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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
2 I: L; }8 r: q. Z7 F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
: A' n1 Q9 k, l% p& {; h' |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- w$ f" d9 h/ ~" h" K
精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
9 c5 {( Q- I: B* t G/ n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、- f4 ~" A# K7 q" _* x% v7 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4 f% M3 W) X, x. L+ m# x
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
# e. p- G0 @/ ~# l' E6 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。
: e6 V+ T) ^: }2 T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
( ?6 i- K0 o0 r1 o$ a# {( 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。
2 Z5 j6 @+ I) A( @; [; h
, [; _1 i1 z+ h& H' N3 [1.1 研究背景
( |1 m: I/ j7 |2 Z( b, P9 ^9 q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，
. h8 J6 G5 c4 X9 `! d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，1 p0 i, Q+ L N1 H
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
3 b- c1 X; F$ A3 c0 i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。
+ m( \! x+ n& x H& y% T7 i' g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，
# b. f+ d! S- _1 i. v6 C- M0 q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 T- y- a! u) z: t. W- w: i/ Z
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
3 t) L! z/ t) F* }1 q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4 {) Q" H* H# `3 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 i1 B) l1 j( N$ _; b" S" |
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。
6 j. {8 o% {. D) ?" B# ]( H1.2 研究价值
- j% W8 ?' V8 y; O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
& P$ ?2 G0 Z5 a* @& B4 W: q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
4 ]) P7 [8 U) q- {6 e7 m6 f5 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
8 e, v! M- e: D: ]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。
; S. ?7 z8 K w7 d* _ J9 o! P1.3 研究内容' p# \7 k- B* x- \- p/ y
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
8 D% ^9 Y+ ^' P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: M2 d3 B7 e1 U, M: m( x5 r9 K
现。3 {: m a1 r0 z0 H4 X
2 直流电动机简介0 c! V/ {' h2 [) i' V& `
2.1 直流电动机的工作原理及其构造& }6 ?: H$ e) J+ Z. s! j# |3 w V
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: E6 N9 F' J, S5 B/ m* H M# Z
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0 U. e2 s& X& \9 q* }+ s# y
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1 i( C- a' u4 |+ n
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
/ |: I+ o R W( D$ 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
3 V6 F" C- d' w- y: a5 X g: d j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/ k6 o: Y1 W d; [2 x
方向，就可以使电动机能连续的旋转。
5 N, A0 F+ @ p/ W' V* Q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
2 f0 V7 x' v# L- k0 P刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。 J, I' t S8 D: M* {" A
（1）定子
/ `( e$ u( o O Z; B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
& Z! B! A. D8 U5 \7 A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
, @- `8 a& N# @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' ^! ~9 X% l: c
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9 k, m" M$ w; M& p2 a f
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+ z& V/ _+ p6 a# U
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 }* ]$ ]8 I; D: A, J! L# L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/ W( ~# `8 W+ S
器配合使用。2 U: O/ d. }* {+ @2 h4 H6 ]/ X4 `
（2）转子
+ V- ~; E9 ~/ |0 j: w5 E* U3 ] q9 d* @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0 x2 \6 [4 k6 u8 d& U) y
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* ?1 Q+ Y% Y1 H( s" K+ o3 R; s, B
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# S2 B4 k7 Z S5 I4 @
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
& ~8 B: _& n, s. H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/ ? {: z) F2 ?1 e5 y# I( @
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3 `* y& y' h4 D) {) j, g) M! s
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2 C$ B& D. M8 M0 P
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
7 @! d b: N! N9 V时可以将外部的直流电流转成电枢绕组内的交流电流。
! l, h0 u( Y: I) Z" s: I7 J2 ~% i& F2.2 直流电动机的PWM调压调速原理+ C$ b" v9 ~, T4 S5 G+ Q
直流电动机转速n 的表达式为：
; S6 x3 B7 ^. h# z3 w& B2 `n=(U-IR)/K Φ （2-1 ）错误！未指定书签。
8 \& P a$ p0 s9 ~式中： U——电枢端电压； I ——电枢电流； R——电枢电路总电阻； Φ——每极 b7 P; P& f- k" J0 u' E
磁通量； K——电动机结构参数。
) c( p ?6 w6 |5 W" _3 T# v$ t8 Q$ L9 u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) E% R$ y O% r* l
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8 X/ m9 I+ q9 V$ d1 M
变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。$ e7 W" w1 u2 G& ^ {3 F
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
% T+ m' l% Q' K" i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
1 Z0 F4 S( ]4 V. C+ I1 ?动机电枢绕组两端电压的平均值U0为：$ z9 z- \. I' q# {2 D
U0=(t 1US+0)/(t 1+t 2)=t 1US/T= αUs (2-2)
. e9 {+ B) w2 h" z) |, {6 M4 v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" E! F9 Q4 H9 s: z: `5 w( p
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; X% y, O0 c% O) a$ 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
$ g0 l- g* g0 o5 x" p( j/ m调速的目的。
* C A) q8 ?- N% v9 I3 控制系统的总体设计
' i$ q. S/ h# A% s5 t3.1 设计方案分析与比较 H; F2 m( A# U. ?7 P% n8 Y/ H& u
1、电动机调速控制模块
' F+ n2 |. Z) j- q* Q# s& C) @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
6 T$ w4 n) M5 b+ P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
) W2 _' @; w5 @/ T& \8 ^6 n9 q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
0 K2 d0 h4 @1 ?5 w3 y会大大的降低效率，而且在实现时也很复杂。
9 V0 t' W7 u+ q- g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 G7 ?/ V6 L7 \$ N! I
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" }: L" O" _$ T9 h" _' D3 S
间长、机械结构容易损坏、可靠性不高。
5 z: A! [- \6 ~; l, Q" r, 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
, z( q9 Y/ x; v2 z4 z9 h5 u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
* H2 r; u. o+ u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；4 v4 Y( |) f1 M( y6 L, f
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。
& X9 o2 }2 @. v% H# U M8 V& {综上所述，分析各方案的优缺点本设计采用方案三。
( a4 j1 F1 ?3 T) ?7 l1 b2、PWM调速工作方式5 N3 T1 @# v2 i% Q8 E; U- {
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
0 h$ O! ~/ Y* u1 j+ ^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/ X+ l! N1 X+ }) e
和速度。
4 S- y% W/ F2 x# ^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，
5 t: h" ~! a, y* K& m$ Y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。
, @4 {" V J+ r M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* ^% \0 U8 _1 y9 q( {8 f' T
大，所以本设计采用了单极性工作制。
( S9 ]' {& j. E+ s+ H+ [6 w. x( ^* q$ H* f/ y% }$ g
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发表于 2019-11-25 13:21
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