直流电动机闭环调速系统～课程设计指导书

10自动化课程设计电力拖动自动控制系统1/16电力拖动自动控制系统姓名-学号成绩分组序号同组人员（签名）本人贡献排名指导教师（签名）10自动化课程设计电力拖动自动控制系统2/16直流电动机闭环调速系统设计一、系统结构（对系统结构的注释）单片机核心显示器键盘和开关H桥隔离和驱动电源马达测速马达A/D变换器电平转换10自动化课程设计电力拖动自动控制系统3/16二、课程设计内容要求1.设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键；2.显示马达的运行状态（正转、反转、停止），显示转速；3.测量马达的反电动势系数；4.测量马达的力矩系数；5.创建马达的数学模型；6.实现比例控制；7.实现比例积分控制；8.缓存马达动态过程运行数据，并上传到PC机绘出动态过程曲线（对设计内容的注释）10自动化课程设计电力拖动自动控制系统4/16三、硬件设计3.1列表硬件，准备硬件带测速码盘直流电机L298N电机驱动模块59C51单片机实验板LCD1602液晶显示屏杜邦线3.2单片机系统的设计3.3根据自己准备的硬件和系统框图，设计硬件接线图；10自动化课程设计电力拖动自动控制系统5/16四、软件设计4.1系统的软件流程图4.2对流程图的说明10自动化课程设计电力拖动自动控制系统6/16五、详细的功能设计和实现5.1.设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键；（设计、实现、测量、对比分析）5.2.显示马达的运行状态（正转、反转、停止），显示转速；（设计、实现、测量、对比分析）5.3.测量马达的反电动势系数；（设计、实现、测量、对比分析）Ke=(V-IR)/n5.4.测量马达的力矩系数；（设计、实现、测量、对比分析）5.5.创建马达的数学模型；（设计、实现、测量、对比分析）5.6.实现比例控制；（设计、实现、测量、对比分析）5.7.实现比例积分控制；（设计、实现、测量、对比分析）5.8.缓存马达动态过程运行数据，并上传到PC机绘出动态过程曲线（设计、实现、测量、对比分析）10自动化课程设计电力拖动自动控制系统7/16附录一：永磁直流行星齿轮减速电机F1.1直流电机的特点直流电动机与交流电动机相比较，具有良好的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。但直流电机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花，所以可靠性比较差，维护比较困难。所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重。F1.2直流电机的基本结构直流电机的基本结构图见图4-1：图直流电机的基本结构F1.3直流电动机的参数特性1)感应电势E（4-1）式中:-电动势(V);一对磁极的磁通(Wb);n-电枢转速(r/min);eK-与结构有关的常数.2)电磁转矩TtaTKI（4-2）10自动化课程设计电力拖动自动控制系统8/16式中:T-电磁转矩(Nm);一对磁极的磁通(Wb);aI-电枢电流(A);tK-与结构有关的常数.3)直流电动机电枢电压平衡方程式aaUEIR（4-3）aR为电枢电阻4)直流电动机机械特性的一般表达式02eeetRUnTnnKKK（4-4）F1.4直流电机的机械特性曲线直流电机的机械特性曲线如下图4-2所示：图-直流电机的机械特性曲线转速下降的原因：电机带负载匀速运行时，Te＝TL，若负载TL增加，则电机的输出电磁转距Te也要随之增加，也即电枢电流Ia增大。那么电枢绕组的内阻所消耗的压降IaRa增加，所以转速n下降。aaeeIRUnCC（4-5）F1.5永磁直流电机调速调压调速通：过改变输入电压实现调速，如图4-3所示。TNTn0nNnnT10自动化课程设计电力拖动自动控制系统9/16图降压调速原理n0n1n2n3UNU1U2U3UNU1U2U3UNn10自动化课程设计电力拖动自动控制系统10/16附录二：直流电动机PWM调速原理所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。对于直流电机调速系统，使用FPGA进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值，即占空比，来控制电机速度。PWM调速原理如图4-4所示：图PWM调速原理在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加，电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机永远接通电源时，其转速最大为，设占空比为，则电机的平均速度为DVmaxVd（4-6）式中：dV—电机的平均速度maxV—电机全通时间的速度（最大）T/tD1—占空平均速度dV与占空比D的函数曲线，如图4-6(a)所示：Tt1t210自动化课程设计电力拖动自动控制系统11/16图平均速度与占空比的关系由图4-6(b)所示可以看出，dV与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），当系统4允许时，可以将其近似的看成线性关系（途中虚线）。因此也就可以看成电机电枢电压aU与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。由以上叙述可知：电机的转速电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比1时，电机转速最大。占空比D表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。D的变化范围为0≤D≤1。当电源电压U不变的情况下，输出电压的平均值U取决于占空比D的大小，改变D值也就改变了输出电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的，即实现PWM调速。在PWM调速时，占空比D是一个重要参数。改变占空比的方法有定宽调频法、调宽调频法和定频调宽法等。常用的定频调宽法，同时改变t1和t2，但周期T（或频率）保持不变。电压（V）0Tt1t2通电断电时间（t）平均速度（Vd）Vmax100.5(a)(b)占空比（D）10自动化课程设计电力拖动自动控制系统12/16附录三：H型全桥式驱动电路和L298N简绍F3.1直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式驱动电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图所示。图H型桥式驱动电路H型全桥式驱动电路的4只三极管都工作在斩波状态，V1、V4为一组，V2、V3为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当V1、V4导通时，V2、V3关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当V2、V3导通时，V1、V4关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。在直流电机运转的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在V1、V4导通且V2、V3关断，到V1、V4关断且V2、V3导通，这两种状态之间转换。在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时。MNET1NET0NET0NET1V3V1V4V2VCC10自动化课程设计电力拖动自动控制系统13/16F3.2L298N芯片L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。实物如图5-2所示。图L298N芯片芯片内部逻辑结构图见图10自动化课程设计电力拖动自动控制系统14/16图L298N芯片逻辑结构10自动化课程设计电力拖动自动控制系统15/16引脚说明见表3-4：表5-4MW.15NameFunction1;15SenseA;SenseB在这个引脚和低之间可以接感应电阻用于控制负载电流2;3Out1;Out2A桥的输出端口；流经这两个端子连接的负载电流在端子1被检测4VS用于驱动负载的功率输出电源电压。在这个引脚和地之间必须接一个100nf的无极性电容5;7Input1;Input2A桥TTL输入端6;11EnableA;EnableBTTL使能输入端：低电平使桥A或桥B无效8GND地9VSS逻辑模块的电源供应。引脚与地间必须接一个100nF的电容10;12Input3;Input4B桥TTL输入端13;14Out3;Out4B桥的输出；流经这两个端子连接的负载电流在端子15被检测极限参数：Vs：功率电源50VVss：逻辑电源电压7VVi、Ven：输入和使能电压-0.3~7VIo：最大输出电流（每个通道）无重复重复直流操作3A2.5A2AVsens：感应电压-1~2.3VPtot：总的功率耗散（温度达到75度）25WTop：结操作温度-25~130度Tstg、Ti:储存和结温度-40~150度10自动化课程设计电力拖动自动控制系统16/16芯片引脚图如图3-6所示:图3-6L298N芯片引脚功能模块参数：1.驱动芯片：L298N双H桥直流电机驱动芯片2.驱动部分端子供电范围Vs：＋5V～＋35V；如需要板内取电，则供电范围Vs：+7V～+35V3.驱动部分峰值电流Io：2A4.逻辑部分端子供电范围Vss：＋5V～＋7V（可板内取电＋5V）5.逻辑部分工作电流范围:0～36mA6.控制信号输入电压范围：低电平：－0.3V≤Vin≤1.5V高电平：2.3V≤Vin≤Vss7.使能信号输入电压范围：低电平：－0.3≤Vin≤1.5V（控制信号无效）高电平：2.3V≤Vin≤Vss（控制信号有效）8.最大功耗：20W（温度T＝75℃时）9.存储温度：－25℃～＋130℃10.驱动板尺寸:55mm*49mm*33mm(带固定铜柱和散热片高度)11.驱动板重量：33g12.其他扩展：控制方向指示灯、逻辑部分板内取电接口。