直流电机转速测量与控制

苏州大学

城市轨道交通学院

课题名称：直流电机转速控制与测量学院：城市轨道交通学院

班级：10级通信工程

学号：45

姓名：袁圆

其他成员：李吟乔王佳毓苏朗

直流电机转速测量与控制

一、设计要求

1) 电机转速比例测量，并数码管显示；

2) 电机转速由按键设定，步长为1rad/min。

二、直流电机转速测量与PWM控制的基本原理:

直流电机的工作原理为：直流电机的磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定着线圈abcd。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，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，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。

由于方波的有效电压跟电压幅值和占空比有关，因此我们通过单片机的控制电路改变占空比，从而改变有效电压，以此控制电机的转速。即采用PWM（脉宽调制）方法实现调速。

三、设计方案

程序应用模块化进行设计，主要有初始化模块、显示模块、读键模块、数制转换模块、双字节除法模块、中断模块和控制调节模块。

初始化模块：8155工作方式、T0和T1工作方式、标志位状态、所用单元初值、中断设置以及初始显示等。

显示模块：设定值和实测值的数值与字符动态显示。

读键模块：从I/O口依据某位数码管亮时读入小按键是否有效，然后根据四个小键盘的不同功能进行相应的处理，只要设定值一改变立刻显示。加1键和减1键要有连加连减功能。

数制转换模块：将二进制转换为十进制。

外部中断模块：将转1圈的时间通过双字节除法程序求出即时转速。

定时中断模块：PWM输出波形形成。

控制调节模块：通过设定值和实测值的比较来改变脉冲波的占空比，该数据的调节分为简单比例调节PP和比例积分调节PI。调节公式分别为：

YK=YK1+KP*EK

YK=YK1+KP*EK+KI*EK2

YK：要输出的数据

YK1：上次输出的数据

EK：设定值和实测值的差值

EK1：上次的EK值

EK2：EK-EK1的差值

KP：比例系数（设KP=1~2）

KI：积分系数（设KI=1~2）

四、硬件设计

我们将整个模块分为以下几个部分：控制部分，驱动电路和负载的续流电路。

4.1控制部分

图4.1 系统方框图

控制电路主要由单片机来控制，编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实现对驱动的控制。新一代的单片机具有PWM功能。通过对单片机的初始化设置，使其自动发出PWM脉冲波，只有在改变占空比的时候CPU才干预。

4.2驱动电路的设计

开关驱动是利用大功率晶体管的开关作用。将恒定的直流电源电压转换为一定的方波电压加在电机电枢上，与线性方式不同，在这种驱动方式下，驱动器的功率管工作在开关状态，当器件导通时，器件的电流很大但是压降很小；器件关断时，压降很大但是电流很小。因此驱动器的功率消耗少，发热量少，效率较高。

通过控制开关的频率和脉宽，可以对电机的转向进行控制。

我们在本次设计中采用的PWM脉冲调制方式正是一种开关驱动方式，是直流电机最重要也是最常见的驱动方式。采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲及在具有惯性环节上时，其效果基本相同，这正是PWM

控制技术的理论基础。PWM驱动方式易与处理器接口，使用简单，最常见的就是H桥电路。集成H桥芯片很很多型号，我们使用的是L298的芯片（如图4.2）。

图4.2 L298引脚及外形图

表4.1 L298引脚符号及功能

一般利用H桥电路来实现调速。H桥驱动电路：

图4.3 H桥驱动电路

图4.3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（注意：图 4.3及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。

如图所示，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，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

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4.4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4.4 H桥电路驱动电机顺时针转动

图4.5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4.5 H桥电路驱动电机逆时针转动

可以把Q1跟Q4接在一起，Q3跟Q2接在一起，这样只要两个单片机I/O口就行。这个桥式电路图只用来说明原理，实际应用还要看电机的额定电压、电流。也可以用L293、L298直流的集成芯片。

我们采用的是模块是H桥芯片L298,图4.6所示是L298的内部原理图。

图4.6 L298内部原理图

L298需要2个电压，一个为逻辑电路工作时所需要的5V电压VCC，另一个为功率电路所需的驱动电压VSS。驱动电路的输入可直接与单片机的引脚相连，为了进一步提高抗干扰能力我们还使用了光电耦合器件组成的隔离电路和控制电路和动力电路进行电气隔离。参见表4.1。

原理分析：使能端输入使能，控制输入端A端输入PWM信号，控制输入端B 端输入PWM的反相信号，在一个PWM周期里，电机的电枢承受双极性的电压，电机的速度和方向均由PWM决定。

PWM占空比为50%（数码管显示50）时，对应的电机的转速为+113r/min，为电机初始转速。占空比为0%-50%（数码管显示0-50）的时候电机的转速是63-113r/min；占空比为50%-99%（数码管显示50-99）的时候电机的转速是113-162r/min。电机的转动速度由PWM脉冲方波的占空比决定。占空比越大则速度越快，即电机加速，占空比减小则是电机转动速度减慢，即电机减速（转速控制通过电路中SPEED UP和SLOW DOWN两个按键输入改变），键盘设置见图4.7。