直流电机课程设计

测控系统课程设计

课题班 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设计主要功能是实现电机的正转和反转。为实现

系统的微机控制，在设计中，采用了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。

1.2 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：直流电机控制系统以AT89C51单片机为控制核心，单片机在程序

控制下，采用桥式驱动完成电机正，反转控制。

图 1.1 直流电机控制方案

2直流电机单元电路设计与分析

2.1 桥式驱动直流电机方向模块

主要由一些达林顿晶体管、直流电机和二极管以及电阻等组成。现在介绍下

直流电机的运行原理

2.1.1 直流电机类型

直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用

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

伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。下面以直流电动机作为研究对象。

2.1.2 直流电机结构

直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁

极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内

嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出, 直流电机结构如图2.1所示。

图2.1 直流电动机结构

2.1.3 直流电机工作原理

直流电机电路模型如图2.2所示，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 。当线圈中流过电流时，线圈受

到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向

时，

图1.1 直流电机工作

2.1.4 直流电机主要技术参数

直流电机的主要额定值有：

额定功率Pn ：在额定电流和电压下，电机的负载能力。

额定电压Ue ：长期运行的最高电压。

额定电流Ie ：长期运行的最大电流。

额定转速n ：单位时间内的电机转动快慢。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。

说明: U „„„„„„> 电压 Ea „„„ >电枢电动势 n „„„„„„„>转速 I „„„„„„>电枢电流 r a „„„ >电枢回路电阻 Rc „„„ >外在电枢电阻 T1，T2„„„>负载转矩 T0„„„„ > 空载转矩

Φ„„„„„„> 磁通量

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

对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为2.3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。

最大值Vmax图2.3 施加在电枢两端的脉动电压 平均值Vd

最小值Vmin

设电机接全电压U 时，其转速最大为Vmax 。若施加到电枢两端的脉动电图1.3 PWM调速原理图

压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：

U 平=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

由图看出转速与占空比D 并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。

3、直流电机的驱动方式

3.1 直流马达的驱动方式解释

直流马达的驱动方式，就是把直流电源加到直流马达上，使之旋转。

3.2 直流马达驱动方式分类

3.2.1用继电器驱动直流马达

如图所示，将微控制器信号连接到晶体管，以控制继电器。当微控制器送出一个高电平信号，即可产生ib,ic ，继电器激磁，而继电器的a-c 接点将接通，即可提供直流马达电源，使之旋转。其中Vcc 不一定是5V 电源，而是根据继电器及直流马达的规格，取用适当的电压。一般来说，电功率P=V*G，V 越大功率越大；即便是相同的功率，V 越大i 越小，损失越小。

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。

本设计采用互补达林顿功率晶体管-TIP14x 系列，这一系列包括三组配对，分别是TIP-140（NPN ）与TIP-145(PNP)、TIP-141(NPN)与TIP-146(PNP)、TIP-142(NPN)与TIP-147(PNP),其常见规格如表3-1所示。

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，所以此时直流马达上方连接到正电源，另外，直流马达下方通过另一组c-a 接点接地。

若方向引脚上有低电平信号时，继电器消磁，两组c-b 接点接通，直流马达上方通过c-b 接点接地；而直流马达下方通过另一组c-b 接点连接到Q2、Q3所组成的达林顿晶体管，所以此时直流下方连接正电源。

若直流马达上方接电源，下方接地，将其顺时针旋转，此时，如果颠倒其接线，直流马达上方接地、下方接电源，将其逆时针旋转。

另外，我们也可以通过“开或关”引脚决定该马达是否旋转。即我们不但可以控制直流马达的开与关，也可以控制其转向。

3.3.1 以晶体管控制直流马达方向

图3-6 桥式驱动直流马达

如图所示，Q1、Q2是一组PNP 型达林顿晶体管，Q3、Q4是一组NPN 型达林顿晶体管，Q5、Q6是一组PNP 型达林顿晶体管，Q7、Q8是一组NPN 型达林顿晶体管, 不管是NPN 型林达顿晶体管还是PNP 型林达顿晶体管，都可以找到现成、配对的商品，而且不贵！若使用现成的林达顿晶体管，电路就非常简单，而且可靠！电路的左右对称，动作也类似。不管是左边的电路还是右边的电路，当微控制器送一个高电平信号到input1或input2端时，上方的PNP 达林顿晶体管截止，而上方的NPN 型达林顿晶体管导通，当微控制器送一个低电平信号到input1端时，上方的PNP 达林顿晶体管导通，而上方的NPN 达林顿晶体管截止。

若送一个高电平信号到input1端，同时送一个低电平信号到input2端时，则电流由右而左流过此马达，如图所示。

图3-7 电流由直流马达右端流入，左端流出

反之，若送一个低电平信号到input1端，同时送一个高电平信号到input2端时，则电流由左而右流过此马达，如图所示。

图3-8电流由直流马达左端流入，右端流出

若直流马达上方接电源，下方接地，将使其顺时针旋转；此时，如果颠倒其接线，直流马达上方接地，下方接电源，将使其逆时针旋转。

经过这两个方案的比较，由于方案二的性能好，可靠性高，故而选择方案二。因此，根据原理，选择以下元器件：

PNP 型达林顿晶体管4个；NPN 型达林顿晶体管4个；330欧姆电阻4个，二极管4个；直流电机1个；10K 电阻3个；电解电容10uF1个；30PF 电容2个；晶振12MHz1个；按钮开关2个。

4．程序设计流程图

5. 总电路图

6. 程序设计

#include

Sbit motor1=P1^0; //声明直流马达位置

Sbit motor2=P1^1; //声明直流马达位置

Sbit PB0=P2^0; //声明按钮开关位置

Sbit PB1=P2^0; //声明按钮开关位置

Void delay1ms(int); //声明延迟函数

//=================================================================== Main()

{ motor1=0; //关闭直流马达

Motor2=0; //关闭直流马达

PB0=1; //设定PB0

PB1=1; //设定PB1

While(1) //无穷循环

{ if(PB0==0 & PB1==1) //若按下PB0、且未按下PB1

{motor1=0; //设定直流马达转向

Motor2=1; //开启直流马达转向

Delay1ms(500); //旋转0.5s

Motor2=0; //关闭直流马达

if(PB0==1 & PB1==0) //若按下PB1、且未按下PB0

{motor1=1; //设定直流马达转向

Motor2=0; //开启直流马达转向

Delay1ms(500); //旋转0.5s

Motor1=0; //关闭直流马达

} } //结束

//================================================================ Void delay1ms(int x)

{ int i,j;

For(i=0;i

For(j=0;j

} //延迟函数结束

7. 结束语

经历了这次课程设计，我发现了自己的很多不足，自己知识的不怎么牢固，看到了自己的实践经验更是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。现在学到的东西，在以后的工作中一定也会学到，但我毕竟早了两年知道这个道理，它在书本上是学不来的，一定要自己经历了，在实践中才学得到。

学到了如何务实，如何去学一门技术，同时也知道了如何学习，什么才是学习。如果每天都能像这样的学习，大学四年的课程，一年就够了，或许还不要。 其次是团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

8. 参考文献资料

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[5] http://club.china.alibaba.com/forum/thread/view/99_22334448_1.html．

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