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直流电动机调速计算机控制系统设计


目 录
1. 绪论 .............................................................................1 1.1 直流电机的发展...............................................................1 1.2 课题研究的目的及意义.......

..................................................2 2. 系统方案设计 .....................................................................2 2.1 电机调速控制模块: ...........................................................2 2.2.1 PWM 调速工作方式: .....................................................3 2.2.2 PWM 调脉宽方式: .......................................................3 2.2.3 PWM 软件实现方式: .....................................................3 2.3 PWM 技术 .....................................................................3 2.4 PWM 的参数 ...................................................................4 2.5 直流电机的能量转换和特性曲线 .................................................4 3. 硬件电路板的制作..................................................................6 3.1 确定工作层 ..................................................................6 3.2 定义 PCB 形状及尺寸...........................................................6 3.3 加载 PCB 元件封装库...........................................................6 3.4 元器件的布局.................................................................6 3.5 布线 ........................................................................7 3.6 制板 ........................................................................7 总 结 .............................................................................7

参 考 文 献 .........................................................................7 附件: ..............................................................................8

直流电动机调速计算机控制系统设计
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。长期以来,直流电动机因其转速调节比较灵活,方法简单, 易于大范围平滑调速,控制性能好等特点,一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、 工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大,各个行业对直流电机的需求愈 益增大,并对其性能提出了更高的要求。为此,研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统 有着十分重要的现实意义。本论文论述了单片机直流电机控制系统设计和实现方法。而我们组是进 行分工来实现的,在主任务下分成各个小任务,我和其他两个伙伴负责 PCB 制板。接下来为大家介绍 我们的主要工程及具体的 PCB 制板。

1. 绪论
1.1 直流电机的发展
直流电机问世已有一百四十多年的历史。在设计和制造技术上的进步,新材料、新技术的应用, 整流电源的普及,促进了一般工业用直流电机的用途不断扩大,品种繁多。 从小至数瓦,大到万余千瓦, 正广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重运输、船舶、机床制造、纺织印染等各个部门中,特别是近几 年电子计算技术已广泛应用当今,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 ,无论是在工农业生产、交通运输、 国防、航天航空、医疗卫生、商务与办公设备、还是在日常生活中的家用电器都大量使用着各式各 样的电气传动系统,其中许多系统有调速的要求:如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。为了满足运 行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制:为了减少运行损耗,节约电 能也需要对电机进行调速。电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整 体。各部分之间的不同组合,可构成多种多样的电机调速系统。 三十多年来,直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代,以晶闸管整流 装置取代了习用已久的直流发电机、 电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。 同时,控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。同时,控制电路已经实现高集成 化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用,使直流调速系统的性能指标大幅提高,应用范 围不断扩大。直流调速技术不断发展,走向成熟化、完善化、系列化、标准化,在可逆脉宽调速、 高精度的电气传动领域中仍然难以替代。 随着微控制器尤其是脉宽调制 PWM 专门控制芯片的飞速发展, 其对电机控制方面的应用起了 很重要的作用, 为设计性能更高的直流控制系统提供了基础。本文对基于 AT89S52 单片机的直流电
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机 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,逐步建立了单闭环直流 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。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,实现对转速闭环调速系统的控制。在微机控制方面,讨论了显示、 PWM、光电编码盘测速的原理,并给出了软、硬件实现方案。该方案以驱动芯片与一些外围电路。通 过实时测试,调节电动机的转速,此调速系统可获得快速、精确的调速效果。直流电气传动系统中 需要有专门的可控直流电源。 随着微电子技术的发展,微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展,电气传 动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现, 以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流,也给直流电气传动的发展注入了新的活力, 使电气传动进入了更新的发展阶段。

1.2 课题研究的目的及意义
直流电机因为具有良好的线性调速特性、效率高、控制简单、调速性能好及体积小等优点得到 了广泛使用。常规电机调速控制方法中,电机工作不稳定,损耗较大,尤其在低电压轻负荷时情况更 为严重,且工作频率受电源频率的限制, 很难满足高精度的调速要求,不利于广泛推广。如何才能 使电路具有成本低、控制精度高、调试修改参数方便,且能方便和灵活地适用于大功率、可靠性高 的直流电机控制系统中,是我们研究的目的。

2. 系统方案设计
主要内容:设计基于单片机的直流电机控制系统,采用 PWM 控制技术,利用 H 桥驱动控制直流 电机的起停及调速问题,设计两个直流电机的硬件电路与控制程序。 目标:通过键盘控制两个电机的起停、调速。

2.1 电机调速控制模块:
方案一:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速的目的。但是电阻网络 只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小, 但电流很大;分压不仅会降低效率,而且实现很困难。 方案二:采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整。这 个方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性 不高。 方案三:采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制达林顿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。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高;H
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型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快,稳定性也极佳,是一种广 泛采用的 PWM 调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大,因此本 设计采用方案三。

2.2.1 PWM 调速工作方式:
方案一:双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内,单片机两控制口各输出一个控制 信号,两信号高低电平相反,两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。 方案二:单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平,另一端输出 PWM 信号, 两口的输出切换和对 PWM 的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波开中的 交流成分比双极性工作制的小,其电流的最大波动也比双极性工作制的小,所以我们采用了单极性 工作制。

2.2.2 PWM 调脉宽方式:
调脉宽的方式有三种:定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式,因为采用 这种方式,电动机在运转时比较稳定;并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。

2.2.3 PWM 软件实现方式:
方案一:采用定时器做为脉宽控制的定时方式,这一方式产生的脉冲宽度极其精确,误差只在 几个 us。方案二:采用软件延时方式,这一方式在精度上不及方案一,特别是在引入中断后,将有 一定的误差。但是基于不占用定时器资源,且对于直流电机,采用软件延时所产生的定时误差在允 许范围,故采用方案二。

2.3 PWM 技术
PWM(PulseWidthModulation)控制脉冲宽度调制技术,通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等 效地获得所需要波形(含形状和幅值)。 PWM 控制技术在逆变电路中应用最广,应用的逆变电路绝大部分是 PWM 型,PWM 控制技术正是有 赖于在逆变电路中的应用,才确定了它在电力电子技术中的重要地位。 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。冲量指窄脉冲的面积。 效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近,仅在高频段略有差异,如图 2.1 所示。

2.1pwm 原理面积相同形状不同冲量 SPWM 波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形。用一系列等幅不等宽的脉 冲来代替一个正弦半波,正弦半波 N 等分,看成 N 个相连的脉冲序列,宽度相等,但幅值不等,如
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图 2.2 所示;用矩形脉冲代替,等幅,不等宽,中点重合,面积(冲量)相等,宽度按正弦规律变化, 如图 2.2 所示。

2.2 pwm 信号替代

2.4 PWM 的参数
1)占空比:输出的 PWM 中,高电平保持的时间与陔 PWM 的时钟周期。2)分辨率:占空比最小能 达到的值。如 8 位的 PWM,理论上分辨率就是 1:255(单斜率),16 位的 PWM 分辨率就是 1:65535(单 斜率)。3)频率:PWM 输出频率为 T/C 的时基频率/2n,rl 为脉宽调制方式的位数,即 8 或 16。4) 双斜率惮斜率。设一个 PWM 从 0 计数到 80,之后又从 0 计数到 8O 这就是单斜率。设一个 PWM 从 0 计数到 80,之后是从 8O 计数到 0 这是双斜率。双斜率的计数时间多了一倍,PWM 输出的频率就慢了 一半,分辨率却是 l:(8O4-80)一 1:160,提高了一倍。假设 PWM 是单斜率,设定最高计数是 8O, 我们再设定一个比较值是 lO,那么 T/C 从 0 计数到 l0 时(此时计数器继续在计数,直到计数达到 到设定值 80),单片机就会根据你的设定,控制某个 I/O 口在这个时候是输出 1 还是输出 0,这就 是 PWM 的基本原理。

2.5 直流电机的能量转换和特性曲线
直流电机将电能

Pel

,(电流 I 和电压 u)转化为机械能

Pmech

(速度 n。和转矩 M)。其中损耗可分

为摩擦损耗和热损耗(热损耗是由于线圈电阻 R 产生)。 余下的转化为机械能几 因此电机的功率守恒可表述为:

Pmech

, 如图 2.1 所示。

Pel ? Pmech ? PJ
更详细的叙述为:

(2.1)

U?I ?

?
30000

n ? M ? R ? I2
(2.2)

在这能量转化过程中,有两个特性参数是至关重要的,他们是速度常数 k n 。和转矩常数 k M 。速 度常数是指速度 n 和线圈感应电压“树之间的关系,是指在忽略摩擦的情况下的每个单位电压下的 速度变化。

U ind

与速度是成正比的,公式如下: (2.3)

n ? k n ? Uind
转矩常数所联系的是机械转矩 M 和电流 I 之间的关系,是指转矩和有效电流之比。 公式如下:
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M ? k ?M I
速度常数 k n 。和转矩常数 k M 有如下关系:

(2.4)

kn ?kM ?

30000

?

(2.5)

如果用转矩 M 和转矩常数 k M 来表示电流,可得如下关系:

?M M ? U? ? n ? M ? R ?? ?k k M 30000 ? M

? ? ? ?

2

(2.6)

考虑到 k n 。和 k M 之间的关系,我们可将上式进一步化为:

n ? knU ?

30000 R ?M ? kM

(2.7)

上式便是直流电机的转速、 转矩、 电阻、 转矩常数和速度常数之间的关系。 这里转矩单位是 N.m; 电流单位是 A;速度单位是 rpm;电压单位是 V。直流电机可以运行在额定范围内的任何电压下,速度 一转矩曲线表述的是在一恒定电压 U 下电机的机械表现,该曲线可由两点法给出:空载转速 n。和堵 转转矩 M H (空载转速:电机在额定电压、空载的情况下的转速;堵转转矩:它是电机在堵转条件下的 转矩值,也叫起动转矩),如图 2.2 所示。空载转速与堵转转矩将随着给定电压的改变而成线性关系。 它相当于速度一转矩曲线在特性曲线上平移,如图 2.2 所示。空载转速与电压有如下关系:

n0 ? kn ? U

(2.8)

速度一转矩曲线走势是由斜率来表述的,与电压无关要,它是一项体现电机性能的重参数,如下关

?n n ? 0 ?M M H 系:
直流电机的速度与转矩间的关系可用下式表示:

(2.9)

n ? n0 ?

?n ?M ?M

(2.10)

转矩转速线性关系

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3. 硬件电路板的制作
电路设计的最终目的是制作电子产品,而电子产品的物理结构是通过印制电路板来实现的。因 此在电路原理图完成后,是印制电路板(PCB)的设计,其质量直接影响着电子产品的性能。根据前 一章的硬件原理,本章以 Altium Designer Summer 09 为设计工具,分析和探讨 PCB 设计中的基本 原则和制作流程。

3.1 确定工作层
Altium Designer Summer 09 共提供 32 个信号层, 它们是 Top (顶层) Bottom 、 (底层) Mid Layers 、 (中间层 1~30) ,另外还提供了 32 个机械层,16 个内部电源层等。布线层用得越多,制作 PCB 的价 格就越昂贵。综合考虑电路板性能和价格因素,决定采用双层板的形式来制作该印刷电路板。

3.2 定义 PCB 形状及尺寸
首先规划电路板的物理边界,一般对电路板机械定义的具体要求是由公司或制造提出的,通常包 括角标、参考孔位置、外部尺寸等。我们一般在某一机械层来画物理边框,而在其它机械层上放置 尺寸、对齐标志等。规划完电路板的物理边界,还要确定电路板的电气边界。电气边界是用来限定 布线和元件放置的范围,它通过 Keep Out Layer(禁止布线层)绘制边界来实现的。由于制作中需 要考虑元件大小,电气规划等因素,需要不断调整元件的导线的放置,所以本次设计开始并未严格 定义板形和尺寸,最终完成的电路板尺寸大小为 100mm*85mm。

3.3 加载 PCB 元件封装库
Altium Designer Summer 09 软件自身带有丰富的元件封装库,在绘制原理图的时候只要选取 合适的元器件,其对应的封装一般就能符合要求。但由于元器件的种类繁多,更新换代快,所以难 免有无法找到的元件封装。这时就需要自行查找或制作元件封装,本次设计大部分的元件封装都为 正确的自带封装,少部分元件封装为手动指定。

3.4 元器件的布局
元件的布局是一个关键步骤,布线的难易以及最终产品的电气性能在很大程度上取决于元件布 局的质量。首先,要考虑与结构相关的配合装配问题。先放置与结构有关的固定位置的元器件,如 电源插座、指示灯、开关、发光管等元件,其次,再放置线路上的特殊元件和大的元器件,如发热 元件、变压器、IC 等,最后放置小器件。 Altium Designer Summer 09 提供了强大的自动布局功能,在预放置元件锁定的情况下,可用 自动布局放置其他元件。自动布局较方便,但产生的板并不是最佳方案,仍需要手工调整。

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3.5 布线
布线连接包括: 连线、 过孔、 焊盘、 弧线、 填充、 多边形覆铜和电源层等。 Altium Designer Summer 09 提供了手工布线和自动布线两种。由于现在 PCB 板设计越来越复杂、高密度,往往对一些有特殊 要求的连线,需要预先手工布放。自动布线与交互式布线相结合可以很好地提高布线成功率和效率。 自动布线的结果为手工调整提供参考,如果自动布线能够达到 100%或者 90%以上。说明元件的布局 基本合理,手工修改调整走线也不会有太多的障碍。此外还要设置走线的规则和各网络所连接的导 线宽度。为保证信号传输的可靠性该电路板将电源部分导线不同程度加粗。

3.6 制板
最后,生成 PCB 文件,送厂制板。由于制板周期比较长(大约 1 个星期左右) ,这段时间内可完 成元器件的购买工作。由于所选元器件并非冷偏门元器件,所以购买比较顺利。元件大部分为贴片, 手工焊接难度不大。由于为初次学习和制作印刷电路板,难免有不足和疏忽。





关于本设计的内容介绍完毕。 此次设计对我可以说是从零开始, 从资料的查找开始入手, 潜心研究, 确定了设计方案。接着绘制原理图、画 PCB 图、购买器件、焊接电路板、编写程序、软硬调试,虽 然最终没有把全部的功能实现,但本人在过程之中收获了很多,学习到了很多与专业有联系的实际 知识。在此特别感谢指导老师丛申对我的指导以及同学给予的帮助。 由于时间和个人能力的原因,整个系统综合起来的功能并没有实现,只能实现了各个模 块的功能,还有许多不足以及可以扩展的地方。还望各位老师予以修正和修改。在此非常感 谢指导老师的细心指导。 本次设计把理论应用到了实践中,同时通过设计,也加深了自己对理论知识的理解和掌握,在 解决困难的过程中,获得了许多专业方面的知识,拓展了视野。提高了理论水平和实际的动手能力, 学会了解决问题的方法,激发了我们的探索精神。这样的课程设计是很好的锻炼机会,通过实验设计 使我深入了解到课程设计在大学学习的重要性,课程设计增强了我们的实践动手能力,也为大四后 学期的毕业设计提供了宝贵的经验。 通过这一阶段的努力,我的论文终于完成了,感谢丛申老师的悉心教导,您的指点对我完成设 计有很大的帮助,感谢您对我的指导以及鼓励。在这里也感谢各位在设计期间给予过我帮助的老师 和同学,谢谢。

参 考 文 献
[1].谢剑英。微型计算机控制技术(第 3 版) 。北京:国防工业出版社,2001:133-156。 [2].胡汉才。单片机原理及其接口技术(第 2 版) 。北京:清华大学出版社,2004:360-440。 [3].王立红。基于单片机的直流电机控制系统设计。工程技术,2006,(2):102-103。 [4].边春远,王志强。MCS-51 单片机应用开发实用子程序,北京:人民邮电出版社,2005.9. [5].沈红卫。基于单片机的智能系统设计与实现.北京:电子工业出版社,2005。方荣惠,邓先明。
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电机原理及拖动基础。徐州:中国矿业大学出版社,2001:1-250。 [6].陈跃。电气工程专业毕业设计指南[M]. 北京: 中国水利水电出版社,2003:84-85 [7].傅知兰。电力系统电气设备选择与实用计算[M]. 北京: 中国电力出版社,2004:105 [8].陈坚。电力电子学 2 版[M].北京:高等教育出版社,2004. [9] 蔡俊涛.可远程控制的太阳能驱鸟设备[J].机电工程技术,2009,38(5) :70-73. [10] 太阳能供电系统原理及在高速公路监控系统中的应用[J].北方交通,2009, (12) :65-67. [11] 王长贵,王斯成.电机实用技术[M].第 2 版.北京:化学工业出版社,2010:33-126. [12] 求是科技。单片机典型模块设计实例导航[M].北京:人民邮电出版社,2004:265-272. [13] 王长贵,崔荣强主编.新能源发电技术[M].北京:中国电力出版社,2003.

附件:

电源电路图

LCD 液晶显示电路

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按键电路

H 桥电路

检测电路

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元器件图

PCB 图

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