1、毕 业 设 计（论文）设计 论文 题目：直流大电机控制器毕业设计 摘 要-直流电动机广泛应用于各种场合,为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。该实验中搭建了基于 MCS-96 单片机的转速单闭环调速系统，利用 PWM 信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环 PI 控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并对 PI 控制原理及其参数的确定进行更深的理解。实验结果显示，控制 8 位 PWM 信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速及反转等功能。实验中使用霍尔元件进行电动机转速的检测、反馈。期望转速则可通过功能按键给定。当选择比例参数为 0.08、积分参数为0.0
2、1 时，电机转速可以在 3 秒左右达到稳定。由实验结果知，该单闭环调速系统可对直流电机进行调速，达到预期效果。- 第 一 章 绪论- 1.1 开发背景1.1.1、直流调速系统发展概况在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻
3、烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。直流调速系统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、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于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，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦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 MOSFET 和 IGBT 成为主流。功率器件控制条
4、件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。1964 年 A.Schonung 和 H.stemmler 首先提出把 PWM 技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入 70 年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM 常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。通常 PWM 配合桥式驱动电路实现
5、直流电机调速，非常简单，且调速范围大。在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。目前，电机调速控制模块主要有以下三种：（1）、采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；（2）、采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整；（3）、采用由 IGBT 管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制 IGBT 管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。1.1.2、国内外发展概况1.1.2.1、 国内发展概况我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4200KW 晶闸管
6、直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：（1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。（2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的 PI 调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。（3）、单神经元自适应智能控制的方法。
7、该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。（4）、模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经 1.5kw 电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。1.1.2.2、 国外发展概况 随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其 80 年代在这方面的研究
8、达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I-P 控制器取代 PI 调节器的方法、自适应和模糊 PID 算法等等。目前，国外主要的电气公司，如瑞典 ABB 公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国 GE 公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的 SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为
9、15A 至 1200A，并可通过并联 SITOR 可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。 1.1.2.3、总结随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。1.1.2.4、本课题研究目的及意义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，直流电动机一
10、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，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。随着单片机的发展，数字化直流 PWM 调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有 PWM 口，用于自动产生 PWM 波；有捕捉功能，用于测频；有 A/D 转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部 ROM 和 RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中选用单片机 MCS-9
11、6。通过设计基于 MCS-96 单片机的直流 PWM 调速系统并调试得出结论，在掌握MCS-96 的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI 控制器的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。1.2、 本文工作1.2.1、 论文主要研究内容本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用MCS-96 自带的 PWM 口，通过调整 PWM 的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制转速。系统硬件设计为：以 MCS-96 为核心，由转速环、显示、按键控制等电路组成。具体内容如下：（1）、介绍直流电动机工作原理及 PWM 调速方法。（2）、完成以 MCS-96 为控制核心的直流电机数字控制系统硬
12、件设计。（3）、以该系统的特点为基础进行分析，使用 PWM 控制电机调速，并由实验得到合适的 PI 控制及相关参数。（4）、对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。- 第二章 他励电动机的控制基础- 2.1、 直流电动机的结构和工作原理- 2.1.1、 直流电动的结构直流电动机的结构：主要由定子、转子（电枢）两大部分组成。-图 1 直流电动机模型图 1 是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极 N 和 S 之间，装设一个可以绕 Z-Z轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈 abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端 a 和 d 分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环 1 和
13、2 上。换向片 1 和 2 之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。A 和 B 是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。图 2 换向器在直流电动机中的作用当电刷 A 和 B 分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷 A 流入，而从电刷 B 流出。这时线圈中的电流方向是从 a 流向 b，再从 c 流向 d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图7-5（a ）所示的位置时，线圈 ab 边的电流从 a 流向 b，用 表示，cd 边的电流从 c 流向 d，用 表示。根据
14、左手定则可以判断出，ab 边受力的方向是从右向左，而 cd 边受力的方向是从左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。当电枢转到使线圈的 ab 边从 N 极下面进入 S 极，而 cd 边从 S 极下面进入N 极时，与线圈 a 端联接的换向片 1 跟电刷 B 接触，而与线圈 d 端联接的换向片 2 跟电刷 A 接触，如图 2（b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从 d 流向c，再从 b 流向 a，从而保持在 N 极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线
15、圈中电流方向的作用。图 1 所示的直流电动机，只有一匝线圈，它所受到的电磁力是很小的，而且有较大的脉动。如果由直流电源流入线圈的电流大小不变，磁极磁密在垂直于导体运动方向的空间按正弦规律分布，电枢为匀速转动时，此电机有电流和磁场产生的电磁转矩随时间变化的波形，如图 3 所示。由图可以看出，转矩是变化的，除了平均转矩外，还包含着交变转矩。为了克服这些缺点，实际的电动机都是由很多匝线圈组成，并且按照一定的联接方法分布在整个电枢表面上，通常称为电枢绕组。随着线圈数目的增加，换向片的数目也相应地增多，由许多换向片组合起来的整体叫做换向器。图 3 平均电磁转矩的产生由上可知，直流电动机工作时，首先需要建
16、立一个磁场，它可以由永久磁铁或由直流励磁的励磁绕组来产生。由永久磁铁构成磁场的电动机叫永磁直流电动机。对由励磁绕组来产生磁场的直流电动机，根据励磁绕组和电枢绕组的联接方式的不同，分为他励电动机、并励电动机、串励电动机、复励电动机。他励电动机是电枢与励磁绕组分别用不同的电源供电，如图 4（a）所示，永磁直流电动机也属于这一类。并励电动机是指由同一电源供电给并联着的电枢和励磁绕组，如图 4（b）所示。串励电动机的励磁绕组和电枢绕组相串联，串励绕组中通过的电流和电枢绕组的电流大小相等，如图 4（c）所示。复励电动机是既有并励绕组又有串励绕组，并励绕组和串励绕组的磁势可以相加，也可以相减，前者称为积复
17、励，后者称为差复励，如图 4（d）所示。图 4 直流电动机按励磁分类接线图（a ）他励（b）并励（c）串励（d）复励近几十年来，随着永磁材料的发展，尤其是稀土永磁的相继问世，其磁性能有了很大提高。与电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，重量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。- 2.1.2、 直流电机的工作原理串励式双转直流电动机。1前支承 2磁系统绕圈 3后支承 4电框 5轴承图 5 电动机原理结构1转子轴承 2滑环 3换向器电刷 4磁系统 5电枢 6磁系统轴承 7外轴8内轴 9磁绕组 10壳体 11换向器 12滑环电刷图 6 电
18、动机结构简图图 5 所示。电动机装在支承座或壳体内，电动机在其上转动。而电动机通过支承座（或壳体）固定。电动机本体由磁系统、转子（电枢） 、换向器、电刷等组成。图 4 是有外壳的串励式电动机剖面简图。磁系统是用以产生磁场的，当电枢的磁通在此磁场内相互作用时，产生作用力矩及反作用力矩，使电枢和磁系统转动，并且二者转动方向相反。磁系统由铁心和激磁绕组组成。磁系统有主磁极和辅助磁极两部分。主磁极的作用是产生磁场，磁极的磁通即由绕在其上的绕组线圈所产生。辅助磁极的功用是产生补充磁通，以改善换向性能。因为当电枢绕组中的线圈电流在换向时，与线圈相联的换向片同电刷之间会产生火花。为了减少火花，改善换向性能，
19、通常在两主极之间均装有一辅助磁极，也可称换向磁极。电枢也是用来产生磁通的，它由电枢铁心和绕组线圈组成。电枢铁心作为磁的通路及嵌放电枢绕组之用。当电枢在磁场中旋转时，铁心中的磁通方向不断变化，因而也会产生涡流及磁滞损耗，为了减少涡流损耗，电枢铁心一般用0.5 或 0.35mm 厚的涂有绝缘漆的硅钢片迭压而成。电枢绕组是由许多个完全相同的绕组元件按一定的规律联接起来所组成。绕组元件一般就是一个线圈，它的两个线端分别接到换向器的两个换向片上，各元件是在换向片上相互联接起来的。换向器是电动机的整流部分，它是用来向旋转电枢供电和向各段绕组分配电流的。电枢绕组内流过的是交变电流，而外电路是直流电，换向器即
20、是将电源提供的直流电转换为电枢绕组中的交变电流，使电动机工作时始终按一个方向连续旋转。电刷是用以将转动的磁系统和电枢与外线路过程回路系统。鱼雷双转电动机有两组电刷。一组与滑环接触，滑环与磁系统一起转动，而电刷固定不动。另一组电刷装在磁系统上，与随同电枢轴一起转动的换向器接触。图 7 电动机的线路图图 7 是电动机的线路图，由电源出来的电流所经过的途径是：蓄电池正极正极接线柱滑环电刷后滑环换向器正极电刷电枢绕组换向器的负极电刷磁极绕组前滑环滑环电刷负极接线柱蓄电池负极。当电流流过电枢及励磁绕组时，二者形成相互作用的磁场，导致磁系统和电枢作相对的旋转。而磁系统与外轴联接，电枢与内轴联接，因此电动机
21、形成两个旋转方向相反的输出轴。- 2.1.3、 直流电机的特性及基本公式2.1.3.1、 直流电机的特性直流电动机按照励磁方式的不同，可分为他励、并励、串励和复励四种类型。他励直流电动机:励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机。永磁直流电机也可看作他励直流电机。并励直流电动机:并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。串励直流电动机：串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。复励直流电动机：复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产
22、生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式。当供电电源比较稳定时，他励励磁和并励励磁的效果基本是相同的，也是使用最多的一种形式。（二）他励和并励电动机的励磁电流是不受负载影响的，即：当外加电压一定时 为一常数。这时由 n=（U a-IaRa）/C E= U a / CE-R a/CECT 2T 可得：转速 n 可改写为 n=n0-CT。 式中：n 0= Ua / CE 称为理想空载（T=0）转速；C= R a/CECT 2是一个很小的常数，他代表电动机随负
23、载增加而转速下降的斜率。故他励和并励电动机的机械特性曲线是一条稍微向下倾斜的直线，如图 8所示。因此，他励和并励电动机常用于转速不受负载影响又便于在大范围内调速的生产机械。如大型车床、龙门刨床。图 8 并励电动机的机械特性曲线（三）串励电动机的机械特性串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，因此励磁电流等于电枢电流。=C IaC :比例常数，代入 T=CTI a=CT/C 2 代入 n 表达式中得 n=A/T-B 式中：A=U/C RC T/C B=Ra/CE C 是常数图 9 串励电动机的机械特性曲线由此可见，随着转矩 T 的增大，转速 n 下降十分明显。常用于电车、电气机车、起重机等场合。例：当起重机提升重量轻的货物时，速度较高，而提升很重的货物时，速度较低，以保证安全。串励电动机不允许在空载或轻载的情况下运行，因其理想空载转速无限大，易损坏电机。为防止出现空载飞车，串励电动机与负载不允许采用皮带传动等中间环节传动，而采用固定连接。
