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，较宽围平滑调速的优点，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、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围的速度，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，能够在一定围实现无级调速，且调速围宽[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dt

du/和dt

di/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：