直流电机调速与系统控制详解.docx

电子工艺课程设计报告

姓名 卢星星

班级 T983-6

学号

指导老师 王思山

标题 直流电机调速与控制系统设计

一．课程设计课题总体分析

直流电机调速原理

图1.1所示电枢电压为Ua，电枢电流为Ia，电枢回路总电阻为Ra,电机常数Ca，励磁磁通量是￠。

根据KVL方程：电机转速n=(Ua-IaRa)/Ca￠,其中，对于极对数p，匝数为N，电枢支路数为a的电机来说：电机常数Ca=pN/60a,意味着电机确定后，该值是不变的。而在Ua-IaRa中，由于Ra仅为绕组电阻，导致IaRa非常小，所以Ua-IaRa约等于Ua。由此可见我们改变电枢电压时，转速n即可随之改变。

图1.1直流电机原理图

系统硬件组成原理

图1.2调速系统硬件原理框图

直流电机调速系统硬件原理框图如图1.2所示，以89C51单片机为控制核心，包括测速电路、电源电路、数模转换电机驱动电路、显示电路、键盘控制电路。

直流电动机转速控制系统的工作原理

直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。本系统用DAC0832控制输出到直流电动机的电压的方法来控制电动机的转速。当电动机转速小于设定值时，DAC0832芯片的输出电压增大，当大于设定值时则DAC0832芯片输出电压减小，从而使电动机以设定的速度恒速旋转。我们采用比例调节器算法。控制规律：

Y=KPe(t)+KI

式中：Y---比例调节器输出，KP---比例系数，KI---积分系数e(t)---调节器的输入，一般为偏差值。

系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节器作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快（无滞后），积分部分使系统消除静差。

转速测量电路原理

转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为r/min。转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。

霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁场B，在沿l方向的两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：fl＝qVB

式中：fl――洛仑磁力，q――载流子电荷，V――载流子运动速度，B――磁感应强度。

这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电

子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差U

H

尔电压。

称为霍

霍尔电压大小为：U =R ×I×B/d(mV)

R H H

式中： ---霍尔常数，d---元件厚度，B---磁感应强度，I---控制电流

H设K =R

H

/d，则U =K

×I×B(mV)

KH H H H

为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T),它表示该霍尔元件在单位磁感应

H

强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B反向

时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

二系统设计

硬件设计

通过自制5V电源来确保工作电压正常,由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机的计数器T1，由T1测出电动机的实际转速，并与设定值比较形成偏差。根据比较结果，使DAC0832输出控制电压增大或减小。功放电路将DAC0832输出的模拟电压转换成具有一定输出功率的电动机控制电压。

电机测速及驱动部分

测速在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单、输出电平可与各种数字电路兼容等特点。

LM324，它价格便宜，带有真差动输入的四运算放大器。因为DAC0832输出的为电流，所以需要接一个运放，将信号转化为电压输出。

电路如图2.1.2所示。

图2.1.2电机测速及驱动部分

数模转换

DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位D/A转换器，其内部结构如图图2.1.3a所示:芯片内有两级输入寄存器，使D