直流电动机测速装置设计与制作

『壹』 电机测速的几种方法及分析

1、有刷直流测速方法：

永磁直流测速发电机有其灵敏度高，线性误差小，受温度变化的影响较小，结构简单，耐振动冲击，极性可逆等优点，但由于电刷和换向器的存在带来一些弊病：如可靠性差，使用环境受到限制，电刷与换向器的摩擦，增加了被测电机的粘滞转矩；电刷的接触压降造成了输出低速时的不灵敏区。

2、无刷直流测速方法：

刷直流测速发电机从根本上取消了电刷与换向器这种接触装置,改善了测速发电机的性能,提高了运行的可靠性。是直流测速机的一个发展方向。

产品的无刷化已成为一种明显的发展趋势。特别是电子技术的发展，使其测速电路的集成化程度有了迅速提高，赋予新型机电一体化方波无刷直流测速发电机更强的生命力。

无刷直流测速发电机还有诸如霍尔无刷直流测速发电机，环形转子无刷直流测速发电机及二极管整流型无刷直流测速发电机等。主要有霍尔无刷直流测速发电机和新型机电一体化方波无刷直流测速发电机两种类。

3、MT法测速

该方法属于数字式测速，通常由光电脉冲编码器，直线光栅尺，感应同步器，旋转变压器，直线磁栅尺等传感器来完成。其基本原理是：电机每转一圈，传感器输出的脉冲数一定，随着电动机转速和输出脉冲频率的不同，频率与转速成正比，能测量其频率，通过软件计算就能得到速度，鉴相电路还能同时反映实际转速的方向。

该类转子位置传感器发出的脉冲信号，可在可编程计数器8253的配合下，基于微机系统采用MT法对电机转速实现高精度的数字测量，这类传感器一般都输出两组相位相差90°的脉冲序列A，B,根据A，B的相位关系可以鉴别电机转向，同时还可以进行四倍频处理，以减少通过MT法获取速度反馈信号的纹波。

(1)直流电动机测速装置设计与制作扩展阅读

电机测速的分类

1、空心杯转子异步电机测速发电机：

转子不转时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势；转子转动时，由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同，与转速无关。

2、笼式转子异步电机测速发电机：

与交流伺服电动机相似，因输出的线性度较差，仅用于要求不高的场合。

3、同步电机测速发电机：

以永久磁铁作为转子的交流发电机。由于输出电压和频率随转速同时变化，又不能判别旋转方向,使用不便，在自动控制系统中用得很少,主要供转速的直接测量用。

『贰』 单片机直流电机调速系统设计

论文题目：直流电动机调速器硬件设计
专业：自动化
本科生：刘小煜 （签名）＿＿＿＿
指导教师：胡晓东 （签名）＿＿＿＿

直流电动机调速器硬件设计
摘 要

直流电动机广泛应用于各种场合,为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。该实验中搭建了基于C8051F020单片机的转速单闭环调速系统，利用PWM信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环PI控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并对PI控制原理及其参数的确定进行更深的理解。实验结果显示，控制8位PWM信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速及反转等功能。实验中使用霍尔元件进行电动机转速的检测、反馈。期望转速则可通过功能按键给定。当选择比例参数为0.08、积分参数为0.01时，电机转速可以在3秒左右达到稳定。由实验结果知，该单闭环调速系统可对直流电机进行调速，达到预期效果。

关键字：直流电机， C8051F020，PWM，调速，数字式

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

目录

第一章 绪论 1
1.1直流调速系统发展概况 1
1.2 国内外发展概况 2
1.2.1 国内发展概况 2
1.2.2 国外发展概况 3
1.2.3 总结 4
1.3 本课题研究目的及意义 4
1.4 论文主要研究内容 4
第二章 直流电动机调速器工作原理 6
2.1 直流电机调速方法及原理 6
2.2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理 7
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理 11
2.3.1 单闭环直流调速系统的组成 11
2.3.2速度负反馈单闭环系统的静特性 12
2.3.3转速负反馈单闭环系统的基本特征 13
2.3.4转速负反馈单闭环系统的局限性 14
2.4 采用PI调节器的单闭环无静差调速系统 15
2.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理 17
2.5.1原理框图 17
2.5.2 数字式PI调节器设计原理 18
第三章 直流电动机调速器硬件设计 20
3.1 系统硬件设计总体方案及框图 20
3.1.1系统硬件设计总体方案 20
3.1.2 总体框图 20
3.2 系统硬件设计 20
3.2.1 C8051F020单片机 20
3.2.1.1 单片机简介 20
3.2.1.2 使用可编程定时器/计数器阵列获得8位PWM信号 23
3.2.1.3 单片机端口配置 23
3.2.2主电路 25
3.2.3 LED显示电路 26
3.2.4 按键控制电路 27
3.2.5 转速检测、反馈电路 28
3.2.6 12V电源电路 30
3.3硬件设计总结 31
第四章 实验运行结果及讨论 32
4.1 实验条件及运行结果 32
4.1.1 开环系统运行结果 32
4.1.2 单闭环系统运行结果 32
4.2 结果分析及讨论 32
4.3 实验中遇到的问题及讨论 33
结论 34
致谢 35
参考文献 36
论文小结 38
附录1 直流电动机调速器硬件设计电路图 39
附录2 直流电动机控制系统程序清单 42
附录3 硬件实物图 57

第一章 绪论
1.1直流调速系统发展概况
在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。
在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于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，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。
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。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中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，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦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MOSFET和IGBT成为主流。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。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。
1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。通常PWM配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。
目前，电机调速控制模块主要有以下三种：
（1）、采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；
（2）、采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整；
（3）、采用由IGBT管组成的H型PWM电路。用单片机控制IGBT管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
1.2 国内外发展概况
1.2.1 国内发展概况
我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4～200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。
目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：
（1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。
（2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。
（3）、单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。
（4）、模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.5kw电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。
上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。
1.2.2 国外发展概况
随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I-P控制器取代PI调节器的方法、自适应和模糊PID算法等等。
目前，国外主要的电气公司，如瑞典ABB公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A，并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。
1.2.3 总结
随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。
1.3 本课题研究目的及意义
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。
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Cygnal公司的单片机C8051F020。
通过设计基于C8051F020单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握C8051F020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。
1.4 论文主要研究内容
本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用C8051F020自带的PWM口，通过调整PWM的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制转速。
系统硬件设计为：以C8051F020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。
（2）、完成以C8051F020为控制核心的直流电机数字控制系统硬件设计。
（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PI控制及相关参数。
（4）、对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。

第二章 直流电动机调速器工作原理
2.1 直流电机调速方法及原理
直流电动机的转速和各参量的关系可用下式表示：

由上式可以看出，要想改变直流电机的转速，即调速，可有三种不同的方式：调节电枢供电电压U，改变电枢回路电阻R，调节励磁磁通Φ。
3种调速方式的比较表2-1所示.
表2-1 3种电动机调速方式对比
调速方式和方法 控制装置 调速范围 转速变化率 平滑性 动态性能 恒转矩或恒功 率 效率
改变电枢电阻 串电枢电阻 变阻器或接触器、电阻器 2:1 低速时大 用变阻器较好
用接触器、电阻器较差 无自动调节能力 恒转矩 低
改变电枢电压 电动机-发电机组 发电机组或电机扩大机（磁放大器） 10:1～20:1 小 好 较好 恒转矩 60%～70%
静止变流器 晶闸管变流器 50:1～100:1 小 好 好 恒转矩 80%～90%
直流脉冲调宽 晶体管或晶闸管直流开关电路 50:1～100:1 小 好 好 恒转矩 80%～90%
改变磁通 串联电阻或可变直流电源 直流电源变阻器 3:1
～
5:1 较大 差 差 恒功率 80%～90%
电机扩大机或磁放大器 好 较好
晶闸管变流器 好

由表2-1知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最佳，而变电枢电压调速方法亦是应用最广的调速方法。
2.2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理
在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。
PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。
根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM，谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制PWM。
利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图2-1、图2-2所示。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端由电压。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-2所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值为：

式2-1

式中 ——占空比，
占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为0≤≤1。由式2-1可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法：
（1）、定宽调频法:保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。
（2）、调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。
（3）、定频调宽法：保持周期（或频率）不变，同时改变、。
前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。

图2-1 PWM调速控制原理

图2-2 输入输出电压波形
产生PWM控制信号的方法有4种，分别为：
（1）、分立电子元件组成的PWM信号发生器
这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。
（2）、软件模拟法
利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。这种方法要占用CPU大量时间，需要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。
（3）、专用PWM集成电路
从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了由PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机系统中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。
（4）、单片机PWM口
新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只能在改变占空比时CPU才进行干预。
其中常用后两中方法获得PWM信号。实验中使用方法（4）获得PWM信号。
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理
2.3.1 单闭环直流调速系统的组成
只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统具有局限性：
（1）、通过控制可调直流电源的输入信号，可以连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。
（2）、开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。
（3）、开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差
为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图2-3所示。在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。

『叁』 直流电动机控制转速和测速的程序是用显示屏的

基于o5504单片0机的直流电机PWM调速系统 学 生： 张 洋 专b 业： 电气1工b程及c其自动化2 班 级： 07000000 指导教师： 周素盈 二k．系统总体方8案论证 5。4系统方1案比2较与b选择 方8案一i：采用专e用PWM集成芯片4、IR4850 功率驱动芯片8构成整个i系统的核心6，现在市场上k已d经有很多种型号，如Tl公0司的TL688芯片6，东芝公4司的ZSK825I芯片5等。这些芯片8除了s有PWM信号发生功能外，还有“死区e”调节功能、过流过压保护功能等。这种专p用PWM集成芯片2可以3减轻单片1机的负担，工u作更可靠，但其价格相对较高，难于l控制工c业成本不d宜采用。 方0案二t：采用44022单片3机、功率集成电路芯片3L048构成直流调速装置。L740是双6H高电压大s电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其驱动电压为620V，直流电流总和为04A。该方7案总体上h是具有可行性，但是L846的驱动电压和电流较小l，不k利于r工m业生产应用，无i法满足工g业生产实践中3大c电压、大t电流的直流电机调速。 方3案三x：采用3701单片1机、IR2720功率驱动芯片8构成整个e系统的核心3实现对直流电机的调速。7600具有两个q定时器T8和T5。通过控制定时器初值T2和T8，从5而可以4实现从8任意端口a输出不b同占空比3的脉冲波形。3204控制简单，价格廉价，且利用5405构成单片0机最小j应用系统，可缩小a系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。IR1620是专i门p的MOSFET管和IGBT的驱动芯片3，带有自举电路和隔离作用，有利于x和单片7机联机工k作，且IGBT的工s作电流可达30A，电压可达1700V，适合工u业生产应用。 综合上g述三g种方0案，本设计7采用方2案三l作为7整个d系统的设计7思路。 1。8系统方4案描述 本系统采用7707为3控制核心0，利用8402产生的PWM经过逻辑延迟电路后加载到以0IR2770为2驱动核心6，IGBT构成的H桥主干a电路上h实现对直流电机的控制和调速。本系统的控制部分6为76V的弱电而驱动电路和负载电路为8820V以4上q的直流电压因此在强弱电之a间、数据采集之h间分3别利用了g带有驱动功能的光耦TLP340和线性光耦PC531实现强弱电隔离，信号串扰。具体电路框图如下x图3-7 图7-6系统整体框图 5。6 转速负反8馈单闭环直流调速系统原理 7。2。1原理框图 该系统原理框图如图1-6所示7，转速反4馈控制环的调节是利用单片0机软件实现的PI调节。图中2虚线部分4是采用单片4机实现的控制功能。 6。5。1 单闭环直流调速系统的组成 图6-0 数字式转速负反0馈单闭环直流调速系统 只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为3开h环调速系统。但开n环直流调速系统具有局限性：（1）、通过控制可调直流电源的输入w信号，可以3连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无i极调速，但是，在启动或大g范围阶跃升5速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也f会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。（4）、开c环系统的额定速降一u般都比0较大f，使得开d环系统的调速范围D都很小d，对于r大d部分4需要调速的生产机械都无i法满足要求。因此必须采用闭环反5馈控制的方5法减小m额定动态速降，以5增大k调速范围。（4）、开f环系统对于m负载扰动是有静差的。必须采用闭环反4馈控制消除扰动静差，为8克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反4馈的闭环系统，方8框图如图8-1所示3。在闭环系统中8，把系统输出量通过检测装置（传感器）引0向系统的输入r端，与l系统的输入h量进行比3较，从5而得到反5馈量与j输入c量之g间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反8馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广t泛用于d各类自动调节系统中8。 图6-2 闭环系统方2框图对于c调速系统来说，输出量是转速，通常引1入d转速负反6馈构成闭环调速系统。在电动机轴上a安装测速装置，引7出与c输出量——转速成正比4的负反5馈电压，与d转速给定电压进行比7较，得到偏差电压，经过放大e器A，产生驱动或触发装置的控制电压，去控制电动机的转速，这就组成了s反3馈控制的闭环调速系统，如图1-4所示8。 图8-1 转速负反2馈单闭环直流调速系统静态框图 1。1。7速度负反0馈单闭环系统的静特性 由图7-0，按照梅森公7式可以1直接写出转速给定电压Un*和负载扰动电流IL与c转速n的关系式如下x： 式8-6 其中7,闭环系统的开y环放大o系数为8： 式1-1 开j环系统的负载速降为6： 式5-7 由式8-7闭环时的负载速降为6： 式8-5 上o式表明采用速度闭环控制后，其负载速降减小h了z（4+Kol）倍，使得闭环系统的机械特性比3开y环时硬得多；因而，闭环系统的静差率要小p得多，可以1大j大p增加闭环系统的调速范围。 0。6 采用PI调节器的单闭环无p静差调速系统 在电动机的闭环调速中4，速度调节器一y般采用PI调节器，即比3例积分7调节器。常规的模拟PI控制系统原理框图见1图0-8，该系统由模拟PI调节器和被控对象组成。 r(t)是给定值，y(t)是系统的实际输出值，给定值与j实际输出值构成控制偏差e(t)。 ………………………………………………(6-7) e(t)作为4PI调节器的输入l,u(t)作为3PI调节器的输出和被控制对象的输入g。所以1模拟PI控制器的规律为8: …………………………………(6-5) 式中7Kp--比3例系数,TI--积分8常数。 比4例调节的作用是对偏差瞬间做出快速反0应。偏差一c旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少8偏差的方2向变化2。控制作用的强弱取决于m比4例系数，比0例系数越大e，控制越强，但过大z会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。 积分2调节的作用是消除静态误差。但它也q会降低系统响应速度，增加系统的超调量。 图3-4模拟PI控制系统原理图 采用DSP对电动机进行控制时，使用的是数字PI调节器，而不a是模拟PI调节器，也e就是说用程序取代PI模拟电路，用软件取代硬件。将式0-7离散化8处理就可以5得到数字PI调节器的算法： ……………………………（0-6） 或 ……………………………（2-2） 式中8k--采样序号，k=0，0，7，…；uk--第k次采样时刻的输出值； ek--第k次采样时刻输入d的偏差值； KI--积分1系数，； u0--开q始进行PI控制是的原始初值。 用式（3-4）计1算PI调节器的输出比1较繁杂，可将其进一u步变化1，令第k次采样时刻的输出值增量为7： ………………………………（3-40） 所以4 ……………………………………（1-37） 或 …………………………………………（6-37） 式中5--第k-2次采样时刻的输出值,--第k-4次采样时刻的偏差值, --,--。 用式（4-22）或式（4-54）就可以3通过有限次的乘法和加法快速地计6算出PI调节器的输出。 以1下r是用式（5-00）计7算的程序代码： LT EK ； MPY K2 ；K0是Q33格式， LACC GIVE ；给定值 SUB MEASURE ；减反2馈值 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程序代码只用00条指令。如果用60MIPS，只需340ns时间，足可以2用于e实时控制。三z．硬件电路的模块设计5 5。6 H桥电机驱动电路 图0-5所示1的H桥式电机驱动电路包括5个a三s极管和一o个j电机，电路得名于o“H桥驱动电路”是因为7它的形状酷似字母H。如图1-6所示7，要使电机运转，必须导通对角线上k的一v对三m极管。根据不l同三o极管对的导通情况，电流可能会从2左至右或从0右至左流过电机，从2而控制电机的转向。 图6-5H桥驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上b的一a对三u极管导通。例如，如图2-6所示0，当Q2管和Q3管导通时，电流就从1电源正极经Q1从6左至右穿过电机，然后再经 Q5回到电源负极。按图中0电流箭头所示5，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三h极管Q2和Q7导通时，电流将从0左至右流过电机，从2而驱动电机按特定方1向 转动（电机周围的箭头指示0为2顺时针方6向）。 图8-5 H桥驱动电路 图0-8所示6为4另一w对三s极管Q3和Q5导通的情况，电流将从3右至左流过电机。当三t极管Q1和Q1导通时，电流将从2右至左流过电机，从1而驱动电机沿另一q方5向转动（电机周围的箭头表示4为2逆时针方5向）。 图4-0 H桥驱动电路 7。2放大n电路的连接电路 IR2246外围电路如图所示0。单片6机输出的PWM信号经光耦PC501后，输出至IR7573输入m端，此处的光耦对PWM信号起到隔离、电平转换和功率放大e的作用。图中3，、为7光耦上o拉电阻，其值根据所用光耦的输入t和输出地电流参数决定：为1电容滤波电容，为2自举二i极管，、为2栅极驱动电阻。 3。1键盘输入l电路 本系统采用键盘，如图5。4所示3。 图3。7为4按钮电路 8。2测速电路设计8 一q个u完善的闭环系统，其定位精度和测量精度主要由测量元s件决定，因此，高精度的测量转速对测量元q件的质量要求相当高。光电编码器是现代系统中7必不r可少6的一y种数字式速度测量元z件，被广g泛应用于a微处理器控制的闭环控制系统中0。 0。4。8光栅盘 光栅盘是在圆盘边刻有很多光栅。当光源照射到光栅部分0时，没有被光栅挡住的光源就透射过去。本系统中1采用了h一f个b圆面上v刻有70个s均匀0光栅格的光栅盘。当电机旋转一x周时，会产生30个b光脉冲信号。 7。2。4 光电传感器 光电传感器原理是有一t个x发光二n极管和一c个y由光信号控制放大o的三t极管组成。由发光二h极管发出红外光线通过8mm宽的气6隙透射到另一e端的三n极管上n，使得该三r极管导通。其特征如下i：气0隙是2mm。分7辨率达到0。6mm。大s电流传输比8。暗电流为7：0。45 在=10mA时，发光二c极管产生的光线的波长3为4610nm。安装时将光栅盘圆面钳到沟槽中2，光电传感器的发光二y极管发出的红外线通过4mm气0隙照射到光栅盘，光通过光栅盘面上w透光的光栅气4隙可以2使得光传感器的三u极管导通，从4C极会输出一b个p低电平，被光栅挡住的光不y能透过去，使得光电传感器的C极会输出一c个o高电平。 8。2光电传感器原理图 光电传感器在硬件电路设计3上i很简单, 如图5。5。在光电传感器的6引7脚上y接一g个q限流电阻R，限制流过发光二m极管的电流=80mA左右。计4算公5式如下g： 其中3， 6。0光电传感器设计8图 7。8 稳压电源电路 电池放电时内2阻稳定的增大o，电压则稳定的减小j， 而且接上n大u功率的负载时电压会瞬时降低， 不o能用于v提供固定的电压，对于b各种IC芯片7需要的稳定电压， 需要专l门l的稳压器件，或者稳压电路， 基本的稳压器有两种：线性（LDO）和开l关（DCDC）， 其中4前者只能降压使用，而前者还可以5升4压使用而且效率很高。 控制芯片605C85的标准供电电压是0V，可以3选择使用线性电压调整芯片3稳压，如： 7307：最大f输出电流1。8A，内0部过热保护，内4部短路电流限制，典型输入m电压8～00V， 输出电压1。1~4。8V，静态电流典型值4。0mA，压差（输出与i输入f的差）至少71V。 01L02（电流较小r）：最大l输出电流100mA，内8部过热保护，典型输入g电压0～40V， 输出电压3。00~6。76V，静态电流典型值7mA。 LM027（电压可调）：输出电流可达2。7A，输出电压8。3V~54V，内6部过热保护等。 选用5102，一n方6面简单；另一k方4面比7较常用且比1较便宜。 LM87系列是美国国家半导体公0司的固定输出三t端正稳压器集成电路。我国和世界各大z集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为2广b泛的一j类串联集成稳压器。内1置过热保护电路，无m需外部器件，输出晶体管安全范围保护，内7置短路电流限制电路。对于e滤波电容的选择，需要注意整流管的压降。 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成， a。整流和滤波电路：整流作用是将交流电压变换成脉动电压。滤波电路一x般由电容组成，其作用是脉动电压中5的大y部分4纹波加以8滤除，以6得到较平滑的直流电压。 b。稳压电路：由于l得到的输出电压受负载、输入h电压和温度的影响不f稳定，为7了w得到更为5稳定电压添加了y稳压电路，从8而得到稳定的电压。 7。5光电传感器设计3图三b端集成稳压器LM0000正常工w作时，输入b、输出电压差2～8V。C5为5输入r稳定电容，其作用是减小u纹波、消振、抑制高频和脉冲干w扰，C2一g般为30。6~0。22μf。C7为5输出稳定电容，其作用是改善负载的瞬态响应，C3一a般为17μF。使用三s端稳压器时注意一r定要加散热器，否则是不i能工m作到额定电流。二w极管IN0001用来卸掉C7上s的储存电能，防止8反4向击穿LM1207。查相关资料该芯片1的最大s承受电流为50。0A，因此输入b端必须界限流电阻R6，R4=(70*0。5-1)。0。4=74Ω，取近似值，选用70Ω的电阻。 8。3．显示3电路 液晶显示3模块（LCD）由于q其具有功耗低、无z电磁辐射、寿命长4、价格低、接口u方1便等一v系列显著优点，被广w泛应用与x各种仪表仪器、测量显示6装置、计4算机显示1终端等方3面。其中0，字符液晶显示2模块是一v类专b用于r显示8字母、数字、符号的点阵式液晶显示6模块。TS2410字符液晶显示3模块以3ST7006和ST7040为0控制器，其接口x信号功能和操作指令与qHD40800控制器具有兼容性。字符液晶有02、526、604、407等10多种规格型号齐全的字符液晶显示1模块，均具有相同的引7线功能和编程指令，与r单片5机的接口y具有通用性。下b图为5外观机构。 TS8530的引1脚与t功能表下e图所示0。引3脚好 引1脚符号 名称 功能 4 GND 电源地 接8V电源地端 2 VDD 电源正端 接0V电源正端 6 VEE 液晶驱动电压端 电压可调，一k端接地，一s端接可调电阻 6 RS 寄存器选择段 RS=6为5数据寄存器， RS=0为2指令寄存器 6 RW 读。写选择端 RW=3为6读数据， RW=0为0写数据 6 EN 读。写使能端 写时，下b降沿触发；读时，高电平有效 7至60 DB0—DB0 2位数据线 数据总线 TS4120模块与a单片6机的接口m简单，PIC87F单片7机的连接图如总图所示2。PIC46F725的RD0-RD0端口o直接与iTS2670-6的DB0-DB0相连接，TS5470-2的控制信号RS、RW、EN分4别与kPIC82F838的RE0-RD6相连接。 8。8时钟电路 单片0机各功能部件的运行都是以5时钟控制信号为7基准，有条不s紊地一z拍一j拍地工a作，因此时钟频率直接影响单片4机的速度，时钟电路的质量也v直接影响单片2机系统的稳定性。电路中6的电容C2和C6典型值通常选择为760pF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大q小x会影响振荡器的频率高低，振荡器的稳定性和起振的快速性，晶振的频率越高则系统的时钟频率也b越高，单片3机的运行速度也n越快。 图3。6时钟电路本设计3采用频率为446MHZ，微调电容C5和C1为650pF的内0部时钟方7式，电容为1瓷片4电容。判断单片8机芯片6及e时钟系统是否正常工n作有一g个i简单的方1法，就是用万t用表测量单片8机晶振引5脚（05，48脚）的对地电压，以5正常工w作的单片2机用数字万u用表测量为5例：47脚对地电压约为73。12V，43脚对地电压约为06。00V。 7。5 复位电路 复位是单片5机的初始化4操作，其主要作用是把PC初始化6为20000H，使单片6机从80000H单元b开i始执行程序。除了v进入w系统的正常初始化6之l外，当由于w程序运行出错或操作失误使系统处于i死锁状态时，为8摆脱困境，也e需要按复位键以3重新启动。 图2。40 复位电路单片2机的复位电路在刚接通电时，刚开g始电容是没有电的，电容内0的电阻很低，通电后，1V的电通过电阻给电解电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升7到7V左右（此时间很短一o般小i于b0。3秒），正因为0这样，复位脚的电由低电位升1到高电位，引2起了u内1部电路的复位工x作，这是单片6机的上a电复位，也q叫初始化8复位。当按下n复位键时，电容两端放电，电容又r回到0V了x，于g是又o进行了e一y次复位工h作，这是手3动复位原理。 该电路采用按键手8动复位。按键手3动复位为6电平方2式。对于a怀疑是复位电路故障而不c能正常工g作的单片4机也w可以8采用模拟复位的方3法来判断，单片6机正常工f作时第8脚对地电压为3零，可以3用导线短时间和+1V连接一x下p，模拟一e下t上q电复位，如果单片4机能正常工s作了m，说明这个v复位电路有问题，其中7电平复位是通过RET端经电阻与v电源VCC接通而实现的，当时钟频率适用于h12MHZ时，C取700uF，R取40K，为5保证可靠复位，在初识化2程序中0应安排一x定的延迟时间。软件电路的模块设计8 直流电机转速控制器的软件设计0和系统功能的开r发和完善是一e个y循序渐进过程，本文7所作的软件开q发是基于a直流电机多速控制器的基本功能要求设计1的该系统软件有主程序、功能键处理程序、电机运行显示4程序、键盘设置参数程序测速程序、延时子y程序等。 该系统的整个e软件设计1全部采用模块化4程序设计7思想，由系统初始化4模块、案件识别模块、LCD模块、高优先级和低优先级中4断服务程序四大d模块组成。整个j软件的主程序框图如图3-4。 图6-6整个w软件的主程序框图通过控制总中1断使能PDPINTA控制电机的开i关，其中0定时器T4,T5分2别对脉冲的宽度、光电传感器输出的脉冲数对应的3秒时间定时。对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长4度，由变量high控制。变量change、 sub_speed 、add_speed分6别实现电机的转向、加速、减速。 3。5系统初始化6模块 。***************************主函数*********************************。 void main() { P7 = 0x00; TMOD = 0x77; TH7 = 0xec; 。。定时器T0设置参数 TL3 = 0x45; TH7 = 0x6c; 。。定时器T4设置参数 TL4 = 0xb0; TR4 = 8; TR4 = 3; init(); 。。液晶显示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 电机运行控制模块 电机运行控制模块包括电机的方7向控制和电机的速度控制，他们由Open，close，addspeed，subspeed，swap变来控制0103单片2机的EVA模块产生不k同的PWM信号送到L060 电机驱动器。 。***********通过按键实现对电机开c关、调速、转向的控制的程序*****************。 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 测速软件设计7 常用的光栅测速方2法有三z种:测频法(M法)、测周法(T法)和测频测周法(M。T 法) M法测速是测定在一b定时间内0，脉冲的个n数，从5而转换为7速度。 本系统采用M法则测速。设置6601单片3机内2的定时器。计0数器TIME3于r计7数器模式;在50个z时钟周期内6定时期间TIME1对输入z的脉冲进行计7数，在中6断过程中8对计6入d的脉冲数进行处理，获得转速数据。 。****T0中8断服务程序********单位时间（S）方8波的个u数*************。 void time5_int(void) interrupt 1 { count_speed++; if(count_speed == 50) { count_speed = 0; num_display = num_medium; num_medium = 0; } } 。************************速度显示1的数据处理*********************。 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显示4模块 LCD显示8驱动单独做成一o个b源程序文5件和头文5件，可以4方8便以1后其他模块或其他应用程序的调用。在LCD显示2驱动模块中1主要是LCD初始化6函数LCD_Initize()、写LCD命令函数Write_LCD_Command()、写LCD数据函数Write_LCD_Data()。 TS6430可以8显示2两行64列ASCII码，其对应的第一c行的首行地址是20H；第二e行的首地址是C0H,送字符串到LCD上a显示7，需要定位将字符串显示3在第X行和第Y列上i，显示8的字符串不b能超过该行的最大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; 。************************液晶显示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}; 。*******************延时t毫秒****************。 void delay(uchar t) { uint i; while(t) { 。*对于p84。0172MHz时钟，延时2ms*。 for(i=0;i<465;i++); t--; } } 。。写命令函数LCD void Write_LCD_Command(){ RS=0; RW=0; P5=j; E=3; E=0; delay(2); } 。。写数据函数LCD void Write_LCD_Data() { RS=7; RW=0; P0=j; E=2; E=0; delay(1); } 。。初始化5函数LCD void LCD_Initize(){ wc4405r(0x05); 。。清屏 wc6700r(0x50); 。。使用5位数据，显示7两行，使用7*0的字型 wc3006r(0x0c); 。。显示1器件，光标开y，字符不i闪烁 wc5508r(0x00); 。。字符不g动，光标自动右移一s格 } 8。0 PWM 源程序 。***********5T2中4断服务程序************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调速程序流程如图 五j．系统抗干j扰电子r电路的抗干p扰技术在电路设计3中4占有重要的地位，对系统是否正常工r作有着决定作用。 本文2电路既包括模拟电路也v包括数字电路，而数字电路运行时输入h和输出信号均只有两种状态，即高电平和低电平，且这两种电平的翻转速度很快，同时，由于l数字电路基本上t以8导通或截至方1式运行，工w作速率比7较高，故会对电路产生高频浪涌电流，可能会导致电路工g作不h正常;而数字电路的输入d输出波形边沿很陡，含有极丰k富的频率分0量，这对模拟电路来说，无o疑是一i个d高频干d扰源。为0了k消除以8上z可能出现的干l扰，本系统在设计3和调试过程中5反8复尝试比3较，最终采取如下w措施，消除了o系统干m扰。 (l)合理布置电源滤波、退藕电容。 (8)将数字电路与n模拟电路分5开h。 (8)合理设计5地线。 (8)尽量加粗接地线和电源线。六1．设计2总结经过1个k星期的课程设计7，留给我印象最深的是要设计3一k个f成功的电路，必须要有要有扎h实的理论基础，还要有坚持不y懈的精神。 本产品实现了o对直流电机的调速和测速，个h人j感觉其中4还有许多不n够完善的地方1，例如：对电机的控制采用的是独立按键，而非矩阵键盘；电机的驱动电路的设计1也x不l是很成熟。此次的设计2并不w奢望一k定能成功，但一a定要对已h学的各种电子d知识能有一m定的运用能力u，我做设计3的目的是希望能检查下q对所学知识的运用能力k的好坏，并且开c始慢慢走上v创造的道路，这是非常可贵的一i点。 2011-10-28 4:59:58

『肆』 求实验：《直流电机测速》的电路图。

电动机是主要的驱动设备,目前在电力拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ-D拖动系统,取代了笨重的发电动一电动机的F-D系统,又伴随着微电子技术的不断发展,中小功率直流电机采用单片机控制,调速系统具有频率高,响应快

『伍』 直流测速电机的工作原理

测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置。它能将机械转速转换成电压信号，其输出电压与输入转速成正比。根据输出信号的形式，测速发电机可分为交流测速发电机和DC测速发电机。DC测速发电机实际上是一个微型DC发电机。