2022年直流电动机闭环调速系统～课程设计指导书 .pdf

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1、10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统1/16 电力拖动自动控制系统-学号成绩分组序号同组人员签名本人奉献排名指导教师签名精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统2/16 直流电动机闭环调速系统设计一、系统结构对系统结构的注释单片机核心显示器键盘和开关H桥隔离和电源马达测速马达A/D 变换器电平转换精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统3/16 二、课程设计内容要求

2、1. 设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键；2. 显示马达的运行状态正转、反转、停止，显示转速；3. 测量马达的反电动势系数；4. 测量马达的力矩系数；5. 创建马达的数学模型；6. 实现比例控制；7. 实现比例积分控制；8. 缓存马达动态过程运行数据，并上传到PC机绘出动态过程曲线对设计内容的注释精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统4/16 三、硬件设计3.1 列表硬件，准备硬件带测速码盘直流电机L298N 电机驱动模块59C51 单片机实验板LCD1602 液晶显示

3、屏杜邦线3.3 根据自己准备的硬件和系统框图，设计硬件接线图；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统5/16 四、软件设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统6/16 五、详细的功能设计和实现5.1. 设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键；设计、实现、测量、比照分析5.2. 显示马达的运行状态正转、反转、停止，显示转速；设计、实现、测量、比照分析5.3.

4、测量马达的反电动势系数；设计、实现、测量、比照分析Ke= (V-IR)/n5.4. 测量马达的力矩系数；设计、实现、测量、比照分析5.5. 创建马达的数学模型；设计、实现、测量、比照分析5.6. 实现比例控制；设计、实现、测量、比照分析5.7. 实现比例积分控制；设计、实现、测量、比照分析5.8. 缓存马达动态过程运行数据，并上传到PC 机绘出动态过程曲线设计、实现、测量、比照分析精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统7/16 附录一：永磁直流行星齿轮减速电机直流电动机与交流电动

5、机相比较，具有良好的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转； 过载能力大， 能承受频繁的冲击负载； 能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。但直流电机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花，所以可靠性比较差，维护比较困难。 所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重。直流电机的基本结构图见图4-1：图直流电机的基本结构1)感应电

6、势 E 4-1式中: -电动势 (V); 一对磁极的磁通 (Wb); n-电枢转速 (r/min); eK-与结构有关的常数 . 2)电磁转矩 T taTKI4-2精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统8/16 式中: T-电磁转矩 (Nm); 一对磁极的磁通 (Wb); aI-电枢电流 (A); tK-与结构有关的常数 . 3)直流电动机电枢电压平衡方程式aaUEI R4-3aR为电枢电阻4)直流电动机机械特性的一般表达式02eeetRUnTnnKK K4-4F1.4 直流电机

7、的机械特性曲线直流电机的机械特性曲线如下列图4-2 所示：图-直流电机的机械特性曲线转速下降的原因：电机带负载匀速运行时， TeTL，假设负载 TL 增加，则电机的输出电磁转距 Te也要随之增加，也即电枢电流Ia 增大。那么电枢绕组的内阻所消耗的压降IaRa增加，所以转速 n 下降。aaeeI RUnCC4-5调压调速通：过改变输入电压实现调速，如图4-3 所示。TN T n0nNnnT精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统9/16 图 降压调速原理n 0n 1n 2n 3UNU

8、1U2U3UN U1 U2 U3n 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统10/16 附录二：直流电动机 PWM 调速原理所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。对于直流电机调速系统，使用FPGA 进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值，即占空比，来控制电机速度。PWM 调速原理如图 4-4 所示：图 PWM调速原理在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加，电机断电时，速度逐渐

9、减少。只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机永远接通电源时，其转速最大为，设占空比为，则电机的平均速度为DVmaxVd?4-6式中：dV 电机的平均速度maxV电机全通时间的速度最大T/tD1占空平均速度dV 与占空比 D 的函数曲线，如图4-6(a) 所示：T t1 t2 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统11/16 图 平均速度与占空比的关系由图 4-6(b) 所示可以看出，dV 与占空比 D 并不是完全线性关系图中实线，当系统 4 允许时，可

10、以将其近似的看成线性关系途中虚线。因此也就可以看成电机电枢电压aU 与占空比 D 成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。由以上表达可知： 电机的转速电枢电压成比例， 而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比， 因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比1时，电机转速最大。占空比 D表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。D的变化范围为 0D 1。当电源电压 U不变的情况下，输出电压的平均值U取决于占空比 D的大小，改变 D值也就改变了输出电压的平均值，从而到达控制电动机转速的目的，即实现 PWM 调速。在 PWM 调速时，占空比 D是一个重要参数。 改变占空

11、比的方法有定宽调频法、调宽调频法和定频调宽法等。常用的定频调宽法，同时改变t1 和 t2 ，但周期 T或频率保持不变。电压 V0 T t1 t2 通电断电时间 t平均速度VdVmax1 0 (a) (b) 占空比D精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统12/16 附录三： H型全桥式驱动电路和L298N简绍F3.1 直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式驱动电路， 这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如下图。

12、图 H 型桥式驱动电路H型全桥式驱动电路的4 只三极管都工作在斩波状态，V1、V4为一组， V2、V3为另一组，两组的状态互补， 一组导通则另一组必须关断。 当 V1、V4导通时，V2、V3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V2、V3导通时， V1、V4关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。在直流电机运转的过程中， 我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换， 也就是在 V1、V4导通且 V2、V3关断，到 V1、V4关断且 V2、V3导通，这两种状态之间转换。 在这种情况下， 理论上要求两组控制信号完全互补， 但是，由于实际的开关器件都存在开

13、通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比方在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。为了防止直通短路且保证各个开关管动作之间的同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系， 而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时。M NET1 NET0 NET0 NET1 V3 V1 V4 V2 VCC 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统13/16 F3.2 L298N 芯片L298N 是 ST 公司

14、生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流为2A；额定功率 25W。内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器， 可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载； 采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端， 在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机， 该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。实物如图5-2 所示。

15、图L298N 芯片芯片内部逻辑结构图见图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统14/16 图L298N 芯片逻辑结构精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统15/16 引脚说明见表 3-4：表 5-4 NameFunction1;15 Sense A; Sense B 在这个引脚和低之间可以接感应电阻用于控制负载电流2;3 Out 1; Out 2 A 桥的输出端

16、口；流经这两个端子连接的负载电流在端子 1 被检测4 VS 用于驱动负载的功率输出电源电压。在这个引脚和地之间必须接一个100nf 的无极性电容5;7 Input 1; Input 2 A桥 TTL输入端6;11 Enable A; EnableB TTL使能输入端：低电平使桥A或桥 B无效8 GND 地9 VSS 逻辑模块的电源供给。引脚与地间必须接一个100nF的电容10; 12 Input 3; Input 4 B桥 TTL输入端13; 14 Out 3; Out 4 B 桥的输出；流经这两个端子连接的负载电流在端子 15被检测极限参数：Vs：功率电源50V Vss：逻辑电源电压7V V

17、i、Ven：输入和使能电压-0.37V Io：最大输出电流每个通道无重复重复直流操作3A 2A Vsens ：感应电压Ptot：总的功率耗散温度到达75 度25W Top：结操作温度-25130度Tstg、Ti: 储存和结温度-40150度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 16 页10 自动化课程设计电力拖动自动控制系统16/16 芯片引脚图如图 3-6 所示: 图 3-6 L298N 芯片引脚功能模块参数：1.驱动芯片： L298N 双 H 桥直流电机驱动芯片2.驱动部分端子供电范围Vs：5V35V ； 如需要板内取电

18、，则供电范围 Vs：+7V+35V 3.驱动部分峰值电流 Io：2A 4.逻辑部分端子供电范围Vss：5V7V可板内取电 5V5.逻辑部分工作电流范围 :036mA 6.控制信号输入电压范围：Vin1.5V VinVss 7.使能信号输入电压范围：Vin1.5V控制信号无效VinVss控制信号有效8.最大功耗： 20W温度 T75时9.存储温度： 25 13010.驱动板尺寸 :55mm*49mm*33mm( 带固定铜柱和散热片高度 ) 11.驱动板重量： 33g 12.其他扩展：控制方向指示灯、逻辑部分板内取电接口。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 16 页