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

1、電力拖動自動控制系統(tǒng) 直流電動機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的注釋 二、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(dá)的運行狀態(tài)(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止 ,顯示轉(zhuǎn)速;3. 測量馬達(dá)的反電動勢系數(shù);4. 測量馬達(dá)的力矩系數(shù);5. 創(chuàng)建馬達(dá)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(dá)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3.1列表硬件,準(zhǔn)備硬件帶測速碼盤 直流電機L298N 電機驅(qū)動模塊59C51單片機實驗板LCD1602液晶顯示屏杜邦線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,

2、設(shè)計硬件接線圖;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(dá)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(dá)的反電動勢系數(shù);(設(shè)計、實現(xiàn)、測量、對比分析Ke= (V-IR/n5.4. 測量馬達(dá)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(dá)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)比例積分控制;(設(shè)計、實現(xiàn)、測量、對比分析5.8. 緩存馬達(dá)動態(tài)過程運行數(shù)據(jù)

3、,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(hù)比較困難。 所以在一些對調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域中己被交流變頻調(diào) 速系統(tǒng)所取代。但是在某

4、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。F1.2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(4-1式中 :電動勢 (V; 一對磁極的磁通 (Wb; n -電樞轉(zhuǎn)速 (r/min;e K -與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) .2 電磁轉(zhuǎn)矩 T t a T K I = (4-2式中 :T -電磁轉(zhuǎn)矩 (Nm; 一對磁極的磁通 (Wb;a I -電樞電流 (A; t K -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a aU E I R =+ (4-3 a R 為電樞電阻

5、4 直流電動機機械特性的一般表達(dá)式02e e e t R U n T n n K K K =-=- (4-4F1.4 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 -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。a a e e I R U n C C =- (4-5F1.5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 4-3所示。n 0n Nn nnn圖 降壓調(diào)速原理

6、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。對于直流電機調(diào)速系統(tǒng),使用 FPGA 進(jìn)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 4-4所示: 圖 PWM調(diào)速原理在脈沖作用下,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DV m axV d =(4-6 式中:dV 電機的平均

7、速度m axV 電機全通時間的速度(最大T /tD 1=占空平均速度 dV 與占空比 D 的函數(shù)曲線,如圖 4-6(a所示:圖 平均速度與占空比的關(guān)系由圖 4-6(b所示可以看出, d V 與占空比 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 a U 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

8、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 0 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(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)速 的目的,即實現(xiàn) PWM 調(diào)速。在 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。電壓 (V Vd V (a(b(D 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

9、 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), V1、 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) V1、 V4導(dǎo)通時, V2、 V3關(guān)斷,電機兩端加正向電壓,可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動;當(dāng) V2、 V3導(dǎo)通時, V1、 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 V1、 V4導(dǎo)通且 V2、 V3關(guān)斷

10、, 到 V1、 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, 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

11、壓高,最高工作電壓可達(dá) 46V ;輸出電流大,瞬間 峰值電流可達(dá) 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(jìn)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 L298N 芯片驅(qū)動電機, 該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機或四相步進(jìn)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 5-4 極限參數(shù):10 自動化課程設(shè)計 電力拖動自動控制系統(tǒng) 芯片引腳圖如圖 3-6 所示: 圖 3-6 L298N 芯片引腳功能 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：5V35V ； 如需要板內(nèi)取電，則供電范 圍 Vs：+7V+35V 3.驅(qū)動部分峰值電流 Io：2A 4.邏輯部分端子供電范圍 Vss：5V7V（可板內(nèi)取電5V） 5.邏輯部分工作電流范圍:036mA 6.控制信號輸入電壓范圍： 低電平：0.3VVin1.5V 高電