直流电机转速控制讲义.docxVIP

摘 要 直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，在日常生活中应用的非常广泛。如何快速准确的控制并测量电机转速，并将其显示出来是我们的研究重点。此次光电设计以 C8051F310 单片机为核心，辅以按键输入需要的转速，转换成对应的PWM波控制电机，同时用光电开关来测定转速，并将转速显示在LCD1602显示屏上，最终通过反馈将转速控制在误差范围内。 关键词：电机转速 PWM 光电开关 C8051F310 目 录 摘要……………………………………………………………………1 1 技术指标…………………………………………………………….3 2 基本原理……………………………………………………………3 3 方案论证……………………………………………………………4 4 硬件电路设计………………………………………………………6 5 软件设计………………………………………………………………9 6 测试报告………………………………………………………………11 7 结论………………………………………………………………..14 心得体会…………………………………………………………………14 参考文献……………………………………………………………..15 附录……………………………………………………………..15 1 技术指标 ⑴ 以51系列单片机为核心 ⑵ 电机的转速调节范围为300~3000RPM ⑶ 可以实时显示电机转速 ⑷ 转速控制精度 5% ⑸ 可通过键盘设定转速 ⑹ 采用光电方式测量电机转速 2 基本原理 2.1直流电机的调速原理 直流电机结构多样，但不论什么样的直流电机都有定子和转子。其中定子由主磁极、换向磁极、机座等几部分组成；转子主要由铁芯、电枢绕组、换向器等组成。常见直流电机外形和内部结构如图2-1所示。 图2-1 直流电机结构 直流电机按励磁方式的不同可分为；他励、并励、串励和复励电机四种。不同励磁方式，直流电机的机械特性曲线也不同。对于直流电机来说认为机械特性方程式为; n=UaCE?-RaCECT?2T=n0-Δn (2-1) 式中：n0 是电动机的理想空载转速，其值为 n0=UaCE?；Δn 是转速差；Ua 是电枢供电电压（V）；Ra是电枢回路总电阻（Ω）；? 是励磁磁通（Wb）；CE 是电势系数；CT 是转矩系数。 由式(2-1)可以看出，改变电枢电阻Ra、电枢电压 Ua 和励磁磁通 ? 中的任何一个都可以使转速n发生变化，所以直流电机调速方法有以上三种。但是利用改变电枢电压调速可以实现平滑的无级调速，且调速稳定，调速范围发等优点。故本设计采用改变电枢电压来进行调速。 2.2 PWM调速原理 PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。下面简述一下PWM调速系统的工作原理。图2-2给出PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形。 图2-2 假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图2-2(b) 的波形图，可以得到电机电枢端的平均电压 Ua=T1TUd。如果α=T1T，α 可定义为占空比。假定输入电压Ud 不变，α 越大，则电机电压 Ua 就越大，反之也成立。所以改变 α 就可以达到调压的目的。 改变 α 有三种方法：第一种就是T1保持不变，使T2在0到 ∞ 之间变化，这种叫定宽调频法；第二种就是T2不变，使T1在0到 ∞ 之间变化，这叫调宽调频法；第三种就是T保持一定，使T1在0到T之间变化，这叫定频调宽法。本设计采用的是定频调宽法，电动机在运转时比较稳定，并且在产生PWM脉冲实现上更方便。 3 方案论证 3.1方案描述 系统硬件部分主要由电机控制电路和转速测量电路组成。单片机采集输入的转速并产生相应的PWM波作为电机驱动芯片的输入，驱动电路的输出接电机控制电机转速。通过测速电路测量电机转速并送到单片机作为反馈，最终使电机转速控制在误差范围内。显示器LCD1602显示设定的转速和测量的转速。 设计系统框图如图3-1所示。 图3-1 系统框图 3.2方案比较与选择 3.2.1电机驱动模块设计方案 方案一: 采用大功率晶体管组合电路构成驱动电路，这种方法结构简单，成本低、易实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接，使得电路复杂、抗干扰能力差、可靠性下降，我们知道在实际的生产实践过程中可靠性是一个非常重要的方面。因此此方案不宜采用。 方案二：采用专用的电机驱动芯片，例如L298N、LG9110等电机驱动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行，所以我们在应用时只需考虑到