开题报告 关于直流电动机

毕业设计/论文

开题报告

课题名称基于PROTEUS的直流电机调速系

统仿真设计

类别毕业设计

系别机电与自动化学院

专业班电气工程及其自动化0706班

姓名加珣

评分

指导教师吴雯

华中科技大学武昌分校

华中科技大学武昌分校学生毕业设计开题报告学生姓名加珣学号20071131259专业班级电气0706

系别机电与自动化

学院

指导教师吴雯职称工程师

课题名称基于PROTEUS的直流电机调速系统仿真设计

1课题设计的目的和意义

1.1课题设计的目的

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

直流电机虽不需要其它的设备来帮助调速，但自身的结构复杂，制造成本高；在大功率可控晶闸管大批量使用之前，直流电动机用于大多的调速场合。直流调速系统具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，至今都是自动调制系统的主要形式。电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制。

采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。简单的微处理器控制电机，只需利用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。

1.2课题设计的意义

直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。

它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中选用单片机AT89C51。通过设计基于AT89C51单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握

AT89C51的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI控制器的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。

直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。

2课题设计的主要内容

2.1PROTEUS软件应用学习

使用Proteus软件可以培养实验设计能力，并降低科研投入，不担心烧坏设备和元器，支持创新性设计，培养团队合作能力，提高实验质量，扩展学习思路和提高学习兴趣。本设计将利用Proteus软件进行实例练习，例如：电工基础实例、模拟电路实例、数字电路实例、综合实验设计等，为直流电机调速系统仿真做准备。

2.2直流电机调速系统仿真

本设计的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。系统硬件设计为：以AT89C51为核心，由转速环、显示、按键控制等电路组成。

具体内容如下：

（1）介绍直流电动机工作原理及PWM调速方法。直流电动机是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形，保持开关周期T不变，调节开关导通时间Ton。

（2）完成以MCS51为控制核心的直流电机数字控制系统硬件设计。

图1硬件连接图

（3）以该系统的特点为基础进行分析，使用PWM控制电机调速，并由实验得到合适的相关参数。

3设计方案

3.1直流电动机的PWM调压调速原理

对于直流电机而言，其转速表达式为：

n=U-IR/Kφ

式中U—电枢端电压；

I—电枢电流；

R—电枢电路总电阻；

φ—每级磁通量；

K—电机结构参数

（1）

电机结构参数由(1)式可得，直流电动机的调速方法可以分为电枢回路串电阻的调速方法、调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法在上述三种方法中。目前广泛应用的是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值f占空比1来控制电机的转速。这种方法称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)即PWM控制。电

动机电枢得到的电压波形如图1所示．电压平均值描述为

Uav=t1/（t1+t2）Us=t1Us/T=αUs

式中t1—通电时间；

T—周期；

α—占空比，α=t1/T

（2）

由(2)式可知，当电源电压不变的情况下，电枢端电压Uav取决于占空比的大小．改变就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。

图2PWM控制波形图

3.2PWM波形的程序实现

采用MCS51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。51单片机具有两个定时器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。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。

由(2)式可知，改变占空比可以改变电枢端电压，改变占空比的方法有3种，即定宽调频法、调宽调频法和定频调宽法，前两种方法均改变了信号的频率，当频率与系统固有频率接近时，将引起振荡，故应用较少。目前在直流电动机的控制中以PWM控制方式为主，PWM信号的产生通常有两种途径，传统的方法是利用硬件电路实现，随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用,以MCS51单片机为控制核心。晶振频率为12MHz定时计数器T0、T1作定时器使用，工作在方式2，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50Hz，占空比为1:1。则R0和R1载入30H 和31H单元的值初始100，即T=To*RO+T1*R1，若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比。

3.3直流电动机驱动

在直流电动机的驱动中，本系统采用集成电路L298来驱动电机。

图3L298内部结构和功能引脚图

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。可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。