直流电机毕业设计(编辑修改稿)

直流电机毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。 针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。 例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大 ， 一般都是配合变压调速使用。 所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。 其中， 在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM 调速系统两种。 直流 PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点 ：由于 PWM 调速系统的开关频率较高 ， 仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流 电流， 低速特性 好 、 稳速精度高 、 调速范围宽。 同样 ， 由于开关频率高 ,快速响应特性好 ,动态抗干扰能力强 ， 可以获得很宽的频带 ； 开关器件只工作在开关状态 ，因此 主电路损耗小 、 装置效率高 ； 直流电源采用不 可 控整流时 ， 电网功率因数比相控整流器高。 正因为直流 PWM 调速系统有以上优点 ， 并且随着电力电子器件开关性能湖南电子电 气网 13 U ( t )0tTt 0UU ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0的不断提高 ， 直流脉宽调制 ( PWM) 技术得到了飞速的发展。 随着科学技术的迅猛发展 传统的模拟和数字电路已被大规模集成电路所取代 ， 这就使得数字调制技术成为可能。 目前 ， 在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制 技术。 电动机调速系统采用微机实现 数字化控制 ， 是电气传动发展的主要方向之一。 采用微机控制后 ， 整个调速系统实现全数字化 ，并且 结构简单 、 可靠性高 、 操作维护方便 ,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平 ， 静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。 下面主要介绍 直流 电机 PWM 调速系统 的算法实现。 根据 PWM 控制的基本原理 可知， 一段时间内加在惯性负载两端的 PWM 脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效 ，那么如果在短时间 T 内脉冲宽度为 0t ,幅值为 U，由图 可求得此时间内脉冲的等效直 流电压为： 图 PWM 脉冲 TUtU  00 ，若令 Tt0 ，  即为占空比，则上式可化为： UU 0 (U 为脉冲幅值 ) （ ） 若 PWM 脉冲 为如图 所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即 UT UtnT UntU  000 （  为矩形脉冲占空比） （ ） 图 周期性 PWM 矩形 脉冲 湖南电子电 气网 14 由式 可知， 要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值 U 和占空比  来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅 值一般 是恒定的，所以通常通过控制占空比  的大小实现等效直流电压在 0～ U 之间任意调节，从而达到利用 PWM 控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。 湖南电子电 气网 15 键盘模块 控制器模块显示模块电机驱动模块 直流电机速度检测模块PWM 脉冲2 设计方案与论证 系统设计方案 根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如 图 所示。 图中控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。 在运行过程中控制器产生 PWM 脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将 当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字 PID 运算后改变 PWM 脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。 图 系统方案框图 控制器模块设计方案 根据设计任务，控制器主要用于产生占空比受数字 PID 算法控制的 PWM脉冲，并对电机当前速度进行采集处理，根据算法得出当前所需输出的占空比脉冲。 对于控制器的选择有以下三种方案。 方案一：采用 FPGA（现场可编辑门列阵） 作为系统的控制器， FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能 [3]，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高 了稳定性，并且可应用 EDA 软件仿真、调试，易于进行功能控制。 FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。 通过输入模块将参数输入给 FPGA， FPGA 通过程序设计控制 PWM 脉冲的占空比，但是由于本次设计对数据处理的时间要求不高， FPGA 的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。 湖南电子电 气网 16 方案二：采用 AT89S51 作为系统控制的方案。 AT89S51 单片机算术运算功能强，软件编 程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制 [4]。 相对于FPGA 来说，它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。 并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。 方案 三 ：采用传统的 AT89C51单片机作为运动物体的控制中心。 它和 AT89S51一样都 具有 软件编程灵活、体积小、成本低 ,使用简单等特点 ， 但 是它的频率较低、运算速度 慢 ， RAM、 ROM 空间小等缺点。 本题目在 确定圆周坐标值时 ?，需要进行大量的运算。 若采用 89C51 需要做 RAM， ROM 来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多。 综合上述三种方案比较，采用 AT89S51 作为控制器处理输入的数据并控制电机运动较为简单，可以满足设计要求。 因此在本次设计选用方案二。 电机驱动模块设计方案 本次设计的主要目的是控制电机的转速，因此电机驱动模块是必不可少，其方案有一下两种。 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。 因此此中方案不宜采用。 方案二：采用 专用的电机驱动芯片，例如 L298N、 L297N 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芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。 设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。 基于上述理论分析和实际情况，电机驱动模块选用方案二。 速度采集模块设计方案 本系统是一闭环控制系统，在调节过程中需要将设定与当前实际转速进行比较，速度采集模块就是为完成这样功能 而设计的，其设计方案以下三种： 方案一：采用霍尔集成片。 该器件内部由三片霍尔金属板组成。 当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通 [5]，因此可以在电机上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。 湖南电子电 气网 17 方案二： 采用对射式光电传感器。 其检测方式为：发射器和接受器相互对射安装，发射器的光直接对准接受器，当测物挡住光束时，传感器输出产生变化以指示被测物被检测到。 通过脉冲计数，对速度进行测量。 方案三：采用测速发电机对直流电机转速进行测量。 该方案的实现原理是将测速发电机固定在 直流电机的轴上，当直流电机转动时，带动测速电机的轴一起转动，因此测速发电机会产生大小随直流电机转速大小变化的感应电动势，因此精度比较高，但由于该方案的安装比较复杂、成本也比较高，在本次设计没有采用此方案。 以上三种方案中，第三种方案不宜采用，第一种和第二种方案的测速原理基本相同都是将电机转速转换为电脉冲的频率进行测量，但考虑到市场中的霍尔元件比较难买，而且成本也比较高，所以综合考虑在设计中选用第二种方案进行设计。 显示模块设计方案 在 电机转速控制系统中 ，系统需要 对参数、工作方式以及电机当前运行状态的 显示，因此在整个系统中必须设计一个显示模块， 考虑有 三 种方案： 方案 一 ：使用 七段 数码管 （ LED） 显示。 数码管具有 亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、耐冲击且性能稳定 等特点 ， 并且它可 采用 BCD 编码显示数字，编程容易，硬件电路调试简单。 但由于在此次设计中需要设定的参数种类多，而且有些需要进行汉字和字符的显示，所以使用 LED 显示器不能完成设计任务，不宜采用。 方案 二 ：采用 1602LCD 液晶显示器，该显示器控制方法简单，功率低、硬件电路简单、可对字符进行显示，但考虑到 1602LCD 液晶显示器的屏幕小 ，不能显示汉字，因此对于需要显示大量参数的系统来说不宜采用。 方案三：采用 1286 4LCD 液晶显示器，该显示器功率低，驱动方法和硬件连接电路较上面两种方案复杂，显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。 根据本次设计的设计要求，显示模块选用方案三。 键盘模块设计方案 在 电机转速控制系统中 ，系统需要按键 进行参数的 输入 、工作方式的 设定 以及电机起停的控制，因此键盘在整个系统中是不可缺少的一部分， 考虑有 二 种方案： 方案一：采用独立式键盘，这种键盘硬件连接和软件实现简单，并且各按键相互独立，每个按键均有一 端接地，另一端接到输入线上。 按键的工作状态不会影响其湖南电子电 气网 18 它按键上的输入状态。 但是由于独立式键盘每个按键需要占用一根输入口线，所以在按键数量较多时， I/O 口浪费大，故此键盘只适用于按键较少或操作速度较高的场合。 方案二：采用行列式键盘，这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、输出线。 按键设置在行、列线的交叉点上，利用这种矩阵结构只需 m 根行线和 n 根列线就可组成 nm 个按键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。 但此种键盘的软件结构较为复杂 [6]。 根据上面两种方案的论 述，由于本次设计的系统硬件连接比较复杂，对软件的运行速度要求不高，所以采用方案二矩阵式键盘进行设计。 电源模块设计方案 电源是任何系统能否运行的能量来源，无论那种电力系统电源模块都是不可或缺的，对于该模块考虑一下两种方案。 方案一：通过电阻分压的形式将整流后的电压分别降为控制芯片和电机运行所需的电压，此种方案原理和硬件电路连接都比较简单，但对能量的损耗大，在实际应用系统同一般不宜采用。 方案二：通过固定芯片对整流后的电压进行降压、稳压处理（如 781 7805等），此种方案可靠性、安全性高，对能源的 利用率高，并且电路简单容易实现。 根据系统的具体要求，采用方案二作为系统的供电模块。 经过上述的分析 与 论证，系统各模块采用的方案如下： （ 1） 控制模块 ： 采用 AT89S51 单片机； （ 2） 电机驱动模块：采用 直流 电机 驱动芯片 L298N 实现； （ 3） 速度采集 模块：采用 光电 传感器； （ 4） 显示 模块： 采用 1286 4LCD 液晶显示模块 ； （ 5） 键盘 模块： 采用 标准的 44 矩阵式键盘 ； （ 6） 电源模块： 采用 780 7812 芯片实现。 湖南电子电 气网 19 U7C20 .3 3 μ FC60 .3 3 μ FV in1GND2+ 5 V3U47 8 0 5V in1GND2+ 1 2 V3U37 8 1 2C30 .1 μ FC70 .1 μ F+ 5 v+ 1 2 v1234U6C82 0 μ FC53 3 0 0 μ FC42 0 μ FC13 3 0 0 μ F12J1~ 2 2 0 V3 单元电路设计 硬件 资源分配 本系统电路连接及硬件资源分配见图 所示。 采用 AT89S51 单片机作为核心器件，转速检测模块作为电机转速测量装置，通过 AT89S51 的 口将电脉冲信号送入单片机处理， L298 作为直流电机的驱动模块，利用 1286 4LCD 显示器和44 键盘作为人机接口。 图 系统电路连接及硬件资源分配图 电源电路设计 电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。 在本系统中直流电机需要 12V 电源，而单片机、显示模块等其它电路需要 5V 的电源，因此电路中选用7805 和 7812 两种稳压芯片，其最大输出电流为 ，能够满足系统的要求，其电路如图 所示。