直流电动机设计方案

直流电动机设计方案第1章前沿1.1 课题研究的背景及意义直流电动机以其良好的起动、制动性能，较宽范围内平滑调速的优点，在许多调速要求较高、要求快速正反向、以蓄电池为电源的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来，虽然高性能交流调速技术得到了很快的发展，在某些领域交流调速系统已逐步取代直流调速系统。

然而直流调速系统系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用，比如轧钢机、电气机车等都还有用直流电机；而且从控制规律的角度来看，交流拖动控制系统的控制方式是建立在直流拖动控制系统的基础之上的，从某种意义上说有相似的地方。

因此，掌握和了解直流拖动控制系统的控制规律和方法是非常必要的。

从生产机械的要求的角度看，电力拖动控制系统分为调速系统、伺服系统、多电动机同步控制系统、张力控制系统等多种类型。

而各种系统大多都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统最基本的系统[1]。

从直流电机在国民生产生活中所占位置的角度来看，直流电机目前依旧应用于工业生产中，并广泛应用于人们的生活中。

因此直流电机的控制技术的发展很大程度上影响着国民经济的增长，影响着人们的生产生活水平，因此，对直流电机调速系统的研究还是很有必要的。

1.2 课题发展历程及趋势在很长的一段时间里直流电动机作为最主要的电力拖动工具，其应用已经渗透到人们的工作、学习、生活的各个方面。

早期电动机调速控制器主要由模拟器件构成，由于模拟器件存在的固有缺点，比如存在温漂，零漂电压等，使系统控制精度和可靠性降低。

后来，随着可编程控制器比如AT89C51，PLC等和IGBT、GTR等电力电子开关器件，传感器技术等的发展使得直流电机调速系统进入了数字控制的阶段，这使得直流电机调速系统的发展突飞猛进，从而出现了各种控制算法，比如比较经典的PID调节算法和后来的模糊控制算法等，这些领域的发展使得直流电机调速的精度和可靠性能大大提高，它取代了常规的模拟检测、显示等单元，基本上实现了智能化，使被控对象的动态过程按照规定的方式运行，已经能够满足绝大部分的工作要求，这使得以微控制器为核心的控制系统成为工业生产中控制系统的主流。

90年代由于计算机技术的飞速发展，利用PC机的软硬件资源开发出来的控制系统具有更高的精度和可靠性，处理速度更高，需要的外围单元更少，这使得直流电机调速系统向着更加智能化、网络化发展。

目前，国内外主要电气公司，如瑞典ABB公司，日本三菱，德国西门子，AEG公司，美国GE公司均已开发出数字式直流调速装置，开发出各种各样的系列化，模块化，标准化的应用产品供选用，使得直流电机调速系统的设计更加方便，更加简单，精度更高，可靠性更好。

在今后的时间里，直流电机调速系统会朝着更高的精度，更好的可靠性，更加智能化，网络化发展。

本次课题正是结合实际生产要求，以直流电机电机为被控对象，以自动控制理论为基础，结合大学所学知识，通过软件程序的编写来实现直流电机的调速系统。

1.3 本章小结本章主要介绍了从多个方面研究直流电机调速系统的目的和意义，并且介绍了直流电机调速系统国内外的发展状况，以及直流电机调速系统今后的发展方向及前景。

从而确定了本次课题研究的意义和目的。

第2章 设计方案的选择本次设计以STC89C52为核心，自动控制原理为基础，PWM 调速为方法，实现直流电机的闭环调速，用键盘设定一个一定范围内的速度，直流电机会按照给定速度运行，并最终达到稳定运行，并能够对电机的电枢电流进行检测显示并能够对电机进行电流保护。

2.1 直流调速系统调速方式的选择直流电机的稳定转速为：Φ-=e K IR U n （2-1） 由上式可知，直流电机调节转速的方案有：方案一：调节电枢两端电压U ；方案二：减弱励磁磁通Φ；方案三：改变电枢回路电阻R ；改变电枢回路电阻的方法只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够实现无级调速，但是调速范围不大，因此直流电机调速最好的方法是调节电枢两端的电压，能够在一定范围内实现无级调速，且调速范围宽[2]。

因此，根据本次设计的要求要实现无级平滑调速，选择方案一调节电枢两端电压的方式来进行电机的调速。

2.2 直流调速系统可控直流电源的选择直流电机所用的电源为直流电源，而如何得到直流电源有以下方法：方案一：采用晶闸管整流器-电动机调速系统,通过调节可控触发装置晶闸管的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而改变整流器输出的平均电压，即电枢两端电压，以实现直流电动机的平滑调速；方案二：脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，用脉冲宽度调制的方法把给定的恒定的直流电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲电压序列，从而改变电枢两端的平均电压，以实现直流电机的平滑调速；方案一中的晶闸管是单向导电的，给电动机的可逆运行带来极大的困难，在可逆运行中，需要采用正反两组可控整流电路；晶闸管对过电压和过电流以及过高dtdu/和dtdi/十分敏感，任何一项指标超过其允许值都会使晶闸管烧坏；当电动机在低速运行时，晶闸管的导通角很小，系统功率因数变小，在交流侧产生较大谐波电流，引起电网电压畸变，因此要在电网中增设无功补偿装置；由于电压波形的脉动，使得电流波形也会脉动，因此要设置一个电感量足够大的平波电抗器；电路比较复杂。

方案二中开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较少；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高；变换器的开关频率高，电流脉动幅值不大，再影响到反电动势和转速，波动就更小了；具有低速性能好，稳速精度高，调速范围宽的优点；电路比较简单。

综合考虑，本次设计采用方案二直流PWM调速系统。

2.3 直流电动机驱动模块选择对直流电机驱动有很多种方法，然而根据设计要求选择一个合适的方法很重要：方案一：用继电器来启动和停止电机，通过不断的切换继电器的开和关来对电机调速，这种方案电路简单，但是继电器响应时间较长，只能在开关频率低时使用，机械结构易磨损；方案二：用功率开关器件构成的H桥来驱动直流电机，功率开关器件开关频率高，响应时间短，能够快速响应给定，系统滞后时间短，通过单片机输出PWM波来控制H桥开关器件的开和关，从而改变直流电机电枢电压，达到调速的目的。

考虑到PWM波的频率问题，本次设计采用方案二，应用电机驱动模块L298N来驱动直流电机。

2.4 PWM实现方式PWM波的实现方法主要分为硬件和软件两种实现方法，而硬件和软件的实现方法又是多种多样的，由于条件限制，我们能采取的实现方法主要有：方案一：应用单片机用软件延时的方式产生PWM波，这种方法比较占用处理器的资源，并且精度不高；方案二：采用模拟PWM波形发生器芯片产生PWM波，通过单片机给定来改变输出的PWM波的占空比，这种方法控制简单，精度也比较高，但是需要外围的PWM波发生电路；方案三：应用单片机的定时器来产生PWM波，对定时器赋不同的初始值来改变PWM 波的占空比，从而实现PWM的定频调宽，这种方式精度比较高，单片机内部带有定时器，使用方便简单。

通过对三种方案的比较，本次设计最终选择方案三来产生PWM波。

2.5 H桥可逆斩波调速系统调制方式H桥可逆斩波控制的方法有很多种，也各有其优缺点，供我们选择的方案有：方案一：单极性脉宽调制方式，通过控制直流电压的极性来改变输出电压的极性，这种控制方式要求直流电压极性控制和脉宽调制信号配合使用比较麻烦，并且要进行电机正反转时要求外加直流电源极性变化；方案二：双极性脉宽调制方式，这种方式通过改变控制信号的占空比来进行电机的正反转控制，当占空比大于2/T时，T时，电机正转，小于2/T时，电机反转，等于2/电机停止，这种调制方式电机电流一定连续；可以使电机在四象限运行；电机停止时有微震电流，恩能够消除静摩擦死区；低速平稳性好，系统调速范围宽可以达到1:20000左右；低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通，但是这种调速方式在工作过程中4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大；在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故[3]。

通过综合考虑，本次设计最终采用方案二双极性脉宽调制方式，虽然双极性有其自身的缺点，但在一定程度上不影响直流电机的调速，并且对于上、下桥臂直通的事故，可以通过软件的编程来避免，在本次设计中，主要通过对L298使能端的控制来达到防止上、下桥臂直通事故。

2.6 显示模块的选择在现在的生活中，用来显示的东西也是各种各样，基本的显示器件如下：方案一：采用LED数码管动态扫描显示，价格相对便宜，亮度高，显示数字简单，但是显示字母就不是很方便，并且连线复杂，驱动电路复杂；方案二：采用点阵进行显示，点阵是由发光二极管组成，显示字母，汉字比较方便，但是显示数字浪费资源，并且价格相对较高；方案三：用LCD 进行显示，LCD 显示程序简单，无需驱动电路，功能强大，可以显示字符，数字以及各种图形，亮度比较高，连线很方便。

通过比较，根据对各种方案熟悉程度和设计要求选择方案三，用LCD1602进行显示。

2.7键盘的方案选择键盘作为输入设备，是大多电子产品的辅助物品，然而键盘的实现方案有两种：方案一：应用独立键盘，这种在键盘数量大于四的时候会占用较多的I/O 口，但是其编程简单；方案二：应用矩阵键盘，这种键盘的优点在于当键盘数量多的时候，应用矩阵键盘可以大大节省I/O 口，但是编程比较复杂；综合考虑，本次设计只选用6个按键，采用独立键盘得用6个I/O 口，采用矩阵键盘只需5个I/O 口，因此本次设计选用2*3矩阵键盘。

2.8 调节器的实现方式选择根据所学知识，提供给我们实现调节器的方式有两种：方案一：选择模拟器件搭建的模拟调节器，这种调节器由于模拟器件本身的缺陷比如存在温漂、零漂电压等，使得控制精度和控制的可靠性能大大降低，并且电路复杂，需要更多的元器件，但是这种调节器对程序要求不高，程序简单；方案二：用单片机来进行调节器的设计，采用数字调节器，这种调节器能够克服模拟器件的缺点，使得控制精度和可靠性提高，并且不需要外围电路，电路简单，对调节器的输出限幅等都很方便。

本次设计综合考虑方案一和方案二的优缺点，最终选择方案二来进行调节器的设计。

2.9 数字PI 调节器算法的实现方式用单片机通过程序实现PI 调节器有两种方法：方案一：位置式算法，第k 拍的输出为)1()()()(-++=k u k e T K k e K k u i sam i p ，由公式可以看出比例部分只与当前偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的积累，这种算法结构清晰，P 和I 两部分作用分明，便于参数调整，但是这种算法在输出需要限幅的情况下必须积分限幅和输出限幅同时进行，两者缺一不可；方案二：增量式算法，第k 拍的输出为)()]1()([)1()(k e T K k e k e K k u k u sam i p +--+-=，由公式可以看出，这种算法只需在程序中保存上一拍的输出即可，当需要限幅时，只需对输出限幅[4]。