直流電機設(shè)計-論文

1、- - - .總結(jié)資料. z- - - .總結(jié)資料目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc265502962緒論 PAGEREF _Toc265502962 h 1HYPERLINK l _Toc265502963一、總體設(shè)計方案 PAGEREF _Toc265502963 h 2HYPERLINK l _Toc2655029641.1PWM波調(diào)速 PAGEREF _Toc265502964 h 2HYPERLINK l _Toc2655029651.2直流電機調(diào)速檢測系統(tǒng)原理框圖 PAGEREF _Toc265502965 h 3HYPERLINK l _Toc

2、265502966二、單元模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc265502966 h 4HYPERLINK l _Toc2655029672.1 H橋驅(qū)動電路的設(shè)計方案 PAGEREF _Toc265502967 h 4HYPERLINK l _Toc2655029682.2 調(diào)速設(shè)計方案 PAGEREF _Toc265502968 h 5HYPERLINK l _Toc2655029692.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 PAGEREF _Toc265502969 h 6HYPERLINK l _Toc2655029701 LM3S2110芯片介紹 PAGEREF _Toc265502970 h 6HY

3、PERLINK l _Toc2655029712電源電路 PAGEREF _Toc265502971 h 7HYPERLINK l _Toc2655029723 H橋的驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc265502972 h 8HYPERLINK l _Toc2655029734按鍵模塊：含按鍵模塊、4*4矩陣鍵盤，并可4位單獨使用。 PAGEREF _Toc265502973 h 8HYPERLINK l _Toc2655029745基于霍爾傳感器的測速模塊 PAGEREF _Toc265502974 h 9HYPERLINK l _Toc2655029756LCD顯示模塊 PAGEREF

4、_Toc265502975 h 9HYPERLINK l _Toc2655029762.4 調(diào)速設(shè)計模塊 PAGEREF _Toc265502976 h 11HYPERLINK l _Toc265502977三、系統(tǒng)功能調(diào)試 PAGEREF _Toc265502977 h 14HYPERLINK l _Toc2655029783.1調(diào)試軟件介紹 PAGEREF _Toc265502978 h 14HYPERLINK l _Toc2655029793.2 直流電機介紹 PAGEREF _Toc265502979 h 14HYPERLINK l _Toc265502980(1) 直流電機的特點 P

5、AGEREF _Toc265502980 h 14HYPERLINK l _Toc265502981(2) 直流電機的根本工作原理 PAGEREF _Toc265502981 h 15HYPERLINK l _Toc2655029823.3 電機速度的測量 PAGEREF _Toc265502982 h 16HYPERLINK l _Toc2655029833.4 系統(tǒng)電路的原理圖 PAGEREF _Toc265502983 h 16HYPERLINK l _Toc2655029843.5 系統(tǒng)的PCB圖 PAGEREF _Toc265502984 h 17HYPERLINK l _Toc26

6、5502985四、設(shè)計總結(jié) PAGEREF _Toc265502985 h 18HYPERLINK l _Toc265502986五、參考文獻 PAGEREF _Toc265502986 h 19- - -. z- - -緒論隨著公元前古人對電荷的發(fā)現(xiàn)，到如今各種使用電流的電子器件在工業(yè)生產(chǎn)及家庭生活中的普遍運用。可以說我們現(xiàn)在生活的社會離不開“電。通常意義上電流可初步地分為交流電和直流電，其中有一種使用直流的電動機運用廣泛我們叫它直流電機。從小的方面說，例如空調(diào)，吹風機，電動剃須刀，電視機，電飯煲，電子玩具等等部都有直流電機的身影；從大的方面說像工廠中的自動控制系統(tǒng)，醫(yī)院中的各種醫(yī)療電子器件

7、，或者是整個城市的交通監(jiān)管設(shè)備都不能缺少直流電機。這樣看來，控制直流電機是一門很貼近生活的技術(shù)，是一項很有實用性能力。直流電機是依靠直流工作電壓運行的電動機。大體上可以分為三類：電磁式直流電動機，永磁式直流電動機，無刷式直流電動機。直流電機的特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，優(yōu)點是易于調(diào)速，調(diào)速后的效率很高。但是由于它采用整流設(shè)備，所以構(gòu)造復(fù)雜不易于維修并且它使用的是直流電與交流電相比生產(chǎn)本錢較高。隨著現(xiàn)今科技的迅猛開展大功率晶體管的問世以及矢量控制技術(shù)的成熟，從而研制出了各種類型功率的變頻調(diào)速裝置，并在工業(yè)上得以被廣泛應(yīng)用。直流調(diào)速器的應(yīng)用圍有：電工機械，包裝機械，食品加工機械，紡織機械，輕工機

8、械，生物醫(yī)療設(shè)備，通訊雷達設(shè)備等等各種領(lǐng)域，各個行業(yè)。即便如此，擁有高性能低本錢的交流轉(zhuǎn)動電機的使用比重在逐年上升，隨著技術(shù)的日益成熟，用可調(diào)速的交流轉(zhuǎn)動電機取代直流轉(zhuǎn)動電機將成為一種必然的趨勢1。雖然這樣，但是我覺得作為一名電子系的學(xué)生設(shè)計一個直流電機調(diào)速系統(tǒng)，無論是從學(xué)習(xí)還是實踐的角度來說都是大有益處的。這更能使我們把枯燥的理論知識與生活中的實際應(yīng)用結(jié)合起來，大提高了我們的學(xué)習(xí)興趣。一、總體設(shè)計方案1.1PWM波調(diào)速近年來，隨著計算機進入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進展脈寬調(diào)制Pulse Width Modulation, 簡稱PWM控制方式

9、已成為主流。這種方式很容易在單片機控制中實現(xiàn)，從而為直流電機控制數(shù)字化提供了契機。我們就是利用PWM波的原理來進展直流電機的調(diào)速。圖1 PWM波調(diào)速電路達林頓管用單片機控制使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，準確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比擬穩(wěn)定；并在采用單片機產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實現(xiàn)上比擬方便。且對于直流電機，采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許圍2。1.2直流電機調(diào)速檢測系統(tǒng)原理框圖圖2直

10、流電機調(diào)速檢測系統(tǒng)原理框圖二、 單元模塊設(shè)計2.1 H橋驅(qū)動電路的設(shè)計方案H橋式電機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機，電路得名于“H橋驅(qū)動電路是因為它的形狀酷似字母H。如圖4所示，要是電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，可以控制電機的轉(zhuǎn)向。圖4H橋驅(qū)動電路要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，如圖5所示，當三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動電機周圍的箭頭表示為逆時針方向。圖5H橋驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動如圖6另一對Q1管和Q

11、4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng) Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向 轉(zhuǎn)動電機周圍的箭頭指示為順時針方向。圖6H橋驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動2.2 調(diào)速設(shè)計方案所謂脈沖寬度調(diào)制是指用改變電機電樞電壓接通與斷開的時間的的占空比來控制電機轉(zhuǎn)速的方法，稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)。對于直流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用FPGA進展調(diào)速是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓導(dǎo)通時間與通電時間的比值即占空比來控制電機速度。PWM調(diào)速原理如圖7所示。在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；

12、電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機永遠接通電源時，其轉(zhuǎn)速最大為Vma*，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機的平均速度為 Vd=Vma*D式中，Vd電機的平均速度 Vma*電機全通時的速度最大 D=t1/T占空比 平均速度Vd與占空比D的函數(shù)曲線，如圖7所示。圖7 平均速度和占空比的關(guān)系由圖7所示可以看出，Vd與占空比D并不是完全線性關(guān)系圖中實線，當系統(tǒng)允許時，可以將其近似地看成線性關(guān)系圖中虛線。因此也就可以看成電機電樞電壓Ua與占空比D成正比，改變占空比的大小即可控制電機的速度。7由以上表達可知：電機的轉(zhuǎn)速與電機電樞電壓成比例，而電機電樞電壓

13、與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快，當占空比1時，電機轉(zhuǎn)速最大。2.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計1 LM3S2110芯片介紹LM3S2110芯片是Luminary Micro公司所提供一系列的微控制器是首款基于RM Corte*-M3的控制器，它們?yōu)閷Ρ惧X尤其敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來了高性能的32位運算能力。這些具備領(lǐng)先技術(shù)的芯片使用戶能夠以傳統(tǒng)的8位和16位器件的價位來享受32位的性能，而且所有型號都是以小占位面積的封裝形式提供。該LM3S2110 微控制器是針對工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計的，包括遠程監(jiān)控、電子販售機、測試和測量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機、工

14、廠自動化、HVAC和建筑控制、游戲設(shè)備、運動控制、醫(yī)療器械、以及火警安防。除此之外，該LM3S2110微控制器的優(yōu)勢還在于能夠方便的運用多種ARM的開發(fā)工具和片上系統(tǒng)SoC的底層IP應(yīng)用方案，以及廣闊的用戶群體。該微控制器使用了兼容ARM的Thumb指令集的Thumb2指令集來減少存儲容量的需求，并以此到達降低本錢的目的。2 電源電路對外輸出交流和多路直流，參數(shù)如下：交流輸出端子：A、B、C ； UAB=15V，UBC=15V，UAC=30V，直流輸出端子：+12V +5V GND -5V -12V；四路輸出額定電流為：1A、 7A、 0.5A、0.5A；四路負載調(diào)整率均為：1參考電壓源為系統(tǒng)

15、芯片如A/D、D/A轉(zhuǎn)換IC或外設(shè)提供參考電壓，電路如圖7。電壓源以TL431為核心，RW1調(diào)節(jié)參考電壓，“電壓輸出1、2調(diào)節(jié)圍分別為02.5V、59V。參考電壓源：“電壓輸出102.5V可調(diào)；“電壓輸出259V可調(diào)；恒流源：0200mA可調(diào)。圖7 電源模塊圖3 H橋的驅(qū)動電路圖8 H橋的電機驅(qū)動電路基于三極管的使用機理和特性，在驅(qū)動電機中采用H橋功率驅(qū)動電路，H橋功率驅(qū)動電路可應(yīng)用于步進電機、交流電機及直流電機等的驅(qū)動永磁步進電機或混合式步進電機的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞組有時需正向電流，有時需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動。直流電機控制使用H橋驅(qū)動電路圖8，當PWM1

16、為低電平,通過對PWM2輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時導(dǎo)通Q5截止，從而實現(xiàn)電機正向轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)速的控制；同理，當PWM2為高電平,通過對PWM1輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時導(dǎo)通，Q6截止，從而實現(xiàn)電機反向轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)速的控制。4按鍵模塊：含按鍵模塊、4*4矩陣鍵盤，并可4位單獨使用。圖9 按鍵模塊電路5基于霍爾傳感器的測速模塊霍爾傳感器的工作原理霍爾效應(yīng)：在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長度為l，寬度為b，厚度為d,當它被置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁感應(yīng)強度B乘積成正比

17、的電勢UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。工作原理：霍爾開關(guān)集成電路中的信號放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號變換器、驅(qū)動器進展整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。信號輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個齒。單位時間輸出的脈沖數(shù)N，可求出單位時間的速度VNT?；魻杺鞲衅鞯碾娐吩韴D圖10 霍爾傳感器的測速電路6LCD顯示模塊液晶LCD1062芯片介紹1602液晶模塊部的字符發(fā)生存儲器CGROM)已經(jīng)存儲了160不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和

18、日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比方大寫的英文字母“A的代碼是01000001B41H，顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A 6。表1字符型LCD引腳定義引腳號引腳名電平輸入/輸出作用1VSS電源地2VCC電源+5v3VEE比照調(diào)整電壓4RS0/1輸入0=輸入指令1=輸入數(shù)據(jù)5R/W0/1輸入0=向LCD寫入指令或數(shù)據(jù)1=從LCD讀取信息6E1,10輸入使能信號，1時讀取信息10下降沿執(zhí)行指令7D00/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line0(最低位)8D10/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line19D20/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line210D30/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線

19、line311D40/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line412D50/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line513D60/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line614D70/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line7最高位15A+vccLCD背光電源正極16K接地LCD背光電源負極2)電路原理圖圖11 LCD顯示電路2.4 調(diào)速設(shè)計模塊1PWM波軟件設(shè)計程序流程圖：開場按鍵查詢OPEN是否按下時定時器T0開場計時Add_speed是否按下初始化是是增大矩形波占空比Sub_speed是否按下是減小矩形波占空比Swap或close是否按下改變轉(zhuǎn)向或關(guān)閉電機通過控制總中斷使能EA控制電機的開關(guān)，同時使能對霍爾傳感器輸出的方波在單位時間脈

20、沖個數(shù)的計數(shù)。其中定時器T0,T1分別對脈沖的寬度、霍爾元件輸出的脈沖數(shù)對應(yīng)的1秒時間定時。對脈沖寬度的調(diào)整是通過改變高電平的定時長度，由變量high控制。變量change、 sub_speed 、add_speed分別實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)向、加速、減速。*通過按鍵實現(xiàn)對電機開關(guān)、調(diào)速、轉(zhuǎn)向的控制的程序*void motor_control() if(open = 1)EA = 1;if(close = 1)EA = 0;if(swap = 1) change = change;while(swap != 0) if(sub_speed = 1) high+; if(high = 30) EA=0;

21、while(sub_speed != 0) if(add_speed = 1) high-; if(high = 5) high = 5; while(add_speed != 0) 2測速軟件設(shè)計開場初始化OPEN是否按下定時器T1開場計時對單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù) N根據(jù)公式計算出電機的速度液晶顯示電機速度*T1中斷效勞程序*單位時間S方波的個數(shù)*void time1_int(void) interrupt 3 count_speed+;if(count_speed = 20) count_speed = 0;num_display = num_medium;num_medium = 0;5三

22、、系統(tǒng)功能調(diào)試3.1調(diào)試軟件介紹Protel99SE是應(yīng)用于Windows9*/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計軟件，采用設(shè)計庫管理模式，可以進展聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，可以完成電路原理圖設(shè)計，印制電路板設(shè)計和可編程邏輯器件設(shè)計等工作，可以設(shè)計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層。按照系統(tǒng)功能來劃分，Protel99se主要包含6個功能模塊：電路工程設(shè)計局部、印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)、自動布線系統(tǒng)、電路模擬仿真系統(tǒng)、可編程邏輯設(shè)計系統(tǒng)、高級信號完整性分析系統(tǒng)。存儲器和特殊功能存放器的存取、中斷功能、靈活的指針另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼

23、，就能體會到KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能表達高級語言的優(yōu)勢。KEIL C51編譯器由uVision2集成開發(fā)環(huán)境與編輯器和調(diào)試器以及C51編譯器組成。其中uVision2集成開發(fā)環(huán)境中的工程(project)是由源文件、開發(fā)工具選項以及編程說明三局部組成的;編輯器和調(diào)試器包括源代碼編輯器、斷點設(shè)置、調(diào)試函數(shù)語言、變量和存儲器3。3.2 直流電機介紹(1) 直流電機的特點電機是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。電機的種類繁多，如果按電源類型分，可分為直流電機和交流電機兩大類。常見的直流電機包括有刷電機、無刷電機、步進電機等。直流有

24、刷電機是所有電機的根底，它具有啟動快、制動及時、可在大圍平滑地調(diào)速、控制電路相對簡單等特點。(2) 直流電機的根本工作原理直流電機由永久磁鐵、電樞、換相器等組成。如圖a和圖 b 所示，上下是兩個固定的永久磁鐵，上面是N 極，下面是S 極，磁力線從N 到S。兩極之間是一段可旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)體abcd, 稱為電樞。電樞的ab 段與cd 段分別連接到兩個互不接觸的半圓形金屬片上，這兩個金屬片稱為換向器。圖a 直流電機的旋轉(zhuǎn)原理如圖a所示，在換向器的AB 兩端上加上一個上正下負的直流電壓，電流由a 到b，由c 到d。根據(jù)左手定則，ab 段在自上而下的磁力線作用下，向左移動，cd 段向右移動。在這兩個力的作用下，abcd 電樞開場逆時針旋轉(zhuǎn)，因為換向器和電樞固定在一起，它