单片机控制直流电动机调速和正反转

指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学移通学院课程设计报告设计题目：单片机控制直流电动机调速和正反转学校：重庆邮电大学移通学院学生姓名：魏星玥专业：电气工程及自动化班级：05131101学号：0513110105指 导 教师：杨 佳 义设计时间： 2013 年 12月重庆邮电大学移通学院目录综述3一、直流电动机的工作原理4二、直流电动机的结构5三、直流电动机的分类6四、电动机的机械特性7五、他励直流电动机起动及调速8六、直流电机H桥驱动电路14七、PWM的控制技术19八、直流电动机调速系统的设计21九、心得体会2728参考文献综述直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电机可作为电动 机用，也可作为发电机用。直流电动机是将直流电转换成机械能的而带动 生产机械运转的电器设备。及交流电动机相比，直流机因结构复杂、维护 困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，但是它具有良好的起动、调速和 制动性能，因此在速度调节要求较要、正反转和起动频繁或多个单元同步 协调运转的生产机械上，仍广泛采用直流电动机拖动。在工业领域直流电 动机仍占有一席之地。因此有必要了解直流电动的运行特性。在四种直流 电动机中，他励电动机应用最为广泛。一、直流电动机的工作原理 如图1-1所示，电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴及机械负载相连，这是便有电流从电源正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然 后经过电刷B流回电源的负极。在图1 -1所示位置，在N级下面导线电流 是由a到b，根据左手定则可知导线ab受力的方向向左，而cd的受力方 向是向右的。当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩是，电动 机逆时针旋转。当线圈转过180度时，这是导线的电流方向变为由d到c 和b到a,因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的，这样就使得电机一直旋 转下去。I3辱体：止处于 极下:(b)汗体刊b处于8极E图1-1 直流电动机的工作原理图二、直流电动机的结构直流电机由定子、转子和机座等部分构成。图 2-1 直流电机结构图1、定子主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极 不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁 极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。换向极 换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的 作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。机座 机座有两个作用，一是用来固定主磁极、换向级和端盖； 另一个是作为磁路的一部分。电刷装置 电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成2、转子电枢铁心 电枢铁心也有两个用处，一是作为主磁路的主要部 分，二是嵌放电枢绕组。电枢绕组电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流 电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换 的关键部件。换向器换向器也是直流电机的重要部件。在直流电动机中，它的作用 是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流；在直流发电机 中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。三、直流电动机的结构根据励磁线圈和转子绕组的连接关系，励磁式的直流电机又可细分 为：他励直流电动机 并励直流电动机 串励直流电动机和复励直流电 动机1、他励直流电动机他励直流电动机是一种励磁绕组及电枢绕组无连接关系，而由其他直 流电源而由其他直流电源对励磁绕组单独供电的直流电动机，如图 3-1(a) 所示。2、并励电直流动机并励直流电动机的励磁绕组及电枢绕组并联，如图3-1 (b)所示。这 种直流电动机的励磁绕组上所加的电压就是电枢电路两端的电压。3、串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组及电枢绕串联，如图3-1 (c)所示。这种 直流电动机的励磁电流就是电枢电流，若有调节电阻及励磁绕组并联，其 电流则为电枢电流的一部分。4、复励直流电动机这种直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个及电枢电路并联，然后再和另一个励磁绕组串联，如图3-1 （d）所示。图（a）他励直流电动机图（b）并励直流电动机图（c）串励直流电动机图（d）复励直流电动机图 3-1 直流电动机的四种类型四、电动机的机械特性是指电动机的转速川及转矩T的关系“畑。机械特性是电动机机械 性能的主要表现，它及负载的机械特性卫二/厲），运动方程式相联系，将 决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。机械特性中的T是电磁转矩，它及电动机轴上的输出转矩爲是不同的,其间差空载转矩绻，即:7二爲+爼在一般情况下，因为空载转矩绻相比F或爲很小，所以在一般的工程计算中可以略去绻，即：已知直流电动机的机械特性方程式为u式中氏为电枢回路总电阻，包括聲及电枢回路串联电阻g, 6为理 想空载转速记为，记为戸，为机械特性的斜率。当u = f 二耳，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流电 动机的固有机械特性。当改变/或或电枢回路串电阻时，其机械特性的 叫或0将相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。若不计电枢反应的影响，当电动机正向运行时，其机械特性是一条横 跨I、II、IV象限的直线。其中第I象限为电动机运行状态，其特点是电 磁转矩的方向及旋转方向（转速总的方向）相同，第II、IV象限为制动运 行状态。五、他励直流电动机起动及调速他励直流电动机的启动1、直接起动直接起动是指接通励磁电源后，将电动机的电枢直接投入额定电压的电源上起动。直接起动又称为全压起动。由于起动瞬间，转速等于零，电枢绕组的感应电动势E = CnQ = 0ae5-1)5-2)则起动电流为由于电枢绕组的电阻 Ra 很小，所以起动电流很大，可达到额定电流 的十几倍。该电流对电网的冲击很大。因而，除了小容量电机可采用直接 起动外，对大中、容量的电动机不能直接起动。2、降电压起动降低电枢电压起动，即起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降 低，以减小起动电流 ，电动机起动后，再逐渐提高电源电压，使起动电 磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速。这种起动方法 需要专用电源，投资较大，但起动电流小，起动转矩容易控制，起动平稳， 起动能耗小，是一种较好的起动方法。3、电枢串电阻起动在实际中，如果能够做到适当选用各级起动电阻，那么串电阻起动由 于其起动设备简单、经济和可靠，同时可以中道平滑快速情动，因而得到广泛应用。但对于不同类型和规格的直流电动机，对起动电阻的级数要求 也不尽相同。下面所示直流他励电动机电枢电路串电阻二级起动为例说明起动过 程。起动过程分析：如图5T (a)所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U。触点KM1、KM2均断开，电枢传入了全部附加电阻Rkl+Rk2电枢回路总电 阻为Ral=ra+Rk1+Rk2。这时起动电流为： 7 : ：. - 7 ：-. _ (5_3)及起动电流所对应的起动转矩为T1。对应于由电阻所确定的人为机械特性如图5-1 (b)中的曲线1所示。+ u* -ara2r a1(a)电路图(b)特性图图5-1 直流他励电动机分二级起动的电路和特性根据电力拖动系统的基本运动方程：(5-4)式中： T 电动机的电磁转矩；T 由负载作用所产生的阻转矩；LJdw/dt -电动机转矩克服负载转矩后所产生的动态转矩。由于起动转矩T大于负载转矩T,电动机收到加速转矩的作用，转矩 1L有零逐渐上升，电动机开始起动。在图4-1 （b）中，由a点沿着曲线1上 升，反电动势亦随之上升，电枢电流下降，电动机的转矩亦随之下降，加 速转矩减小。上升到b点时，为保证一定的加速转矩，控制触点K闭合,M1切除一段起动电阻R后，b点所对应的电枢电流I成为切换电流，其对应k1 2的电动机的转矩 T 成为切换转矩。切除 R 后 ,电枢回路总电阻为2K1R =r+R。这时电动机对应于由电阻R确定的人为机械特性。在切除起动 a2 a k2a2电阻R的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为n ,其反电动势亦不变。K1b因此，电枢电流突增，其相应的电动势转矩也突增。适当的选择切除的电 阻值R，使切除R后的电枢电流刚好等于I,所对应的转矩为T,即在曲k1 k1 1 2线2上的c点。又有T T ,电动机在加速转矩作用下，由c点沿曲线2上12升到d点。控制点K闭合，又切除一切起动电阻R。同理，由d点过度M2 k2到e点，而且e点正好在固定的机械特性上。电枢电流又由I突增到I21相应的电动机转矩由T突增到T o T T，沿固有特性加速到g点T=T，n=n2112Lg电动机稳定运行，起动过程结束。在分级起动过程中，各级的最大电流I （或者相应的最大转矩T）及12切换电流I （或者及之对应的切换转矩T）都是不变的，这样，使得起动22过程中有均匀的加速。要满足以上电枢回路串接电阻分级起动的要求，前提是选择合适的各 级起动电阻。他励直流发电机的调速1、电枢串电阻调速他励直流电动机串电阻调速原理图如图3-1，即在电枢电路内串联一 个调速变阻器。保持电源电压及励磁电流为额定值不变，调节变阻器，电 动机将运行于不同的转速，机械特性如图3-2，图中的负载为恒转矩负载。图3-1电路图从图3-2可以看到，调速前，系统工作a点，电阻改变R的瞬间，因a机械惯性，转速来不及改变，工作点有a平移到人为特性上的b点。由于此时TT ,n下降，工作点沿人为特性由b点移至c点为止。系统在比原来L图3-2机械特性调速方法的调速性能如下：1) 调速方向是往下调。(Ra + Rr)增大所以n就下降，(Ra + Rr)及口成 反比。2) 调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式。如能均匀的调节变阻器 的电阻值，可实现无级调速。不过，一般调速电阻多为分级调节。故为有 级调速。3) 调速的稳定性差，因为R增加后，机械特性硬度降低，静差率6增a大。4) 调速的经济性差，因为初期投资虽然不大，但损耗增加，运行效率低。5) 调速范围不大，因受低速时静差率的限制。6) 调速时的允许负载为恒转矩负载。因为调速时的基本不变，满载电 流即额定电流I 一定，因此，各种转速下也许输出的转矩相同，为恒转矩aN调速。总之，这种调速方法缺点甚多，调速的经济性很差、调速方法简单， 控制设备不复杂、 一般用于串励或复励直流电动机拖动的电车、炼钢车 间的浇铸吊车等生产机械。2、改变电枢电压调速他励直流电动机的电枢回路不串联电阻，用一可调的直流电源向电枢 供电，最高电压不应超过额定电压。励磁绕组由另一电源供电，保持励磁 磁通为额定值。电枢电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上， 机械特性如图3-3可以看出，当电枢电压为额定值时，电动机和负载的机 械特性的交点为A，转速为n；电压降到U后，交点为A，转速为n ；电1 1 1压为 U ，交点为 A ，转速为 n 。 222电枢电压越低，转速也越低。同样，改变电枢电压调速方法的调速范围也只能在额定转速及零转速之间调节。图 3-3 改变电枢电压调速机械特性改变电枢电压调速平滑性好，如果能均匀的调节变阻器的电阻值即可 实现无级调速，调速效率高，调速范围大；转速稳定性较串电阻调速好； 所需的可调压电源设备投资较高，但运行费用少。总之，这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛应用。3、改变励磁电流调速改变励磁电流的多少便可改变磁通的多少，从而达到调速的目的。保 持他励直流电动机电枢电源电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电动机 拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，减少直流电动机的励磁磁通， 可使电动机转速升高。他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速，如图 3-5 所示。从图中可以看出，当励磁磁通为额定值时，电动机和负载的机械N特性的交点a,转速为n；励磁磁通减少为时，理想空载转速增大，同1时机械特性斜率也变大，交点为c,转速为n。弱磁调速的范围是在额定1转速及电动机所允许最高转速之间进行调速，至于电动机所允许最高转速 值时受换向也机械强度所限制，一般约1.2n左右，特殊设计的调速电动N机，可达到 3n 或更高。N弱磁调速的优点时设备简单，调节方便，运行斜率也较高，适用于恒 功率负载。缺点时励磁过弱时，机械特性的斜率大，转速稳定性差，拖动 恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。在实际电力拖动系统中，可以将几种调速方法结合，这样可以得到较 宽的调速范围，电动机可以在调速范围之内的任何转速上运行，而且调速 时损耗较小，运行效率较高，能很好地满足各种生产机械对调速的要求。应用:不经常逆转的重型机床。六、直流电机H桥驱动电路H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。一、H桥驱动电路所谓 H 桥驱动电路是为直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现 直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如下：从图中可以看出，其形状类似于字母“H”而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“ H桥驱动” 4个开关所在位置 就称为“桥臂”。从电路中不难看出，假设开关A、D接通，电机为正向转动，则开关B、 C接通时，直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。借助这 4个开关还可以产生电机的另外2个工作状态：A）刹车将B、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生 的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。B）惰行一一4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法 形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时 间。以上只是从原理上描述了 H桥驱动，而实际应用中很少用开关构成桥 臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关（继电器）。细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路（例如L298） 只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方 便、可靠而做成了一块电路。双极性晶体管构成的 H 桥：TTBTDDC MOTORMOS管构成的H桥:QBQD工DC MOTOR二、使能控制和方向逻辑驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。 如果三极管TA和TB同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接 回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的 电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。 基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的 开关。图4.15所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础 上增加了4个及门和2个非门。4个及门同一个“使能”导通信号相接， 这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而 2 个非门通过提供一种 方向输人,可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。图 4.15 所示不是一个完整的电路图。）?.DJADIR-RkNABLEDIRL图 4.15 具有使能控制和方向逻辑的 H 桥电路采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR L信号为0, DIR R信号为1,并且使能信号 是1，那么三极管 Q1 和 Q4 导通，电流从左至右流经电机（如图 4.16 所示）； 如果DIRL信号变为1,而DIR R信号变为0,那么Q2和Q3将导通， 电流则反向流过电机。图 4.16 使能信号及方向信号的使用实际使用的时候,用分立元件制作 H 桥是很麻烦的,现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的 L293D、L298N、TA7257P、SN754410 等。Q14QI80S)3050tQlDIE55O8550R32IKR2E IKt!4SMlF. DQl3MOTOR D12DIO7馬(分立元件的 H 桥驱动电路图IH - HighEM TO 4: I* F*5J REJRIHTT 卿共“瓚砂mi2rsmsZS医剛.j=i-蓦 J=L*.02l-PMEK 58 :TE-tlrDorAVDrDZfAVEFHAI3 rnP+ FlUWilF pnwAiiaFQ7VAI?F3ETUCI PiyTM&nzLKC A3Ju.11 ITZ/t4kIZ 町皿Id FEAI* A371&1C- -rci7T&j I 4 g TB-!T-F560ABODE FG DF1 3 斗1. 直流电动机电机型号：Z2-31,直流电动机P =1.5KM; u =220V;II =8.74A; g=1500r/min；电机的飞轮转矩 0.085。N N N N1. 计算电机转速为 1000rpm 和 500rpm 时 PWM 波占空比；2. 分析PWM调制技术在调压控制中的原理和应用？内容解析:1.采用电枢电压调速由上题可知：P =1.5KM; U =220V; IN=8.74A; n =1500r/minN N N2R =aRa=1.25858 qE n =0.13933(V /(r min)-i)tn二ct in=11.629735n o 二Un/CE n =1578.94736r/minE =(0.93-0.97)U =0,95Un=209V aNN由(0, n0), (TN, nN)的下图电机转速为 1000rpm 时UT1 = C o n + TR = 150.33333333N 1 e n 1 N a电机转速为 500rpm 时U 2 C o n 2 + I R N 2 e N 2 N a电机转速为 1000rpm 和 500rpm 时 PWM 波占空如下由于电机的转速及电压成正比可得：电机转速为lOOOrpm时PWM波占空：UN1 一 220 = 68% 电机转速为500rpm时PWM波占空：UN2 - 220 = 32%2. 直流电动机的 PWM 调压调速原理直流电动机转速N的表达式为：N二U-IR/K由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限 制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很 少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的 控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动 方式和开关驱动方式。线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优 点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功 率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问 题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流 电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状 态，通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。在PWM调速时，占空比a是一个重要参数。以下3种方法都可以改变 占空比的值。（1）定宽调频法这种方法是保持tl不变，只改变t2,这样使周期T （或频率）也随之 改变。（2）调频调宽法这种方法是保持t2不变，只改变tl,这样使周期T （或频率）也随之 改变。3）定频调宽法这种方法是使周期T （或频率）保持不变，而同时改变tl和t2。前两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 的频率及系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用得很 少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。八、心得体会熟练了直流电机的机械特性和电气特性；掌握直流电动机拖动负载顺 利启动的方法；学习了直流电动机调速和正反转控制方法； 根据直流电 动机铭牌数据完成启动和调速控制系统设计。电机及拖动课程设计终于圆满结束，在老师的细心指导下和同学们的 共同努力中， 我们顺利地完成了课程设计.在这次设计过程中， 我深刻 地体会到了科学的严谨，必须要有一个正确的态度去面对设计，努力地为 了完成各种 参数的设定而实验，积极地及同学们交流，在配合下完成设 计的意识. 通过 整个课程设计，使我对直流电动机的串电阻起动可以说 是“刻骨铭心”，不仅 让我深刻地了解到前人在科学研究上态度和方法， 而且也让我懂得任何的创新和发现都不是一时一刻可以得到的，必须具有 深厚的知识功底，敏锐的洞察力才能告破事情的真相，从根本上理解它， 应用它。 通过这次课程设计，我感觉这种设计很好地锻炼了我们的团队 合作精神和对知识的应用能力，从本质上为我们揭示了基础理论科学。使 我的各方面 的能力得到了充分的锻炼。参考文献1电机及拖动唐介主编高等教育出版社 2003年出版2电机及拖动基础 刘起新主编中国电力出版社 2005年出版3 电机学李海发主编科学出版社 2001年出版4 电机及拖动 周绍英主编中央广播电视大学出版社 1995年 出版5 电机理论及运行 汤蕴谬 主编 水利电力出版社 2005年出 版