直流電機(jī)課程設(shè)計(jì)--直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　測(cè)控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　課題 直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　班 級(jí)： 測(cè)控 </p><p>　　姓 名： </p><p><b>　　學(xué) 號(hào)： </b></p><

2、;p><b>　　指導(dǎo)教師 ： </b></p><p><b>　　電子與電氣工程學(xué)院</b></p><p><b>　　2010年12月</b></p><p>　　直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1系統(tǒng)論述</b></

3、p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　本次直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要功能是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微機(jī)控制，在設(shè)計(jì)中，采用了AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)控制。</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)框圖</b></p>

4、<p>　　系統(tǒng)組成：直流電機(jī)控制方案如圖1.1所示：</p><p>　　方案說(shuō)明：直流電機(jī)控制系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，單片機(jī)在程序控制下，采用橋式驅(qū)動(dòng)完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)控制。</p><p>　　圖 1.1 直流電機(jī)控制方案</p><p>　　2直流電機(jī)單元電路設(shè)計(jì)與分析</p><p>　　橋式驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)方

5、向模塊</p><p>　　主要由一些達(dá)林頓晶體管、直流電機(jī)和二極管以及電阻等組成?，F(xiàn)在介紹下直流電機(jī)的運(yùn)行原理</p><p>　　2.1.1 直流電機(jī)類型</p><p>　　直流電機(jī)可按其結(jié)構(gòu)、工作原理和用途等進(jìn)行分類，其中根據(jù)直流電機(jī)的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機(jī)（將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能）、直流電動(dòng)機(jī)（將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)（將機(jī)械信號(hào)

6、轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）、直流伺服電動(dòng)機(jī)（將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)）。下面以直流電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象。</p><p>　　2.1.2 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)</p><p>　　直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定子上裝有磁極（電磁式直流電機(jī)磁極由繞在定子上的磁繞提供），其轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞繞組，繞組通過(guò)換向器和電刷引出,直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。</p>&l

7、t;p>　　圖2.1 直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.3 直流電機(jī)工作原理</p><p>　　直流電機(jī)電路模型如圖2.2所示，磁極N、S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈abcd。當(dāng)線圈中流過(guò)電流時(shí)，線圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過(guò)線圈中電流改變方向時(shí)，線圈的受方向也將改變，因此通過(guò)改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)

8、的方向。</p><p>　　圖2.2 直流電動(dòng)機(jī)電路模型</p><p>　　2.1.4 直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　直流電機(jī)的主要額定值有：</p><p>　　額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機(jī)的負(fù)載能力。</p><p>　　額定電壓Ue：長(zhǎng)期運(yùn)行的最高電壓。 </p>

9、<p>　　額定電流Ie：長(zhǎng)期運(yùn)行的最大電流。</p><p>　　額定轉(zhuǎn)速n：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢。以r/min為單位。 </p><p>　　勵(lì)磁電流If：施加到電極線圈上的電流。</p><p>　　2.1.5 直流電機(jī)PWM調(diào)速原理&

10、lt;/p><p><b>　　（1）直流電機(jī)轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖2.3表示，由圖可見(jiàn)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動(dòng)勢(shì)；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0均與n相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　圖2.3 直流電機(jī)

11、的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動(dòng)勢(shì)平衡方程式1.1：</p><p>　　U=Ea-Ia（Ra+Rc）……………………………………………式1.1</p><p>　　式1.1中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和；</p><p>　　Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。</p

12、><p>　　由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： </p><p>　　n =Ua-IR/CeΦ ……………………………………………式1.2</p><p>　　式1.2中，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，Φ是磁通量。</p><p>　　由1.1式和1.2式得</p><p>　　n =Ea/CeΦ ……………………

13、…………………………式1.3 </p><p>　　由式1.3中可以看出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時(shí)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)；改變電樞電壓的極性，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。</p><p>　　（2）PWM電機(jī)調(diào)速原理</p><p>　　對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果加在電樞兩

14、端的電壓為2.3所示的脈動(dòng)電流壓（要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對(duì)這一變化進(jìn)一步推導(dǎo)。</p><p>　　圖2.3 施加在電樞兩端的脈動(dòng)電壓</p><p>　　設(shè)電機(jī)接全電壓U時(shí)，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動(dòng)電壓占空比為D=t1/T，則電樞的平均電壓為：</p>&

15、lt;p>　　U平=U·D ……………………………………………式1.4</p><p><b>　　由式1.3得到：</b></p><p>　　n =Ea/CeΦ≈U·D/ CeΦ=KD ；</p><p>　　在假設(shè)電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下式中K= U/ CeΦ，是常數(shù)。</p><

16、;p>　　圖2.4為施加不同占空比時(shí)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。</p><p>　　圖2.4 占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系</p><p>　　由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關(guān)系（圖中實(shí)線），原因是電樞本身有電阻，不過(guò)一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。</p><p>　　3、直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式</p><

17、p>　　3.1 直流馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)方式解釋</p><p>　　直流馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)方式，就是把直流電源加到直流馬達(dá)上，使之旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　3.2 直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式分類</p><p>　　3.2.1用繼電器驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)</p><p>　　如圖所示，將微控制器信號(hào)連接到晶體管，以控制繼電器。當(dāng)微控制器送出一個(gè)高電平信號(hào)，即可產(chǎn)生ib

18、,ic，繼電器激磁，而繼電器的a-c接點(diǎn)將接通，即可提供直流馬達(dá)電源，使之旋轉(zhuǎn)。其中Vcc不一定是5V電源，而是根據(jù)繼電器及直流馬達(dá)的規(guī)格，取用適當(dāng)?shù)碾妷骸Ｒ话銇?lái)說(shuō)，電功率P=V*G，V越大功率越大；即便是相同的功率，V越大i越小，損失越小。</p><p>　　圖3.1 用繼電器開(kāi)關(guān)直流馬達(dá)</p><p>　　3.2．2 以晶體管驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)</p><p>　

19、　1、 達(dá)林頓晶體管的簡(jiǎn)介</p><p>　　達(dá)林頓管(Darlington Transistor)又稱復(fù)合管。它采用復(fù)合連接方式,將二只三極管適當(dāng)?shù)倪B接在一起，以組成一只等效的新的三極管, 極性只認(rèn)前面的三極管。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用互補(bǔ)達(dá)林頓功率晶體管-TIP14x系列，這一系列包括三組配對(duì)，分別是TIP-140（NPN）與TIP-145(PNP)、TIP-141(NPN)

20、與TIP-146(PNP)、TIP-142(NPN)與TIP-147(PNP),其常見(jiàn)規(guī)格如表3-1所示。</p><p><b>　　表3-1</b></p><p>　　TIP14x系列的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖14-13所示。</p><p>　　圖3.2 TIP14x系列的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　其中R1約為8

21、K，R2約為40歐。而其包裝采用扁平的TO-218包裝，也提供SOT-93的表面貼式包裝，其外觀、引腳配置與尺寸如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 TIP14x系列的外觀、引腳配置與尺寸</p><p>　　2、以晶體管驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)</p><p>　　將微控制器信號(hào)連接到達(dá)林頓晶體管，直接提供直流馬達(dá)的電源，使之旋轉(zhuǎn)。其中的二極管的功能是為了保護(hù)達(dá)林頓

22、晶體管，VCC也不一定是5V電源，可根據(jù)直流馬達(dá)的規(guī)格，取用較高的電壓。而此電路不但可以控制直流馬達(dá)的開(kāi)或關(guān)，還可以控制其功率的大小，以達(dá)到轉(zhuǎn)速控制的目的。</p><p>　　圖3-4 以達(dá)林頓晶體管驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)</p><p>　　3．3 控制直流馬達(dá)方向</p><p>　　3.3.1 以繼電器控制直流馬達(dá)方向</p><p>　　圖3

23、-5 以達(dá)林頓晶體管與繼電器控制直流馬達(dá)</p><p>　　如圖3-5所示，微控制器信號(hào)連接到達(dá)林頓晶體管與繼電器，其中的繼電器室2P繼電器，同時(shí)提供兩組c接點(diǎn)，由微控制器信號(hào)連接到“方向”的引腳，即可驅(qū)動(dòng)Q1晶體管，以控制繼電器。當(dāng)“方向”引腳上有高電平信號(hào)時(shí)，繼電器激磁，兩組c-a接點(diǎn)接通，而直流馬達(dá)上方連接到Q2、Q3所組成的達(dá)林頓晶體管，所以此時(shí)直流馬達(dá)上方連接到正電源，另外，直流馬達(dá)下方通過(guò)另一組c-

24、a接點(diǎn)接地。</p><p>　　若方向引腳上有低電平信號(hào)時(shí)，繼電器消磁，兩組c-b接點(diǎn)接通，直流馬達(dá)上方通過(guò)c-b接點(diǎn)接地；而直流馬達(dá)下方通過(guò)另一組c-b接點(diǎn)連接到Q2、Q3所組成的達(dá)林頓晶體管，所以此時(shí)直流下方連接正電源。</p><p>　　若直流馬達(dá)上方接電源，下方接地，將其順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，如果顛倒其接線，直流馬達(dá)上方接地、下方接電源，將其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。</p>&l

25、t;p>　　另外，我們也可以通過(guò)“開(kāi)或關(guān)”引腳決定該馬達(dá)是否旋轉(zhuǎn)。即我們不但可以控制直流馬達(dá)的開(kāi)與關(guān)，也可以控制其轉(zhuǎn)向。</p><p>　　3.3.1 以晶體管控制直流馬達(dá)方向</p><p>　　圖3-6 橋式驅(qū)動(dòng)直流馬達(dá)</p><p>　　如圖所示，Q1、Q2是一組PNP型達(dá)林頓晶體管，Q3、Q4是一組NPN型達(dá)林頓晶體管，Q5、Q6是一組PNP型

26、達(dá)林頓晶體管，Q7、Q8是一組NPN型達(dá)林頓晶體管,不管是NPN型林達(dá)頓晶體管還是PNP型林達(dá)頓晶體管，都可以找到現(xiàn)成、配對(duì)的商品，而且不貴！若使用現(xiàn)成的林達(dá)頓晶體管，電路就非常簡(jiǎn)單，而且可靠！電路的左右對(duì)稱，動(dòng)作也類似。不管是左邊的電路還是右邊的電路，當(dāng)微控制器送一個(gè)高電平信號(hào)到input1或input2端時(shí)，上方的PNP達(dá)林頓晶體管截止，而上方的NPN型達(dá)林頓晶體管導(dǎo)通，當(dāng)微控制器送一個(gè)低電平信號(hào)到input1端時(shí)，上方的PNP達(dá)林

27、頓晶體管導(dǎo)通，而上方的NPN達(dá)林頓晶體管截止。</p><p>　　若送一個(gè)高電平信號(hào)到input1端，同時(shí)送一個(gè)低電平信號(hào)到input2端時(shí)，則電流由右而左流過(guò)此馬達(dá)，如圖所示。</p><p>　　圖3-7 電流由直流馬達(dá)右端流入，左端流出</p><p>　　反之，若送一個(gè)低電平信號(hào)到input1端，同時(shí)送一個(gè)高電平信號(hào)到input2端時(shí)，則電流由左而右流過(guò)此

28、馬達(dá)，如圖所示。</p><p>　　圖3-8電流由直流馬達(dá)左端流入，右端流出</p><p>　　若直流馬達(dá)上方接電源，下方接地，將使其順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；此時(shí)，如果顛倒其接線，直流馬達(dá)上方接地，下方接電源，將使其逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　經(jīng)過(guò)這兩個(gè)方案的比較，由于方案二的性能好，可靠性高，故而選擇方案二。因此，根據(jù)原理，選擇以下元器件：</p>&

29、lt;p>　　PNP型達(dá)林頓晶體管4個(gè)；NPN型達(dá)林頓晶體管4個(gè)；330歐姆電阻4個(gè)，二極管4個(gè)；直流電機(jī)1個(gè)；10K電阻3個(gè)；電解電容10uF1個(gè)；30PF電容2個(gè)；晶振12MHz1個(gè)；按鈕開(kāi)關(guān)2個(gè)。</p><p><b>　　4．程序設(shè)計(jì)流程圖</b></p><p><b>　　5.總電路圖</b></p><p

30、><b>　　6.程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　Sbit motor1=P1^0; //聲明直流馬達(dá)位置</p><p>　　Sbit motor2=P1^1; //聲明直流馬達(dá)位置&l

31、t;/p><p>　　Sbit PB0=P2^0; //聲明按鈕開(kāi)關(guān)位置</p><p>　　Sbit PB1=P2^0; //聲明按鈕開(kāi)關(guān)位置</p><p>　　Void delay1ms(int); //聲明延遲函數(shù)</p>&l

32、t;p>　　//===================================================================</p><p><b>　　Main()</b></p><p>　　{ motor1=0; //關(guān)閉直流馬達(dá)</p><p>　　Mot

33、or2=0; //關(guān)閉直流馬達(dá)</p><p>　　PB0=1; //設(shè)定PB0</p><p>　　PB1=1; //設(shè)定PB1</p><p>　　While(1)

34、 //無(wú)窮循環(huán)</p><p>　　{ if(PB0==0 & PB1==1) //若按下PB0、且未按下PB1</p><p>　　{motor1=0; //設(shè)定直流馬達(dá)轉(zhuǎn)向</p><p>　　Motor2=1; //開(kāi)啟直流馬達(dá)轉(zhuǎn)

35、向</p><p>　　Delay1ms(500); //旋轉(zhuǎn)0.5s</p><p>　　Motor2=0; //關(guān)閉直流馬達(dá)</p><p>　　if(PB0==1 & PB1==0) //若按下PB1、且未按下PB0</p><p>

36、　　{motor1=1; //設(shè)定直流馬達(dá)轉(zhuǎn)向</p><p>　　Motor2=0; //開(kāi)啟直流馬達(dá)轉(zhuǎn)向</p><p>　　Delay1ms(500); //旋轉(zhuǎn)0.5s</p><p>　　Motor1=0;

37、 //關(guān)閉直流馬達(dá)</p><p>　　} } //結(jié)束</p><p>　　//================================================================</p><p>　　Void delay1ms(int x) &

38、lt;/p><p>　　{ int i,j;</p><p>　　For(i=0;i<x;i++) //外循環(huán)</p><p>　　For(j=0;j<120;j++) //內(nèi)循環(huán)</p><p>　　} //延遲

39、函數(shù)結(jié)束</p><p><b>　　7.結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　經(jīng)歷了這次課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識(shí)的不怎么牢固，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)更是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還急需提高?，F(xiàn)在學(xué)到的東西，在以后的工作中一定也會(huì)學(xué)到，但我畢竟早了兩年知道這個(gè)道理，它在書本上是學(xué)不來(lái)的，一定要自己經(jīng)歷了，在實(shí)踐中才學(xué)得到。</p><

40、;p>　　學(xué)到了如何務(wù)實(shí)，如何去學(xué)一門技術(shù)，同時(shí)也知道了如何學(xué)習(xí)，什么才是學(xué)習(xí)。如果每天都能像這樣的學(xué)習(xí)，大學(xué)四年的課程，一年就夠了，或許還不要。</p><p>　　其次是團(tuán)隊(duì)的力量，我認(rèn)為我們的工作是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。團(tuán)結(jié)協(xié)作是我們成功的一項(xiàng)非常重要的保證。而這次設(shè)計(jì)也正好鍛煉我們這一點(diǎn)，這也是非常寶貴的。</p><p>&

41、lt;b>　　8.參考文獻(xiàn)資料</b></p><p>　　[1]張義和.例說(shuō)51單片機(jī)（c語(yǔ)言版）.2008</p><p>　　[2]何立民．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[J]． 基于HCS12的小車智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)．2007，(3) ：51-53,57．</p><p>　　[3]方建軍．何廣平．智能機(jī)器人[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2004 :

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