单片机控制直流电动机调速和正反转

指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学移通学院课程设计报告设计题目：单片机控制直流电动机调速和正反转学校：重庆邮电大学移通学院学生姓名：魏星玥专业：电气工程与自动化班级：05131101学号：0513110105指导教师：杨佳义设计时间：2013 年12 月重庆邮电大学移通学院目录综述 (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与调速 (8)六、直流电机H桥驱动电路 (14)七、PWM的控制技术 (19)八、直流电动机调速系统的设计 (21)九、心得体会 (27)参考文献 (28)综述直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。

直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用。

直流电动机是将直流电转换成机械能的而带动生产机械运转的电器设备。

与交流电动机相比，直流机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，但是它具有良好的起动、调速和制动性能，因此在速度调节要求较要、正反转和起动频繁或多个单元同步协调运转的生产机械上，仍广泛采用直流电动机拖动。

在工业领域直流电动机仍占有一席之地。

因此有必要了解直流电动的运行特性。

在四种直流电动机中，他励电动机应用最为广泛。

一、直流电动机的工作原理如图1-1所示，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相连，这是便有电流从电源正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经过电刷B 流回电源的负极。

在图1-1所示位置，在N级下面导线电流是由a到b，根据左手定则可知导线ab受力的方向向左，而cd的受力方向是向右的。

当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩是，电动机逆时针旋转。

当线圈转过180度时，这是导线的电流方向变为由d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的 ,这样就使得电机一直旋转下去。

图1-1 直流电动机的工作原理图二、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。

图2-1 直流电机结构图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、直流电动机的结构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（a）他励直流电动机图（b）并励直流电动机图（c）串励直流电动机图（d）复励直流电动机图3-1 直流电动机的四种类型四、电动机的机械特性是指电动机的转速与转矩的关系。

机械特性是电动机机械性能的主要表现，它与负载的机械特性，运动方程式相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。

机械特性中的是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩是不同的，其间差一空载转矩，即：在一般情况下，因为空载转矩相比或很小，所以在一般的工程计算中可以略去，即：已知直流电动机的机械特性方程式为式中为电枢回路总电阻，包括及电枢回路串联电阻，为理想空载转速记为，记为，为机械特性的斜率。

当，，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流电动机的固有机械特性。

当改变或或电枢回路串电阻时，其机械特性的或将相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。

若不计电枢反应的影响，当电动机正向运行时，其机械特性是一条横跨I、II、IV象限的直线。

其中第I象限为电动机运行状态，其特点是电磁转矩的方向与旋转方向（转速的方向）相同，第II、IV象限为制动运行状态。

五、他励直流电动机起动与调速他励直流电动机的启动 1、直接起动直接起动是指接通励磁电源后，将电动机的电枢直接投入额定电压的电源上起动。

直接起动又称为全压起动。

由于起动瞬间，转速等于零，电枢绕组的感应电动势=Φ=n C E e a （5-1）则起动电流为a Na a N st R U R E U I =-= （5-2）由于电枢绕组的电阻Ra 很小，所以起动电流很大，可达到额定电流的十几倍。

该电流对电网的冲击很大。

因而，除了小容量电机可采用直接起动外，对大中、容量的电动机不能直接起动。

2、降电压起动降低电枢电压起动，即起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流 ，电动机起动后，再逐渐提高电源电压，使起动电磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速。

这种起动方法需要专用电源，投资较大，但起动电流小，起动转矩容易控制，起动平稳，起动能耗小，是一种较好的起动方法。

3、电枢串电阻起动在实际中，如果能够做到适当选用各级起动电阻，那么串电阻起动由于其起动设备简单、经济和可靠，同时可以中道平滑快速情动，因而得到广泛应用。

但对于不同类型和规格的直流电动机，对起动电阻的级数要求也不尽相同。

下面所示直流他励电动机电枢电路串电阻二级起动为例说明起动过程。

起动过程分析：如图5-1（a）所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U。

触点KM1、KM2均断开，电枢传入了全部附加电阻Rk1+Rk2电枢回路总电阻为Ral=ra+Rk1+Rk2。

这时起动电流为：（5-3）与起动电流所对应的起动转矩为T1。

对应于由电阻所确定的人为机械特性如图5-1（b）中的曲线1所示。

UMr ar a2n0hecITO TLI L I2T2g mfd32b1R alαr aR a2r a1K m1K m2R k1R k2+-（b）特性图（a）电路图图5-1 直流他励电动机分二级起动的电路和特性根据电力拖动系统的基本运动方程：（5-4）式中： T ——电动机的电磁转矩；TL——由负载作用所产生的阻转矩；Jdw/dt --电动机转矩克服负载转矩后所产生的动态转矩。

由于起动转矩T1大于负载转矩TL,电动机收到加速转矩的作用，转矩有零逐渐上升，电动机开始起动。

在图4-1（b）中，由a点沿着曲线1上升，反电动势亦随之上升，电枢电流下降，电动机的转矩亦随之下降，加速转矩减小。

上升到b点时，为保证一定的加速转矩，控制触点KM1闭合，切除一段起动电阻Rk1后，b点所对应的电枢电流I2成为切换电流，其对应的电动机的转矩T2成为切换转矩。

切除RK1后 ,电枢回路总电阻为Ra2=ra+Rk2。

这时电动机对应于由电阻Ra2确定的人为机械特性。

在切除起动电阻RK1的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为nb，其反电动势亦不变。

因此，电枢电流突增，其相应的电动势转矩也突增。

适当的选择切除的电阻值R k1，使切除R k1后的电枢电流刚好等于I 1,所对应的转矩为T 2，即在曲线2上的c 点。

又有T 1>T 2,电动机在加速转矩作用下，由c 点沿曲线2上升到d 点。

控制点K M2闭合，又切除一切起动电阻R k2。

同理，由d 点过度到e 点，而且e 点正好在固定的机械特性上。

电枢电流又由I 2突增到I 1相应的电动机转矩由T 2突增到T 1。

T 1>T 2，沿固有特性加速到g 点T=T L ，n=n g 电动机稳定运行，起动过程结束。

在分级起动过程中，各级的最大电流I 1（或者相应的最大转矩T 2）及切换电流I 2（或者与之对应的切换转矩T 2）都是不变的，这样，使得起动过程中有均匀的加速。

要满足以上电枢回路串接电阻分级起动的要求，前提是选择合适的各级起动电阻。

他励直流发电机的调速1、电枢串电阻调速他励直流电动机串电阻调速原理图如图3-1，即在电枢电路内串联一个调速变阻器。

保持电源电压及励磁电流为额定值不变，调节变阻器，电动机将运行于不同的转速，机械特性如图3-2，图中的负载为恒转矩负载。

图3-1 电路图从图3-2可以看到，调速前，系统工作a 点，电阻改变R a 的瞬间，因机械惯性，转速来不及改变，工作点有a 平移到人为特性上的b 点。

由于此时T<T L ,n 下降，工作点沿人为特性由b 点移至c 点为止。

系统在比原来低的转速下重新稳定运行。

图3-2机械特性调速方法的调速性能如下：1) 调速方向是往下调。

(Ra + Rr)增大所以n就下降，(Ra + Rr)与n成反比。

2) 调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式。

如能均匀的调节变阻器的电阻值，可实现无级调速。

不过，一般调速电阻多为分级调节。

故为有级调速。

3) 调速的稳定性差，因为R a增加后，机械特性硬度降低，静差率δ增大。

4) 调速的经济性差，因为初期投资虽然不大，但损耗增加，运行效率低。

5) 调速范围不大，因受低速时静差率的限制。

6) 调速时的允许负载为恒转矩负载。

因为调速时的Φ基本不变，满载电流即额定电流I aN一定，因此，各种转速下也许输出的转矩相同，为恒转矩调速。

总之，这种调速方法缺点甚多，调速的经济性很差、调速方法简单，控制设备不复杂、一般用于串励或复励直流电动机拖动的电车、炼钢车间的浇铸吊车等生产机械。

2、改变电枢电压调速他励直流电动机的电枢回路不串联电阻，用一可调的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。

励磁绕组由另一电源供电，保持励磁磁通为额定值。

电枢电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上，机械特性如图3-3可以看出，当电枢电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为A，转速为n；电压降到U1后，交点为A1，转速为n1；电压为U2，交点为A2，转速为n2。