直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)～課程設(shè)計指導(dǎo)書

1、電力拖動自動控制系統(tǒng)姓名-學(xué)號成績分組序號同組人員（簽名）本人貢獻排名指導(dǎo)教師（簽名）直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯示器A/D變換器單片機核心鍵盤和開關(guān)4V電平轉(zhuǎn)換H橋隔離和電源測速馬達馬達（對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的注釋）、課程設(shè)計內(nèi)容要求1. 設(shè)置有正轉(zhuǎn)按鍵、反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵；2. 顯示馬達的運行狀態(tài)（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止 ） ，顯示轉(zhuǎn)速；3. 測量馬達的反電動勢系數(shù)；4. 測量馬達的力矩系數(shù)；5. 創(chuàng)建馬達的數(shù)學(xué)模型；6. 實現(xiàn)比例控制 ;7. 實現(xiàn)比例積分控制 ;8. 緩存馬達動態(tài)過程運行數(shù)據(jù)，并上傳到 PC 機繪出動態(tài)過程曲線（對設(shè)計內(nèi)容的注釋）三、硬件設(shè)計3。1 列表硬件，準(zhǔn)備硬

2、件3。2 單片機系統(tǒng)的設(shè)計3.3 根據(jù)自己準(zhǔn)備的硬件和系統(tǒng)框圖，設(shè)計硬件接線圖四、軟件設(shè)計4。1 系統(tǒng)的軟件流程圖4.2 對流程圖的說明五、詳細(xì)的功能設(shè)計和實現(xiàn)5.1. 設(shè)置有正轉(zhuǎn)按鍵、反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵（設(shè)計、實現(xiàn)、測量、對比分析 ）5.2. 顯示馬達的運行狀態(tài)（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止） ，顯示轉(zhuǎn)速 ;設(shè)計、實現(xiàn)、測量、對比分析）5.3. 測量馬達的反電動勢系數(shù)；（設(shè)計、實現(xiàn)、測量、對比分析 ）5.4. 測量馬達的力矩系數(shù)；（設(shè)計、實現(xiàn)、測量、對比分析）5.5. 創(chuàng)建馬達的數(shù)學(xué)模型；（設(shè)計、實現(xiàn)、測量、對比分析）5.6. 實現(xiàn)比例控制；（設(shè)計、實現(xiàn)、測量、對比分析）5.7. 實現(xiàn)比例積分

3、控制； （設(shè)計、實現(xiàn)、測量、對比分析）5.8. 緩存馬達動態(tài)過程運行數(shù)據(jù) ,并上傳到 PC 機繪出動態(tài)過程曲線 （設(shè)計、實現(xiàn)、測量、對比分析）附錄一：永磁直流行星齒輪減速電機F1。1直流電機的特點直流電動機與交流電動機相比較，具有良好的調(diào)速性能和啟動性能。直流電 動機具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、 制動和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載；能滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中各 種特殊運行的要求.但直流電機也有它顯著的缺點：一是制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)成本高；二是運行的時候由于電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，所以可靠性比較差，維護比較困難.所以在一些對調(diào)速性

4、能要求不高的領(lǐng)域中己被交流變頻調(diào) 速系統(tǒng)所取代.但是在某些要求調(diào)速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優(yōu) 異的場合，直流電動機的應(yīng)用目前仍然占有較大的比重 .F10 2直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的基本結(jié)構(gòu)圖見圖4-1:圖 直流電機的基本結(jié)構(gòu)F1.3直流電動機的參數(shù)特性1)感應(yīng)電勢E式中：刪一電動勢(V)；(4-1)一對磁極的磁通(Wb)n-電樞轉(zhuǎn)速(r/min)2)電磁轉(zhuǎn)矩T-與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)T Kt la(4-2)式中:T 電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）;一對磁極的磁通（Wb）Ia-電樞電流（A）；與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)3）直流電動機電樞電壓平衡方程式(4-3)U E IaRaRa為電樞電阻4）直流電動機機械特

5、性的一般表達式URen2 T nn(4 4)KeKeKtF1.4直流電機的機械特性曲線直流電機的機械特性曲線如下圖4-2所示：圖一直流電機的機械特性曲線轉(zhuǎn)速下降的原因：電機帶負(fù)載勻速運行時，Te= TL,若負(fù)載TL增加，則電機的輸出電磁轉(zhuǎn)距Te也要隨之增加，也即電樞電流Ia增大。那么電樞繞組的內(nèi)阻所消耗的壓降IaRa 增加，所以轉(zhuǎn)速n下降。UIaRaCeCe(4-5)F1。5永磁直流電機調(diào)速調(diào)壓調(diào)速通:過改變輸入電壓實現(xiàn)調(diào)速，如圖 43所示.附錄二：直流電動機PWM調(diào)速原理所謂脈沖寬度調(diào)制是指用改變電機電樞電壓接通與斷開的時間的占空比來 控制電機轉(zhuǎn)速的方法，稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM ）。對于直

6、流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用FPGA進行調(diào)速是極為方便的.其方法是通過改 變電機電樞電壓導(dǎo)通時間與通電時間的比值，即占空比，來控制電機速度。PWM 調(diào)速原理如圖44所示：在脈沖作用下，當(dāng)電機通電時，速度增加，電機斷電時，速度逐漸減少只要 按一定規(guī)律，改變通、斷電時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機永遠(yuǎn)接通電 源時，其轉(zhuǎn)速最大為，設(shè)占空比為，則電機的平均速度為(4-6)Vd Vmax ? D式中：Vd-電機的平均速度Vmax 電機全通時間的速度（最大）D ti/T 占空平均速度Vd與占空比D的函數(shù)曲線，如圖4-6（a ）所示:(a)(b)圖 平均速度與占空比的關(guān)系由圖4-6(b)所示可以看出,V與占空比

7、D并不是完全線性關(guān)系(圖中實線)， 當(dāng)系統(tǒng)4允許時，可以將其近似的看成線性關(guān)系(途中虛線)。因此也就可以看 成電機電樞電壓Ua與占空比D成正比，改變占空比的大小即可控制電機的速度。由以上敘述可知：電機的轉(zhuǎn)速電樞電壓成比例，而電機電樞電壓與控制波形 的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快， 當(dāng)占空比 1時，電機轉(zhuǎn)速最大。占空比D表示了在一個周期T里開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。 D的變化 范圍為OW D 1。當(dāng)電源電壓U不變的情況下，輸出電壓的平均值 U取決于占空 比D的大小，改變D值也就改變了輸出電壓的平均值，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)速 的目的，即實現(xiàn)PWM調(diào)速。在

8、PWM調(diào)速時，占空比D是一個重要參數(shù)。改變占空比的方法有定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法等。常用的定頻調(diào)寬法，同時改變t1和t2，但周期T(或頻率)保持不變。附錄三:H型全橋式驅(qū)動電路和L298N簡紹F3。1直流電機驅(qū)動電路使用最廣泛的就是 H型全橋式驅(qū)動電路，這種驅(qū)動 電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、 反轉(zhuǎn)制動。它的基本原理圖如圖所示.VCC圖H型橋式驅(qū)動電路H型全橋式驅(qū)動電路的4只三極管都工作在斬波狀態(tài)，VI、V4為一組，V2、 V3為另一組,兩組的狀態(tài)互補，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)VI、V4導(dǎo)通時，V2、V3關(guān)斷,電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電

9、機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)V2、V3導(dǎo)通時，VI、V4關(guān)斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。在直流電 機運轉(zhuǎn)的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之 間切換，也就是在 VI、V4導(dǎo)通且V2、V3關(guān)斷,到VI、V4關(guān)斷且V2、V3導(dǎo)通， 這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補，但是， 由于實際的開關(guān)器件都存在開通和關(guān)斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導(dǎo)致上下 橋臂直通短路，比如在上橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了 為了避免直通短路且保證各個開關(guān)管動作之間的同步性， 兩組控制信號在理 論上要求互為倒相的邏輯關(guān)系，而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間，

10、 這個 矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時。F3.2 L298N 芯片L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A,持續(xù)工作電流為2A ；額定功率25W.內(nèi)含兩個H橋的高電壓大 電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、 繼電器線圈等感性 負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用

11、L298N芯片驅(qū) 動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。實物如圖5-2所示。圖 L298N芯片芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖見圖圖L298N芯片邏輯結(jié)構(gòu)引腳說明見表3 4:表5-4MW.15NameFunction1； 15Sense A； SenseB在這個引腳和低之間可以接感應(yīng)電阻用于控 制負(fù)載電流2； 3Out 1 ； Out 2A橋的輸出端口 ；流經(jīng)這兩個端子連接的負(fù)載 電流在端子1被檢測4VS用于驅(qū)動負(fù)載的功率輸出電源電壓。在這個引 腳和地之間必須接一個100nf的無極性電容5； 7In put 1; I nput 2A橋TTL輸入端6;11En able

12、 A; En ableBTTL使能輸入端：低電平使橋 A或橋B無效8GND地9VSS邏輯模塊的電源供應(yīng)。引腳與地間必須接一個100 nF的電容10; 12In put 3 ； In put4B橋TTL輸入端13; 14Out 3 ； Out 4B橋的輸出；流經(jīng)這兩個端子連接的負(fù)載電流 在端子15被檢測極限參數(shù):Vs:功率電源50VVss:邏輯電源電壓7VVi、Ven:輸入和使能電壓0.3 7VIo：最大輸出電流（每個通道） 無重復(fù)重復(fù)直流操作3A2。5A2AVsens：感應(yīng)電壓-12。3VPtot：總的功率耗散（溫度達到75度）25WTop：結(jié)操作溫度-25130度Tstg Ti:儲存和結(jié)溫度-40150度模塊參數(shù)：1驅(qū)動芯片：L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片2。驅(qū)動部分端子供電范圍 Vs: + 5V+ 35V ;如需要板內(nèi)取電，則供電 范圍 Vs:+7V+35V3驅(qū)動部分峰值電流lo:2A4邏輯部分端子供電范圍 Vss: + 5V+ 7V （可板內(nèi)取電+ 5V）5邏輯部分工作電流范圍：036mA6控制信號輸入電壓范圍：低電平：一0.3VWVin 1