直流電動機測速裝置設計與製作

『壹』 電機測速的幾種方法及分析

1、有刷直流測速方法：

永磁直流測速發電機有其靈敏度高，線性誤差小，受溫度變化的影響較小，結構簡單，耐振動沖擊，極性可逆等優點，但由於電刷和換向器的存在帶來一些弊病：如可靠性差，使用環境受到限制，電刷與換向器的摩擦，增加了被測電機的粘滯轉矩；電刷的接觸壓降造成了輸出低速時的不靈敏區。

2、無刷直流測速方法：

刷直流測速發電機從根本上取消了電刷與換向器這種接觸裝置,改善了測速發電機的性能,提高了運行的可靠性。是直流測速機的一個發展方向。

產品的無刷化已成為一種明顯的發展趨勢。特別是電子技術的發展，使其測速電路的集成化程度有了迅速提高，賦予新型機電一體化方波無刷直流測速發電機更強的生命力。

無刷直流測速發電機還有諸如霍爾無刷直流測速發電機，環形轉子無刷直流測速發電機及二極體整流型無刷直流測速發電機等。主要有霍爾無刷直流測速發電機和新型機電一體化方波無刷直流測速發電機兩種類。

3、MT法測速

該方法屬於數字式測速，通常由光電脈沖編碼器，直線光柵尺，感應同步器，旋轉變壓器，直線磁柵尺等感測器來完成。其基本原理是：電機每轉一圈，感測器輸出的脈沖數一定，隨著電動機轉速和輸出脈沖頻率的不同，頻率與轉速成正比，能測量其頻率，通過軟體計算就能得到速度，鑒相電路還能同時反映實際轉速的方向。

該類轉子位置感測器發出的脈沖信號，可在可編程計數器8253的配合下，基於微機系統採用MT法對電機轉速實現高精度的數字測量，這類感測器一般都輸出兩組相位相差90°的脈沖序列A，B,根據A，B的相位關系可以鑒別電機轉向，同時還可以進行四倍頻處理，以減少通過MT法獲取速度反饋信號的紋波。

(1)直流電動機測速裝置設計與製作擴展閱讀

電機測速的分類

1、空心杯轉子非同步電機測速發電機：

轉子不轉時，勵磁後由杯形轉子電流產生的磁場與輸出繞組軸線垂直，輸出繞組不感應電動勢；轉子轉動時，由杯形轉子產生的磁場與輸出繞組軸線重合，在輸出繞組中感應的電動勢大小正比於杯形轉子的轉速，而頻率和勵磁電壓頻率相同，與轉速無關。

2、籠式轉子非同步電機測速發電機：

與交流伺服電動機相似，因輸出的線性度較差，僅用於要求不高的場合。

3、同步電機測速發電機：

以永久磁鐵作為轉子的交流發電機。由於輸出電壓和頻率隨轉速同時變化，又不能判別旋轉方向,使用不便，在自動控制系統中用得很少,主要供轉速的直接測量用。

『貳』 單片機直流電機調速系統設計

論文題目：直流電動機調速器硬體設計
專業：自動化
本科生：劉小煜 （簽名）＿＿＿＿
指導教師：胡曉東 （簽名）＿＿＿＿

直流電動機調速器硬體設計
摘 要

直流電動機廣泛應用於各種場合,為使機械設備以合理速度進行工作則需要對直流電機進行調速。該實驗中搭建了基於C8051F020單片機的轉速單閉環調速系統，利用PWM信號改變電動機電樞電壓，並由軟體完成轉速單閉環PI控制，旨在實現直流電動機的平滑調速，並對PI控制原理及其參數的確定進行更深的理解。實驗結果顯示，控制8位PWM信號輸出可平滑改變電動機電樞電壓，實現電動機升速、降速及反轉等功能。實驗中使用霍爾元件進行電動機轉速的檢測、反饋。期望轉速則可通過功能按鍵給定。當選擇比例參數為0.08、積分參數為0.01時，電機轉速可以在3秒左右達到穩定。由實驗結果知，該單閉環調速系統可對直流電機進行調速，達到預期效果。

關鍵字：直流電機， C8051F020，PWM，調速，數字式

Subject: Hardware Design of Speed Regulator for DC motor
Major: Automation
Name: Xiao yu Liu (Signature)＿＿＿＿
Instructor:Xiao dong Hu (Signature) ＿＿＿＿

Hardware Design of Speed Regulator for DC motor
Abstract

The dc motor is a widely used machine in various occasions.The speed regulaiting systerm is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment,the digital Close-loop control systerm is based on C8051F020 SCM.It used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI regulator.According to experiment ,the armature voltage can be controlled linearnized with regulating the 8 bit PWM.So the dc motor can accelerate or decelerate or reverse.In experiment, hall component is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by key-press.With using the PI regulator,the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as 0.8 and I value as 0.01. At last,the experiment shows that the speed regulating systerm can work as expected.

Key words: dc motor,C8051F020,PWM,speed regulating,digital

目錄

第一章 緒論 1
1.1直流調速系統發展概況 1
1.2 國內外發展概況 2
1.2.1 國內發展概況 2
1.2.2 國外發展概況 3
1.2.3 總結 4
1.3 本課題研究目的及意義 4
1.4 論文主要研究內容 4
第二章 直流電動機調速器工作原理 6
2.1 直流電機調速方法及原理 6
2.2直流電機PWM(脈寬調制)調速工作原理 7
2.3 轉速負反饋單閉環直流調速系統原理 11
2.3.1 單閉環直流調速系統的組成 11
2.3.2速度負反饋單閉環系統的靜特性 12
2.3.3轉速負反饋單閉環系統的基本特徵 13
2.3.4轉速負反饋單閉環系統的局限性 14
2.4 採用PI調節器的單閉環無靜差調速系統 15
2.5 數字式轉速負反饋單閉環系統原理 17
2.5.1原理框圖 17
2.5.2 數字式PI調節器設計原理 18
第三章 直流電動機調速器硬體設計 20
3.1 系統硬體設計總體方案及框圖 20
3.1.1系統硬體設計總體方案 20
3.1.2 總體框圖 20
3.2 系統硬體設計 20
3.2.1 C8051F020單片機 20
3.2.1.1 單片機簡介 20
3.2.1.2 使用可編程定時器/計數器陣列獲得8位PWM信號 23
3.2.1.3 單片機埠配置 23
3.2.2主電路 25
3.2.3 LED顯示電路 26
3.2.4 按鍵控制電路 27
3.2.5 轉速檢測、反饋電路 28
3.2.6 12V電源電路 30
3.3硬體設計總結 31
第四章 實驗運行結果及討論 32
4.1 實驗條件及運行結果 32
4.1.1 開環系統運行結果 32
4.1.2 單閉環系統運行結果 32
4.2 結果分析及討論 32
4.3 實驗中遇到的問題及討論 33
結論 34
致謝 35
參考文獻 36
論文小結 38
附錄1 直流電動機調速器硬體設計電路圖 39
附錄2 直流電動機控制系統程序清單 42
附錄3 硬體實物圖 57

第一章 緒論
1.1直流調速系統發展概況
在現代工業中，電動機作為電能轉換的傳動裝置被廣泛應用於機械、冶金、石油化學、國防等工業部門中，隨著對生產工藝、產品質量的要求不斷提高和產量的增長，越來越多的生產機械要求能實現自動調速。
在可調速傳動系統中，按照傳動電動機的類型來分，可分為兩大類：直流調速系統和交流調速系統。交流電動機直流具有結構簡單、價格低廉、維修簡便、轉動慣量小等優點，但主要缺點為調速較為困難。相比之下，直流電動機雖然存在結構復雜、價格較高、維修麻煩等缺點，但由於具有較大的起動轉矩和良好的起、制動性能以及易於在寬范圍內實現平滑調速，因此直流調速系統至今仍是自動調速系統的主要形式。
直流調速系統的發展得力於微電子技術、電力電子技術、感測器技術、永磁材料技術、自動控制技術和微機應用技術的最新發展成就。正是這些技術的進步使直流調速系統發生翻天覆地的變化。其中電機的控制部分已經由模擬控制逐漸讓位於以單片機為主的微處理器控制，形成數字與模擬的混合控制系統和純數字控制系統，並正向全數字控制方向快速發展。電動機的驅動部分所用的功率器件亦經歷了幾次更新換代。目前開關速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術的使用也使新型的電動機控制方法能夠得到實現。脈寬調制控制方法在直流調速中獲得了廣泛的應用。
1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技術應用到電機傳動中從此為電機傳動的推廣應用開辟了新的局面。進入70年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強、可靠性高的大規模集成電路微處理器已經商品化，把電機控制推上了一個嶄新的階段，以微處理器為核心的數字控制（簡稱微機數字控制）成為現代電氣傳動系統控制器的主要形式。PWM常取代數模轉換器（DAC）用於功率輸出控制，其中，直流電機的速度控制是最常見的應用。通常PWM配合橋式驅動電路實現直流電機調速，非常簡單，且調速范圍大。在直流電動機的控制中，主要使用定頻調寬法。
目前，電機調速控制模塊主要有以下三種：
（1）、採用電阻網路或數字電位器調整直流電機的分壓，從而達到調速的目的；
（2）、採用繼電器對直流電機的開或關進行控制，通過開關的切換對電機的速度進行調整；
（3）、採用由IGBT管組成的H型PWM電路。用單片機控制IGBT管使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電動機轉速。
1.2 國內外發展概況
1.2.1 國內發展概況
我國從六十年代初試製成功第一隻硅晶閘管以來，晶閘管直流調速系統開始得到迅速的發展和廣泛的應用。用於中、小功率的 0.4～200KW晶閘管直流調速裝置已作為標准化、系列化通用產品批量生產。
目前，全國各大專院校、科研單位和廠家都在進行數字式直流調速系統的開發，提出了許多關於直流調速系統的控制演算法：
（1）、直流電動機及直流調速系統的參數辯識的方法。該方法據系統或環節的輸入輸出特性，應用最小二乘法，即可獲得系統環節的內部參數。所獲得的參數具有較高的精度，方法簡便易行。
（2）、直流電動機調速系統的內模控制方法。該方法依據內模控制原理，針對雙閉環直流電動機調速系統設計了一種內模控制器，取代常規的PI調節器，成功解決了轉速超調問題，能使系統獲得優良的動態和靜態性能，而且設計方法簡單，控制器容易實現。
（3）、單神經元自適應智能控制的方法。該方法針對直流傳動系統的特點，提出了單神經元自適應智能控制策略。這種單神經元自適應智能控制系統不僅具有良好的靜、動態性能，而且還具有令人滿意的魯棒性與自適應性。
（4）、模糊控制方法。該方法對模糊控制理論在小慣性系統上對其應用進行了嘗試。經1.5kw電機實驗證明，模糊控制理論可以用於直流並勵電動機的限流起動和恆速運行控制，並能獲得理想的控制曲線。
上訴的控制方法僅是直流電機調速系統應用和研究的一個側面，國內外還有許多學者對此進行了不同程度的研究。
1.2.2 國外發展概況
隨著各種微處理器的出現和發展，國外對直流電機的數字控制調速系統的研究也在不斷發展和完善，尤其80年代在這方面的研究達到空前的繁榮。大型直流電機的調速系統一般採用晶閘管整流來實現，為了提高調速系統的性能，研究工作者對晶閘管觸發脈沖的控制演算法作了大量研究，提出了內模控制演算法、I-P控制器取代PI調節器的方法、自適應和模糊PID演算法等等。
目前，國外主要的電氣公司，如瑞典ABB公司，德國西門子公司、AEG公司，日本三菱公司、東芝公司、美國GE公司等，均已開發出數字式直流調裝置，有成熟的系列化、標准化、模版化的應用產品供選用。如西門子公司生產的SIMOREG-K 6RA24 系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數字控制裝置，其結構緊湊，用於直流電機電樞和勵磁供電，完成調速任務。設計電流范圍為15A至1200A，並可通過並聯SITOR可控硅單元進行擴展。根據不同的應用場合，可選擇單象限或四象限運行的裝置，裝置本身帶有參數設定單元，不需要其它任何附加設備便可以完成參數設定。所有控制調節監控及附加功能都由微處理器來實現，可選擇給定值和反饋值為數字量或模擬量。
1.2.3 總結
隨著生產技術的發展，對直流電氣傳動在起制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態特性、動態響應等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用直流調速系統。因此人們對直流調速系統的研究將會更深一步。
1.3 本課題研究目的及意義
直流電動機是最早出現的電動機，也是最早實現調速的電動機。長期以來，直流電動機一直占據著調速控制的統治地位。由於它具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，高效率，優異的動態特性，現在仍是大多數調速控制電動機的最優選擇。因此研究直流電機的速度控制，有著非常重要的意義。
隨著單片機的發展，數字化直流PWM調速系統在工業上得到了廣泛的應用，控制方法也日益成熟。它對單片機的要求是：具有足夠快的速度；有PWM口，用於自動產生PWM波；有捕捉功能，用於測頻；有A/D轉換器、用來對電動機的輸出轉速、輸出電壓和電流的模擬量進行模/數轉換；有各種同步串列介面、足夠的內部ROM和RAM，以減小控制系統的無力尺寸；有看門狗、電源管理功能等。因此該實驗中選用Cygnal公司的單片機C8051F020。
通過設計基於C8051F020單片機的直流PWM調速系統並調試得出結論，在掌握C8051F020的同時進一步加深對直流電動機調速方法、PI控制器的理解，對運動控制的相關知識進行鞏固。
1.4 論文主要研究內容
本課題的研究對象為直流電動機，對其轉速進行控制。基本思想是利用C8051F020自帶的PWM口，通過調整PWM的占空比，控制電機的電樞電壓，進而控制轉速。
系統硬體設計為：以C8051F020為核心，由轉速環、顯示、按鍵控制等電路組成。
具體內容如下：
（1）、介紹直流電動機工作原理及PWM調速方法。
（2）、完成以C8051F020為控制核心的直流電機數字控制系統硬體設計。
（3）、以該系統的特點為基礎進行分析，使用PWM控制電機調速，並由實驗得到合適的PI控制及相關參數。
（4）、對該數字式直流電動機調速系統的性能做出總結。

第二章 直流電動機調速器工作原理
2.1 直流電機調速方法及原理
直流電動機的轉速和各參量的關系可用下式表示：

由上式可以看出，要想改變直流電機的轉速，即調速，可有三種不同的方式：調節電樞供電電壓U，改變電樞迴路電阻R，調節勵磁磁通Φ。
3種調速方式的比較表2-1所示.
表2-1 3種電動機調速方式對比
調速方式和方法 控制裝置 調速范圍 轉速變化率 平滑性 動態性能 恆轉矩或恆功 率 效率
改變電樞電阻 串電樞電阻 變阻器或接觸器、電阻器 2:1 低速時大 用變阻器較好
用接觸器、電阻器較差 無自動調節能力 恆轉矩 低
改變電樞電壓 電動機-發電機組 發電機組或電機擴大機（磁放大器） 10:1～20:1 小 好 較好 恆轉矩 60%～70%
靜止變流器 晶閘管變流器 50:1～100:1 小 好 好 恆轉矩 80%～90%
直流脈沖調寬 晶體管或晶閘管直流開關電路 50:1～100:1 小 好 好 恆轉矩 80%～90%
改變磁通 串聯電阻或可變直流電源 直流電源變阻器 3:1
～
5:1 較大 差 差 恆功率 80%～90%
電機擴大機或磁放大器 好 較好
晶閘管變流器 好

由表2-1知，對於要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最佳，而變電樞電壓調速方法亦是應用最廣的調速方法。
2.2直流電機PWM(脈寬調制)調速工作原理
在直流調速系統中，開關放大器提供驅動電機所需要的電壓和電流，通過改變加在電動機上的電壓的平均值來控制電機的運轉。在開關放大器中，常採用晶體管作為開關器件，晶體管如同開關一樣，總是處在接通和斷開的狀態。在晶體管處在接通時，其上的壓降可以略去；當晶體管處在斷開時，其上的壓降很大，但是電流為零，所以不論晶體管導通還是關斷，輸出晶體管中的功耗都是很小的。一種比較簡單的開關放大器是按照一個固定的頻率去接通和斷開放大器，並根據需要改變一個周期內「接通」和「斷開」的相位寬窄，這樣的放大器被稱為脈沖調制放大器。
PWM脈沖寬度調制技術就是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術。
根據PWM控制技術的特點，到目前為止主要有八類方法：相電壓控制PWM、線電壓控制PWM、電流控制PWM、非線性控制PWM，諧振軟開關PWM、矢量控制PWM、直接轉矩控制PWM、空間電壓矢量控制PWM。
利用開關管對直流電動機進行PWM調速控制原理圖及輸入輸出電壓波形如圖2-1、圖2-2所示。當開關管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端由電壓。秒後，柵極輸入變為低電平，開關管截止，電動機電樞兩端電壓為0。秒後，柵極輸入重新變為高電平，開關管的動作重復前面的過程。這樣，對應著輸入的電平高低，直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖2-2所示。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值為：

式2-1

式中 ——占空比，
占空比表示了在一個周期里，開關管導通的時間與周期的比值。的變化范圍為0≤≤1。由式2-1可知，當電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決於占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的，這就是PWM調速原理。
在PWM調速時，占空比是一個重要參數。以下是三種可改變占空比的方法：
（1）、定寬調頻法:保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。
（2）、調寬調頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。
（3）、定頻調寬法：保持周期（或頻率）不變，同時改變、。
前2種方法由於在調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統的固有頻率接近時，將會引起振盪，因此應用較少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用第3種方法。

圖2-1 PWM調速控制原理

圖2-2 輸入輸出電壓波形
產生PWM控制信號的方法有4種，分別為：
（1）、分立電子元件組成的PWM信號發生器
這種方法是用分立的邏輯電子元件組成PWM信號電路。它是最早期的方式，現在已經被淘汰了。
（2）、軟體模擬法
利用單片機的一個I/O引腳，通過軟體對該引腳不斷地輸出高低電平來實現PWM信號輸出。這種方法要佔用CPU大量時間，需要很高的單片機性能，易於實現，目前也逐漸被淘汰。
（3）、專用PWM集成電路
從PWM控制技術出現之日起，就有晶元製造商生產專用的PWM集成電路晶元，現在市場上已有許多種。這些晶元除了由PWM信號發生功能外，還有「死區」調節功能、保護功能等。在單片機控制直流電動機系統中，使用專用PWM集成電路可以減輕單片機負擔，工作也更可靠。
（4）、單片機PWM口
新一代的單片機增加了許多功能，其中包括PWM功能。單片機通過初始化設置，使其能自動地發出PWM脈沖波，只能在改變占空比時CPU才進行干預。
其中常用後兩中方法獲得PWM信號。實驗中使用方法（4）獲得PWM信號。
2.3 轉速負反饋單閉環直流調速系統原理
2.3.1 單閉環直流調速系統的組成
只通過改變觸發或驅動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達到調節電動機轉速的目的，稱為開環調速系統。但開環直流調速系統具有局限性：
（1）、通過控制可調直流電源的輸入信號，可以連續調節直流電動機的電樞電壓，實現直流電動機的平滑無極調速，但是，在啟動或大范圍階躍升速時，電樞電流可能遠遠超過電機額定電流，可能會損壞電動機，也會使直流可調電源因過流而燒毀。因此必須設法限制電樞動態電流的幅值。
（2）、開環系統的額定速降一般都比較大，使得開環系統的調速范圍D都很小，對於大部分需要調速的生產機械都無法滿足要求。因此必須採用閉環反饋控制的方法減小額定動態速降，以增大調速范圍。
（3）、開環系統對於負載擾動是有靜差的。必須採用閉環反饋控制消除擾動靜差
為克服其缺點，提高系統的控制質量，必須採用帶有負反饋的閉環系統，方框圖如圖2-3所示。在閉環系統中，把系統輸出量通過檢測裝置（感測器）引向系統的輸入端，與系統的輸入量進行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號。利用此偏差信號通過控制器（調節器）產生控製作用，自動糾正偏差。因此，帶輸出量負反饋的閉環控制系統能提高系統抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用於各類自動調節系統中。

『叄』 直流電動機控制轉速和測速的程序是用顯示屏的

基於o5504單片0機的直流電機PWM調速系統 學 生： 張 洋 專b 業： 電氣1工b程及c其自動化2 班 級： 07000000 指導教師： 周素盈 二k．系統總體方8案論證 5。4系統方1案比2較與b選擇 方8案一i：採用專e用PWM集成晶元4、IR4850 功率驅動晶元8構成整個i系統的核心6，現在市場上k已d經有很多種型號，如Tl公0司的TL688晶元6，東芝公4司的ZSK825I晶元5等。這些晶元8除了s有PWM信號發生功能外，還有「死區e」調節功能、過流過壓保護功能等。這種專p用PWM集成晶元2可以3減輕單片1機的負擔，工u作更可靠，但其價格相對較高，難於l控制工c業成本不d宜採用。 方0案二t：採用44022單片3機、功率集成電路晶元3L048構成直流調速裝置。L740是雙6H高電壓大s電流功率集成電路，直接採用TTL邏輯電平控制，可用來驅動繼電器、線圈、直流電動機、步進電動機等電感性負載。其驅動電壓為620V，直流電流總和為04A。該方7案總體上h是具有可行性，但是L846的驅動電壓和電流較小l，不k利於r工m業生產應用，無i法滿足工g業生產實踐中3大c電壓、大t電流的直流電機調速。 方3案三x：採用3701單片1機、IR2720功率驅動晶元8構成整個e系統的核心3實現對直流電機的調速。7600具有兩個q定時器T8和T5。通過控制定時器初值T2和T8，從5而可以4實現從8任意埠a輸出不b同占空比3的脈沖波形。3204控制簡單，價格廉價，且利用5405構成單片0機最小j應用系統，可縮小a系統體積，提高系統可靠性，降低系統成本。IR1620是專i門p的MOSFET管和IGBT的驅動晶元3，帶有自舉電路和隔離作用，有利於x和單片7機聯機工k作，且IGBT的工s作電流可達30A，電壓可達1700V，適合工u業生產應用。 綜合上g述三g種方0案，本設計7採用方2案三l作為7整個d系統的設計7思路。 1。8系統方4案描述 本系統採用7707為3控制核心0，利用8402產生的PWM經過邏輯延遲電路後載入到以0IR2770為2驅動核心6，IGBT構成的H橋主幹a電路上h實現對直流電機的控制和調速。本系統的控制部分6為76V的弱電而驅動電路和負載電路為8820V以4上q的直流電壓因此在強弱電之a間、數據採集之h間分3別利用了g帶有驅動功能的光耦TLP340和線性光耦PC531實現強弱電隔離，信號串擾。具體電路框圖如下x圖3-7 圖7-6系統整體框圖 5。6 轉速負反8饋單閉環直流調速系統原理 7。2。1原理框圖 該系統原理框圖如圖1-6所示7，轉速反4饋控制環的調節是利用單片0機軟體實現的PI調節。圖中2虛線部分4是採用單片4機實現的控制功能。 6。5。1 單閉環直流調速系統的組成 圖6-0 數字式轉速負反0饋單閉環直流調速系統 只通過改變觸發或驅動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達到調節電動機轉速的目的，稱為3開h環調速系統。但開n環直流調速系統具有局限性：（1）、通過控制可調直流電源的輸入w信號，可以3連續調節直流電動機的電樞電壓，實現直流電動機的平滑無i極調速，但是，在啟動或大g范圍階躍升5速時，電樞電流可能遠遠超過電機額定電流，可能會損壞電動機，也f會使直流可調電源因過流而燒毀。因此必須設法限制電樞動態電流的幅值。（4）、開c環系統的額定速降一u般都比0較大f，使得開d環系統的調速范圍D都很小d，對於r大d部分4需要調速的生產機械都無i法滿足要求。因此必須採用閉環反5饋控制的方5法減小m額定動態速降，以5增大k調速范圍。（4）、開f環系統對於m負載擾動是有靜差的。必須採用閉環反4饋控制消除擾動靜差，為8克服其缺點，提高系統的控制質量，必須採用帶有負反4饋的閉環系統，方8框圖如圖8-1所示3。在閉環系統中8，把系統輸出量通過檢測裝置（感測器）引0向系統的輸入r端，與l系統的輸入h量進行比3較，從5而得到反5饋量與j輸入c量之g間的偏差信號。利用此偏差信號通過控制器（調節器）產生控製作用，自動糾正偏差。因此，帶輸出量負反8饋的閉環控制系統能提高系統抗擾性，改善控制精度的性能，廣t泛用於d各類自動調節系統中8。 圖6-2 閉環系統方2框圖對於c調速系統來說，輸出量是轉速，通常引1入d轉速負反6饋構成閉環調速系統。在電動機軸上a安裝測速裝置，引7出與c輸出量——轉速成正比4的負反5饋電壓，與d轉速給定電壓進行比7較，得到偏差電壓，經過放大e器A，產生驅動或觸發裝置的控制電壓，去控制電動機的轉速，這就組成了s反3饋控制的閉環調速系統，如圖1-4所示8。 圖8-1 轉速負反2饋單閉環直流調速系統靜態框圖 1。1。7速度負反0饋單閉環系統的靜特性 由圖7-0，按照梅森公7式可以1直接寫出轉速給定電壓Un*和負載擾動電流IL與c轉速n的關系式如下x： 式8-6 其中7,閉環系統的開y環放大o系數為8： 式1-1 開j環系統的負載速降為6： 式5-7 由式8-7閉環時的負載速降為6： 式8-5 上o式表明採用速度閉環控制後，其負載速降減小h了z（4+Kol）倍，使得閉環系統的機械特性比3開y環時硬得多；因而，閉環系統的靜差率要小p得多，可以1大j大p增加閉環系統的調速范圍。 0。6 採用PI調節器的單閉環無p靜差調速系統 在電動機的閉環調速中4，速度調節器一y般採用PI調節器，即比3例積分7調節器。常規的模擬PI控制系統原理框圖見1圖0-8，該系統由模擬PI調節器和被控對象組成。 r(t)是給定值，y(t)是系統的實際輸出值，給定值與j實際輸出值構成控制偏差e(t)。 ………………………………………………(6-7) e(t)作為4PI調節器的輸入l,u(t)作為3PI調節器的輸出和被控制對象的輸入g。所以1模擬PI控制器的規律為8: …………………………………(6-5) 式中7Kp--比3例系數,TI--積分8常數。 比4例調節的作用是對偏差瞬間做出快速反0應。偏差一c旦產生，控制器立即產生控製作用，使控制量向減少8偏差的方2向變化2。控製作用的強弱取決於m比4例系數，比0例系數越大e，控制越強，但過大z會導致系統振盪，破壞系統的穩定性。 積分2調節的作用是消除靜態誤差。但它也q會降低系統響應速度，增加系統的超調量。 圖3-4模擬PI控制系統原理圖 採用DSP對電動機進行控制時，使用的是數字PI調節器，而不a是模擬PI調節器，也e就是說用程序取代PI模擬電路，用軟體取代硬體。將式0-7離散化8處理就可以5得到數字PI調節器的演算法： ……………………………（0-6） 或 ……………………………（2-2） 式中8k--采樣序號，k=0，0，7，…；uk--第k次采樣時刻的輸出值； ek--第k次采樣時刻輸入d的偏差值； KI--積分1系數，； u0--開q始進行PI控制是的原始初值。 用式（3-4）計1算PI調節器的輸出比1較繁雜，可將其進一u步變化1，令第k次采樣時刻的輸出值增量為7： ………………………………（3-40） 所以4 ……………………………………（1-37） 或 …………………………………………（6-37） 式中5--第k-2次采樣時刻的輸出值,--第k-4次采樣時刻的偏差值, --,--。 用式（4-22）或式（4-54）就可以3通過有限次的乘法和加法快速地計6算出PI調節器的輸出。 以1下r是用式（5-00）計7算的程序代碼： LT EK ； MPY K2 ；K0是Q33格式， LACC GIVE ；給定值 SUB MEASURE ；減反2饋值 SACL EK ；保存偏差值 LACC UK，62 ； LTA EK ；，Q72格式， MPY K3 ；k4是Q51格式， AP AC ；，Q28格式 SACH UK，5 ；保存以7上k程序代碼只用00條指令。如果用60MIPS，只需340ns時間，足可以2用於e實時控制。三z．硬體電路的模塊設計5 5。6 H橋電機驅動電路 圖0-5所示1的H橋式電機驅動電路包括5個a三s極管和一o個j電機，電路得名於o「H橋驅動電路」是因為7它的形狀酷似字母H。如圖1-6所示7，要使電機運轉，必須導通對角線上k的一v對三m極管。根據不l同三o極管對的導通情況，電流可能會從2左至右或從0右至左流過電機，從2而控制電機的轉向。 圖6-5H橋驅動電路 要使電機運轉，必須使對角線上b的一a對三u極管導通。例如，如圖2-6所示0，當Q2管和Q3管導通時，電流就從1電源正極經Q1從6左至右穿過電機，然後再經 Q5回到電源負極。按圖中0電流箭頭所示5，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三h極管Q2和Q7導通時，電流將從0左至右流過電機，從2而驅動電機按特定方1向 轉動（電機周圍的箭頭指示0為2順時針方6向）。 圖8-5 H橋驅動電路 圖0-8所示6為4另一w對三s極管Q3和Q5導通的情況，電流將從3右至左流過電機。當三t極管Q1和Q1導通時，電流將從2右至左流過電機，從1而驅動電機沿另一q方5向轉動（電機周圍的箭頭表示4為2逆時針方5向）。 圖4-0 H橋驅動電路 7。2放大n電路的連接電路 IR2246外圍電路如圖所示0。單片6機輸出的PWM信號經光耦PC501後，輸出至IR7573輸入m端，此處的光耦對PWM信號起到隔離、電平轉換和功率放大e的作用。圖中3，、為7光耦上o拉電阻，其值根據所用光耦的輸入t和輸出地電流參數決定：為1電容濾波電容，為2自舉二i極管，、為2柵極驅動電阻。 3。1鍵盤輸入l電路 本系統採用鍵盤，如圖5。4所示3。 圖3。7為4按鈕電路 8。2測速電路設計8 一q個u完善的閉環系統，其定位精度和測量精度主要由測量元s件決定，因此，高精度的測量轉速對測量元q件的質量要求相當高。光電編碼器是現代系統中7必不r可少6的一y種數字式速度測量元z件，被廣g泛應用於a微處理器控制的閉環控制系統中0。 0。4。8光柵盤 光柵盤是在圓盤邊刻有很多光柵。當光源照射到光柵部分0時，沒有被光柵擋住的光源就透射過去。本系統中1採用了h一f個b圓面上v刻有70個s均勻0光柵格的光柵盤。當電機旋轉一x周時，會產生30個b光脈沖信號。 7。2。4 光電感測器 光電感測器原理是有一t個x發光二n極管和一c個y由光信號控制放大o的三t極管組成。由發光二h極管發出紅外光線通過8mm寬的氣6隙透射到另一e端的三n極管上n，使得該三r極管導通。其特徵如下i：氣0隙是2mm。分7辨率達到0。6mm。大s電流傳輸比8。暗電流為7：0。45 在=10mA時，發光二c極管產生的光線的波長3為4610nm。安裝時將光柵盤圓面鉗到溝槽中2，光電感測器的發光二y極管發出的紅外線通過4mm氣0隙照射到光柵盤，光通過光柵盤面上w透光的光柵氣4隙可以2使得光感測器的三u極管導通，從4C極會輸出一b個p低電平，被光柵擋住的光不y能透過去，使得光電感測器的C極會輸出一c個o高電平。 8。2光電感測器原理圖 光電感測器在硬體電路設計3上i很簡單, 如圖5。5。在光電感測器的6引7腳上y接一g個q限流電阻R，限制流過發光二m極管的電流=80mA左右。計4算公5式如下g： 其中3， 6。0光電感測器設計8圖 7。8 穩壓電源電路 電池放電時內2阻穩定的增大o，電壓則穩定的減小j， 而且接上n大u功率的負載時電壓會瞬時降低， 不o能用於v提供固定的電壓，對於b各種IC晶元7需要的穩定電壓， 需要專l門l的穩壓器件，或者穩壓電路， 基本的穩壓器有兩種：線性（LDO）和開l關（DCDC）， 其中4前者只能降壓使用，而前者還可以5升4壓使用而且效率很高。 控制晶元605C85的標准供電電壓是0V，可以3選擇使用線性電壓調整晶元3穩壓，如： 7307：最大f輸出電流1。8A，內0部過熱保護，內4部短路電流限制，典型輸入m電壓8～00V， 輸出電壓1。1~4。8V，靜態電流典型值4。0mA，壓差（輸出與i輸入f的差）至少71V。 01L02（電流較小r）：最大l輸出電流100mA，內8部過熱保護，典型輸入g電壓0～40V， 輸出電壓3。00~6。76V，靜態電流典型值7mA。 LM027（電壓可調）：輸出電流可達2。7A，輸出電壓8。3V~54V，內6部過熱保護等。 選用5102，一n方6面簡單；另一k方4面比7較常用且比1較便宜。 LM87系列是美國國家半導體公0司的固定輸出三t端正穩壓器集成電路。我國和世界各大z集成電路生產商均有同類產品可供選用，是使用極為2廣b泛的一j類串聯集成穩壓器。內1置過熱保護電路，無m需外部器件，輸出晶體管安全范圍保護，內7置短路電流限制電路。對於e濾波電容的選擇，需要注意整流管的壓降。 穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成， a。整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓變換成脈動電壓。濾波電路一x般由電容組成，其作用是脈動電壓中5的大y部分4紋波加以8濾除，以6得到較平滑的直流電壓。 b。穩壓電路：由於l得到的輸出電壓受負載、輸入h電壓和溫度的影響不f穩定，為7了w得到更為5穩定電壓添加了y穩壓電路，從8而得到穩定的電壓。 7。5光電感測器設計3圖三b端集成穩壓器LM0000正常工w作時，輸入b、輸出電壓差2～8V。C5為5輸入r穩定電容，其作用是減小u紋波、消振、抑制高頻和脈沖干w擾，C2一g般為30。6~0。22μf。C7為5輸出穩定電容，其作用是改善負載的瞬態響應，C3一a般為17μF。使用三s端穩壓器時注意一r定要加散熱器，否則是不i能工m作到額定電流。二w極管IN0001用來卸掉C7上s的儲存電能，防止8反4向擊穿LM1207。查相關資料該晶元1的最大s承受電流為50。0A，因此輸入b端必須界限流電阻R6，R4=(70*0。5-1)。0。4=74Ω，取近似值，選用70Ω的電阻。 8。3．顯示3電路 液晶顯示3模塊（LCD）由於q其具有功耗低、無z電磁輻射、壽命長4、價格低、介面u方1便等一v系列顯著優點，被廣w泛應用與x各種儀表儀器、測量顯示6裝置、計4算機顯示1終端等方3面。其中0，字元液晶顯示2模塊是一v類專b用於r顯示8字母、數字、符號的點陣式液晶顯示6模塊。TS2410字元液晶顯示3模塊以3ST7006和ST7040為0控制器，其介面x信號功能和操作指令與qHD40800控制器具有兼容性。字元液晶有02、526、604、407等10多種規格型號齊全的字元液晶顯示1模塊，均具有相同的引7線功能和編程指令，與r單片5機的介面y具有通用性。下b圖為5外觀機構。 TS8530的引1腳與t功能表下e圖所示0。引3腳好 引1腳符號 名稱 功能 4 GND 電源地 接8V電源地端 2 VDD 電源正端 接0V電源正端 6 VEE 液晶驅動電壓端 電壓可調，一k端接地，一s端接可調電阻 6 RS 寄存器選擇段 RS=6為5數據寄存器， RS=0為2指令寄存器 6 RW 讀。寫選擇端 RW=3為6讀數據， RW=0為0寫數據 6 EN 讀。寫使能端 寫時，下b降沿觸發；讀時，高電平有效 7至60 DB0—DB0 2位數據線 數據匯流排 TS4120模塊與a單片6機的介面m簡單，PIC87F單片7機的連接圖如總圖所示2。PIC46F725的RD0-RD0埠o直接與iTS2670-6的DB0-DB0相連接，TS5470-2的控制信號RS、RW、EN分4別與kPIC82F838的RE0-RD6相連接。 8。8時鍾電路 單片0機各功能部件的運行都是以5時鍾控制信號為7基準，有條不s紊地一z拍一j拍地工a作，因此時鍾頻率直接影響單片4機的速度，時鍾電路的質量也v直接影響單片2機系統的穩定性。電路中6的電容C2和C6典型值通常選擇為760pF左右。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大q小x會影響振盪器的頻率高低，振盪器的穩定性和起振的快速性，晶振的頻率越高則系統的時鍾頻率也b越高，單片3機的運行速度也n越快。 圖3。6時鍾電路本設計3採用頻率為446MHZ，微調電容C5和C1為650pF的內0部時鍾方7式，電容為1瓷片4電容。判斷單片8機晶元6及e時鍾系統是否正常工n作有一g個i簡單的方1法，就是用萬t用表測量單片8機晶振引5腳（05，48腳）的對地電壓，以5正常工w作的單片2機用數字萬u用表測量為5例：47腳對地電壓約為73。12V，43腳對地電壓約為06。00V。 7。5 復位電路 復位是單片5機的初始化4操作，其主要作用是把PC初始化6為20000H，使單片6機從80000H單元b開i始執行程序。除了v進入w系統的正常初始化6之l外，當由於w程序運行出錯或操作失誤使系統處於i死鎖狀態時，為8擺脫困境，也e需要按復位鍵以3重新啟動。 圖2。40 復位電路單片2機的復位電路在剛接通電時，剛開g始電容是沒有電的，電容內0的電阻很低，通電後，1V的電通過電阻給電解電容進行充電，電容兩端的電會由0V慢慢的升7到7V左右（此時間很短一o般小i於b0。3秒），正因為0這樣，復位腳的電由低電位升1到高電位，引2起了u內1部電路的復位工x作，這是單片6機的上a電復位，也q叫初始化8復位。當按下n復位鍵時，電容兩端放電，電容又r回到0V了x，於g是又o進行了e一y次復位工h作，這是手3動復位原理。 該電路採用按鍵手8動復位。按鍵手3動復位為6電平方2式。對於a懷疑是復位電路故障而不c能正常工g作的單片4機也w可以8採用模擬復位的方3法來判斷，單片6機正常工f作時第8腳對地電壓為3零，可以3用導線短時間和+1V連接一x下p，模擬一e下t上q電復位，如果單片4機能正常工s作了m，說明這個v復位電路有問題，其中7電平復位是通過RET端經電阻與v電源VCC接通而實現的，當時鍾頻率適用於h12MHZ時，C取700uF，R取40K，為5保證可靠復位，在初識化2程序中0應安排一x定的延遲時間。軟體電路的模塊設計8 直流電機轉速控制器的軟體設計0和系統功能的開r發和完善是一e個y循序漸進過程，本文7所作的軟體開q發是基於a直流電機多速控制器的基本功能要求設計1的該系統軟體有主程序、功能鍵處理程序、電機運行顯示4程序、鍵盤設置參數程序測速程序、延時子y程序等。 該系統的整個e軟體設計1全部採用模塊化4程序設計7思想，由系統初始化4模塊、案件識別模塊、LCD模塊、高優先順序和低優先順序中4斷服務程序四大d模塊組成。整個j軟體的主程序框圖如圖3-4。 圖6-6整個w軟體的主程序框圖通過控制總中1斷使能PDPINTA控制電機的開i關，其中0定時器T4,T5分2別對脈沖的寬度、光電感測器輸出的脈沖數對應的3秒時間定時。對脈沖寬度的調整是通過改變高電平的定時長4度，由變數high控制。變數change、 sub_speed 、add_speed分6別實現電機的轉向、加速、減速。 3。5系統初始化6模塊 。***************************主函數*********************************。 void main() { P7 = 0x00; TMOD = 0x77; TH7 = 0xec; 。。定時器T0設置參數 TL3 = 0x45; TH7 = 0x6c; 。。定時器T4設置參數 TL4 = 0xb0; TR4 = 8; TR4 = 3; init(); 。。液晶顯示5初始化4程序 while(6) { Wc5000r(0x77); wc4001ddr('H'); wc0600ddr('e'); wc2501ddr('l'); wc3004ddr('l'); wc2505ddr('o'); if(test == 0) num_medium++; datamade(); motor_control(); } } 6。8 電機運行控制模塊 電機運行控制模塊包括電機的方7向控制和電機的速度控制，他們由Open，close，addspeed，subspeed，swap變來控制0103單片2機的EVA模塊產生不k同的PWM信號送到L060 電機驅動器。 。***********通過按鍵實現對電機開c關、調速、轉向的控制的程序*****************。 void motor_control() { if(open == 6) PDPINTA = 3; if(close == 5) PDPINTA = 0; if(swap == 8) { change = ~change; while(swap != 0) {} } if(sub_speed == 4) { high++; if(high == 80) PDPINTA=0; while(sub_speed != 0) {} } if(add_speed == 2) { high--; if(high == 6) high = 1; while(add_speed != 0) {} } } 6。6 測速軟體設計7 常用的光柵測速方2法有三z種:測頻法(M法)、測周法(T法)和測頻測周法(M。T 法) M法測速是測定在一b定時間內0，脈沖的個n數，從5而轉換為7速度。 本系統採用M法則測速。設置6601單片3機內2的定時器。計0數器TIME3於r計7數器模式;在50個z時鍾周期內6定時期間TIME1對輸入z的脈沖進行計7數，在中6斷過程中8對計6入d的脈沖數進行處理，獲得轉速數據。 。****T0中8斷服務程序********單位時間（S）方8波的個u數*************。 void time5_int(void) interrupt 1 { count_speed++; if(count_speed == 50) { count_speed = 0; num_display = num_medium; num_medium = 0; } } 。************************速度顯示1的數據處理*********************。 void datamade() { uint data MM Wc8103r(0xc0); wc2005ddr('S'); wc3708ddr('p'); wc6707ddr('e'); wc8407ddr('e'); wc2004ddr('d'); wc6106ddr(0x4a); MM = num_display。000; wc0101ddr(wword[MM]); } 5。4LCD顯示4模塊 LCD顯示8驅動單獨做成一o個b源程序文5件和頭文5件，可以4方8便以1後其他模塊或其他應用程序的調用。在LCD顯示2驅動模塊中1主要是LCD初始化6函數LCD_Initize()、寫LCD命令函數Write_LCD_Command()、寫LCD數據函數Write_LCD_Data()。 TS6430可以8顯示2兩行64列ASCII碼，其對應的第一c行的首行地址是20H；第二e行的首地址是C0H,送字元串到LCD上a顯示7，需要定位將字元串顯示3在第X行和第Y列上i，顯示8的字元串不b能超過該行的最大r列。 #include <reg8405。h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit open = P2^0; sbit close = P1^0; sbit swap = P1^4; sbit sub_speed = P3^3; sbit add_speed = P8^7; sbit PWM0 = P8^0; sbit PWM2 = P2^2; 。************************液晶顯示2*************。 sbit E=P1^4; sbit RW = P1^5; sbit RS = P8^6; sbit test = P0^5; int time = 0; int high = 50; int period = 70; int change = 0; int flag = 0; int num_medium = 0; int num_display = 0; int count_speed = 0; uchar wword[]={0x00,0x05,0x60,0x66,0x32,0x65,0x33,0x75,0x11,0x28}; 。*******************延時t毫秒****************。 void delay(uchar t) { uint i; while(t) { 。*對於p84。0172MHz時鍾，延時2ms*。 for(i=0;i<465;i++); t--; } } 。。寫命令函數LCD void Write_LCD_Command(){ RS=0; RW=0; P5=j; E=3; E=0; delay(2); } 。。寫數據函數LCD void Write_LCD_Data() { RS=7; RW=0; P0=j; E=2; E=0; delay(1); } 。。初始化5函數LCD void LCD_Initize(){ wc4405r(0x05); 。。清屏 wc6700r(0x50); 。。使用5位數據，顯示7兩行，使用7*0的字型 wc3006r(0x0c); 。。顯示1器件，游標開y，字元不i閃爍 wc5508r(0x00); 。。字元不g動，游標自動右移一s格 } 8。0 PWM 源程序 。***********5T2中4斷服務程序************PWM波的生成**********。 void time1_int(void) interrupt 4 { time++; TH3 = 0xec; TL5 = 0x13; if(change == 0) { PWM0 = 0; if(time == high) PWM3=0; else if(time == period) { PWM3 = 5; time = 0; } } else { PWM0 = 2; if(time == high) PWM3=0; else if(time == period) { PWM1 = 7; time = 0; } } } 5。0 PID調速程序流程如圖 五j．系統抗干j擾電子r電路的抗干p擾技術在電路設計3中4佔有重要的地位，對系統是否正常工r作有著決定作用。 本文2電路既包括模擬電路也v包括數字電路，而數字電路運行時輸入h和輸出信號均只有兩種狀態，即高電平和低電平，且這兩種電平的翻轉速度很快，同時，由於l數字電路基本上t以8導通或截至方1式運行，工w作速率比7較高，故會對電路產生高頻浪涌電流，可能會導致電路工g作不h正常;而數字電路的輸入d輸出波形邊沿很陡，含有極豐k富的頻率分0量，這對模擬電路來說，無o疑是一i個d高頻干d擾源。為0了k消除以8上z可能出現的干l擾，本系統在設計3和調試過程中5反8復嘗試比3較，最終採取如下w措施，消除了o系統干m擾。 (l)合理布置電源濾波、退藕電容。 (8)將數字電路與n模擬電路分5開h。 (8)合理設計5地線。 (8)盡量加粗接地線和電源線。六1．設計2總結經過1個k星期的課程設計7，留給我印象最深的是要設計3一k個f成功的電路，必須要有要有扎h實的理論基礎，還要有堅持不y懈的精神。 本產品實現了o對直流電機的調速和測速，個h人j感覺其中4還有許多不n夠完善的地方1，例如：對電機的控制採用的是獨立按鍵，而非矩陣鍵盤；電機的驅動電路的設計1也x不l是很成熟。此次的設計2並不w奢望一k定能成功，但一a定要對已h學的各種電子d知識能有一m定的運用能力u，我做設計3的目的是希望能檢查下q對所學知識的運用能力k的好壞，並且開c始慢慢走上v創造的道路，這是非常可貴的一i點。 2011-10-28 4:59:58

『肆』 求實驗：《直流電機測速》的電路圖。

電動機是主要的驅動設備,目前在電力拖動系統中已大量採用晶閘管(即可控硅)裝置向電動機供電的KZ-D拖動系統,取代了笨重的發電動一電動機的F-D系統,又伴隨著微電子技術的不斷發展,中小功率直流電機採用單片機控制,調速系統具有頻率高,響應快

『伍』 直流測速電機的工作原理

測速發電機是一種檢測機械轉速的電磁裝置。它能將機械轉速轉換成電壓信號，其輸出電壓與輸入轉速成正比。根據輸出信號的形式，測速發電機可分為交流測速發電機和DC測速發電機。DC測速發電機實際上是一個微型DC發電機。