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1、电机控制技术课程设计直流电机 教学单位：电气信息工程学院 小组成员： 专业班级： 指导老师： 起止时间：2015/5/182015/6/20 目录一. 绪论.4 1.1直流电动机控制的发展历史.4 1.2国内外发展现状.41.3本设计目的和思路.5二、直流电机驱动控制概述.6 2.1直流电机的工作原理.6 2.2直流电机的调速原理.7 2.3直流电机H桥驱动原理.7三驱动控制系统硬件设计.9 3.1稳压电源电路设计.9 3.1.1稳压电源电路参数.9 3.1.2元器件选择.9 3.1.3绘制稳压电路原理图.9 3.2 H桥驱动电路设计.10 3.2.1 H桥驱动芯片的选择.10 3.2.2 H
2、桥驱动电路原理图.10 3.3程序控制器.10 3.3.1 MSP430149单片机.11 3.3.2部分单片机I/O分配和外部接线图.11四驱动控制系统软件设计.12 4.1系统框图.12 4.2程序.12五、成果展示.17六、总结.19摘要 直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。 本文介绍了直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，系统采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，信号与H桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运
3、转控制由C语言程序实现。 关键词：直流电动机；H桥驱动；PWM；C语言程序 一、绪论本章介绍了直流电机的特点及其发展概况，然后介绍了直流电机在工业控制等领域中的具体应用，同时阐述了直流电机控制中有待研究的问题。并在此基础之上介绍了本课题的选题背景和意义，最后列出了本文研究的主要内容及全文的结构安排。1.1直流电动机控制的发展历史19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各
4、个方面。电动机负荷约占总发电量的70，成为用电量最多的电气设备。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。简单控制对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对电动机的简单控制应用较多，但是，随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机的复杂控制变成主流，其应用领域极其广泛。电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步，使电动机控制
5、技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。其中电动机控制部分已由模拟控制让位给以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并向全数字控制系统的方向快速发展。电动机驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFE和TIGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的应用也使新型的电动机控制方法能够得以实现。脉宽调制控制方法（PWM和SPWM），变频技术在直流调速和交流调速中获得了广泛的应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机，开关磁阻电动机、超声波电动
6、机、专为变频调速设计的交流电动机等。直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电动机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍再有一席之地。1.2国内外发展现状 电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近30年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向
7、可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替，明显地扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。 直流电机脉冲宽度调制(PulseWidthModulation-简称PWM)调速系统产生于70年代中期。最早用于不可
8、逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。 在国外，PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。 如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制
9、算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。1.3本设计目的和思路 直流电机因具有优良的调速性能，在很多需要调速的场合如：数控机床、实验设备、机器人、电动汽车等领域有大量应用。特别是现代能源匮乏，电动汽车以直流电机作为汽车动力，这就对直流电机的调速和驱动装置提出了要求。需要直流电机具有良好的启动、制动、反转、加速、减速等性能，而这些性能必须依靠驱动控制装置实现，因此对直流电机调速系统来讲，驱动控制装置有着重要地位。鉴
10、于以上原因，本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作具有一定实用价值，对国家提出的节能减排也具有积极意义。 本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，电机的驱动运转控制由C语言编程实现。二、直流电机驱动控制概述直流电机调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。由于直流电动机具有极好的运动
11、性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。2.1直流电机的工作原理根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度l，其中流过的电流为i，导体所在处的磁通密度为B，那末导体受到的电磁力的值为 如图1中N、
12、S极下各根导体所受电磁力的方向，如图中箭头所示。电磁力对转轴形成顺时针方向的转矩，驱动转子而使其旋转。由于每个磁极下元件中电流方向不变，故此转矩方向恒定，称为直流电动机的电磁转矩。如果直流电动机轴上带有负载，它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能够转化成机械能的电气装置。直流电动机是可逆的，他根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。当外力作用使其旋转，驶入机械能时，电机处于发电机状态，输出电能；当在电刷两端施加电压输入电能时，电机处于电动机状态，带动负载旋转输出机械能。图1 直流电动机工作原理图2.2直流电机的调速原理 直流电机转速n的表达式为 式中:U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢
13、电路总电阻；-每极磁通量；K-与电机结构有关的常数，因此直流电机转速n的控制方法有三种，主要以调压调速为主。本控制器主要通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本系统采用了定频调脉宽方式的PWM控制，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比
14、）要小得多;当要求的静差率相同时,闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控制方案如图2所示。图2 直流电机速度闭环控制方案2.3直流电机H桥驱动原理 常用的直流电机驱动方式是H桥驱动方式，在直流电机功率较小时也用三极管或场效应管放大作放大器驱动。但目前应用最成熟和广泛的还是由三极管，场效应管，晶闸管等这些器件组成的H桥，成本低，效果好，能提供较大的驱动电压和电流，还可以控制电机转向。采用PWM进行直流电机调速，其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用端，因此有必要对电机驱动电路进行介绍。图3 H桥式电机驱动电路图3电路中，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须
15、导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图4 H桥式驱动电机顺时针转动如图4所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。 图5 H桥式驱动电机逆时针转动 驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同
16、时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。 三、驱动控制系统硬件设计3.1稳压电源电路设计 稳压电源电路设计过程，首先根据控制要求进行参数计算、然后进行元器件选择最后进行原理图绘制。3.1.1稳压电源电路参数 本次电路设计中考虑到要用到1020V电压和5V电压，1020V给驱动芯片供电，5V给主控芯片、按键、液晶等供电。3.1.2元器件选择1020V由于LM7815芯片短缺，我们选择了同一系列的LM7812；5V我们选择了LM7
17、805。lm7812是指三端稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。三端稳压集成电路LM7805。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78 系列和负电压输出的lm79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。3.1.3绘制稳压电路原理图图6 三端稳压电路3.2 H桥驱动电路设计3.2.1 H桥驱动芯片的选择驱动芯片我们选择了比较熟悉的IR2104，而MOS管我们选择了功率较大、频率较高的IRF540N。IRF540N的导通起控电压为2-4V，GS极之间最高电压不能
18、超过20V，质量较好的管子GS加6-8V就已经饱和导通（内阻最小），所以使用时如果有脉动或尖峰电压时。3.2.2 H桥驱动电路原理图 图7 H桥驱动电路原理图3.3程序控制器本设计采用MSP430149单片机进行程序控制。MSP430f149具有如下特点：低电压、超低功耗。工作电压1.8V3.6V，正常工作模式280A1MHz，2.2V，待机模式1.6A，RAM数据保存的掉电模式下0.1A。五级节电模式。快速苏醒，从待机模式下恢复工作，只需要不到6S时间。16位精简指令集MCU，命令周期125nS。12位ADC，具有内部参考电压源，并且具有采样、保持、自动扫描等功能。具有12位的模数转换器可以
19、得到很高的精度，并且省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦。2个16位计数器。具有捕获、门限功能。具有片内比较器。支持ISP（在线系统编程），方便开发和项目升级。支持序列号，熔丝位烧写。方便简单。双串口支持超小型封装：64P-QFP、64P-QFN。3.3.1 MSP430149单片机 图7 MSP430149引脚图 图8 USB供电口3.3.2部分单片机I/O分配和外部接线图图9 按键电路四、 驱动控制系统软件设计4.1系统框图单片机按键电机驱动电路液晶编码器输入 图10 系统框图4.2程序 本次程序设计主要是模块化，各个模块分开，一个一个模块的调试。此次程序分为：系统时钟设置模块
20、、显示模块、PWM波发生模块、按键模块、测速模块、PID模块。这些模块在主函数中统一。主函数主要采用一个定时器为基础时钟，将各个模块配合起来使用。 C程序:Main.c#include#includeclk.h#includepwm.h#include cry1602.h#include pusecount.h#include key.h#include PID.h#define uchar unsigned charextern unsigned int key_flag;extern unsigned int key;uchar shuzi = 0123456789;int j=0;int
21、 key_k=0;int mubiao=0;int duty=0;int zhengfan=0;int jiashu=1;int direction_change=0;int jishu=0;int sum=0;int dangqian=0;int check_key;void interruptt(void);void main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /关闭看门狗 clk(); /设置时钟 mykeyinit(); /按键初始化 /中断初始化 LcdReset(); /液晶初始化 pusecount_init(); /脉冲计数初始化 pwm(0,0,
22、0,0 ); /PWM初始化 interruptt(); void interruptt(void) TBCCTL0 = CCIE; /定时器中断使能 _EINT(); /使能全局中断 while(1) mykeywhile(); / Timer B0 interrupt service routine#pragma vector=TIMERB0_VECTOR_interrupt void Timer_B (void) unsigned char arry4; /定义显示数组 int t,i,maichong; if(j100) /计时10MS maichong = pusecount_mai
23、n() ; /将脉冲传递给cont /将脉冲转化为圈数 sum=maichong+sum; if(jishu=16) jishu=0; dangqian=sum4; arry0= dangqian/1000; /转化为一位位储存 t = dangqian-arry0*1000; arry1= t/100; t = t - arry1*100; arry2 = t/10; t=t-arry2*10; arry3=t; sum=0; for(i = 0;i 2) /延时消抖 if(check_key=1) mykeyval() ; /获取键值 key_k=0; check_key=0; else
24、key_k=0; if(key=5) /如果是5键则 /改变转向 direction_change=1; if(zhengfan=0) zhengfan=1; else zhengfan=0; key=0; if(key=6) /如果是6键 /则改变加减速 if(jiashu=1) jiashu=0; else jiashu=1; key=0; if(direction_change=0) /如果转向没变 if(key=1) if(jiashu=1)mubiao+=1000; if(jiashu=0)mubiao-=1000; key=0; if(key=2) if(jiashu=1)mubi
25、ao+=100; if(jiashu=0)mubiao-=100; key=0; if(key=3) if(jiashu=1)mubiao+=10; if(jiashu=0)mubiao-=10; key=0; if(key=4) if(jiashu=1)mubiao+=1; if(jiashu=0)mubiao-=1; key=0; if(direction_change=1)mubiao = 0; /转向变化，先停电机 if(mubiao9999) mubiao=9999; arry0= mubiao/1000; /转化为一位位储存 t = mubiao-arry0*1000; arry1
26、= t/100; t = t - arry1*100; arry2 = t/10; t=t-arry2*10; arry3=t; for(i = 0;i 4;i+) /显示 Disp1Char(5 + i),1,shuziarryi); duty = PID (mubiao,dangqian); /PID跟随 if(direction_change=1) / 方向改变； duty=0; direction_change=0; if(duty = 750) duty=750; if(zhengfan=0)pwm(duty,0,0,0) ; if(zhengfan=1)pwm(0,0,duty,0
27、); j=0; j+;五、成果展示按任务书要求本次设计需要制作实物装置，经过电路方案设计、参数计算、原理图绘制、电子器件选择、电路焊接、程序编制、系统调试等步骤成功制作了直流电机驱动控制装置实物。基本上实现了直流电机的停止、加速、减速以及转向控制的设计要求。虽然花费了一定的制作时间，但是加深了我对理论知识的认识，提高了实践能力，掌握了很多器件应用的技巧。当然中间也遇到一些问题，但在老师和同学协助下最终成功完成了实物制作。5.1系统PCB图 图11 系统PCB图5.2 实物展示 图12 实物图5.3 波形展示 图13 驱动波形图 图14 编码器波形图六、总结6.1实际设计制作过程中遇到的问题及解
28、决方法1.设计中数字地与模拟地没分清，导致整个电路每个模块单独测没问题，联合到一起就出问题了。解决办法是将数字地与模拟地单独走线，在电源处通过0欧电阻汇合。2.电路中干扰太大，按键抖动。解决办法利用定时器精确延时，不耽误程序周期。6.2心得体会 经过四个月对课程设计课题的学习研究、设计制作和论文撰写，本次课程设计已经圆满结束。作为电气工程及其自动化专业的学生，我们虽然学过电机学，主要是偏运行特性的研究和计算，对弱电和电机工作原理等方面知识、经验较为匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，幸好有指导老师的督促指导，以及同学给予我们小组的无私帮助，使我们顺利的完成了此次课程设计。通过此次课程设计，我们对直流电机有了更进一步的了解，这对我们以后再次接触直流电机有很大的帮助。
