电机控制技术课程设计

电机控制技术课程设计

直流电机

教学单位：电气信息工程学院

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指导老师：

起止时间：2015/5/18—2015/6/20

目录

一.绪论 (4)

1.1直流电动机控制的发展历史 (4)

1.2国内外发展现状 (4)

1.3本设计目的和思路 (5)

二、直流电机驱动控制概述 (6)

2.1直流电机的工作原理 (6)

2.2直流电机的调速原理 (7)

2.3直流电机H桥驱动原理 (7)

三．驱动控制系统硬件设计 (9)

3.1稳压电源电路设计 (9)

3.1.1稳压电源电路参数 (9)

3.1.2元器件选择 (9)

3.1.3 绘制稳压电路原理图 (9)

3.2 H桥驱动电路设计 (10)

3.2.1 H桥驱动芯片的选择 (10)

3.2.2 H桥驱动电路原理图 (10)

3.3程序控制器 (10)

3.3.1 MSP430149单片机 (11)

3.3.2部分单片机I/O分配和外部接线图 (11)

四．驱动控制系统软件设计 (12)

4.1系统框图 (12)

4.2程序 (12)

五、成果展示 (17)

六、总结 (19)

摘要

直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。

本文介绍了直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，系统采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，信号与H桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运转控制由C语言程序实现。

关键词：直流电动机；H桥驱动；PWM；C语言程序

一、绪论

本章介绍了直流电机的特点及其发展概况，然后介绍了直流电机在工业控制等领域中的具体应用，同时阐述了直流电机控制中有待研究的问题。并在此基础之上介绍了本课题的选题背景和意义，最后列出了本文研究的主要内容及全文的结构安排。

1.1直流电动机控制的发展历史

19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的70％，成为用电量最多的电气设备。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。简单控制对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对电动机的简单控制应用较多，但是，随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机的复杂控制变成主流，其应用领域极其广泛。

电动机控制技术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、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步，使电动机控制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。其中电动机控制部分已由模拟控制让位给以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并向全数字控制系统的方向快速发展。电动机驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFE和TIGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的应用也使新型的电动机控制方法能够得以实现。脉宽调制控制方法（PWM 和SPWM），变频技术在直流调速和交流调速中获得了广泛的应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机，开关磁阻电动机、超声波电动机、专为变频调速设计的交流电动机等。直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电动机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍再有一席之地。

1.2国内外发展现状

电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近30年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。到70和80年代才先后出现了全控型功率器

件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替，明显地扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。

直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称PWM)调速系统产生于70年代中期。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。

在国外，PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。

如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。

1.3本设计目的和思路

直流电机因具有优良的调速性能，在很多需要调速的场合如：数控机床、实验设备、机器人、电动汽车等领域有大量应用。特别是现代能源匮乏，电动汽车以直流电机作为汽车动力，这就对直流电机的调速和驱动装置提出了要求。需要直流电机具有良好的启动、制动、反转、加速、减速等性能，而这些性能必须依靠驱动控制装置实现，因此对直流电机调速系统来讲，驱动控制装置有着重要地位。鉴于以上原因，本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作具有一定实用价值，对国家提出的节能减排也具有积极意义。

本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，电机的驱动运转控制由C语言编程实现。