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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
) y1 ?+ U' `) O0 a6 p3 a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
' M# N/ s3 r' v* I0 k' u1 q& j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3 [) }: @# k& [$ H
精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
/ `% T3 _0 U: W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、
6 V" F8 B/ o& {" @# p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
$ ^/ c: d5 _2 `* r$ j2 N8 y4 z- j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
) }1 p- L, [! H# W' R( i9 S# o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。
6 R9 B/ Q- j! s% V: t1 y% K* R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3 d9 Q7 V; ^- N: ^) Q& w
转动速度的控制。系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
3 f2 I: j0 Y8 z, l# F& P
7 y5 b, e4 v& [. Z+ w( x5 D1.1 研究背景. |* |2 k/ Y; i, \ f
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，
8 f% \% R7 |* ]3 `7 y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，
: X' n6 F3 {5 q* V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
: l: S7 J1 N: o* X# k" O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。
- {# U) K+ z2 g# P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，" q5 G; c( u# B8 t, f0 m
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9 t0 T9 F% p4 g) V
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
5 I6 \! s1 P# l' |4 G- y9 _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% C, I, Q6 g$ z
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、7 B% y% Z5 s- b: }! |8 x# Y8 R: A' A! z
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。
1 c! p" y W; O6 _2 O1.2 研究价值& G( y3 {9 \- j4 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
- O- D+ u: O& M6 }( N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
) g% F& R: k$ {1 b( j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' O2 k) n+ X5 E
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。2 t M# A$ [- N) n; W3 Q
1.3 研究内容% c7 @7 E0 I3 M. I$ T8 X+ R* l
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
- W; Q4 n( N# N* L" ~, f6 Y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
$ H9 H9 ^/ ~) W7 m t现。
# G8 G" x2 D, f, G1 x L. e* x& o2 直流电动机简介
& a: P9 |: y4 z; C2.1 直流电动机的工作原理及其构造2 m+ E6 ?, f% b" A5 N) u6 [( C: N
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+ `: R; u: x( q5 A
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
: a R _& a& e1 p0 w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6 b) V) Z/ Z6 ?
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8 K2 V' L8 D @( n. m: }) m) e
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
: a' d2 k7 I. L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# v$ `9 l' `; w8 r
方向，就可以使电动机能连续的旋转。& V& E( u8 F& x. F
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, V1 v0 A4 i7 s9 u1 E5 ^
刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。% z @' T3 F* \0 }! C
（1）定子% W9 P' a& M4 ?
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" K) y( h2 {3 t C* l; C1 z
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
( b4 C( V) q ^1 X& v6 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, b& a& V. v( B" [* Z: w
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+ j4 G/ t/ n+ M$ {# ]9 l ^+ V8 p
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
: E \& _; A" B* {; ^3 ~8 L6 k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
1 ~: G) x% 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
& k& d* X6 ^. n5 v1 z6 _器配合使用。
, C/ ~; ]5 A, o; b* g（2）转子
6 \6 z( n! s, j% j) z. S6 t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+ T. t: a; n% y8 x" r- I/ L5 j
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+ e% v! k' q3 \7 ?' a6 c
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! ~4 A# h% w& Z; ~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+ Q9 F: S+ v4 B5 b0 s: T% s
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, V) B2 z6 \4 Q6 x- b
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/ X& ]3 U" G0 _8 ]: a# q) 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) X3 b* z6 i4 Z* w$ Y( f* O, I
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0 W) {2 |8 x8 W; ^2 k
时可以将外部的直流电流转成电枢绕组内的交流电流。, C; a0 @ P( {* z7 e/ m
2.2 直流电动机的PWM调压调速原理
; b1 n) g- @1 a直流电动机转速n 的表达式为：
" p# ]4 A2 h! L8 B6 {; f0 Mn=(U-IR)/K Φ （2-1 ）错误！未指定书签。
2 I# \4 h/ @6 ~! T; I' c8 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2 K$ _* Z; a- o
磁通量； K——电动机结构参数。
$ s$ p7 L& W0 G' A* b8 \& y5 K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
. l4 m7 G8 Q& A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
! s7 O# \6 {/ c! t( b变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。
4 P& E# p; `( v$ a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
) d/ O0 f! T! q# Y! g* N K. ~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) \. L3 w" O5 Z
动机电枢绕组两端电压的平均值U0为：
$ r% w( ^( }( K7 R; CU0=(t 1US+0)/(t 1+t 2)=t 1US/T= αUs (2-2)2 ?: X/ \) B6 w' B
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
$ g5 ~9 @4 d9 h- y% S7 \6 V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
: t. f" d& u& V1 \) N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$ ]8 a' v! ~4 f调速的目的。
' O6 b# U" f4 _2 g6 D$ Z% n h) m3 控制系统的总体设计
9 b/ S% x4 t, g" x0 j1 g# E3.1 设计方案分析与比较
: |$ [% ]$ O2 _; _% `1 y1、电动机调速控制模块
$ R) x- r+ B$ s6 D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
8 m: ?+ `7 p5 m" ]" z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
1 x8 ^4 H4 b- U& z* 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! K# ?9 E: h7 ]/ |6 y
会大大的降低效率，而且在实现时也很复杂。
) D* e$ K6 |, G/ t0 m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
4 U" N3 ^, R! p5 {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
q) q* e$ G8 f, `: q2 S( R4 ]2 n# {间长、机械结构容易损坏、可靠性不高。
( F& ^% N4 a8 k& g* s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* X9 s+ w; O4 m: D, ^0 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# [: l/ w7 H% F5 y' 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；) S0 I1 `+ |0 R8 Q3 [$ n$ g1 n
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。3 ]0 N' ` L. U
综上所述，分析各方案的优缺点本设计采用方案三。
, V' F3 i& j2 P+ M2、PWM调速工作方式
9 y1 N. s% O, j5 W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# u; A( O0 T, G: w
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
, c9 M: c. U, O" g) c- T和速度。
4 L3 m+ B# V' ]: }$ K+ v$ ]2 W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 I8 Y( t7 t% L7 ?, n
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。
; n) f7 S! @, W/ R: p U9 G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# F4 N" Z Z: n' q9 u7 t2 z1 [+ l
大，所以本设计采用了单极性工作制。
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4 N& c5 Q2 b" b. R8 _9 D4 h7 R. M3 m
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发表于 2019-11-25 13:21
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