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随着微电子和计算机技术的发展， 直流电机的要求量与日俱增， 它广泛用于; X; ~# {# U+ j! u) v1 D: t
打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产- s$ V+ H8 M: l' F! W3 U2 @
品中，并在国民经济各个领域都有应用。研究直流电机的控制系统， 对提高控制
2 _/ f: B( r* K( K5 v; J$ b精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。) e7 \* j+ e/ p( L: K2 B- ~
因为单片机具有集成度高、处理功能强、可靠性好、结构简单、价格低廉、) x# v' {+ ^6 j1 h3 A$ U
易于使用等优点，所以论文采用51 系列单片机进行控制系统的设计，由硬件设
. L! v) [7 m% f. c* A计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括单片机最小系统、键盘控制! K& n9 w, I& b
模块、直流电动机驱动模块、复位电路模块、晶振电路模块等功能模块的设计。& E' x4 C. [3 U+ M
软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序， 最终实现对直流电机转动方向及: ~) V9 @/ a1 a E" {5 J( Y+ \4 v0 R
转动速度的控制。系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
; t3 v) `; v) w% t6 H: F
% z$ E/ p2 U) z8 q" o1.1 研究背景) Z- v7 X6 C5 w, }
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，# c. Z+ Q! `9 b4 D3 W+ e9 }
直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，3 s/ L6 g1 O! I5 i1 ]
简单的控制性能， 高效率， 优异的动态特性， 现在仍是大多数调速控制电动机的1 F. U- M0 ~$ s3 e% ^
最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。
+ I8 n- n; k7 T& z% u3 r& v0 B) \近十几年来，单片机作为微计算机一个很重要的分支， 应用广泛，发展迅速，7 |* H V: M' o! _
已经对人类社会产生了深远的影响。单片机在生产过程控制、自动检测、数据采1 G" L8 j+ F6 S1 E& q# x
集及处理、科技计算、商业管理及办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片9 I& n- ^2 f* s% ^7 N! v) S
机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低可靠性和通用灵活性等特点，尤其是美
* S. j7 R5 Z# `$ U9 e国Intel 公司生产的MCS-51 系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、5 c& g& O5 w$ f) k/ v5 p
可靠性好、结构简单、价格低廉、易于使用等优点， 在我国已经得到广泛的应用。) ]$ \9 }8 s4 k$ ~" |
1.2 研究价值
% o# _/ {3 q3 o7 S以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制， 现在单片机已经开2 [/ Q4 n/ G' ] x
始取代模拟电路作为电机控制器。当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化! ]6 b2 O7 [3 c
和复杂化， 现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求， 为此可考虑; R, m K0 }# C. J* y2 H3 c
开发电机的新型单片机控制器，因此研究电机的调速控制有着非常重要的意义。
* B: l1 \) D6 m; v' S2 i* [1.3 研究内容
: g: Q3 u+ R8 [* a: ?' ?6 z* a本设计实现的是用单片机来控制直流电机， 其中通过4 位按键来实现电动机( t* a! d/ u- ]
的启停、正反转、加速、减速。调速系统主要是通过调节PWM的占空比大小来实
+ y: B) h1 @, i5 C( d现。; c0 @8 J }1 B5 ?/ j9 @5 M' y
2 直流电动机简介
' O, @, G1 E. F3 Z# A' J+ q2.1 直流电动机的工作原理及其构造" t2 l1 V! v* A4 C7 x) g# o. O3 A
电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置， 它的主要' C1 S9 J. R+ L3 O
作用是产生驱动转矩， 作为用电器或各种机械的动力源。直流电动机的励磁线圈. K x9 a+ f5 S$ X9 l( ~
两个端线通有相反方向的电流， 使整个线圈产生绕轴的扭力， 使线圈转动。为使
, j* x* N! }1 P! a2 h电枢受到一个方向不变的电磁转矩， 关键在于当线圈边在不同极性的磁极下， 将6 G: f- w8 D2 f2 g
流过线圈中的电流方向及时地加以变换， 即进行所谓“换向”。为此必须增添一' f' L" p- h; n9 H, G# p
个叫做换向器的装置， 换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个! `& L8 c4 g- \9 `. f
方向，就可以使电动机能连续的旋转。
1 u, l$ i0 a! G( |- u直流电动机的构造分为定子与转子两部分。定子包括：机座，主磁极，换向极，电
: A" m, g! v/ W- R5 L刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。* d& j4 ?" \5 [: k0 o# e$ W
（1）定子
* ^0 W$ X' E2 B/ P8 F定子就是发动机中固定不动的部分， 它主要由机座、主磁极、换向级和电刷6 U8 E* ]9 Z9 D6 E
装置组成。机座不仅起到导磁的作用， 而且会起到机械支撑的作用。主磁极的作& t8 }* F5 m8 Z# u6 c6 y" O
用是在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密， 也称主极。一般
% h8 c- a G4 M( Y# l g大多数直流电机的主磁极都是由直流电流来励磁， 因此主磁极上还应该装有励磁7 b: o4 o+ O* B5 W2 I* G
线圈。换向级一般用整块钢板构成， 且外面套有换向级绕组。换向级绕组导线的
. R* F( ^* Z9 E5 I3 i# A; p& P; ]截面积比较大， 而匝数比较少， 是因为换向级绕组里有电枢电流流过。电刷装置
- d: V9 a7 }: a' D的作用是把电动机转动部分的电流引出到静止的电路里。电刷一般情况下与换向
J8 J2 m& Y1 ~1 M器配合使用。) R7 y6 c2 h7 m1 v9 p2 e" x: c3 d
（2）转子4 n- B( B1 R' y- z1 `2 `* ~' d3 ]8 i
转子是电动机的转动部分， 主要由电枢和换向器组成。电枢是电动机中产生
q: b# c* v! Y0 g7 d感应电动势的部分， 主要包括电枢铁芯和点数绕组。电枢铁芯成圆柱形， 由硅钢. C# S/ P* }+ v( ]8 [
片叠成，表面冲有槽， 槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁
# H( n! N( {- `. g+ U8 C; N: s, q+ M力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。换向器
- ]1 U* F+ H1 @) |3 R. d$ n0 p( J又叫做整流子， 对于直流电动机来说是一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成， 片2 P" U; s4 {* h, b) u1 u
间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上， 用压圈固定后成为换向器再压装， 在7 a1 ~$ T9 S9 X2 ?5 S' l0 f
转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。固定的电刷被
+ [( L2 H, {; P# Y) c8 m" O换向器用弹簧压在表面， 进而让转动着的电枢绕组同外电路连接到一起， 与此同
- Z/ u; _& J% e1 b3 ?/ F: h时可以将外部的直流电流转成电枢绕组内的交流电流。
& `, P( X+ w0 A2.2 直流电动机的PWM调压调速原理: s& a3 U5 m- q- ?4 U) S
直流电动机转速n 的表达式为：1 y' j+ }, Q4 x5 x4 }
n=(U-IR)/K Φ （2-1 ）错误！未指定书签。8 [# A( D' M5 _! R
式中： U——电枢端电压； I ——电枢电流； R——电枢电路总电阻； Φ——每极
; _1 A9 ~+ n) Z8 J" F5 v, o磁通量； K——电动机结构参数。6 V, J- ]6 s7 B) a
由式2-1 可以看出，直流电动机的转速控制方法可分为对励磁磁通进行控制
7 A0 u _" D+ ^* D; H5 _的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。本设计使用的是励磁恒定不% g$ U/ h& D& R: L
变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。
; y- J6 p4 {' m6 G0 t- g4 ]绝大多数直流电动机使用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件
. y, J+ _* q) b工作在开关状态， 通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压， 实现调速。此时电7 p+ R/ Z) ^. P% F
动机电枢绕组两端电压的平均值U0为：9 ]9 T& U1 Q3 v9 N
U0=(t 1US+0)/(t 1+t 2)=t 1US/T= αUs (2-2)
/ @+ d6 f' ~. I0 B* l式中Us 为电源电压， T 为一个脉冲周期， t 1表示在一个周期T 内开关导通的
0 o# a/ o5 b+ [时间， α 为占空比，表示一个周期T 内开关导通时间与周期的比值，变化范围
# A9 A+ i/ b$ V1 A$ c7 x# Q J i为0≤α≤1。当电源电压Us 不变，改变α 即可改变端电压的平均值，从而达到
! u* e( b0 y# C. Z, A+ o; \调速的目的。. m) Z7 ~ Q8 v) ^' U
3 控制系统的总体设计. `7 A0 a& O& \
3.1 设计方案分析与比较
; e1 e) t, S0 f( S1 d. b. ?1、电动机调速控制模块
# C$ Y( {7 ~7 `" x# a. n方案一：电动机的分压是采用电阻网络或数字电位器调整， 进而实现速度的
* K% B6 a) q4 L3 c, s# O8 _控制。但是采用电阻网络仅能实现的是有级调速， 采用数字电阻元器件的价格较! P$ a, m, ]* K# v
为昂贵。最重要的是一般电动机的电阻很小电流很大， 尤其是在分压的时候不仅! ~' U( U; p" |
会大大的降低效率，而且在实现时也很复杂。
0 I' m1 ]6 I$ M2 _7 w6 K方案二：若使用继电器来对电动机的开（关）进行控制，通过开关的切换来
& ]0 Q& p# y8 t% [/ v0 g实现电动机的加减速。该方案的优点是电路简单， 存在的缺点是继电器的响应时8 n3 P8 t9 X. R1 S
间长、机械结构容易损坏、可靠性不高。, n# g/ q$ ?. w6 D+ L- O% c
方案三：若使用由达林顿管组成的H型PWM电路，单片机可控制达林顿管工; P% G3 [; `/ p- U. K+ h
作在可调节占空比的状态， 从而调整电动机的速度。由于这种电路工作在管子饱
& N8 A; @5 X S, Q# _9 O和和截止状态下，效率很高； H型电路可以实现较为简单的方向和速度的控制；
6 C4 K' w! ~, N- Y电子开关的速度快、稳定性好，是一种极为广泛的PWM调速技术。
" S% Z# P+ }( @5 ]: U综上所述，分析各方案的优缺点本设计采用方案三。
$ p! G* L0 |5 N4 s1 p- {/ ]; u# ^2 U2、PWM调速工作方式
; B3 \! s6 @; [9 x方案一：双极性工作方式， 是在设定的一个脉冲信号周期内， 单片机有两个& L$ u. F2 r- Q3 g: T* n0 H+ f) }
控制端口各输出一个控制信号， 通过两信号的高低电平差值来决定电动机的方向. p. o- j: ?1 O) W; y+ R
和速度。
. f9 B: M6 [4 g* b& t: B) s方案二：单极性工作方式， 是单片机的控制端口接地， 另一端输出PWM信号，0 \* D/ E1 f9 p- _7 V1 C, E: I
切换两口的输出来调节PWM的占空比，进而可控制电动机的方向和速度。
2 w7 e; P& g i$ `2 f( I* J' q因为双极性工作制电压波中的交流成分比单极性工作制的大， 电流波动也较
. X+ ]/ R; K# y. n) E4 q大，所以本设计采用了单极性工作制。 }, y/ Q1 _: U7 P& h; j# c
+ _6 h& R2 w$ O8 j. Q7 Z" E* {4 p
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发表于 2019-11-25 13:21
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