直流电机设计论文

目录

绪论 ............................................................. 1 一、总体设计方案 ................................................. 2

1.1PWM波调速 ................................................. 2 1.2直流电机调速检测系统原理框图 .............................. 3 二、 单元模块设计 ................................................ 4

2.1 H桥驱动电路的设计方案 .................................... 4 2.2 调速设计方案 .............................................. 5 2.3 系统硬件电路设计 .......................................... 6

（1） LM3S2110芯片介绍 .................................... 6 （2） 电源电路 ............................................ 7 （3） H桥的驱动电路 ....................................... 8 （4）按键模块：含按键模块、4*4矩阵键盘，并可4位单独使用。 8 （5）基于霍尔传感器的测速模块 ............................. 9 （6）LCD显示模块 .......................................... 9 2.4 调速设计模块 ......................................... 11

三、系统功能调试 ................................................ 14

3.1调试软件介绍 ............................................. 14 3.2 直流电机介绍 ............................................. 14

(1) 直流电机的特点 ....................................... 14 (2) 直流电机的基本工作原理 ............................... 15

3.3 电机速度的测量 ........................................... 16 3.4 系统电路的原理图 ......................................... 16 3.5 系统的PCB图 ............................................. 17 四、设计总结 .................................................... 18 五、参考文献 .................................................... 19

绪论

随着公元前古人对电荷的发现，到如今各种使用电流的电子器件在工业生产及家庭生活中的普遍运用。可以说我们现在生活的社会离不开“电”。通常意义上电流可初步地分为交流电和直流电，其中有一种使用直流的电动机运用广泛我们叫它直流电机。从小的方面说，例如空调，吹风机，电动剃须刀，电视机，电饭煲，电子玩具等等内部都有直流电机的身影；从大的方面说像工厂中的自动控制系统，医院中的各种医疗电子器件，或者是整个城市的交通监管设备都不能缺少直流电机。这样看来，控制直流电机是一门很贴近生活的技术，是一项很有实用性能力。

直流电机是依靠直流工作电压运行的电动机。大体上可以分为三类：电磁式直流电动机，永磁式直流电动机，无刷式直流电动机。直流电机的特点是启动转矩大，最大转矩大，优点是易于调速，调速后的效率很高。但是由于它采用整流设备，所以结构复杂不易于维修并且它使用的是直流电与交流电相比生产成本较高。随着现今科技的迅猛发展大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，从而研制出了各种类型功率的变频调速装置，并在工业上得以被广泛应用。直流调速器的应用范围有：电工机械，包装机械，食品加工机械，纺织机械，轻工机械，生物医疗设备，通讯雷达设备等等各种领域，各个行业。即便如此，拥有高性能低成本的交流转动电机的使用比重在逐年上升，随着技术的日益成熟，用可调速的交流转动电机取代直流转动电机将成为一种必然的趋势[1]。

虽然这样，但是我觉得作为一名电子系的学生设计一个直流电机调速系统，无论是从学习还是实践的角度来说都是大有益处的。这更能使我们把枯燥的理论知识与生活中的实际应用结合起来，大大地提高了我们的学习兴趣。

一、总体设计方案

1.1PWM波调速

近年来，随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation, 简称PWM）控制方式已成为主流。这种方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电机控制数字化提供了契机。我们就是利用PWM波的原理来进行直流电机的调速。

图1 PWM波调速电路

达林顿管用单片机控制使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围[2]。

1.2直流电机调速检测系统原理框图

2直流电机调速检测系统原理框图

图

二、 单元模块设计

2.1 H桥驱动电路的设计方案

H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。如图4所示，要是电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，可以控制电机的转向。

图4 H桥驱动电路

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图5所示，当三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

图5 H桥驱动电机顺时针转动

如图6另一对Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

图6 H桥驱动电机逆时针转动

2.2 调速设计方案

所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。

对于直流电机调速系统，使用FPGA进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。PWM调速原理如图7所示。

在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机永远

接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为

Vd=Vmax·D

式中，Vd——电机的平均速度

Vmax——电机全通时的速度（最大） D=t1/T——占空比

平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图7所示。

(V)

1

(D)

图7 平均速度和占空比的关系

由图7所示可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。[7]

由以上叙述可知：电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比 …… 此处隐藏：5100字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……