《AT89S52单片机基础项目教程》204-交直流电机驱动控制

课题序号204教学班级教学课时0.5教学形式多媒体教学课题名称全自动洗衣机--交、直流电机驱动控制使用教具课件，多媒体教学，直流电机实物教学目的掌握交、直流电机驱动控制教学重点掌握直流电机控制运行基本知识教学难点脉冲宽度调制方法及电机调速电路更新、补充、删节内容无课前准备制作课件，整理任务指导书课外作业编写程序实现直流电机的正反转、急停、加速、减速的控制以及PWM的占空比在LED上的实时显示板书设计一、交、直流电机驱动控制（一）电机的分类（二）电容移相启动单项交流电动机（三）小功率直流电动机（四）关于PWM（脉冲宽度调制）（五）直流电机调速电路（六）抗干扰隔离问题（七）在Proteus中仿真教学感想

课堂教学安排教学环节主要教学内容教学手段与方式课程导入（以实物的方式引入本课的主要内容）讲授新课（讲解本课的主要内容）课程讲授课程小结课后作业在机械领域中，经常需要控制某个部件的运动，使用电机并通过机械结构转换可以达到此目的。电机的控制包括启停、正反转以及速度调节，本节课将依次解决上述问题。（展示直流电机实物）（一）电机的分类电机的分类根据不同的条件有好多种形式。以工作电源来分，有交流电机与直流电机；以交流供电形式来分，有三相交流电机与单项交流电机；按用途分，有驱动电机与伺服电机。还有好多分类，大家可以参考相关书籍学习。这里我们重点介绍与完成本次任务相关的两种电机的控制方法。一种是额定电压220V、电容移相启动单项交流电动机；另一种是直流24V小功率电机。（二）电容移相启动单项交流电动机单相电不能产生旋转磁场.要使单相电动机能转起来，我们在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组再串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动。这就是电容移相启动单项交流电动机的工作原理。这种电动机要实现正反转，可采用改变电容器串接的位置来实现。电容启动单项交流电机正反转电路（三）小功率直流电动机直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生电磁力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转的话磁场方向将改变，此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也发生改变，但产生的电磁力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。这就是一般直流电动机的工作原理。这种电动机要实现正反转，只要想办法把接上去的直流电压极性反过来就可以了，也就是直流电压的正负极对调。继电器控制小功率直流电机正反转原理图下面我们来谈谈关于小功率直流电机的调速问题。直流电机调速基本原理是改变直流电机的电压就可以改变转速。改变电压的方法有很多，最常见的一种采用PWM脉宽调制，即调节直流电机的输入电压的占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为直流电机调速的首选方案。（四）关于PWM（脉冲宽度调制）PWM关于占空比的概念PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。（五）直流电机调速电路图2-4-2继电器控制小功率直流电机正反转的电路是不能进行调速控制的，原因是继电器的机械触点不适合PWM的这种瞬间多次通断的操作，因此必须选用无触点半导体开关管进行控制。比如用最简单的三极管，利用其开关特性来设计能实现正反转并能进行PWM调速的驱动电路。下面提供一种典型的驱动小功率直流电机正反转，并能进行PWM调速的驱动电路。能实现正反转、PWM调速的直流电机驱动电路上图中的A点与B点与单片机的I/O口相连，当A与B都是同一电平信号时，即A与B同为“1”或“0”，电机不转；当A为低电平“0”、B为高电平“1”时，电机正转；当A为高电平“1”、B为低电平“0”时，电机反转。当电机运转时，高电平一端如果送的是PWM信号，则电机可以按改变的速度运转。（六）抗干扰隔离问题电机运行时会产生较强的电磁干扰，对单片机的工作会产生严重的影响。所以，在单片机控制电路与电机负载电路之间，一定要考虑抗干扰的电气隔离措施。通常所用的隔离器件是光电耦合器。这是一种把红外光发射器件和红外光接受器件以及信号处理电路等封装在同一管座内的器件。当输入电信号加到输入端发光器件LED上，LED发光，光接受器件接受光信号并转换成电信号，然后将电信号直接输出，或者将电信号放大处理成标准数字电平输出，这样就实现了“电－光－电”的转换及传输，光是传输的媒介，因而输入端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离。图2-4-7下方是利用三极管驱动继电器的电路，接口至单片机的控制脚如果是高电平，就导通三极管，让线圈得电，使继电器触点动作；上面是光耦隔离的电路形式，与单片机接口的控制脚如果输出低电平，则光耦导通，让达林顿管反向驱动器ULN2003动作，使之输出低电平，使继电器触点动作。（七）在Proteus中仿真1、实现交流电机正反转。可以利用亚龙YL-236单片机实训考核装置来完成这个任务，其中除了主机模块等必须的外，选择继电器模块、与电机模块，其中继电器模块上已经做好了图2-4-7的电路，所需要做的工作就是按图2-4-2的要求接线。另外，光耦输入端与单片机接口可以自己选择。参考程序中：接的是单片机的P1.0与P1.1；正转按键、反转按键、停止按键分别接的是P1.5、P1.6和P1.7。参考程序见教材。直流电机正反转、速度可调仿真结果1、电机以工作电源来分类，有交流电机与直流电机。电容启动单项交流电动机要实现正反转，可采用改变电容器串接的位置来实现；直流电动机要实现正反转，是将直流电压的正负极对调来实现。交流电机调速常用变频方式实现，直流电机调速常用PWM（脉宽调制）来实现。2、PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。D=t1/T是指占空比，t1指方波高电平时间，T是方波周期。当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。3、电机运行时会产生较强的电磁干扰。所以，在单片机控制电路与电机负载电路之间，一定要考虑抗干扰的电气隔离措施。通常所用的隔离器件是光电耦合器。编写程序实现直流电机的正反转、急停、加速、减速的控制以及PWM的占空比在LED上的实时显示。实物导入（由直流电机实物引出课程内容）讲授法（教师讲解电机相关的基本知识，学生听课、做笔记及思考）电路分析（结合图形着重讲解正反转电路的连接方式，学生听课、做笔记及思考）电路分析（结合图形着重讲解正反转电路的连接方式，学生听课、做笔记及思考