课程设计--直流电机调速控制系统设计

课程设计--直流电机调速控制系统设计

指导教师评定成绩：

审定成绩：

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课程设计报告

设计题目：直流电机调速控制系统设计

学校：********************

学生姓名：**********

专业：********************

班级：***********

学号：**************

指导教师：*****************8

设计时间：2013 年12 月

目录

引言 (3)

一、直流电动机的工作原理 (4)

二、直流电动机的结构 (5)

三、直流电动机的分类 (6)

四、电动机的机械特性 (7)

五、他励直流电动机起动 (10)

六、他励直流电动机的调速方法 (11)

七、PWM调制电路 (14)

八、H桥驱动电路 (14)

九、直流电动机调速控制系统设计 (15)

十、心得体会 (22)

附录

参考文献 (23)

课程设计任务书 (23)

引言

现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。

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，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。

一、直流电动机的工作原理

应用了“通电导体在磁场中受力的作用”的原理，励磁线圈两个端线同有相反方向的电流，使整个线圈产生绕轴的扭力，使线圈转动。要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转，这就是直流电动机的工作原理。如

图1-1所示，

图1-1 直流电动机的工作原理图

将电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载项链，这时便有电流从电源的正极流出，经A电刷流入点数绕组，再经电刷B流回电源的负极。在图（a）所示位置时，线圈的ab边在N极下，cd边在S极下，电枢绕组中的电流沿着a-b-c-d的方向流动。电枢电流与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则来判断。这一对电磁力所形成的电磁转矩使电机逆时针旋转。当线圈的ab边在S极下，cd边在N极下，如果线圈中电流的方向仍然不变，那么作用在这两个线圈上的电磁力和电磁转矩的方向就会与原来的方向相反，电机便无法旋转。如图（b）所示，由于原来与电刷A接触的线圈a端的铜片现在已改接成与电刷B接触，而原来与电刷B接触的线圈d端的铜片现在已改接成与电刷A接触，因而电枢绕组中的电流沿着d-c-b-a的方向流动。利用左手定则来判断出：电磁力及电磁转矩的方向仍然是电动机逆时针旋转。这样，就使得电机一直旋转下去。

二、直流电动机的结构

直流电机由定子、转子和机座等部分构成。

1、定子

主磁极——主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。

换向极——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。

机座——机座有两个作用，一是用来固定主磁极、换向级和端盖；另一个是作为磁路的一部分。

电刷装置——电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成。

图2-1 直流电机的定子

图2-2 直流电机的转子

2、转子

电枢铁心——电枢铁心也有两个用处，一是作为主磁路的主要部分，二是嵌放电枢绕组。

电枢绕组——电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。

换向器——换向器也是直流电机的重要部件。在直流电动机中，它的作用是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流；在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。

三、直流电动机的分类

根据励磁线圈和转子绕组的连接关系，励磁式的直流电机又可细分为：

他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机。

1、他励直流电动机

他励直流电动机是一种励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源而由其他直流电源对励磁绕组单独供电的直流电动机，如图3-1（a）所示。

2、并励电直流动机

并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图3-1（b）所示。这种直流电动机的励磁绕组上所加的电压就是电枢电路两端的电压。

3、串励直流电动机

串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕串联，如图3-1（c）所示。这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流，若有调节电阻与励磁绕组并联，其电流则为电枢电流的一部分。

4、复励直流电动机

这种直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联，然后再和另一个励磁绕组串联，如图3-1（d）所示。

图3-1 他励直流电动机图3-2 并

励直流电动机

图3-3 串励直流电动机图3-4 复励直流电动机