电源正端 接5V电

源正端

3 VEE 液晶驱动电压端 电压可调,一端接地,

一端接可调电阻

4 RS 寄存器选择段 RS=1为数据寄存器,

RS=0为指令寄存器

5 RW 读/写选择端 RW=1为读数据,

RW=0为写数据

6 EN 读/写使能端 写时,下降沿触发;

读时,高电平有效

7至14 DB0—DB7 8位数据线 数据

总线

TS1620模块与单片机的接口简单,PIC18F单片机的连接图如总图所示。PIC18F458的RD0-RD7端口直接与TS1620-1的DB0-DB7相连接,TS1620-1的控制信号RS、RW、EN分别与PIC18F458的RE0-RD2相连接。

3.6时钟电路单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准,有条不紊地一拍一拍地工作,因此时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响振荡器的频率高低,振荡器的稳定性和起振的快速性,晶振的频率越高则系统的时钟频率也越高,单片机的运行速度也越快。图3.9时钟电路

本设计采用频率为12MHZ,微调电容C1和C2为30pF的内部时钟方式,电容为瓷片电容。判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的方法,就是用万用表测量单片机晶振引脚(18,19脚)的对地电压,以正常工作的单片机用数字万用表测量为例:18脚对地电压约为2.24V,19脚对地电压约为2.09V。

4.3 复位电路复位是单片机的初始化操作,其主要作用是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需要按复位键以重新启动。图3.10 复位电路

单片机的复位电路在刚接通电时,刚开始电容是没有电的,电容内的电阻很低,通电后,5V的电通过电阻给电解电容进行充电,电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右(此时间很短一般小于0.3秒),正因为复位脚的电由低电位升到高电位,引起了内部电路的复位工作,这是单片机的上电复位,也叫初始化复位。当按下复位键时,电容两端放电,电容又回到0V了,于是又进行了一次复位工作,这是手动复位原理。 该电路采用按键手动复位。按键手动复位为电平方式。对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断,单片机正常工作时第9脚对地电压为零,可以用导线短时间和+5V连接一下,模拟一下上电复位,如果单片机能正常工作了,说明这个复位电路有问题,其中电平复位是通过RET端经电阻与电源VCC接通而实现的,当时钟频率适用于12MHZ时,C取100uF,R取10K,为保证可靠复位,在初识化程序中应安排一定的延迟时间。

软件电路的模块设计直流电机转速控制器的软件设计和系统功能的开发和完善是一个循序渐进过程,本文所作的软件开发是基于直流电机多速控制器的基本功能要求设计的该系统软件有主程序、功能键处理程序、电机运行显示程序、键盘设置参数程序测速程序、延时子程序等。该系统的整个软件设计全部采用模块化程序设计思想,由系统初始化模块、案件识别模块、LCD模块、高优先级和低优先级中断服务程序四大模块组成。整个软件的主程序框图如图4-1。图4-1整个软件的主程序框图

通过控制总中断使能PDPINTA控制电机的开关,其中定时器T1,T2分别对脉冲的宽度、光电传感器输出的脉冲数对应的1秒时间定时。对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长度,由变量high控制。变量change、 sub_speed 、add_speed分别实现电机的转向、加速、减速。

4.1系统初始化模块/***************************主函数*********************************/void main(){P2 = 0x00;TMOD = 0x11;TH1 = 0xec; //定时器T1设置参数TL1 = 0x78;TH2 = 0x3c; //定时器T2设置参数TL2 = 0xb0;TR1 = 1;TR2 = 1;init(); //液晶显示初始化程序while(1){ Wc2407r(0x84);wc2407ddr(H);wc2407ddr(e);wc2407ddr(l);wc2407ddr(l);wc2407ddr(o);if(test == 0)num_medium++;datamade();motor_control();}}

4.2 电机运行控制模块电机运行控制模块包括电机的方向控制和电机的速度控制,他们由Open,close,addspeed,subspeed,swap变来控制2407单片机的EVA模块产生不同的PWM信号送到L298 电机驱动器。

/***********通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序*****************/void motor_control(){if(open == 1)PDPINTA = 1;if(close == 1)PDPINTA = 0;if(swap == 1){change = ~change;while(swap != 0){}}if(sub_speed == 1){ high++;if(high == 30)PDPINTA=0;while(sub_speed != 0){}}if(add_speed == 1){ high--;if(high == 5)high = 5;while(add_speed != 0){}}}

4.3 测速软件设计常用的光栅测速方法有三种:测频法(M法)、测周法(T法)和测频测周法(M/T

法) M法测速是测定在一定时间内,脉冲的个数,从而转换为速度。本系统采用M法则测速。设置2407单片机内的定时器/计数器TIME1于计数器模式;在20个时钟周期内定时期间TIME1对输入的脉冲进行计数,在中断过程中对计入的脉冲数进行处理,获得转速数据。/****T2中断服务程序********单位时间(S)方波的个数*************/void time2_int(void) interrupt 3 { count_speed++;if(count_speed == 20){ count_speed = 0;num_display = num_medium;num_medium = 0;}}/************************速度显示的数据处理*********************/void datamade(){ uint data MMWc2407r(0xc2);wc2407ddr(S);wc2407ddr(p);wc2407ddr(e);wc2407ddr(e);wc2407ddr(d);wc2407ddr(0x3a);MM = num_display/100;wc2407ddr(wword[MM]); }

4.4LCD显示模块LCD显示驱动单独做成一个源程序文件和头文件,可以方便以后其他模块或其他应用程序的调用。在LCD显示驱动模块中主要是LCD初始化函数LCD_Initize()、写LCD命令函数Write_LCD_Command()、写LCD数据函数Write_LCD_Data().

TS1620可以显示两行16列ASCII码,其对应的第一行的首行地址是80H;第二行的首地址是C0H,送字符串到LCD上显示,需要定位将字符串显示在第X行和第Y列上,显示的字符串不能超过该行的最大列。#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit open = P2^0;sbit close = P2^1;sbit swap = P2^2;sbit sub_speed = P2^3;sbit add_speed = P2^4;sbit PWM1 = P3^0;sbit PWM2 = P3^1;/************************液晶显示*************/sbit E=P3^7;sbit RW = P3^6;sbit RS = P3^5;sbit test = P3^4;int time = 0;int high = 20;int period = 30;int change = 0;int flag = 0;int num_medium = 0;int num_display = 0;int count_speed = 0;uchar wword[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39}; /*******************延时t毫秒****************/void delay(uchar t){uint i;while(t){/*对于11.0592MHz时钟,延时1ms*/for(i=0;i<125;i++);t--;}

}//写命令函数LCDvoid Write_LCD_Command(){RS=0;RW=0;P1=j;E=1;E=0;delay(3);}//写数据函数LCDvoid Write_LCD_Data(){RS=1;RW=0;P1=j;E=1;E=0;delay(2);}

//初始化函数LCDvoid LCD_Initize(){ wc2407r(0x01); //清屏wc2407r(0x38); //使用8位数据,显示两行,使用5*7的字型wc2407r(0x0c); //显示器件,光标开,字符不闪烁wc2407r(0x06); //字符不动,光标自动右移一格

}

4.4 PWM 源程序/***********8T1中断服务程序************PWM波的生成**********/void time1_int(void) interrupt 1

{time++;TH1 = 0xec;TL1 = 0x78;if(change == 0){PWM2 = 1; if(time == high)PWM1=0;else if(time == period){ PWM1 = 1;time = 0;}}else{ PWM1 = 1; if(time == high)PWM2=0;else if(time == period){ PWM2 = 1;time = 0;}}}

4.5 PID调速程序流程如图五.系统抗干扰

电子电路的抗干扰技术在电路设计中占有重要的地位,对系统是否正常工作有着决定作用。本文电路既包括模拟电路也包括数字电路,而数字电路运行时输入和输出信号均只有两种状态,即高电平和低电平,且这两种电平的翻转速度很快,由于数字电路基本上以导通或截至方式运行,工作速率比较高,故会对电路产生高频浪涌电流,可能会导致电路工作不正常;而数字电路的输入输出波形边沿很陡,含有极丰富的频率分量,这对模拟电路来说,无疑是一个高频干扰源。为了消除以上可能出现的干扰,本系统在设计和调试过程中反复尝试比较,最终采取如下措施,消除了系统干扰。(l)合理布置电源滤波、退藕电容。(2)将数字电路与模拟电路分开。(3)合理设计地线。

(4)尽量加粗接地线和电源线。

六.设计总结

经过2个星期的课程设计,留给我印象最深的是要设计一个成功的电路,必须要有要有扎实的理论基础,还要有坚持不懈的精神。本产品实现了对直流电机的调速和测速,个人感觉其中还有许多不够完善的地方,例如:对电机的控制采用的是独立按键,而非矩阵键盘;电机的驱动电路的设计也不是很成熟。

此次的设计并不奢望一定能成功,但一定要对已学的各种电子知识能有一定的运用能力,我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏,并且开始慢慢走上创造的道路,这是非常可贵的一点。

直流电机控制设计

设计方案

基于Verilog HDL的直流电机PWM设计方案

直流电机PWM控制器产生的PWM波形,只需要FPGA内部资源就可以实现,如数字比较器、锯齿波发生器等均为FPGA内部资源,我们只要直接调用就可以。外部端口Z/F、START接在键盘电路上,其具体的连接方式如图1。

其工作原理是:旋转方向控制电路控制直流电动机转向和启/停,该电路由两个2选1的多路选择器组成,Z/F键控制选择PWM波形是从正端Z进入H桥,还是从负端F进入H桥,以控制电机的旋转方向。当Z/F=1时,PWM输出波形从正端Z进入H桥,电机正转。当 Z/F =0时,PWM输出波形从负端F进入H桥,电机反转。

Start键通过“与”门控制PWM输出,实现对电机的工作停止/控制。当START=1时,与门打开,允许电机工作。当START=0时,与门关闭,电机停止转动。

H桥电路由大功率晶体管组成,PWM输出波形通过方向控制电路送到 H 桥, 经功率放大以后对直流电机实现四象限运行。 基于FPGA的直流电机PWM控制省去了外接的D/A转换器和模拟比较器,FPGA外部连线很少,电路更加简单,便于控制。FPGA的直流电机PWM控制具有精度高,反应快,外部连线少,电路简单,便于控制等优点。

直流电机速度控制器设计

一.电机调速模块. 我们的设计思路是先产生占空比可调的方波(方法有多种,一是用555构成多谐振荡器.二可以利用单片机产生PWM方波)+4功率器件构成的H桥电路,用以驱动直流电机转动.当然还许多驱动方案,比如三极管-电阻作栅极驱动低压驱动电路的简易栅极驱动,还有可以直接用个MCU产生PWM外加一个MOS管驱动也可以. 1.1直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中,主要考虑一下几点: 1. 功能:电机是单向还是双向转动?需不需要调速?对于单向的电机驱动,只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可,当电机需要双向转动时,可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速,只要使用继电器即可;但如果需要调速,可以使用三极管,场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。 2. 性能:对于PWM调速的电机驱动电路,主要有以下性能指标。 1)输出电流和电压范围,它决定着电路能驱动多大功率的电机。 2)效率,高的效率不仅意味着节省电源,也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率,可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通(H桥或推挽电路可能出现的一个问题,即两个功率器件同时导通使电源短路)入手。 3)对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离,防止有高电压大电流进入主控电路,这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 4)对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染;大的电流可能导致地线电位浮动。 5)可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到,无论加上何种控制信号,何种无源负载,电路都是安全的。 考虑到以上的因素我们采用555多谐振荡器产生占空比可调的方波+4功率器件构成的H桥来驱动直流电机.电路图如下: 1.2、电机调速模块的电路图功能分析 555通过可调电阻可以实现占空比可调的方波,即组成占空比可调的多谐振荡器。 多谐振荡器实现占空比可调的方波的功能分析: 电源接通瞬间,电容C2上的初始电压为0,施密特触发器输出电压为U为高电平,与此同时由于集电极开路输出端(7脚)对地断开,电源通过R5、R7开始对电容C充电,电路进入暂稳态I状态。此后电路按下列四个阶段周而复始地循环,产生周期性的输出脉冲。 (1) 暂稳态I阶段,VCC通过R5。R7向电容C充电,电容C的电压Uc按指数上升,在UC高于2/3VCC之前,定时器暂时维持‘1’的状态,输出为高电位。 (2) 翻转I阶段,电容C继续充电,当Uc高于2/3VCC后,定时器翻转为‘0’的状态,输出为低电位。此时,集电极开路输出端(7脚)由对地断开变为导通。 (3) 暂稳态II阶段,电容C开始经历R7、R6对地(7脚)放电,Uc按照指数下降,在Uc低于1/3VCC之前,定时器依然维持‘0’的状态。输出为低电位。 (4) 翻转II阶段,电容C继续放电,当Uc低于1/3VCC后,定时器翻转为‘1’状态,输出为高电位。此时,集电极开路输出端(7脚)由对地导通变为对地断开。此后,振荡器又回复到暂稳态I状态。 (5) 可以通过调节R6的大小来调节定时器输出方波的占空比。 Uln2003芯片是16脚七路电机驱动芯片,这块芯片在这里可以看作是七非门芯片,作用是保证10脚和14脚的输出SINGLE1和SINGLE2的输出为一高一低。芯片中的二极管起到分流的作用。电路图的右部分的作用是通过调节电机的正转与反转来调节电机的转速,当SINGLE1为高 SINGLE2为低时,三极管Q2,Q3,Q5导通,Q1,Q4,Q6截止,电机1端通过Q5接地,Vcc通过Q2直接押在电机2端,此时电机2端电位高于1端,电机反转;当SINGLE1为低SINGLE2为高时,电机正转。当某一时刻占空比大于50%时,电机呈现正转加速或是反转减速状态;某一时刻占空比小于50%时,电机呈现正转减速或是反转加速状态。电机就是通过矩形波占空比的不同来调节转速的,电机呈现出来的转速是平均速度。 二.电机测速模块电路以及功能分析 我们的设计思路是利用光电隔离器件以及BCD计数器实现直流电机测速模块电路.利用电机转动时带动纸片遮挡光耦,使其发光二极管发出的红外光被其中的光敏三极管所接收,通过BCD计数器最后将在单位时间内转动的转数给显示出来.

电路图如下: 1.3、电机测速模块整个电路以及其他功能分析 1.3.1芯片功能分析 CD40192: 可预置BCD加/减计数器(双时钟) NSCTI///J1J2J3J4是可以预设数字的输入,Q1Q2Q3Q4是加减计数的输出。C0是进位端接高位的UP(加计数器)。BO是借位端图上不接,为空脚。ENABLE是使能端。VSS接地,VCC接电源。DOWN是减计数器。 CD4511 BCD锁存、7段译码,驱动器: //A、B、C、D分别接BCD加减计数器的输出端,锁存数字。再7段译码将其输出到数码管。 CD40106 六施密特触发器: NSCTI //输入信号为A,输出信号为A反,对输入的脉冲进行整形并取反,使高位计数器的加计数能够计数。 1.4、接受板子整个电路图功能分析 光电耦合器OPTOISO1,当其接受到光信号,LED放光,三极管饱和导通,晶体管Q1导通,因为电阻R3 为47K,大部分的电压分压在电阻上了,A为低电平。若没有接受到光的话,A为一高点平,这样在A端形成了一个负脉冲,再经过CD40106 六施密特触发器对脉冲进行整形并且取反,得到A的非为一正脉冲(指的是没有光的时候为低电平,有光信号的时候为高电平)。 经过六施密特触发器的脉冲信号再接到CD40192的UP端使BCD计数器件1为加计数器。又两个CD40192ENABLE是使能端一起接在enable信号上。 REST信号也相连一起通过按键S1接VCC高电平/通过R9 10K接地。这样只要按S1就可以实现REST重置清零。不按S1的就照常计数。 Enable使能信号的产生:是通过按键S1和555芯片以及相应的RC电路,实现一定时间的延时,也就是意味着一按S1,在定时T(由RC值确定)的时间内,计数器在计数,将光电耦合器接受到的恒定脉冲个人给计数,定时时间到的话就停止.这样的话可以将电机的速度给测出来.定时时间为0.5S~1.0S. 驱动CD40192工作,我们对照图2来分析这个定时器的功能。 当一上电的时候, 3 (OUT)脚输出一个高电平,

直流电机设计计算

单相电动机额定功率计算P=UIcosφ*η

U—线电压、I—线电流、φ—功率因数、η—电机效率

三相电动机额定功率计算P=1.732UIcosφ*η

U—相电压、I—相电流、φ—功率因数、η—电机效率

但电动机的实时功率是由负载决定的如果负载比较好测量也可用负载端的负载来计算: 对于转动力矩的电动机:P=T*n/9550*η(P功率单位KW、T转矩单位N、n转速单位R/min)。

电功率计算公式:P=W/t =UI;

计算公式

编辑

1、P=W/t 主要适用于已知电能和时间求功率

2、P=UI 主要适用于已知电压和电流求功率

3、P=U^2/R =I^2R主要适用于纯电阻电路,一般用于并联电路或电压和电阻中有一个变量求解电功率

4、P=I^2R 主要用于纯电阻电路,一般用于串联电路或电流和电阻中有一个变量求解电功率

5、P=n/Nt 主要适用于有电能表和钟表求解电功率,t-----用电器单独工作的时间,单位为小时n----用电器单独工作 t 时间内电能表转盘转过的转数,N----电能表铭牌上每消耗 1 千瓦时电能表转盘转过的转数。

参考资料:百度百科-电功率

今天的关于直线直流电机设计(直流电机速度控制器设计)的知识介绍就讲到这里,如果你还想了解更多这方面的信息,记得收藏关注本站。