直流电机课程设计.docx
- 文档编号:17994872
- 上传时间:2023-08-05
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:308.84KB
直流电机课程设计.docx
《直流电机课程设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《直流电机课程设计.docx(15页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
直流电机课程设计
测控系统课程设计
课题直流电机控制系统设计
班级:
测控
姓名:
学号:
指导教师:
电子与电气工程学院
2010年12月
直流电机控制系统设计
1系统论述
1.1设计思路
本次直流电机控制系统的设计主要功能是实现电机的正转和反转。
为实现系统的微机控制,在设计中,采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分,配以各种模块,实现对电动机控制。
1.2总体设计框图
系统组成:
直流电机控制方案如图1.1所示:
方案说明:
直流电机控制系统以AT89C51单片机为控制核心,单片机在程序控制下,采用桥式驱动完成电机正,反转控制。
图1.1直流电机控制方案
2直流电机单元电路设计与分析
2.1桥式驱动直流电机方向模块
主要由一些达林顿晶体管、直流电机和二极管以及电阻等组成。
现在介绍下直流电机的运行原理
2.1.1直流电机类型
直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类,其中根据直流电机的用途可分为以下几种:
直流发电机(将机械能转化为直流电能)、直流电动机(将直流电能转化为机械能)、直流测速发电机(将机械信号转换为电信号)、直流伺服电动机(将控制信号转换为机械信号)。
下面以直流电动机作为研究对象。
2.1.2直流电机结构
直流电机由定子和转子两部分组成。
在定子上装有磁极(电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供),其转子由硅钢片叠压而成,转子外圆有槽,槽内嵌有电枢绕组,绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2.1所示。
图2.1直流电动机结构
2.1.3直流电机工作原理
直流电机电路模型如图2.2所示,磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体,圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。
当线圈中流过电流时,线圈受到电磁力作用,从而产生旋转。
根据左手定则可知,当流过线圈中电流改变方向时,线圈的受方向也将改变,因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。
图2.2直流电动机电路模型
2.1.4直流电机主要技术参数
直流电机的主要额定值有:
额定功率Pn:
在额定电流和电压下,电机的负载能力。
额定电压Ue:
长期运行的最高电压。
额定电流Ie:
长期运行的最大电流。
额定转速n:
单位时间内的电机转动快慢。
以r/min为单位。
励磁电流If:
施加到电极线圈上的电流。
2.1.5直流电机PWM调速原理
(1)直流电机转速
直流电机的数学模型可用图2.3表示,由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反,Ea为反电动势;电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同,是拖动转矩;轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反,是制动转矩。
图2.3直流电机的数学模型
根据基尔霍夫第二定律,得到电枢电压电动势平衡方程式1.1:
U=Ea-Ia(Ra+Rc)……………………………………………式1.1
式1.1中,Ra为电枢回路电阻,电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和;
Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。
由此可得到直流电机的转速公式为:
n=Ua-IR/CeΦ……………………………………………式1.2
式1.2中,Ce为电动势常数,Φ是磁通量。
由1.1式和1.2式得
n=Ea/CeΦ………………………………………………式1.3
由式1.3中可以看出,对于一个已经制造好的电机,当励磁电压和负载转矩恒定时,它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定,电枢电压越高,电机转速就越快,电枢电压降低到0V时,电机就停止转动;改变电枢电压的极性,电机就反转。
(2)PWM电机调速原理
对于直流电机来说,如果加在电枢两端的电压为2.3所示的脉动电流压(要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数),可以看出,在T不变的情况下,改变T1和T2宽度,得到的电压将发生变化,下面对这一变化进一步推导。
图2.3施加在电枢两端的脉动电压
设电机接全电压U时,其转速最大为Vmax。
若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T,则电枢的平均电压为:
U平=U·D……………………………………………式1.4
由式1.3得到:
n=Ea/CeΦ≈U·D/CeΦ=KD;
在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CeΦ,是常数。
图2.4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。
图2.4占空比与电机转速的关系
由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系(图中实线),原因是电枢本身有电阻,不过一般直流电机的内阻较小,可以近视为线性关系。
3、直流电机的驱动方式
3.1直流马达的驱动方式解释
直流马达的驱动方式,就是把直流电源加到直流马达上,使之旋转。
3.2直流马达驱动方式分类
3.2.1用继电器驱动直流马达
如图所示,将微控制器信号连接到晶体管,以控制继电器。
当微控制器送出一个高电平信号,即可产生ib,ic,继电器激磁,而继电器的a-c接点将接通,即可提供直流马达电源,使之旋转。
其中Vcc不一定是5V电源,而是根据继电器及直流马达的规格,取用适当的电压。
一般来说,电功率P=V*G,V越大功率越大;即便是相同的功率,V越大i越小,损失越小。
图3.1用继电器开关直流马达
3.2.2以晶体管驱动直流马达
1、达林顿晶体管的简介
达林顿管(DarlingtonTransistor)又称复合管。
它采用复合连接方式,将二只三极管适当的连接在一起,以组成一只等效的新的三极管,极性只认前面的三极管。
本设计采用互补达林顿功率晶体管-TIP14x系列,这一系列包括三组配对,分别是TIP-140(NPN)与TIP-145(PNP)、TIP-141(NPN)与TIP-146(PNP)、TIP-142(NPN)与TIP-147(PNP),其常见规格如表3-1所示。
表3-1
TIP14x系列的内部电路结构如图14-13所示。
图3.2TIP14x系列的内部电路结构
其中R1约为8K,R2约为40欧。
而其包装采用扁平的TO-218包装,也提供SOT-93的表面贴式包装,其外观、引脚配置与尺寸如图3-3所示。
图3-3TIP14x系列的外观、引脚配置与尺寸
2、以晶体管驱动直流马达
将微控制器信号连接到达林顿晶体管,直接提供直流马达的电源,使之旋转。
其中的二极管的功能是为了保护达林顿晶体管,VCC也不一定是5V电源,可根据直流马达的规格,取用较高的电压。
而此电路不但可以控制直流马达的开或关,还可以控制其功率的大小,以达到转速控制的目的。
图3-4以达林顿晶体管驱动直流马达
3.3控制直流马达方向
3.3.1以继电器控制直流马达方向
图3-5以达林顿晶体管与继电器控制直流马达
如图3-5所示,微控制器信号连接到达林顿晶体管与继电器,其中的继电器室2P继电器,同时提供两组c接点,由微控制器信号连接到“方向”的引脚,即可驱动Q1晶体管,以控制继电器。
当“方向”引脚上有高电平信号时,继电器激磁,两组c-a接点接通,而直流马达上方连接到Q2、Q3所组成的达林顿晶体管,所以此时直流马达上方连接到正电源,另外,直流马达下方通过另一组c-a接点接地。
若方向引脚上有低电平信号时,继电器消磁,两组c-b接点接通,直流马达上方通过c-b接点接地;而直流马达下方通过另一组c-b接点连接到Q2、Q3所组成的达林顿晶体管,所以此时直流下方连接正电源。
若直流马达上方接电源,下方接地,将其顺时针旋转,此时,如果颠倒其接线,直流马达上方接地、下方接电源,将其逆时针旋转。
另外,我们也可以通过“开或关”引脚决定该马达是否旋转。
即我们不但可以控制直流马达的开与关,也可以控制其转向。
3.3.1以晶体管控制直流马达方向
图3-6桥式驱动直流马达
如图所示,Q1、Q2是一组PNP型达林顿晶体管,Q3、Q4是一组NPN型达林顿晶体管,Q5、Q6是一组PNP型达林顿晶体管,Q7、Q8是一组NPN型达林顿晶体管,不管是NPN型林达顿晶体管还是PNP型林达顿晶体管,都可以找到现成、配对的商品,而且不贵!
若使用现成的林达顿晶体管,电路就非常简单,而且可靠!
电路的左右对称,动作也类似。
不管是左边的电路还是右边的电路,当微控制器送一个高电平信号到input1或input2端时,上方的PNP达林顿晶体管截止,而上方的NPN型达林顿晶体管导通,当微控制器送一个低电平信号到input1端时,上方的PNP达林顿晶体管导通,而上方的NPN达林顿晶体管截止。
若送一个高电平信号到input1端,同时送一个低电平信号到input2端时,则电流由右而左流过此马达,如图所示。
图3-7电流由直流马达右端流入,左端流出
反之,若送一个低电平信号到input1端,同时送一个高电平信号到input2端时,则电流由左而右流过此马达,如图所示。
图3-8电流由直流马达左端流入,右端流出
若直流马达上方接电源,下方接地,将使其顺时针旋转;此时,如果颠倒其接线,直流马达上方接地,下方接电源,将使其逆时针旋转。
经过这两个方案的比较,由于方案二的性能好,可靠性高,故而选择方案二。
因此,根据原理,选择以下元器件:
PNP型达林顿晶体管4个;NPN型达林顿晶体管4个;330欧姆电阻4个,二极管4个;直流电机1个;10K电阻3个;电解电容10uF1个;30PF电容2个;晶振12MHz1个;按钮开关2个。
4.程序设计流程图
5.总电路图
6.程序设计
#include
Sbitmotor1=P1^0;//声明直流马达位置
Sbitmotor2=P1^1;//声明直流马达位置
SbitPB0=P2^0;//声明按钮开关位置
SbitPB1=P2^0;//声明按钮开关位置
Voiddelay1ms(int);//声明延迟函数
//===================================================================
Main()
{motor1=0;//关闭直流马达
Motor2=0;//关闭直流马达
PB0=1;//设定PB0
PB1=1;//设定PB1
While
(1)//无穷循环
{if(PB0==0&PB1==1)//若按下PB0、且未按下PB1
{motor1=0;//设定直流马达转向
Motor2=1;//开启直流马达转向
Delay1ms(500);//旋转0.5s
Motor2=0;//关闭直流马达
if(PB0==1&PB1==0)//若按下PB1、且未按下PB0
{motor1=1;//设定直流马达转向
Motor2=0;//开启直流马达转向
Delay1ms(500);//旋转0.5s
Motor1=0;//关闭直流马达
}}//结束
//================================================================
Voiddelay1ms(intx)
{inti,j;
For(i=0;i For(j=0;j<120;j++)//内循环 }//延迟函数结束 7.结束语 经历了这次课程设计,我发现了自己的很多不足,自己知识的不怎么牢固,看到了自己的实践经验更是比较缺乏,理论联系实际的能力还急需提高。 现在学到的东西,在以后的工作中一定也会学到,但我毕竟早了两年知道这个道理,它在书本上是学不来的,一定要自己经历了,在实践中才学得到。 学到了如何务实,如何去学一门技术,同时也知道了如何学习,什么才是学习。 如果每天都能像这样的学习,大学四年的课程,一年就够了,或许还不要。 其次是团队的力量,我认为我们的工作是一个团队的工作,团队需要个人,个人也离不开团队,必须发扬团结协作的精神。 团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。 而这次设计也正好锻炼我们这一点,这也是非常宝贵的。 8.参考文献资料 [1]张义和.例说51单片机(c语言版).2008 [2]何立民.单片机与嵌入式系统应用[J].基于HCS12的小车智能控制系统设计.2007,(3): 51-53,57. [3]方建军.何广平.智能机器人[M].北京: 化学工业出版社.2004: 5-9. [4]张立.电子世界[J].电动小车的循迹.2004,(6): 45. [5] [6]滕志军.今日电子[J].基于超声波检测的倒车雷达设计.2006,(9): 15-17. [7]徐科军.传感器与检测技术[M].北京: 电子工业出版社,2007: 110-113,160-161. [8]潘新民.王燕芳.微型计算机控制技术实用教程[M].北京: 电子工业出版社,2007: 75-76,118-119.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 直流电机 课程设计