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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主要功能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。 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：直流电机系统直流电机，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机将控制信号转换为机械信号。 图2.1 直流电动机结构 2.1.3 直流电机工作原理磁极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。当线圈中电流时，线圈受到电磁力，根据左手定则当线圈中电流圈圈 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： 额定下，电机的以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.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 设电机接电时，其转速最大为Vmax占空比为D=t1/T，则电的平均为=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 由图与占空比D并不是完全线性关系（图中实线）， 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(Darlington Transistor)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 表3-1 TIP14x系列的内部电路结构如图14-13所示。 图3.2 TIP14x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3-3 TIP14x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