关于直流电机控制研究报告

1、 直流电机控制研究摘要：采用Proteus模拟仿真软件，利用AT89C51芯片等相关元器件进行对直流电机控制仿真实验。通过学习相关直流电机工作原理、控制原理、实际控制方法及实用状况等内容，研究了直流电机的正反转控制及速度调节。关键词: Proteus软件，仿真，控制原理，正反转，速度控制主要创新点运用Proteus软件，利用AT89C51芯片等相关元器件进行对直流电机正反转的仿真控制，能保证一定的实验可靠性的同时这种方法可以减少实际实验的工作量和电子元器件的损耗。目 录1 引言42 研究方法42.1直流电动机控制的发展历史及研究现状42.1.1直流电动机控制的发展历史42.1.2直流电动机控制

2、的研究现状62.2 直流电机的运行原理72.2.1 直流电机的结构72.3 直流电机的基本工作原理82.4 直流电机的调速原理82.5 直流电机的数学模型 103 PWM 调制原理原理 113.1 PWM 控制技术113.1.1 PWM 概念113.1.2 冲量等效理论 113.2 使用 PWM 控制技术控制直流电机133.2.1 PWM 控制直流电机转速133.2.2 PWM 控制直流电机正反转144 研究结果及分析 154.1设计原理图 154.2程序代码 165 总结 186 参考文献 197 研究报告成绩评定和评语 201 引言电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经

3、济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，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。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率

4、等物理量进行控制。2 研究方法2.1直流电动机控制的发展历史及研究现状2.1.1直流电动机控制的发展历史常用的控制直流电动机有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电

5、动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。

6、由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(放大倍数1000)高10倍;在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技

7、术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等

8、控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。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，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进

9、步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条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。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。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，超声波电动机等。

10、由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。2.1.2直流电动机控制的研究现状数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，

11、使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝

12、公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国从20世纪60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也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。随着新型电力半导体器件的发展，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation,

13、简称PWM）方向发展。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。2.2 直流电机的运行原理2.2.1 直流电机的结构图2.1直流电机的物理模型图其中，固定部分有磁铁，这里称为主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便的表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转

14、子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。2.3 直流电机的基本工作原理图2.2直流电机的基本工作原理图对图2.1所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由

15、左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。2.4 直流电

16、机的调速原理众所周知，直流电机转速n的表达式为: (2 - 1)式中:U-电枢端电压I-电枢电流R-电枢电路总电阻-每极磁通量K-与电机结构有关的常数由上式可知，直流电机转速n的控制方法有三种:(1)调节电枢电压U。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统;(2)改变电机主磁通中只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小;(3)改变电枢电路电阻R在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:弱磁调速范围不大，往

17、往与调压调速配合使用;因此，自动调速系统以调压调速为主。改变电枢电压主要有三种方式:旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器(或称直流斩波器)。(l)旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。(2)20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward

18、-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角。进而改变整流电压Ud的大小，达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。(3) 脉宽调制 (PWM)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。2.5 直流电机的数学模型直流电动机的等效电路如下图所示。图2.3直流电动机等效图电路的电压平衡方程和

19、力矩平衡方程为: (2 - 2) (2 - 3)式中 Ua 电源电压;Ia-电枢电流 ;Ra-电枢电阻(包括电刷、换向器以及两者之间的电阻);La-电枢电感;Ea-电枢反电动势;J-转动惯量;-转动的角速度;Te-电磁转距;Tl-负载转距;KD-转动部分的阻尼系数.永磁直流电动机的电枢反电动势可表示为:Ea=Ke* (2 - 4)式中Ke-反电动势常数.电磁转矩为:Te=KT *Ia (2 - 5)式中KT-磁转矩常数。动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。将式 (2-2)、式(2-3)、式(2-4)和式(2-5)作拉氏变换，得到如下函数:Ua(s )=RaIa(s)+ L

20、aSIa(s)+ Ea(s)JS(s)=Te(s)一Tl(s)一KDS(s)Ea(s)= Ke(s)Te(s)=KTIa(s)上面的式子可以用下面的方框图表示。图2.4直流电动机数学模型3 PWM 调制原理原理3.1 PWM 控制技术3.1.1 PWM 概念脉冲宽度调节（PWM）是英文 Pulse Width Modulation 的缩写，简称脉宽调制。它通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。脉宽调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。3

21、.1.2 冲量等效理论 在采样控制理论中，有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同，低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，将正弦半波 N 等分，看成 N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等，如图 2-1 中 a 图所示；将这些脉冲序列用矩形脉冲代替，等幅、不等宽，二者中点重合，各矩形脉冲的面积（冲量）与 a 图中对应的脉冲相等，其宽度按正弦规律变化，如图 2-1 中 b 图所示。可以看出， 等幅值、不同宽度的一系列矩形脉冲与正弦半波的作用是

22、等效的。要改变等效输出正弦波的幅值，按同一比例改变各矩形脉冲宽度即可。因此可以用等幅值、不同宽度的一系列脉冲来等效模拟信号波形。对于直流电压或电流，可以简单地用一系列等幅值、等宽度的脉冲来等效。而要改变电压或电流大小，只要使用高分辨率的计数器，调整输出方波的占空比（在一串理想的脉冲序列中，正脉冲的持续时间与脉冲周期的比值），即可对模拟电平信号进行编码，实现数字系统对模拟电压或电流大小的精确控制。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流

23、供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。大多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于 10Hz，通常调制频率为1KHz 到200KHz 之间。图 3.1 PWM 与正弦波冲量等效3.2 使用 PWM 控制技术控制直流电机PWM 信号只有两种状态，高电平和低电平，对于一个给定的周期来说，高电平所占的时间和总的一个周期时间之比叫做占空比，电机的速度与施加的平均电压成正比， 输出转矩则与电流成正比。直流电机高效运行的最常见方法是施加一个 PWM （脉宽调制）方波，其通-断比率对应于所需速度。即直流电机的转速正比于在

24、一个周期内 PWM 的电压有效值。电机起到一个低通滤波器作用，将 PWM 信号转换为有效直流电平。PWM 驱动信号很常用，因为使用微处理器的控制器很容易产生 PWM 信号。虽然用精确的脉冲宽度可以调节电机的速度，实际应用中的 PWM 频率却是可变的。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。3.2.1 PWM 控制直流电机转速改变加到直流电机电枢两端的直流驱动电压，即可改变电机的转

25、速；改变该驱动电压的极性，即可改变电机的旋转方向。使用 PWM(脉宽调制)方法，可以方便地改变加给电机电枢的平均电压的大小，其基本原理可由图 2-2 说明。设Ui 是三极管基极的控制电压，UM 为电机两端的直流电压，它们的波形如图 2 所示， 在一个周期 T 内，它的平均电压 UM 为，称矩形波的占空比，可知，改变控制信号的占空比就可以改变电机的转速。图 3.2 PWM 控制直流电机转速3.2.2 PWM 控制直流电机正反转改变加给电枢的直流电压极性，即能改变电机旋转方向；方案之一是使用直流继电器来改变供电极性，另一种方案使用两组晶体三极管构成切换电路， 如图2-3 所示，全桥式驱动电路的 4

26、 只开关管都工作在斩波状态， T1、 T2 为一组， T3、T4 为另一组，两组开关的状态互补，一组导通则 另一组必须关断。当 T1、T2导通时，T3、 T4 关断，电机两端加正向电压，可以实 现电机的正转或反转制动；当 T3、T4 导 通时，T1、T2 关断，电机两端为反向电 压，电机反转或正转制动。图 3.3 PWM 控制直流电机正反转(1) 当 A=1(高电平)：则 B=0 T1 导通T2 导通；C=1 T3 截上T4 截上；于是电流 i1 流经由机 M 的路径为：UccT1MT2地，电机正转。(2) 若 A=0(低电平)：则 B=1 T1 截上T2 截上；C=0 T3 导通T4 导通；

27、于是电流 i2 的流径电机 M 的路径为：UccT3MT4地，电机反转。4 研究结果及分析4.1设计原理图4.2程序代码#include < reg51.h >#include < intrins.h >sbit K1 =P14 ; /加速键sbit K2 =P15 ; /减速键sbit K3 =P16 ; /正反控制键sbit CLK=P00 ; /PWM输出控制信号sbit ZF =P01 ; /正反控制信号unsigned char PWMH=0x00; /调宽值unsigned char PWML=0x0f; void delay(unsigned char m

28、);void main() CLK=0; TMOD=0x11 ;/两个定时器都工作在方式1 TH0=0x00 ; /65.535ms延时常数 TL0=0x00; TH1=PWMH ; TL1=PWML ; EA=1; /CPU允许中断 ET0=1; /允许定时器T0中断 ET1=1; /允许定时器T1中断 TR0=1 ; /定时器T0计数 while(1) if (K3=0) /高电平逆时钟转，低电平顺时钟转 ZF=0; else ZF=1; if(K1=0) /按下加速键 delay(1); PWML+; /调宽值低四位加1 if(PWML=0x00) PWMH+; /调宽值高四位加1 if (PWMH=0xFF) /最大值时 PWMH=0xFE; if(K2=0)/按下减速键 delay(1); PWML- ; /调宽值低四位减1 if (PWML=0x00) PWMH-; /调宽值高四位减1 if (PWMH=0x00) PWMH=0x01; /最小值时 void timer0() interrupt 1 using 0/ 定时器0中断服务程序 TR1=0 ; TH0=0x00 ; TL0=0x00 ; TH1=PWMH ;TL1=PWML; TR1=1 ; CLK=0 ; /启动输出void timer1() interrupt 3 using 0/