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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0 I6 B& y( `$ y+ P% H: H
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
g& k |* B' ~9 G( K- Y" ]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% }1 z; ] N2 o6 U3 @
精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
# U) R9 N5 ~9 _6 R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、/ W, v( A9 r' a. f
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 ^* [3 F1 a: n# i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" ]; i! t* y: V( d( s5 x& k* J
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。. P- G2 [9 H' t" B
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7 L5 u" @; f6 M. C+ 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。
2 r# |3 l% s# P4 Q" G7 U8 u0 G' q; x: d0 p4 Z
1.1 研究背景) q- z$ |+ I! j y; Z
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，# Q7 A9 U2 e7 E
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，
' c2 N/ k% t p$ C/ k' ^; ]( Q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
8 V, u3 s0 l8 f( [3 T! F. D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。
$ F, W2 V4 {% s' Z. y8 O, r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，% @4 y7 l8 M) y* I0 b8 ?
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
& l3 n! g5 M1 u* f( e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
, @# K% j+ v9 t9 p& L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
- S7 F) R! X( L C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、8 `- t! q! S+ A, f& N
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。
/ ]" u0 B( v. B6 r+ {( v" s1.2 研究价值3 O9 k! t: w! O4 v# T
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. X* P5 t, \5 B' U, m
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
- v7 t( t9 O s4 f9 a2 A5 e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# ^: [, N* S2 V( Y
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。
+ p1 x0 D- o0 ~1.3 研究内容
3 z0 ]4 A5 q, B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3 ?' d2 E9 u/ k$ C3 T. X7 X
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' Z; ~! \& e. x
现。
: |; V0 D: X+ t0 J2 直流电动机简介
6 n9 e* x& @1 `8 y- _, y; r2.1 直流电动机的工作原理及其构造
' ~9 c' w9 U1 Z( I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- Q& r! z' p& h7 G, t" a# u3 j2 t
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) e6 K; p4 U" }8 @
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" I) V! I+ }1 ~8 s& t
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( M* r G( S5 @% ?. W
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
7 S' R5 |+ L, O: s; e: r% D- e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/ \" g9 B8 n7 s* D+ F
方向，就可以使电动机能连续的旋转。+ [/ W$ h8 D( Y9 @! C, a, a: n
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0 o# L0 P7 R( U `+ T
刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。; M; N! R. I1 Y; d
（1）定子
& ~6 w$ c7 |* c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! Q% l: T" q3 i8 L$ f6 D
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
' K% z( k8 ]( j1 t9 y5 a5 j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$ I( Q4 ?' f' X7 ?6 \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! z7 Y8 s+ m; a) c: y
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7 P. U+ m: l. u/ Q, [* L( B
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
" o: c% @7 D* B) y' J; m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' E; f% S0 ^) j5 k7 Y
器配合使用。
, |. H+ b4 }. N' ~# s1 o（2）转子
* r: r7 x/ U J, J1 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
0 b4 ~/ d5 C: \7 ? _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
& h; x/ z$ m) ?4 ~/ D% x9 `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3 Q" P$ @1 E8 p
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) e: Z6 B W# t/ y
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3 ?: Z9 y6 m X
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1 a# X& Z$ W' V. F5 @+ U
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
, F% w, Q) [+ Y+ b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
. @) r$ |' T0 j时可以将外部的直流电流转成电枢绕组内的交流电流。8 ?+ C9 x. u" E
2.2 直流电动机的PWM调压调速原理( m" K. u1 `! K/ h- y h
直流电动机转速n 的表达式为：
* |3 g+ O! l+ T# Tn=(U-IR)/K Φ （2-1 ）错误！未指定书签。5 f$ P" {* b% I& J* {
式中： U——电枢端电压； I ——电枢电流； R——电枢电路总电阻； Φ——每极$ _/ K0 I8 u8 k4 u8 W: N* L% N& P: O
磁通量； K——电动机结构参数。
$ S0 x# J$ Z/ ^ G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
3 [, l: L, D9 P( H* [; N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0 L/ b E' R3 j; f
变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。
4 _! J1 @. K6 ~" C/ I1 s; s. ^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3 l- K7 E. }& L2 z: t9 C: Q
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
- n0 ?! `' A& y( a( V动机电枢绕组两端电压的平均值U0为：
' H7 r' J! }( A( n: WU0=(t 1US+0)/(t 1+t 2)=t 1US/T= αUs (2-2)' q2 q2 {# G, ~6 q3 Y* ]
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
+ A' m" _3 S( H. @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4 [7 S0 U3 L$ n" @5 ?
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
9 _& y. B' e0 l# V4 l0 D调速的目的。
' q/ u9 Z; l7 v2 x3 控制系统的总体设计
2 Y; Y! J* C9 Z" |. V( {5 a9 S2 c3.1 设计方案分析与比较2 T3 A1 m X2 W' ^: ~+ |
1、电动机调速控制模块
% O9 @- f0 r& J, Z* Q: B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
4 a. k3 m) `7 O& E4 Q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
7 S. }, W5 K4 `, W5 f7 V& h3 K. G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8 D6 ~" v0 x3 n' W2 P( X( u
会大大的降低效率，而且在实现时也很复杂。
1 x) ~- V" E% K: y2 s" U& 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
1 u7 x& V: C6 y. x/ F1 S% c% h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
6 N2 R' L4 s g2 n间长、机械结构容易损坏、可靠性不高。$ b2 J7 J8 }# d1 J: Y
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& @$ `5 T2 h- m; V& B
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3 Y; s: w. h' k' i" K1 D! A; F2 l
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；
K' Q q# J: n, w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。/ m. ?' u. }9 M5 ?
综上所述，分析各方案的优缺点本设计采用方案三。
! a" F8 ^+ s* f. c$ K0 f# w2、PWM调速工作方式
M4 G0 |6 ?" B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
! _3 k% Y6 |5 G* ]6 o2 v% 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
6 [1 X+ C% o, W( _6 \和速度。
2 H7 `: K6 d& A% 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，
. @* s6 N4 r3 ?4 w. s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。
h+ J* w1 w4 b* ?! Q7 i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
3 L: j. K& d1 T4 c9 q" ?; i; m大，所以本设计采用了单极性工作制。
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发表于 2019-11-25 13:21
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