直流电动机PWM控制系统设计..

毕业论文毕业设计论文

设计（论文）题目：直流电动机PWM控制系统设计

下达日期：2014 年07 月02 日

开始日期：2014 年09 月9 日

完成日期：2014 年月日

指导教师：高文华

学生专业：电气自动化

班级：自动化1207班

学生姓名：ZHAO

教研室主任：王永康

学院：电气工程

陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书

一、设计（论文）内容及要求：

（一）设计（论文）内容

本设计采用PWM控制技术，利用斩波原理改变脉冲宽度，改变直流电动机两端的直流平均电压的大小，来实现对直流电动机的速度控制。

（二）要求

1．PWM控制器（或单片机）为核心。

2．运用PWM控制器（单片机）为核心，构建控制系统电路。

3.利用PWM控制器（单片机）、大功率开关器件、隔离电路、驱动芯片等硬件，设计建立直流电动机PWM控制系统，力求实用、简单、经济。

4. 保护电路

二、技术指标：

1、采用速度、电流双闭环控制以提高系统控制精度；

2、输出信号稳定，以此来驱动大功率开关器件；

3、控制信号通过PWM控制器（单片机）对功率开关进行控制，使其满足按要求进行速度调节的要求。

4、电动机额定数据为：10kW、220V、55A、1000r/min，电枢电阻Ra为0.5Ω，

C e =0.122V·min/r时间常数：T

l

=0.02s,T

m

=0.16s。

5、调速范围D=10。

6、稳态指标：无静差。

7、动态指标：电流超调量不大于5%；转速超调量不大于10%。

三、主要参考资料：

[1]电机控制专用集成电路谭建成主编机械工业出版社

[2]电气传动的脉宽调制控制技术吴守箴主编机械工业出版社

[3]电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社

[4]电力拖动自动控制系统陈伯时主编机械工业出版社

[5]自动控制原理与系统孔凡才主编机械工业出版社

[6]单片机原理与应用王津主编重庆大学出版社

陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书

进程计划表

序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查签名

1 2 3 4 5 6 12.9-12.13

12.16-12.20

12.23-12.27

12.30-1.3

1.6-1.10

1.11-1.18

任务下达，查阅资料

控制方案确定

控制系统设计

参数计算及绘制系统图

编写论文资料并完善

论文修改并答辩

直流电动机PWM控制系统设计

摘要

直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。文利用SG3524集成PWM控制器设计了一个基于PWM控制的直流调速系统，本系统采用了电流转速双闭环控制，并且设计了完善的保护措施，既保障了系统的可靠运行，又使系统具有较高的动、静态性能。

只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持以稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。

本电机调速系统采用脉宽调制方式，与晶闸管调速相比技术先进可减少对电源的污染。为使整个系统能正常安全地运行, 过流、过载、过压、欠压保护电路, 另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行。

关键词：脉冲宽度调制,开关 ,直流调速系统 ,双闭环控制

目录

直流电动机PWM控制系统设计 (11)

第一章、设计分析 (11)

1双闭环调速系统的结构图 (11)

2调速系统起动过程的电流和转速波形 (11)

3 H桥双极式逆变器的工作原理 (11)

4 PWM调速系统的静特性 (13)

第二章、电路设计 (16)

1给定基准电源 (14)

2双闭环调节器电路设计 (15)

（1）电流调节器 (15)

（2）转速调节器 (15)

3 SG3524信号产生电路 (16)

4 IGBT基极驱动电路原理 (18)

5 基于EXB841驱动电路设计 (18)

6 锯齿波信号发生电路 (19)

7转速及电流检测电路 (20)

（1）转速检测电路 (20)

（2）电流检测电路 (20)

第三章、参数整定 (21)

1 C T,R T，R D的选取 (21)

2 R2和 RP1 的选取 (21)

3其它引脚器件的确定 (21)

第四章、电路图总体设计 (23)

第五章、结束语 (24)

第六章、参考文献 (25)

第一章、设计分析

1双闭环调速系统的结构图

直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM 装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出

电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。

图1-1 双闭环调速系统的结构图

2 调速系统起动过程的电流和转速波形

如图1-2所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程

图1-2 调速系统起动过程的电流和转速波形

3 H 桥双极式逆变器的工作原理

脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。

I dL

n

t I d O I dm I dL n t I d O I dm

I dcr n n

(a) (b)

H 形双极式逆变器电路如图1-3所示。这时电动机M 两端电压AB U 的极性随

开关器件驱动电压的极性变化而变化。

图1-3 H 形双极式逆变器电路

双极式逆变器的四个驱动电压波形如图4所示。

O O

O O

U g1U g4

U g2

U g3U AB

Us

-Us

i d

i d1

i d2t

t

t

t

t on T

t on

T

图1-4 H 形双极式逆变器的驱动电压波形

他们的关系是：1423g g g g U U U U ==-=-。在一个开关周期内，当0on t t ≤<时，

晶体管1VT 、4VT 饱和导通而3VT 、2VT 截止，这时AB s U U =。当on t t T ≤<时，1VT 、4VT 截止，但3VT 、2VT 不能立即导通，电枢电流d i 经2VD 、3VD 续流，这时A B s U U =-。AB U 在一个周期内正负相间，这是双极式PWM 变换器的特征，其电

压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，2

on T t >，则AB U 的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，2

on T t =，平均输出电压为零，则电动机停止。 双极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为

21on on on d s s t T t t U U U T T T -??=

-=- ??? （1-1） 如果定义占空比on t T ρ=，电压系数d s

U U γ= 则在双极式可逆变换器中

21γρ=- （1-2）

调速时，ρ的可调范围为0～1相应的1~1γ=-+。当12ρ>

时，γ为正，电动机正转；当12ρ<时，γ为负，电动机反转；当12

ρ=时，0γ=，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区。

双极式控制的桥式可逆PWM 变换器有以下优点：

1）电流一定连续。

2）可使电动机在四象限运行。

3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。

4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

4 PWM 调速系统的静特性

由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下

d s d di U Ri L

E dt =++ (0)on t t ≤< （1-3） d s d di U Ri L

E dt

=++ ()on t t T ≤< （1-4）

按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是d s U U γ=，平均电流用d I 表示，平均转速/e n E C =，而电枢电感压降d di L dt

的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成 s d d e U RI E RI C n γ=+=+ （1-5）

则机械特性方程式

0s

d d

e e e U R R n I n I C C C γ=-=- （1-6）

第二章、电路设计

H 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图2-1所示。PWM 逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容0C 滤波，以获得恒定的直流电压s U 。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机

制动时只好对滤波电容充电，这时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz 消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz 。

图2-1 H 桥式直流脉宽调速系统主电路

四单元IGBT 模块型号：20MT120UF

主要参数如下：

CER U =1200V c I =16A *CN T =100C ? kW P CM 9.0= V U sat CE 05.3)(=

1给定基准电源

此电路用于产生±15V 电压作为转速给定电压以及基准电压，如图2-2所示：

图2-2 给定基准电源电路

2 双闭环调节器电路设计

为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。

（1） 电流调节器

由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数s T oi 001.0=，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。

图2-3 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器

（2） 转速调节器

转速反馈电路如图2-4所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数s T on 005.0=。根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。

图2-4 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电转速调节器

3 信号产生电路

本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中IGBT 的开关频率，选择适当的t R 、t C 值即可确定振荡频率。

电路中的PWM 信号由集成芯片SG3524产生，SG3524采用是定频PWM 电

路,DIP-16型封装。

由SG3524构成的基本电路如图2-5所示，由15脚输入+15V 电压，用于产生+5V 基准电压。在6、7引脚之间接入外部阻容元件构成PI 调节器，可提高稳态精度。12、13引脚通过电阻与+15V 电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节12、13引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。

图2-5 SG3524管脚图

图2-6 SG3524引脚接线图

图2-7 SG3524内部框图

主要参数：输入电压Uimax：40V 输出电流：500mA 好散功率：1W

4 IGBT基极驱动电路原理

工作原理如图2-8所示

图2-8 EXB841内部结构图

EXB841 系列驱动器的各引脚功能如下：

脚1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；

脚2 ：电源（＋ 20V ）；

脚3 ：驱动输出；

脚4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；

脚5 ：过流保护输出；

脚6 ：集电极电压监视；

脚7 、8 ：不接；

脚9 ：电源；

脚10 、11 ：不接；

脚14 、15 ：驱动信号输入（-，＋）；

5 基于EXB841驱动电路设计

针对EXB841存在保护盲区的问题，可如图12所示将EXB841的6脚的超快速恢复二极管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对每个脉冲限制最小脉宽使其大于盲区时间，避免IGBT过窄脉宽下的低输出大功耗状态。针对EXB841软关断保护不可靠的问题，可以在EXB841的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般采用的负偏压是-5V，可以采用-8V的负偏压(当然负偏压的选择受到IGBT栅射极之间

反向最大耐压的限制)，输人信号被接到15脚，EXB841正常工作驱动IGBT.

图2-9 EXB841驱动IGBT 设计图

主要参数：电源电压：20V 最大输出功率：47mA 最高工作频率：10kHz 6 锯齿波信号发生电路

锯齿波信号发生器SG 的输出信号Us 与控制信号*C U 在PWM 转换器（SG3524）

中进行比较，PWM 输出幅度恒定、宽度变化的方波脉冲序列，即PWM 波。SG 电路可有UJT 或者PUT 构成。UJT 锯齿波信号发生器基本电路如图2-10所示

图2-10 锯齿波信号发生电路

7转速及电流检测电路

（1） 转速检测电路

转速检测电路如图2-11所示。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压n U ，与给定电压*n U 相比较后，

得到转速偏

差电压n U 输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如图15所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。

图2-11 转速检测电路

（2） 电流检测电路 通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理如图2-12所示。

图2-12 闭环霍尔电流传感器的工作原理

霍尔电流传感器的结构如图13所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。

闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：

1）可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流；

2）副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV ～12kV ；

3）电流测量范围宽，可测量额定1mA ～50kA 电流；

4）跟踪速度di/dt>50A/μs ；

5）线性度优于0.1％IN ；

6）响应时间<1μs ；

7）频率响应0～100kHz 。

第三章、参数整定

(1)C T ,R T ，R D 的选取 SG1525集成控制器可输出0．1～400kHz 的脉冲频率 ，对应 C T = 0．001～0.1μ F ，R T =2 ～150k Ω取值 。一般对于 BJT 和 GTo 器件可取 f=1kHz 以下，IGBT 器件取 f= 10kHz 左右 。f 与C T ,R T ，R D 的关系用下式确定

f=l ／(t 1+ t 2 )=1／(0．67R1C T R 1+1.3R D C T )

例如f= lkHz ，T= 0．001s ，取 定t 1= 0．02s ，t 2=0．16s ，可算得C e =0.122V ·min/r 时的 R T 与R D 分别为

R T = t 1／0．67Ct —0.0009／0．67× 0．01×1061

= 134k Ω

R D = t 2／1．3C T = 0．0001／1．3×0．01×610- =7．7k Ω

t 2一般应取远小于t 1 的值,否则影响脉冲占空比(t 1／(t 1 + t 2))和斩波效率 。此处的占空比最大值为 0．0009／(0．0001+0．0009)=0.9。

(2)R 2和 RP1 的选取

V REF (16脚 )输出的最大电流为 50mA ， 一般在 40mA 以下取值 。若取定I REF=1～ 5mA 变化 ，RP1设为零值时可算得 R 2为

R 2= V REF ／I REF =5．1V ／5mA=lk Ω

RP1设置为最大值时可算得

RP1+ R2= V REF ／I REF= 5．1V ／lmA =5.1k Ω

RP1 = 4．1k Ω

(3)其它引脚器件的确定

R 5电阻的选取要用调试方法确定，一般选取一个可调电位器 Rw 和一个固定的R 串联组成 Rs=Rw+R 的结构。当 Rw 调为零时，R 的大小要足以限制功率驱动电路的输入电流不超过允许值 。例如 ，功率驱动电路要求Vo 1 +Vo 2=3V ．驱动输入电流最大允许值为50mA ，忽略图2中 T t 或T 2导通压降最小值(sat)，可

算得R5'电阻应为R5' =(Vcc1--Vo)／Io= (1 5—3)V／50mA = 0．24kΩ.

可选取R5'=300Ω,略大于计算值的电阻。由于R5'上有较大的电流，还要注意其瓦数的选择此处可选P R5'≥(Vcc1--Vo)／Io = 0.6W 。

第四章、电路图总体设计

结束语

本毕业设计为PWM直流脉宽调速系统，是以控制电路为核心，采用恒频脉宽调制控制方案，由SG3524.EXB841以及两个脉冲变压器构成了PWM信号的产生和驱动。其中SG3524产生的脉宽调制信号作为IGBT的驱动信号，主电路中采用两个IGBT构成的半桥型结构，可看成一个降压变换器和一个升压变换器电路的组合；使其实现无静差的转速闭环控制。

本闭环控制的PWM直流脉宽调速系统应用于教学实验和制作实验挂件，在教学和研究领域发挥作用，方便同学及老师研究，提高安全性和效益性。

通过本次设计，使我们能够冲分的把握理论语实践的相结合。用我们所学过的理论知识同构通过完成本设计充分发挥出来。在本设计中我们不但要运用电机理论知识，还要充分运用单片机.电路.电力电子.交流调速等方面的知识，使我们所学过的知识进行综合的应用。增强我们对所学知识进行综合的应用及综合应用能力，从而达到学至所用的目的，使我们明白把所学的知识能充分应用，那才是真正的学会了。学了不会用等于白学，因而我们必须时刻注意把我们所学的知识充分应用。不管事现在还是将来走上社会，都将是非常重要的。我们在学校所学的理论知识都将是位我们以后走向社会作最备。只有我们能够充分的实现学至所用的目的，我想不管事我们自己还是教会我们知识的老师都将是非常欣慰。

参考文献

1.电机控制专用集成电路谭建成主编机械工业出版社

2.电气传动的脉宽调制控制技术吴守箴主编机械工业出版社

3.电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社

4.电力拖动自动控制系统陈伯时主编机械工业出版社

5.自动控制原理与系统孔凡才主编机械工业出版社

6.单片机原理与应用王津主编重庆大学出版社

7.电力电子技术王康主编人民教育出版社

转速电流双闭环可逆直流调速系统仿真与设计方案

《运动控制》课程设计题目：转速，电流双闭环可逆直流宽频调速系统设计 系部：自动化系 专业：自动化 班级：自动化1班 学号：11423006 11423025 11423015 姓名：杨力强.丁珊珊.赵楠 指导老师：刘艳 日期：2018年5月26日-2018年6月13日

一、设计目的 应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MA TLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。 二、系统设计参数 直流电动机控制系统设计参数：< 直流电动机(3> ） 输出功率为:5.5Kw 电枢额定电压220V 电枢额定电流 30A 额定励磁电流1A 额定励磁电压110V 功率因数0.85 电枢电阻0.2欧姆 电枢回路电感100mH 电机机电时间常数1S 电枢允许过载系数=1.5 额定转速 970rpm 直流电动机控制系统设计参数 环境条件： 电网额定电压:380/220V。电网电压波动:10%。 环境温度:-40~+40摄氏度。环境湿度:10~90%. 控制系统性能指标： 电流超调量小于等于5%。 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%。 调速范围D＝20。 静差率小于等于0.03.

1、设计内容和数据资料 某直流电动机拖动的机械装置系统。 主电动机技术数据为： ,，，电枢回路总电阻，机电时间常数 ，电动势转速比，Ks=40，，Ts=0.0017ms，电流反馈系数，转速反馈系数，试对该系统进行初步设计。2、技术指标要求 电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。 三、主电路方案和控制系统确定 主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差， 从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图

直流电动机控制系统

煤炭工程学院课程设计 题目：直流电动机转速控制系统 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 日期：

摘要 当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 电机在各行各业发挥着重要的作用,而电机转速是电机重要的性能指标之一,因而测量电机的转速和电机的调速,使它满足人们的各种需要,更显得重要，而且随着科技的发展,PWM调速成为电机调速的新方式。 随着数字技术的迅速发展，微控制器在社会的各个领域得到了广泛的应用，由于数字系统有着模拟系统所没有的优势，如抗干扰性强、便于和PC机相联、系统易于升级维护。 本设计是以单片机AT89S52和L298控制的直流电机脉宽调制调速系统。利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及PWM的占空比在LCD上的实时显示。 关键词：直流电机；AT89S52；PWM调速；L298

温度控制直流电动机转速系统设计报告

实训题目: 温度控制直流电动机转速 学生姓名：崔敬通 学号： 201223160126 专业：电子信息工程 2013年11月27日

1 引言 直流电机具有良好的线性调速特性和控制性能，使其调速控制占主流地位。尽管交流变频电机、步进电机等在控制调速领域的应用比较广泛，但直流电机调速仍是大多数调速控制电机的最佳选择。89C55单片机支持C语言编程，可移植性好，速度快，已被广泛应用于机电一体化、工业控制、智能仪器仪表等领域。现应用89C51单片机对直流电机速度进行有效测试和控制，通过对直流电机转速脉冲和中断次数的计数，可实现根据输入值控制直流电机的转速。 2 设计任务与要求 根据设计需要，通过测量原件把检测到的直流电机转速读入到89C55单片机中，再通过编程使读入的数值在显示器上显示出来。若检测到的电机转速等于设定值，则对直流电机的转速进行记录；若检测到的电机转速没有达到设定值，则通过加大数值或模数转换芯片使电机速度提升至设定值；若检测到电机转速超过设定值则通过模数转换芯片把电机速度降至设定值。通过这种实时检测和在线控制的方式使单片机能够对直流电机 2.1系统的设计要求及主要技术指标 本论文要求使用单片机进行电路设计，同时单片机部分应带有显示功能。单片机对某个位置进行温度监控，当外部温度≥45℃时，电动机加速正转，当温度≥75℃时，电动机全速正转；当外部温度≤10℃时，电动机加速反转，当温度≤0℃时，电动机全速反转；当温度回到10℃～45℃之间时电动机逐渐停止转动。 2.2系统总体方案 系统总体方案设计，如下图2.1

图2.1 系统总体方案图 2.3总体方案论述 该系统采用AT89C55单片机为核心，通过DS18B20进行温度采集，送入单片机，经过软件编程进行温度的比较和范围划定，然后通过程序控制由单片机产生不同的PWM（脉冲宽度调制）信号，送给电机驱动芯片L298的使能端口，通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化；单片机将温度数据传送给LM016L显示温度。整个电路设计包括温度采集模块，单片机控制模块，温度显示模块，和电机及电机驱动模块。 3硬件电路设计 MCS-51系列单片机 Intel公司推出的8位单片机： 1976年推出的MCS-48系列：8039，8048等。

直流电机与交流电动机的区别

直流电机与交流电动机的区别 区别就是驱动电源的种类不同，交流电机是交流，直流电机是直流。 交流电机是定子所形成的旋转磁场在转子上感应出电势后产生的旋转动力。 转速一般是固定的转速。但由于其结构简单，供电电源方便，所以大量使用于工业企业中。小到家用冰箱洗衣机吸尘器，大到机床，等等，都使用交流电机。 直流电机的定子是一个固定磁场，直流电通过转子的电刷在其周围形成变化的磁场，从而在定子内转动。 由于交流比较容易获得，比较容易输送，所以目前我们所使用的电动机械大部分都是交流电机驱动的，交流电机应用更广泛一些。 直流电机是磁场不动，导体在磁场中运动；交流电机是磁场旋转运动，而导体不动. 直流电动机分为定子绕组和转子绕组.定子绕组产生磁场.当通直流电时.定子绕组产生固定 极性的磁场.转子通直流电在磁场中受力.于是转子在磁场中受力就旋转起来.直流电机构造 复杂.造价高. 交流电动机分定子绕组和转子导体.转子导体形状像鼠笼，导体与导体之间用硅钢片.有的交流电动机转子也有绕组. 三相异步电动机的旋转原理 三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，定子绕组产生旋转磁场后，转子导体（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速低于旋转磁场的转速不同步。为此我们称三相电动机为异步电动机。 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。 交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类。异步电动机按照定子相数的不同分为单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等。

直流电动机可逆调速系统设计 (1)要点

摘要 本次课程设计直流电机可逆调速系统利用的是双闭环调速系统，因其具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及系统中一些参数的计算。 关键词：双闭环，可逆调速，参数计算，调速器。

目录 1. 设计概述 (1) 1.1 设计意义及要求 (1) 1.2 方案分析 (1) 1.2.1 可逆调速方案 (1) 1.2.2 控制方案的选择 (2) 2.系统组成及原理 (4) 3.1设计主电路图 (7) 3.2系统主电路设计 (8) 3.3 保护电路设计 (8) 3.3.1 过电压保护设计 (8) 3.3.2 过电流保护设计 (9) 3.4 转速、电流调节器的设计 (9) 3.4.1电流调节器 (10) 3.4.2 转速调节器 (10) 3.5 检测电路设计 (11) 3.5.1 电流检测电路 (11) 3.5.2 转速检测电路 (11) 3.6 触发电路设计 (12) 4. 主要参数计算 (14) 4.1 变压器参数计算 (14) 4.2 电抗器参数计算 (14) 4.3 晶闸管参数 (14) 5设计心得 (15) 6参考文献 (16)

直流电动机可逆调速系统设计 1.设计概述 1.1设计意义及要求 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。本次设计最终的要求是能够是电机工作在电动和制动状态，并且能够对电机进行调速，通过一定的设计，对整个电路的各个器件参数进行一定的计算，由此得到各个器件的性质特性。 1.2 方案分析 1.2.1 可逆调速方案 使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。 电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢，且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。 电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单，电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。 电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。 图1-1 两组晶闸管反并联示意图

直流电动机转速控制

直流电动机转速控制 王文玺 （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京） 摘要：通过对直流电动机控制系统的建模，再利用Matlab对建模后的系统进行分析，来加深对自动控制系统的理解。找到系统的输入、输出，理清经历各环节前后的信号变化，找出系统传递函数。 关键词：直流电动机、Matlab、建模、传递函数 1、直流电动机动态数学模型建立 1.1直流电机数字PID闭环速度控制，系统实现无静差控制。 这是一个完整的带PID算法的直流电动机控制系统。目标值为给定的期望值，期望值与被测输出结果形成的反馈做比较，得到误差信号。误差信号经过PID控制环节得到控制信号。继而经历驱动环节得到操作量，驱动量作用与对象即电动机然后得到输出信号即转速。转速通过传感器得到反馈信号。 1.2PID控制环节 1.3被控对象（直流电动机）的统一数学模型 信号类型一次为，输入信号为电压，然后电流、电流、转矩、转速，反馈信号为电压。

各环节的比例函数为： 1.3.1额定励磁条件下，直流电机的电压平衡关系： （Ud为外加电压，E 为感应电势，R a为电枢电阻 ，La为电枢电感，i a为电枢电流。） 拉氏变换后： （ra—L ／R ，为电枢时间常数） 1.3.2直流电机的转矩平衡关系及拉氏变换： （Te 为电磁转矩，Tl 为负载转矩，B为 阻尼系数，J 为转动惯量，w为电机机 械转速，rm=J／B，为机械时间常数） 1.3.3电动机传递函数 可见直流电动机本身就是一个闭环系统，假设电机工作在空载状态，且机械时间常数远大于电枢时间常数，则电机传递函数可近似为： 1.4具体实例 电枢控制直流电动机拖动惯性负载的原理图，涉及的参数有：电压U为输入，转速为输出，R、L为电枢回路电阻、电感，K 是电动机转矩系数，K 是反电动势系数，K 是电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数，．厂是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。已知：R一2．0 Q，L：==0．5 H ，K = Kb一0．015，Kf一0．2 Nms，J— o．02kg．m 。 ( 取电压U为输入，转速叫为输出，由已知条件和原理图，根据直流电机的运动方程可以求出电动机系统的数学模型为：

基于STM32的直流电机PWM调速控制

电动摩托车控制器中的电机PWM调速 摘要：随着“低碳”社会理念的深入，新型的电动摩托车发展迅速，逐渐成为人们主要的代步工具之一，由于直流无刷电机的种种优点，在电动摩托车中也得到了广泛应用，因此，本文控制部分主要介绍一种基于STM32F103芯片的新型直流无刷电机调速控制系统，这里主要通过PWM技术来进行电机的调速控制，且运行稳定，安全可靠，成本低，具有深远的意义。 1.总体设计概述 1.1 直流无刷电机及工作原理 直流无刷电机（简称BLDCM），由于利用电子换向取代了传统的机械电刷和换向器，使得其电磁性能可靠，结构简单，易于维护，既保持了直流电机的优点又避免了直流电机因电刷而引起的缺陷，因此，被广泛应用。另外，由于直流无刷电机专用控制芯片价格昂贵，本文介绍了一种基于STM32的新型直流无刷电机控制系统，既可降低直流无刷电机的应用成本，又弥补了专用处理器功能单一的缺点，具有重要的现实意义和发展前景。 工作原理：直流无刷电机是同步电机的一种，其转子为永磁体，而定子则为三个按照星形连接方式连接起来的线圈，根据同步电机的原理，如果电子线圈产生一个旋转的磁场，则永磁体的转子也会随着这个磁场转动因此，驱动直流无刷电机的根本是产生旋转的磁场，而这个旋转的磁场可以通过调整A、B、C三相的电流来实现，其需要的电流如图1所示 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 1.2 总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图1所示。

H桥可逆直流调速系统设计与实验

CDIO课程项目研究报告 项目名称：H桥可逆直流调速系统设计与实验 姓名； 指导老师： 日期：

摘要 本设计的题目是基于SG3525的双闭环直流电机调速系统的设计。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对转速调节器和电流调节器进行了详细地设计。概括了整个电路的动静态性能，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。 关键词：双闭环直流可逆调速系统、H桥驱动电路、SG3525信号产生电路、PI调节器、MATLAB仿真

前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流无静差调速系统，其稳态性能指标实现要求如下：电流超调量S≤5%调速范围 D=20；其动态性能指标：转速超调量δn=10%；调整时间时间ts=2s；电流超调量δi≤5% 。

直流电动机转速控制系统设计

摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。特别是在直流电动机广泛应用的电气传动领域，起到至关重要的作用。直流电动机因为具有良好的调速性能和比较大的起动转矩，一直被应用在电气领域，尤其是在需要调速性能很高的场所。在制造业、工农业自动化、铁路与运输等行业都被广泛的应用，随着市场的竞争力，对直流电动机的需求也越来越高，同时对直流电动机的调速性能也有了更高的要求。因此，研究直流电动机转速控制系统的调速性能有着很重要的意义。 在本次的设计中采用PWM控制直流电动机转速。PWM脉冲受到PID算法的控制，被用来控制直流电动机的转速。同时利用安装在直流电动机转轴上的光电式传感器，将直流电动机的转速转换成脉冲信号，反馈到单片机，形成闭环反馈控制系统，改变不同占空比的PWM脉冲就可以实现直流电动机转速控制。 本论文对每一个方案的选择都进行详细的论述，在软件和硬件部分都进行了模块化。硬件部分首先给出一个以AT89S52单片机为核心的整体结构图，并对驱动电路、显示电路等模块进行详细的阐述。在软件部分给出整体程序流程图，对PWM 程序、PID算法程序、显示程序等模块详细的阐述。本次系统设计的具有抗干扰能力强、性价比高、维修简单方便等优点。 关键词：PWM；单片机；直流电动机；转速控制

Abstract Nowadays, automatic control system has been widely used and greatly developed in all walks of life. As the dominant part of electric drive, direct current (DC) control plays an important role in modern production, especially in the DC motor is widely used in the field of electric transmission. DC motor because of its good speed control performance and relatively large starting torque, has been applied in the electrical field, especially in the high speed performance requirements of the occasion. Is widely used in the manufacturing industry, industry and trade of agricultural automation, rail and transit industry, with the competitiveness of the market, the demand of DC motor is also more and more high, also of the DC motor speed performance also has the higher requirements. Therefore, it is very important to study the speed control performance of the DC motor speed control system. In this design, using PWM control DC motor speed. PWM pulse is controlled by the PID algorithm, PWM is used to control the speed of DC motor. At the same time, the hall sensor mounted on the rotational shaft of the DC motor, the DC motor speed is converted into a pulse signal, feedback to the microcontroller, form a closed loop feedback control system, changing the duty ratio of the PWM pulse can realize DC motor speed control. In this paper, the choice of each program are discussed in detail, in both the software and hardware parts are modular. In the part of hardware, we first give a whole structure diagram with AT89S52 single chip microcomputer as the core, and elaborate the driving circuit, display circuit and other modules in detail. In the software part gives the overall program flow chart, the PWM program, PID algorithm program, display program, and other modules are described in detail. The system design has the advantages of strong anti-interference ability, high cost performance, easy maintenance and so on. Key Words: PWM; microcomputer; DC motor; speed control

直流电动机分类

直流电动机分类 直流电动机按结构及工作原理可划分：（1）无刷直流电动机和（2）有刷直流电动机。 （1）无刷直流电动机：无刷直流电动机是将普通直流电动机的定子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁产生气隙磁通：定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机类似。无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同．在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等)．绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，由于磁极中磁性材料所放位置的不同．可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。 （2）有刷直流电动机可划分：（2、1）永磁直流电动机和（2、2）电磁直流电动机。 （2、1）永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 （2、1、1）稀土永磁直流电动机：体积小且性能更好，但价格昂贵，主要用于航天、计算机、井下仪器等。

（2、1、2）铁氧体永磁直流电动机：由铁氧体材料制成的磁极体,廉价，且性能良好，广泛用于家用电器、汽车、玩具、电动工具等领域。 （2、1、3）铝镍钴永磁直流电动机：需要消耗大量的贵重金属、价格较高，但对高温的适应性好，用于环境温度较高或对电动机的温度稳定性要求较高的场合。 （2、2）电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。 （2、2、1）串励直流电动机：电流串联，分流，励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。 （2、2、2）并励直流电动机：并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。 （2、2、3）他励直流电动机：励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。

直流电机PWM调速

直流电机转速的PWM控制测速 王鹏辉 姬玉燕

摘要 本设计采用PWM的控制原理来完成对直流电机的正转、反转以及其加速、减速过程的控制，在此过程中是通过单片机的定时器加上中断的方式产生不同时长的高低电压脉冲信号来完成。并通过霍尔传感器对直流电机的转速进行测定，最后将实时测定的转速数值1602液晶屏上。 关键词： PWM控制直流电机霍尔传感器 1602液晶显示屏 L298驱动 一、设计目的： 了解直流电机工作原理，掌握用单片机来控制直流电机系统的硬件设计方法，熟悉直流电机驱动程序的设计与调试，能够熟练应用PWM方法来控制直流电机的正反转和加减速，提高单片机应用系统设计和调试水平。 1.1系统方案提出和论证 转速测量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。本说明书中给出两种转速测量方案，经过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，总体电路我们有两套设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。 1.2 方案一：霍尔传感器测量方案 霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的？其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构

原理图如图3.1, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。 传感器的定子上有2 个互相垂直的绕组A 和B, 在绕组的中心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 图3.1 霍尔转速传感器的结构原理图 方案霍尔转速传感器的接线图 缺点：采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。 1.3方案二：光电传感器 整个测量系统的组成框图如图3.2所示。从图中可见,转子由一直流调速电机驱

直流PWMM可逆调速系统的设计与仿真

基础课程设计（论文） 直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真 专业：电气工程及其自动化 指导教师：刘雨楠 小组成员：陈慧婷（20114073166） 石文强（20114073113） 刘志鹏（20114073134） 张华国（20114073151） 信息技术学院电气工程系 2014年10月20日

摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。 关键词：直流可逆调速数字触发PWM 数字控制器

直流电动机控制系统设计

X X X X X学院 题目：直流电动机控制系统 学 院 XXXXXX学院 专 业 自动化 班 级 XX班 姓 名 XXX 学 号 XXXXX 指导老师 XXX 2012年 12 月 25 日 1、 设计题目：直流电动机控制系统 1、前言 近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它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;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。 采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开

关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。 2、系统设计原理 脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需 要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1） 式中 Ua——电枢供电电压（V）； Ia ——电枢电流（A）； Ф——励磁磁通（Wb）； Ra——电枢回路总电阻（Ω）； CE——电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。 3、方案选择及论证 3.1、方案选择 3.1.1、改变电枢回路电阻调速 可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为 n=U-【I(R+Rw)】/KeФ （2）式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。 当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R= (Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。 这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，

基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计

基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计 第一章:前言 1.1前言： 直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。 近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。 采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 1.2本设计任务: 任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统 设计的主要内容以及技术参数: 功能主要包括： 1)直流电机的正转； 2)直流电机的反转； 3)直流电机的加速； 4)直流电机的减速； 5)直流电机的转速在数码管上显示； 6)直流电机的启动； 7)直流电机的停止； 第二章：总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。

H桥可逆直流调速系统设计与实验(1)

燕山大学 CDIO课程项目研究报告 项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学号： 学生： 指导教师： 日期： 2014年6月3日

目录 前言 (1) 摘要 (2) 第一章调速系统总体方案设计 (3) 1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 (3) 1.2.稳态结构图和静特 (4) 1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (6) 1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能 (7) 1.3.1动态数学模型 (7) 1.3.2起动过程分析 (7) 1.3.3 动态性能和两个调节器的作用 (8) 第二章 H桥可逆直流调速电源及保护系统设计 (11) 第三章调节器的选型及参数设计 (13) 3.1电流环的设计 (13) 3.2速度环的设计 (15) 第四章Matlab/Simulink仿真 (17) 第五章实物制作 (20) 第六章性能测试 (22) 6.1 SG3525性能测试 (22) 6.2 开环系统调试 (23) 总结 (26) 参考文献 (26)

前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%；过渡过程时间小于等于0.1s的无静差调速系统。 项目分工：参数计算： 仿真： 电路设计： 电路焊接： PPT答辩： 摘要

直流电动机双闭环控制系统设计与分析[设计+开题+综述]

开题报告 电气工程与自动化 直流电动机双闭环控制系统设计与分析 一、选题的背景与意义 随着现代工业的快速发展，在调速领域中，双闭环的控制理念已经得到了越来越广泛的认同。由于其动态响应快,静态性能良好,抗干扰能力强,因而在工程设计中被广泛地采用[1]。现在直流调速理论发展得比较成熟,但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度[2]。 PID（即：比例-积分-微分）控制器是最早发展起来的控制理论之一，由于它具有算法结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，在工业控制中90％是采用PID控制系统 [3]。然而，在越来越复杂的工业过程中，常常难以确定其精确数学模型，无法从理论上准确设计PID 控制器的相应参数。此外，在实际的生产现场过程中，由于受到现场环境及运行工况的变化等因素的困扰，常规的PID设计方法往往整定欠佳，性能不良，对运行工况的适应性较差，很难满足对生产过程的控制性能和产品质量的要求。 群体智能算法(Swarm Intelligence Algorithm) [4]是近十几年发展起来的智能仿生算法，其基本思想是模拟自然界生物的群体行为来构造随机优化算法。其中由美国学者Kennedy 和Eberha提出的粒子群优化算法(particle swarill optimization，PSO) 计算快速收敛，不易陷入局部最优，而且所需参数少且易于实现。因此，粒子群及改进的粒子群优化算法在PID参数整定中的应用近几年也得到了极大关注和重视。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 1、基本内容 本课题主要研究直流电动机双闭环控制系统设计与分析，并通过粒子群优化算法（PSO）用于双闭环PID调节控制的方法对系统进行设计和仿真。 双闭环PID控制系统设置了转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 两者实行串级连接, 且都带有输出限幅电路。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速环作为外环, 以抑制电网电压扰动对于转速的影响, 把由电流环作为内环, 以实现在最大 电流约束下的转速过渡过程最快最优控制。直流电动机双闭环控制系统原理见图1所示。 III

单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》

单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 学院： 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日 目录

设计题目：PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机 1 设计要求及主要技术指标： 基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 （1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。 （2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。 （3）设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。 （4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在

手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速； (4）参考Protuse仿真效果图：图（1） 图（1） 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压，高性能 8位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图（2） 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范