直流电动机设计方案
直流电动机设计方案
第1章前沿
1.1 课题研究的背景及意义
直流电动机以其良好的起动、制动性能，较宽围平滑调速的优点，在许多调速要求较高、要求快速正反向、以蓄电池为电源的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术得到了很快的发展，在某些领域交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流调速系统系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用，比如轧钢机、电气机车等都还有用直流电机；而且从控制规律的角度来看，交流拖动控制系统的控制方式是建立在直流拖动控制系统的基础之上的，从某种意义上说有相似的地方。因此，掌握和了解直流拖动控制系统的控制规律和方法是非常必要的。
从生产机械的要求的角度看，电力拖动控制系统分为调速系统、伺服系统、多电动机同步控制系统、力控制系统等多种类型。而各种系统大多都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统最基本的系统[1]。
从直流电机在国民生产生活中所占位置的角度来看，直流电机目前依旧应用于工业生产中，并广泛应用于人们的生活中。因此直流电机的控制技术的发展很大程度上影响着国民经济的增长，影响着人们的生产生活水平，因此，对直流电机调速系统的研究还是很有必要的。
1.2 课题发展历程及趋势
在很长的一段时间里直流电动机作为最主要的电力拖动工具，其应用已经渗透到人们的工作、学习、生活的各个方面。早期电动机调速控制器主要由模拟器件构成，由于模拟器件存在的固有缺点，比如存在温漂，零漂电压等，使系统控制精度和可靠性降低。后来，随着可编程控制器比如AT89C51，PLC等和IGBT、GTR等电力电子开关器件，传感器技术等的发展使得直流电机调速系统进入了数字控制的阶段，这使得直流电机调速系
统的发展突飞猛进，从而出现了各种控制算法，比如比较经典的PID调节算法和后来的模糊控制算法等，这些领域的发展使得直流电机调速的精度和可靠性能大大提高，它取代了常规的模拟检测、显示等单元，基本上实现了智能化，使被控对象的动态过程按照规定的方式运行，已经能够满足绝大部分的工作要求，这使得以微控制器为核心的控制系统成为工业生产中控制系统的主流。90年代由于计算机技术的飞速发展，利用PC机的软硬件资源开发出来的控制系统具有更高的精度和可靠性，处理速度更高，需要的外围单元更少，这使得直流电机调速系统向着更加智能化、网络化发展。
目前，国外主要电气公司，如瑞典ABB公司，日本三菱，德国西门子，AEG公司，美国GE公司均已开发出数字式直流调速装置，开发出各种各样的系列化，模块化，标准化的应用产品供选用，使得直流电机调速系统的设计更加方便，更加简单，精度更高，可靠性更好。
在今后的时间里，直流电机调速系统会朝着更高的精度，更好的可靠性，更加智能化，网络化发展。
本次课题正是结合实际生产要求，以直流电机电机为被控对象，以自动控制理论为基础，结合大学所学知识，通过软件程序的编写来实现直流电机的调速系统。
1.3 本章小结
本章主要介绍了从多个方面研究直流电机调速系统的目的和意义，并且介绍了直流电机调速系统国外的发展状况，以及直流电机调速系统今后的发展方向及前景。从而确定了本次课题研究的意义和目的。
第2章 设计方案的选择
本次设计以STC89C52为核心，自动控制原理为基础，PWM 调速为方法，实现直流电机的闭环调速，用键盘设定一个一定围的速度，直流电机会按照给定速度运行，并最终达到稳定运行，并能够对电机的电枢电流进行检测显示并能够对电机进行电流保护。
2.1 直流调速系统调速方式的选择
直流电机的稳定转速为：
Φ
-=
e K IR
U n （2-1） 由上式可知，直流电机调节转速的方案有：
方案一：调节电枢两端电压U ； 方案二：减弱励磁磁通Φ； 方案三：改变电枢回路电阻R ；
改变电枢回路电阻的方法只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够实现无级调速，但是调速围不大，因此直流电机调速最好的方法是调节电枢两端的电压，能够在一定围实现无级调速，且调速围宽[2]。
因此，根据本次设计的要求要实现无级平滑调速，选择方案一调节电枢两端电压的方式来进行电机的调速。
2.2 直流调速系统可控直流电源的选择
直流电机所用的电源为直流电源，而如何得到直流电源有以下方法：
方案一：采用晶闸管整流器-电动机调速系统,通过调节可控触发装置晶闸管的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而改变整流器输出的平均电压，即电枢两端电压，以实
现直流电动机的平滑调速；
方案二：脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，用脉冲宽度调制的方法把给定的恒定的直流电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲电压序列，从而改变电枢两端的平均电压，以实现直流电机的平滑调速；
方案一中的晶闸管是单向导电的，给电动机的可逆运行带来极大的困难，在可逆运行中，需要采用正反两组可控整流电路；晶闸管对过电压和过电流以及过高dt
du/和dt
di/十分敏感，任何一项指标超过其允许值都会使晶闸管烧坏；当电动机在低速运行时，晶闸管的导通角很小，系统功率因数变小，在交流侧产生较大谐波电流，引起电网电压畸变，因此要在电网中增设无功补偿装置；由于电压波形的脉动，使得电流波形也会脉动，因此要设置一个电感量足够大的平波电抗器；电路比较复杂。
方案二中开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较少；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高；变换器的开关频率高，电流脉动幅值不大，再影响到反电动势和转速，波动就更小了；具有低速性能好，稳速精度高，调速围宽的优点；电路比较简单。
综合考虑，本次设计采用方案二直流PWM调速系统。
2.3 直流电动机驱动模块选择
对直流电机驱动有很多种方法，然而根据设计要求选择一个合适的方法很重要：方案一：用继电器来启动和停止电机，通过不断的切换继电器的开和关来对电机调速，这种方案电路简单，但是继电器响应时间较长，只能在开关频率低时使用，机械结构易磨损；
方案二：用功率开关器件构成的H桥来驱动直流电机，功率开关器件开关频率高，响应时间短，能够快速响应给定，系统滞后时间短，通过单片机输出PWM波来控制H桥开关器件的开和关，从而改变直流电机电枢电压，达到调速的目的。
考虑到PWM波的频率问题，本次设计采用方案二，应用电机驱动模块L298N来驱动直流电机。
2.4 PWM实现方式
PWM波的实现方法主要分为硬件和软件两种实现方法，而硬件和软件的实现方法又是多种多样的，由于条件限制，我们能采取的实现方法主要有：
方案一：应用单片机用软件延时的方式产生PWM波，这种方法比较占用处理器的资源，并且精度不高；
方案二：采用模拟PWM波形发生器芯片产生PWM波，通过单片机给定来改变输出的PWM波的占空比，这种方法控制简单，精度也比较高，但是需要外围的PWM波发生电路；
方案三：应用单片机的定时器来产生PWM波，对定时器赋不同的初始值来改变PWM 波的占空比，从而实现PWM的定频调宽，这种方式精度比较高，单片机部带有定时器，使用方便简单。
通过对三种方案的比较，本次设计最终选择方案三来产生PWM波。
2.5 H桥可逆斩波调速系统调制方式
H桥可逆斩波控制的方法有很多种，也各有其优缺点，供我们选择的方案有：方案一：单极性脉宽调制方式，通过控制直流电压的极性来改变输出电压的极性，这种控制方式要求直流电压极性控制和脉宽调制信号配合使用比较麻烦，并且要进行电机正反转时要求外加直流电源极性变化；
方案二：双极性脉宽调制方式，这种方式通过改变控制信号的占空比来进行电机的正反转控制，当占空比大于2/
T时，
T时，电机正转，小于2/
T时，电机反转，等于2/
电机停止，这种调制方式电机电流一定连续；可以使电机在四象限运行；电机停止时有微震电流，恩能够消除静摩擦死区；低速平稳性好，系统调速围宽可以达到1:20000左右；低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通，但是这种调速方式在工作过程中4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大；在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故[3]。
通过综合考虑，本次设计最终采用方案二双极性脉宽调制方式，虽然双极性有其自身的缺点，但在一定程度上不影响直流电机的调速，并且对于上、下桥臂直通的事故，可以通过软件的编程来避免，在本次设计中，主要通过对L298使能端的控制来达到防止上、下桥臂直通事故。
2.6 显示模块的选择
在现在的生活中，用来显示的东西也是各种各样，基本的显示器件如下：
方案一：采用LED数码管动态扫描显示，价格相对便宜，亮度高，显示数字简单，但是显示字母就不是很方便，并且连线复杂，驱动电路复杂；
方案二：采用点阵进行显示，点阵是由发光二极管组成，显示字母，汉字比较方便，但是显示数字浪费资源，并且价格相对较高；
方案三：用LCD 进行显示，LCD 显示程序简单，无需驱动电路，功能强大，可以显示字符，数字以及各种图形，亮度比较高，连线很方便。
通过比较，根据对各种方案熟悉程度和设计要求选择方案三，用LCD1602进行显示。
2.7键盘的方案选择
键盘作为输入设备，是大多电子产品的辅助物品，然而键盘的实现方案有两种：
方案一：应用独立键盘，这种在键盘数量大于四的时候会占用较多的I/O 口，但是其编程简单；
方案二：应用矩阵键盘，这种键盘的优点在于当键盘数量多的时候，应用矩阵键盘可以大大节省I/O 口，但是编程比较复杂；
综合考虑，本次设计只选用6个按键，采用独立键盘得用6个I/O 口，采用矩阵键盘只需5个I/O 口，因此本次设计选用2*3矩阵键盘。
2.8 调节器的实现方式选择
根据所学知识，提供给我们实现调节器的方式有两种：
方案一：选择模拟器件搭建的模拟调节器，这种调节器由于模拟器件本身的缺陷比如存在温漂、零漂电压等，使得控制精度和控制的可靠性能大大降低，并且电路复杂，需要更多的元器件，但是这种调节器对程序要求不高，程序简单；
方案二：用单片机来进行调节器的设计，采用数字调节器，这种调节器能够克服模拟器件的缺点，使得控制精度和可靠性提高，并且不需要外围电路，电路简单，对调节器的输出限幅等都很方便。
本次设计综合考虑方案一和方案二的优缺点，最终选择方案二来进行调节器的设计。
2.9 数字PI 调节器算法的实现方式
用单片机通过程序实现PI 调节器有两种方法：
方案一：位置式算法，第k 拍的输出为)1()()()(-++=k u k e T K k e K k u i sam i p ，由公式可以看出比例部分只与当前偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的积累，这种
算法结构清晰，P 和I 两部分作用分明，便于参数调整，但是这种算法在输出需要限幅的情况下必须积分限幅和输出限幅同时进行，两者缺一不可；
方案二：增量式算法，第k 拍的输出为)()]1()([)1()(k e T K k e k e K k u k u sam i p +--+-=，由公式可以看出，这种算法只需在程序中保存上一拍的输出即可，当需要限幅时，只需对输出限幅[4]。
在不需要输出限幅的情况下两种算法都是一样的，但是本次设计需要对输出限幅，因此，本次设计采用方案二，因为方案二只需输出限幅，会使程序比较简单。
2.10 电机测速模块的选择
用于电机测速的设备有很多，精度也不一样，适合的场合也不一样，因此选择合适的电机测速方案是很必要的：
方案一：利用测速发电机进行测速，通过测量发电机发出的电压来计算直流电机速度，这种测速方法需要一个A/D 转换，电路比较复杂；
方案二：利用增量式旋转编码器进行测速，通过对光电旋转编码器输出电压脉冲数量的检测来计算电机转速，这种方法电路简单，程序编写也不复杂；
方案三：利用绝对式旋转编码器进行测速，这种编码器通常用于对电机转角进行测量，需要测量速度需要对转角进行微分，比较麻烦。
通过比较，本次设计采样方案二，利用增量式光电旋转编码器对直流电机进行测速，通过对两路脉冲相位的鉴别可以知道直流电机的转向，通过对单位时间的脉冲数量来进行测量，得到直流电机的转速。
2.11 数字测速方法的选择
供我们选择的数字测速的方案有：
方案一：M 法测速，这种测速方法是通过对一定的时间c T 测取旋转编码器的脉冲输出个数1M ,然后根据公式)/(601c ZT M n =来计算出直流电机的转速，这种测速方法的分辨率与实际转速无关，它的最大误差率为1max /1M =δ，因此它适合直流电机高速运行时的速度测量。
方案二：T 法测速，这种测速方法是通过测出旋转编码器两个输出脉冲之间的时间间隔来计算转速，它所计的是两个脉冲时间间隔计算机发出的高频时钟脉冲的个数2M ，然后根据)/(6020ZM f n =来计算电机转速，它的分辨率和实际转速有关，转速越低，分辨
率越高，它的最大误差率为)1/(12max -=M δ,因此比较适合电机低速运行时直流电机的测速。
通过比较，方案二需要对单片机另外接时钟脉冲芯片，电路比较复杂，并且适合低速运行时，本次设计主要研究直流调速系统，我们是在直流电机的高速段实现直流电机调速，因此，我们选择方案一M 法测速。
2.12 电机电枢电流采集方案选择
直流电的采集方式主要是将电流转换为电压，让后通过对电压的测量来检测电流，而电压的采集的主要部分是A/D 转换，而A/D 转换有下列几种可供选择方案：
方案一：工作方式为双积分式A/D 转换芯片，这种芯片的转换精度高，价格低廉；但是转换速度较慢。
方案二：工作方式为逐次逼近式式A/D 转换芯片，它的精度比较高，并且速度快。 通过比较，本次设计选择方案二来进行电流检测。
2.13 本章小结
本章通过对系统某一功能实现的不同方法的比较，从而得到更加可靠合理的方法，主要包括显示模块、键盘模块、调节器算法等的多种实现方法优缺点的比较，根据自身设计要求，选择合适的方案，这是系统能够成功的关键所在。
第3章 直流电机调速系统设计
3.1 STC89C52单片机的简介 3.1.1 STC89C52单片机最小系统
STC89C52最小系统跟其他微控制器最小系统一样，处理器是不能独立工作的，必须给它接上电源，加上时钟信号，并有复位电路，如果芯片没有片存储器，还得外部提供存储器，才能保证最小系统能够运行。最小系统如图3.1所示：
图3.1 最小系统结构图
对于STC89C52最小系统，由于其部自带有存储器，因此可以没有存储器系统，如果系统不需要调试，调试测试接口也可以没有，但是在这次设计中，需要进行软件调试，因此调试测试接口必须。 1.供电系统
供电系统为整个系统提供能量，是整个系统能够工作的基础，具有很重要的地位，电源设计需要考虑到输出电压、电流、功率等因素。STC89C52的工作电压为3.4~5.5V ，一般情况下设计时设计的工作电压为5V 。 2.时钟系统
所有的微控制器均为时序电路，只有有了时钟信号，微控制器才能正常工作。STC89C52部自带有时钟电路，但是必须外接一个晶体或者瓷谐振器，这样才能给单片机提供时序，使单片机能够工作，如图3.2：
图3.2外部时钟电路
外接晶振与电容C1、C2构成并联谐振电路，加电以后延迟约10ms后，振荡器开始起振并产生时钟信号，不受软件的控制。电容器的作用是帮助谐振电路起振，称为谐振电容，振荡器的振荡频率取决于晶体的频率，一般常用的晶振有6MHz、11.0592MHz和12MHz，本次设计单片机晶振采用11.0592MHz，在设计电路板的时候应该使晶体和电容尽量接近单片机的芯片，这样可以减少寄生电容，保证振荡器能够稳定和可靠的运行和工作，并且晶振的外壳一般要可靠接地，才能减少晶振高频振荡产生的干扰。
3.复位系统
复位系统是对单片机进行初始化操作的一种方式，单片机复位方式有两种方式，外部复位和看门狗复位两种方式，复位并不影响片存储器存放的容，它只是使单片机从0000H开始执行程序，特殊功能寄存器也恢复到初始化状态。
看门狗复位是为了防止程序跑飞而出现的安全隐患而设置的复位方式，当看门狗复位打开后，看门狗计数器开始计数，当计数器溢出时，看门狗会使单片机复位，因此需要及时喂狗，这种复位方式是一种软件复位方式。
外部复位是一种硬件复位，它是通过复位电路持续给单片机复位引脚一个有效的电平达到一定得时间后，会使单片机进行复位，对于STC89C52，是持续给RST引脚两个机器周期的高电平时，单片机完成复位。外部复位又分为上电复位和手动复位两种，相应的电路图如图3.3。
(a) (b)
图3.3复位电路
（a）手动开关复位；（b）上电复位
4.调试测试接口
STC89C52有两种Flash存储器编程方法：并行编程和串行编程。
并行编程方法是：首先，在地址线上加上要编程单元的地址信号；接着，在数据线
上加上要写入的数据字节；然后，激活相应的控制信号；接着，将EA/VPP端加上+12V 的编程电压；最后每对Flash存储器写入一个字节或者每写一个程序加密位，都要给ALE/PROG加上编程一个脉冲；改变编程单元的地址和数据重复上述步骤，直到程序都写入Flash为止。
串行编程是将RST接至电源正极，通过串口ISP接口进行编程，串行接口包含串行时钟线、输入线和输出线。
本次设计的调试测试接口用串口调试方式，通过USB转串芯片MAX232进行程序的下载。
5.存储器系统
程序存储器一般用于存放编好的程序、表格和常数，而数据存储器用于存放运算中间结果，起到数据暂存和缓冲、标志位以及用户自定义的字形表等。STC89C52具有256B 的片RAM和8K的片ROM，在本次设计中已经足够了，因此不需要外扩的存储器系统。3.1.2 STC89C52单片机中断、定时器
单片机系统的运行和其他系统一样，需要不断的与外部设备进行数据交换，当CPU 与外界进行数据交换时采用查询方式，会大大的占用CPU的资源，浪费了时间去等待外设，为了解决这一问题，单片机系统引入了中断技术。中断时单片机暂时停止当前执行的任务而去处理触发中断的事件，处理完后，自动返回到被暂停的程序断点处，继续执行被暂停的程序。51子系列单片机有5个中断源，52子系列单片机比51子系列多一个，具有6个中断源，具有两级中断优先级，可以实现中断的两级嵌套，用于控制中断的特殊功能寄存器有4个，它们是IE、IP、TCON和SCON，分别控制中断的开放、禁止和优先级。
51系列单片机的5个中断源可以分为两大类：外部中断和部中断，外部中断由P3.2和P3.3输入，部中断源包括两个定时器T0和T1以及串行口中断，52子系列比51子系列多一个部中断定时器T2中断，其他均一样。
外部中断有两种触发方式：边沿触发方式和电平触发方式，由特殊功能寄存器TCON 进行控制，当采用边沿触发方式时，外部中断输入的高电平和低电平时间需要保持一个机器周期，才能保证单片机可靠的检测到中断信号。当采用电平触发方式时，需要保持低电平有效，直到中断请求被响应，才能够撤销中断请求信号。
CPU与外部进行信息交换称为通信，通信的方式有串行通信和并行通信。并行通信的
主要特征是传输速度快，在传输距离较短的情况下，占有很大的优势，对于长距离传输来说，由于信号线太多导致线路复杂，成本变高；串行通信线路简单，但是传输速度慢，当传输距离较长时，在成本方面占有很大的优势。
定时/计数器中断有4种工作方式：方式0、方式1、方式2和方式3。
方式0为13位定时/计数器。13位计数寄存器由TH0(TH1)的高8位和TL0(TL1)的低
2，即8192个数。
5位构成，其他位不用。这种方式下的最大计数值为13
方式1为16位定时/计数器。16位计数寄存器由TH0(TH1)和TL0(TL1)构成，其用法
2，即65536个数。
和方式0基本一样，只是最大计数值为16
方式2是能自动重装计数初值的8位计数器，TH0(TH1)用来存放计数初值，TL0(TL1)用来计数，当低8位产生中断溢出后，单片机自动将高8位中的计数初值重新装入低8位计数器，如此循环不止。不过这种方式的计数最大值为82，即256个数。
方式3跟前三种方式大不相同，只有T0能工作在方式3模式，T1不能工作在方式3，这种方式下是将T0分为两个独立的8位计数器，TH0只能用作定时器方式，对机器周期进行计数，TL0只能不仅可以工作在计数器模式也可以工作在定时器模式，功能和操作和方式0、方式1、方式2完全相同。
定时/计数器的初始化包含下面几点容：
1.确定定时/计数器的工作模式和工作方式，给寄存器TMOD置相应的值；
2.计算计数初值，并根据工作方式对TH0(TL1)和TL0(TL1)赋相应的值；
3.根据使用要求确定是否需要开放中断，如需要中断，需要对中断允许寄存器和中断优先级控制寄存器赋相应的值；
4.给定时/计数器控制寄存器送入命令字，启动定时/计数器。
3.1.3 并行I/O口
MCS-51系列单片机具有四个双向8位I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，共32根I/O口线。每个I/O口都可以作为8位并行I/O口使用，并且可以独立的作为1位双向I/O口线进行使用。各个口的每一位都由一个锁存器和一个输出驱动器以及输入缓冲器组成。作为输出时，数据可以锁存；作为输入时，数据可以缓冲。
P0口试一个三态的双向I/O口，在系统进行扩展时，作为低8位地址线和数据总线的分时复用，当没有系统扩展时作为通用的准I/O口使用。值得注意的是当P0口作为输出口时，若要驱动NMOS或者其他拉电流负载时，需要外接上拉电阻。
P1口是一个准双向口，通常作为通用I/O口使用，作为输出口使用时，不需要接上拉电阻，它能够共拉电流负载。
P2口也是一个准双向口，有两种功能，作为通用I/O口使用和高8位地址总线输出两种功能，当作为通用I/O口使用时和P1口的使用方法一样，当需要外部扩展时，P2口和P0口作为外部接口的地址总线，给外围电路输出地址。
P3口也是一个准双向口，P3口可以作为通用I/O口，并且每一位都可以独立的定义为通用I/O口功能输入输出。但是它的很多端口都具有第二功能，外部中断INT0和INT1，定时计数器T0和T1的外部时钟接口、串行中断源，都是通过P3口的。因此，P3口一般不作为通用口使用，而是作为它的第二功能口来使用[5]。
3.2 直流电机调速系统整体框图
直流电机调速系统控制硬件主要部分包括单片机STC89C52以及外围电路、L298电机驱动模块，LCD1602液晶显示模块，转速给定模块2*3键盘以及光电旋转编码器直流电机测速模块，实现直流电机调速系统的单闭环，使得直流电机速度能够跟随给定，并且抵抗负载扰动和闭环的扰动，用ADC0809芯片进行电机电枢电流的检测并实现电流限幅而对电机进行电流保护。系统整体框图如图3.4所示：
图3.4直流电机调速系统整体框图
3.3 直流电机调速系统动态结构框图
对系统的动态性能分析，需要知道动态响应，而这些都是建立在对描述系统动态物理规律的数学模型的分析之上的，因此建立系统的数学模型是至关重要的，它影响到系统所选择的控制规律对系统的作用，系统的稳定性，稳态误差分析都是建立在系统动态
数学模型之上的。因此要对系统先进行数学模型的建立。 他励直流电动机在额定励磁条件下的等效电路图如图3.5：
图3.5他励直流电动机在额定励磁条件下的等效电路
在主回路电流连续的前提下，动态电压方程为：
E dt dI
L RI U d d d ++=0 （3-1）
在忽略各种阻力的情况下，电动机轴上的动力学方程为：
dt
dn
GD T T L e 3752=
- （3-2） 公式中L T 包括电动机空载转矩在的负载转矩，单位为N*m ，2GD 是电力拖动装置这算到电动机轴上的飞轮转矩，单位为2*m N 。
额定励磁下的感应电势以及电磁转矩分别如下：
n C E e = （3-3）
d m
e I C T = （3-4）
电动机额定励磁条件下的电动势系数和电磁转矩之间的关系为
e m C C π30= （3-5） 定义电枢回路时间常数R
L
T l =；
定义电力拖动时间常数m
e m C C R
GD T 3752=。单位均为s 。
整理式（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）后得到
)(0dt dI
T I R E U d l d d +=- （3-6）
Rdt dE
T I I m dL d =- （3-7）
在零初始条件下得到电压与电流之间的传递函数，电流与电动势之间的传递函数分别为：
1
/1)()()(0+=-s T R
s E s U s I l d d （3-8）
s
T R
s I s I s E m dL d =
-)()()( （3-9） 整理后得到直流电动机的动态结构框图如图3.6所示：
图3.6直流电动机动态结构框图
在设计中使用的是光电旋转编码器来进行测速，在程序中根据单位时间的脉冲个数来计算电机转速，因此反馈回来的是电机的实际转速，放大系数为1，因此闭环调速系统的动态结构框图为单位负反馈系统框图；由于设计中是用直流电源供电，因此PWM 波的晶闸管装置的滞后时间常数为0。其闭环结构框图如图3.7所示：
图3.7转速反馈控制直流调速系统动态结构框图
图中ASR 为转速调节器，D 为PWM 波占空比，D U K d s /0=，当D=1时，0d s U K =，即直流电机所加的最大耐压，也就是给直流电机供电的外接直流电源电压。
从图中可以看出，反馈控制的基本规律是：
（1）反馈控制的作用是抵抗扰动，服从给定，系统能够抵抗所在闭环的扰动，比如负载扰动，电动机励磁的变化和主电路电阻的变化都会影响转速，而闭环调节抵抗这些扰动，使电机实际转速对于给定转速可以唯命是从；但是它对于反馈环所包围外的扰动没有抵抗作用，比如对于给定速度的扰动和测速装置的扰动没用作用。
（2）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度，如果给定有一定的波动，那么反馈系统就很难没有波动，因为根据控制规律（1），被控量是要跟随给定的，给定存在波动，被控量也会跟着有波动，因此，高精度的调速系统需要高精度的给定；根据控制规律（1），系统没法克服反馈检测装置的误差，因此对于反馈装置的误差，系统没有办法克服，从而使得控制效果不是很理想，电机实际转速可能和给定速度存在偏差。因此高精度的测速反馈装置对于高精度的调速系统同样重要。现在大部分的系统都通过数字给定和数字
测速装置来提高系统的精度。
（3）比例控制的反馈系统是被调量有静差的控制系统，从静特性上看，比例控制系数越大，系统的稳态性能越好，稳态误差越小，而且，比例控制没法消除误差，只能减小误差，因为比例控制系数不可能达到无穷大；从动态上看，比例控制系数越大，系统快速性也越好；但是存在一个问题，比例控制越强，系统的超调量越大，这就是一个矛盾的问题，因此要设计出无静差的系统，光靠比例控制是不能达到效果的[6]。
3.4 直流调速系统的数字控制
由于数字控制具有很高的精度和可靠性，因此，在电力拖动系统中被广泛应用。
3.4.1微型计算机采样控制系统框图
为了提高系统精度，目前大多直流电机调速系统均采用数字给定和数字检测速度装置，以微型计算机为核心，开发出的微型计算机控制系统，其基本采样控制系统框图如图3.8所示：
图3.8微型计算机采样控制系统框图
图中S1是给定值的采样开关，S2是检测速度的反馈值的采样开关，S3是微型计算机输出的控制信号的输出采样开关。如果所有开关均是以同样一个周期的开和关断，那么成为同步采样。否则是异步采样。微型计算机是没法连续输入输出给定信号、反馈信号和输出值，只有在采样开关闭合时才能输入输出数据。当控制量和反馈信号是模拟信号时，为了把它们输入计算机，需要对信号离散化，变成脉冲信号。为了使离散信号能够不失真的复原模拟信号，对系统的采样频率提出了要求，一般情况下根据香农定理来确定采样频率。这样采集出来的信号才能代表真实的信号。在直流电机调速系统中，控制对象是直流电动机的转速和电流，两者均为快速变化的量，必须具有较高的采样频率，然而并不是采样频率越高越好，这受到开关器件的功率损耗，微型计算机的数据处理速度来决定的。
3.4.2转速检测的数字化
数字测量具有测速精度高、分辨能力强和受器件影响小的优点，能够很好的适应目前直流调速系统精度要求高的特点，广泛应用于调速围大和伺服电机调速系统。目前应
用较多的转速检测装置是光电旋转编码器，而旋转编码器可以分为增量式和绝对式。绝对式旋转编码器适合测电机转角，而测电机速度应该采用增量式旋转编码器。光电式旋转编码器示意图如图3.9所示：
图3.9增量式旋转编码器示意图
为了获得电机的转向，增加了一对发光和接受装置，使两对发光和接受装置错开光栅节距的1/4；这样，两组脉冲序列的相位相差π/2,通过判断两组序列脉冲的相位前后就可以判断电机的正反转情况。如图3.10所示:
正转 反转
图3.10区分电机旋转方向的脉冲序列
3.5 直流电机双极性脉宽调制方式工作原理
直流电动机双极性脉宽调制方式电路图如图3.11所示：
图3.11直流电动机双极性脉宽调制方式电路图
它工作时VT1与VT4一组，VT2和VT3为一组，同时交替导通，晶闸管的基极控制信号分别如图3.12所
图3.12晶闸管基极控制信号 在这种调制方式下，电动机具有四种工作模态：
在模态I 时，VT1和VT4导通，VT2和VT3截止，电机电枢两端的电压为Us ，若a s E U >，电机工作在电动状态下；
在模态II 时，VT1和VT4截止，电枢电流经VD2和VD3续流，VT2和VT3不能导通，电机电枢两端的电压为s U -，由于电流未反向，因此电机仍然工作在电动状态下； 在模态III 时，VT1和VT4截止，VT2和VT3导通，电机电枢两端电压为s U -，电流反向，因此此时电机工作在反接制动状态下；
在模态IV 时，VT2 和VT3截止，电枢电流经VD1 和VD4续流，电机电枢两端电压为Us ，电流反向，此时电机的工作状态为回馈制动。 在这种调制方式下直流电机两端的电压为
s d U U ρ=0 （3-10）
式中0d U 为直流电机两端所加的平均电压，s U 为给系统所供的直流电源电压，
T t 1=ρ为PWM 调制波占空比。
当5.0>ρ的时候，电机正转；5.0<ρ时，电机反转；5.0=ρ时，电机停止不转。 值得注意的是在这种调制方式下，当5.0=ρ电机不转时，并不能说明电机电枢电压等于0，而是平均电压等于0，并且电枢电流也是交变的。
在这种脉宽调制方式下的直流电机调速系统，电机正反向电动运行电压电流波形如图3.13所示：
(a)正向电动运行波形 (b)反向电动运行波形 图3.13直流电机正反向电动运行波形图
3.6 直流电机驱动模块L298简介
L298是ST 公司生产的一种高压大电流电机驱动芯片，它的最高工作电压可以达到46V ，输出电流大，可以达到3A ，持续工作电流为2A ，额定功率为25W 。含两个H 桥的高电压大电流全控桥式驱动器，可以用来驱动两台直流电动机或一台两相步进电机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号进行控制，并且可以对其指定引脚外接电阻来检测电机电流进行反馈。
用L298来驱动直流电动机，通过控制IN1、IN2(IN3、IN4)两个输入端的电平高低来实现电机的正反转，并且通过使能端ENA(ENB)来控制信号的有效性，由于第二台电机的控制跟第一台一样，因此在这里只列出L298驱动一台电机的引脚功能表，如表3.1所示：
表3.1 L298驱动直流电动机的引脚功能表
由表可知，使能端为高电平时，控制信号对于电机有效，为低电平时，控制信号无
效，而对于双极性PWM 调制系统，当系统工作时开关器件有的要打开，有的需要关断，因此，当ENA 在系统中应该置1，然而为了防止上下桥臂直通，保证器件的可靠开通和关断，需要在开关器件状态切换时通过关闭ENA 使能端来达到这种目的。
3.7 LCD1602显示模块简介
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对显示区域进行的控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
LCD1602液晶显示器是一种带背光的显示器，具有薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色的特点，被广泛应用于便携式电脑和通讯工具等。它不仅可以显示字符，也可以显示数字，符号和汉字。它的显示容量是16*2个字符，工作电压是4.5-5.5V ，工作电流在电压5V 的情况下为2.0mA ，字符尺寸为2.95*4.35mm 。
对液晶进行第一次操作时需要对液晶进行初始化，并且初始化以后每次进行操作时都需要对液晶进行检测其是否忙碌，不忙进行操作，忙时不操作。
3.8 2*3键盘模块
本次设计通过键盘给定电机转速，实现电机的启动/停止，正反转，实现电动机的控制。键盘功能表如表3.2所示：
表3.2 键盘功能表
3.9 调节器的设计
控制系统开环传递函数为
∏∏-==++=
γγτn j j m
i i s T s K s W 11
)1()
1()( （3-11）
根据（3-11）中积分项的个数，把控制系统分为了几大类，0=γ时为0型系统，1=γ为I 型系统……根据终值定理，在阶跃输入作用下，如果要求系统不存在稳态误差，那
么系统应该设计为I 型或者I 型以上的系统[7]。
典型I 型系统的动态跟随性能好，能够使被控量跟随给定值，它是一个二阶系统，然而，它的开环增益越大，截止频率越大，系统响应越快，但是相角裕度却越小，这是一个矛盾的关系。对于典型II 型系统，它的快速性能好，需要两个积分环节。
根据图3.7转速反馈控制直流调速系统动态结构框图可知，除了转速调节器，系统外无任何积分环节，因此系统设计为典型I 型系统就够了，只要参数合理，就能够保证系统的稳定性和快速性。
在图3.7中反电动势对系统的影响是包含在整个回路之的，根据闭环调节规律可知，系统可以抵抗反电动势的影响。因此，在设计调节器的过程中可以不考虑反电动势的影响。由于电机的电磁时间常数l T 远小于机电时间常数s T [8]，因次在一定条件下可以把电机的二阶传递函数等效为一阶惯性环节。因此图3.7转速反馈直流调速系统动态结构框图可以等效为图3.14所示：
图3.14转速反馈直流电机调速系统等效动态结构框图 典型I 型系统的开环传递函数为：
)
1()(+=
Ts s K
s W （3-12）
对比图3.14中的开环传递函数可知，转速调节器ASR 只需要进行积分环节环节设计就可以达到预期效果。因此调节器的开环传递函数为：
s
s W I τ1
)(= （3-13）
因此系统的开环传递函数为
)
1()(+=s T s C K s W m e s τ
（3-14）
令T=m T ，τ
e s
C K K =
，则系统的闭环传递函数为
直流电动机调速课程设计
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
《直流电动机》名师教案
《直流电动机》名师教 案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第六节直流电动机 清华大学附属中学永丰学校刘铭 教材内容分析 本课选自义务教育教科书，北京师范大学出版社物理九年级全一册第14章，第6节《直流电动机》。前面学生已经掌握了电流周围存在磁场，磁场对通电导体有力的作用，紧接着这节课的学习就是对前面所学知识的一个应用，也是对前面所学内容的另一种诠释，这需要很好的理解掌握前面学习的理论知识，这节课进行深入加工，有着理论的依据，亲自动手操作实验，切实做到学以致用。 学生情况分析 初三下学期的学生，有前面几节课的知识储备，并具备一定的发现问题、分析问题、解决问题的能力，在实验操作方面也有很多的实验积累，在讨论解决方案时会有一些可行的猜想，并针对这些猜想设计可行的实验，来验证猜想是否正确。但是对于学生来说,总会有一些想法不是很严谨，需要老师的及时适当引导。 核心素养 通过动手组装模拟电动机，探究电动机的工作的过程和原理，培养学生科学探究的能力和科学的思维，通过了解电动机在生活中的应用，认识科学与技术之间的关系，培养学生科学的态度与责任。 教学目标设计 1.知识与技能: (1)知道电动机工作的基本原理:通电线圈在磁场中受到力的作用。 (2)知道电动机工作过程中的能量转化。 (3)了解使电动机连续转动的方法,及换向器在直流电动机中的作用。 2.过程与方法:
(1)经历探究电动机转动原理的过程,培养学生初步分析问题的能力。 (2)经历电动机的发明过程,培养学生动手能力和发现问题并解决问题的能力。 3.情感态度与价值观: 了解物理知识如何转变为科学技术,强化学生学以致用的意识。 教学内容设计： 教学重点:探究磁场对通电导体有力的作用。 教学难点:使电动机持续转动的方法。 教学策略分析 （一）教学方法分析： 1.协作学习法：2个学生为一组，组内同学协同完成实验任务。 2.任务驱动法：学生们经历电动机的发展历程，随着电动机发展过程中问题的产生，猜想解决问题的措施，针对解决措施，动手设计实验，验证猜想是否正确，方案是否可行。 3.讨论交流学习法：学生在实验操作前，交流实验方案；在实验操作过程中，讨论方法的可行性；在实验操作后，交流总结实验心得和结论。 （二）教学手段： 多媒体，实物投影，电动机的换向器工作时慢镜头视频，小型电动机模型（2个），带有换向器的电动机模型（2个），玩具车中的电动机。
MOS管驱动直流电机
直流电机驱动课程设计题目：MOS管电机驱动设计
摘要 直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。 本文介绍了直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，系统采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，信号与H桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运转控制由PLC可编程逻辑控制器实现。 关键词：直流电动机，H桥驱动，PWM
目录 一、直流电机概述 (4) 二、直流电机驱动控制 (6) 三、直流电机驱动硬件设计 (8) 四、直流电机驱动软件设计 (9) 五、程序代码 (12) 六、参考文献 (18)
一、概述 19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的70％，成为用电量最多的电气设备。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。简单控制对电动机进行启动、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。复杂控制是对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对电动机的简单控制应用较多，但是，随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机的复杂控制变成主流，其应用领域极其广泛。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、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步，使电动机控制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。其中电动机控制部分已由模拟控制让位给以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并向全数字控制系统的方向快速发展。电动机驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快，控制更容易的
直流电动机调速系统
创新设计创新设计名称: 直流电动机调速系统设计
目录 目录 (1) 1 引言 (2) 1.1 设计背景 (2) 1.2 系统可实现的功能 (2) 2 总体方案设计 (3) 2.1 单片机选型方案 (3) 2.2 转速测量方案选择 (4) 2.3直流电机驱动电路介绍 (5) 2.4 PWM调宽方式的选择 (6) 2.5键盘的选择 (6) 2.6整体方案设计框图 (6) 3 硬件电路设计 (7) 3.1 系统的整体硬件框图 (7) 3.2 按键模块电路设计 (7) 3.3数码管显示模块电路设计 (8) 4系统软件设计 (10) 4.1 PWM输出程序设计 (10) 4.2 数字PID算法程序设计 (11) 4.3速度采集模块程序设计 (12) 4.4 按键设定程序设计 (13) 4.5 速度显示模块程序设计 (15) 5 总结 (16) 6参考文献 (17) 附录A系统原理图 (18)
1 引言 1.1 设计背景 现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。本设计主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。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电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。 1.2 系统可实现的功能 设计一个直流电机调速系统，要求系统具有如下功能：通过按键设定转速的大小，然后由单片机产生PWM控制信号，控制直流电机驱动器L298N，使电动机以一定的转速旋转，为实现闭环控制，通过外围器件为单片机提供测量转速的电平变化信号，单片机测得转速后，与设定的转速值相比较，通过数字PID算法产生控制信号，改变PWM输出的占空比，从而改变电动机转速，从而实现闭环控制，使电动机在一个转速值上较稳定的旋转。
直流电动机调速设计
目录 1．直流电动机简介 (1) 2．直流电动机的相关内容 (1) 3．直流电动机调速简介 (4) 4．他厉直流电动机的调速方法 (6) 5．设计内容 (10) 6．结论 (12) 7．参考文献 (13) 8．致谢 (14) 9．设计感想 (15)
直流电动机调速设计 一. 直流电动机 直流电动机是人类最早发明和应用的电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂，维护困难，价格较贵等缺点制约了它的发展，但是由于直流电动机具有优良的起动，调速和制动性能，因此在工业领域中占有一席之地。它是实现了电能转换成机械能的电机。 二.有关内容： 〈一〉直流电动机的分类 1、他励直流电动机 2、并励直流电动机 3、串励直流电动机 4、复励直流电动机 〈二〉直流电动机用途 直流电动机具有优良的调速性能，调速范围宽，精度高，平滑性好，且调节方便，还具有较高的过载能力和优良的起动、制动性能，因此直流电动机特别适合于要求宽度调速范围的电气传动和有特殊性能要求的自动控制系统，例如：轧钢机、电力机、城市电车等。 直流电机与交流电机相比，其主要的缺点是换向问题。它限制了直流电机的最大容量，增加了运行维护工作量，也导致其制造成本较高。但目前仍有不少场合使用直流电动机。
〈三〉直流电动机的结构 图1 直流电机装配结构图 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心 直流电动机主要由磁极，电枢，换向器三部分组成。 （1）磁极是电动机中产生磁场的装置，它分为极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空隙中磁感应强度得分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。 （2）电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心成圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。（3）换向器。换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要有许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组可以同外电路连接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。
九年级物理全册 第14章 第六节 直流电动机教案1 (新版)北师大版(1)
《直流电动机》 教学目的： 1、知道直流电动机的原理和主要构造。 2、知道换向器在直流电动机中的作用。 3、了解直流电动机的优点及其应用。 4、培养学生把物理理论应用于实际的能力。 教学重点、难点： 1.、磁场对电流的作用。 2.、磁场对电流作用的现象和规律，电动机的构造和原理。 教学过程： 1、复习 提问：上节课我们做实验给磁场中的导体通电，发现了什么？（学生回答：通电导体在磁场中受力）。 提问：这个力的方向与哪两个因素有关？（学生回答之后，教师强调：改变电流方向，或改变磁感线方向，导体受力方向就随着改变） 提问：出示如课本中的挂图和模型，根据上面的结论，通电线圈在磁场中是怎样受力的？（学生回答：ab边受力向上，cd边受力向下） 提问：在这两个力的作用下，线圈怎样运动？（学生回答：线圈会转动） 提问：这个现象中能量是怎样转化的？（学生回答：电能转化为机械能） 2、引入新课 教师陈述：电动机就是利用通电线圈在磁场中受力而转动的现象制成的，它将电能转化成机械能。下面我们来研究电动机是如何利用上述现象制成的，当然，我们先讨论最简单的一种电动机—直流电动机。给出直流电动机定义，并板书： 〈第六节直流电动机〉 3、进行新课 （1）使磁场中的通电线圈能连续转动的办法 很多同学可能马上想到通电线圈在磁场中不能连续转动（转到平衡位置要停下来），而实际的电动机要连续转动。怎样解决这个问题呢？（此处可告诉学生把理论用于实际需要再付出很多劳动，还可简介各国对理论应用于实际的重视，以培养学生对应用科学的兴趣）要解决这个问题，我们还得进行深入研究。 提问：在上节课的演示实验中，线圈转到平衡位置时是立即停止吗？为什么它不立即停止？（学生答：由于惯性线圈会稍转过平衡位置） 提问：转过平衡位置后，为什么它又转回来呢？（利用模型分析：转过平衡位置后，ab
《电动机》教案
《电动机》教案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
电动机教案 核心素养 经历制作模拟电动机的过程，增强学生动手和观察能力；通过了解物理知 识如何转化成实际技术应用，进一步提高学生学习科学技术知识和应用物理知 识的兴趣。 教学目标 知识要点课标要求 1．磁场对通电线圈的作用通过生活实例，认识电流的热效应 2．电动机的基本构造了解电动机的构造，理解电动机的工作原理及换向 器的作用 优教提示：教师登陆优教平台，发送预习任务，学生完成本节课的预习任 务，反馈预习情况。 新课引入 电动自行车是倍受人们青睐的一种交通工具．它可以电动骑行，亦可以脚踏骑行．电动骑行时，蓄电池对车上电动机供电，电动机为车提供动力．你知道电 动机的工作原理吗？从学生的质疑中导入新课。 合作探究 探究点一磁场对电流的作用 活动1：展示如图所示的装置，让学生猜想一下，当开关闭合后，将会观察到 什么现象学生诧异闭合开关，让学生观察实验现象根据实验现象讨论、交流产 生此现象的原因是什么 （优教提示：请打开素材“实验演示：通电导体在磁场中受力”）
师适当点拨： 现象→原因→有磁场 ↓↓↓ 导线运动→受力的作用→通电导体是磁体 归纳总结：磁场对通电导体有力的作用。 知识拓宽：并不是所有的通电直导线在磁场中都受到力的作用，当通电直导线与磁感线方向平行时，此时通电的直导线不受力的作用。 活动2：要想改变导体在磁场中的运动方向，如何操作？学生交流、讨论，发表自己的观点，师总结。 总结：改变磁场的方向；可以改变电流的方向。 活动3：根据学生的猜想，进行验证。让学生观察实验现象，讨论得出实验结论。 归纳总结：通电导线在磁场中受力方向跟电流的方向、磁感线的方向都有关；当电流方向、磁感线方向发生改变时，通电导体受力方向也发生改变。 活动4：根据实验现象，大家讨论一下，在这个装置在能量的转化是怎样的在生活中哪些用电器是利用这一原理来工作的学生交流、讨论，发表自己的观点。 归纳总结： （1）将电能转化为机械能； （2）生活中的电动车、电风扇、电动机等工作时的原理与此相同。 探究点二电动机的基本构造 活动1：一根通电直导线在磁场会受力运动，一个通电的线圈在磁场中会怎样呢？展示如图所示的装置，让同学们猜想，然后再展示。 （优教提示：请打开素材“演示视频：制作简易电动机”）
直流电动机调速系统设计方案
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 直流电动机调速系统设计 初始条件： 采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。 要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 (4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗 器选择、晶闸管保护设计 参考文献： [1] 周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社， 2005:41-49、105-114 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 1概述 0 2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 0 2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 0 2.2 稳态结构框图和静特性 (1) 3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析 (2) 3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 (2) 3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析 (3) 4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 (5) 4.1转速和电流两个调节器的作用 (5) 4.2调节器的工程设计方法 (5) 4.2.1设计的基本思路 (6) 4.3 触发电路及晶闸管整流保护电路设计 (6) 4.3.1触发电路 (6) 4.3.2整流保护电路 (7) 4.3.2.1 过电压保护和du/dt限制 (7) 4.3.2.2 过电流保护和di/dt限制 (8) 4.4 器件选择与计算 (8) 5心得体会 (13) 参考文献 (14) 附录：电路原理图 (15)
#直流电机调速系统分析与设计
第一部分并励直流电动机的工作原理 并励直流电机的励磁绕组和电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组和电枢共用同一电源，从性能上讲和他励直流电动机相同。 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。 转速电流双闭环原理 转速、电流双闭环直流调速系统的组成，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 限幅的作用： 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im －－电流给定电压的最大值，即限制了最大电流； τ电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm －－Uc的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 第二部分 PID算法的基本原理 PID调节器各校正环节的作用 1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节 器立即产生控制作用以减小偏差。 2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分 时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太 大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减 小调节时间。 下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。
直流电动机教案示例
直流电动机教案示例 （一）教学目的1．知道直流电动机的原理和主要构造。2．知道换向器在直流电动机中的作用。 3.了解直流电动机的优点及其应用。4．培养学生把物理理论应用于实际的能力。（二）教具如课本图12—10的挂图和模型，两个箭头标志（可用饮料盒铝片制作），自制直流电动机模型（参见图12—2），直流电动机原理挂图一幅，小型直流电动机一台，学生电源一台。（三）教学过程1．复习提问：上节课我们做实验给磁场中的导体通电，发现了什么？（学生回答：通电导体在磁场中受力）。提问：这个力的方向与哪两个因素有关？（学生回答之后，教师强调：改变电流方向，或改变磁感线方向，导体受力方向就随着改变）提问：出示如课本12—10甲的挂图和模型，根据上面的结论，通电线圈在磁场中是怎样受力的？（学生回答：ab 边受力向上，cd边受力向下）提问：在这两个力的作用下，线圈怎样运动？（学生回答：线圈会转动）提问：这个现象中能量是怎样转化的？（学生回答：电能转化为机械能）2．引入新课教师陈述：
电动机就是利用通电线圈在磁场中受力而转动的现象制成的，它将电能转化成机械能。下面我们来研究电动机是如何利用上述现象制成的，当然，我们先讨论最简单的一种电动机—直流电动机。给出直流电动机定义，并板书：〈第五节直流电动机〉3．进行新课(1)使磁场中的通电线圈能连续转动的办法很多同学可能马上想到通电线圈在磁场中不能连续转动（转到平衡位置要停下来），而实际的电动机要连续转动。怎样解决这个问题呢？（此处可告诉学生把理论用于实际需要再付出很多劳动，还可简介各国对理论应用于实际的重视，以培养学生对应用科学的兴趣）要解决这个问题，我们还得进行深入研究。提问：在上节课的演示实验中，线圈转到平衡位置时是立即停止吗？为什么它不立即停止？（学生答：由于惯性线圈会稍转过平衡位置）提问：转过平衡位置后，为什么它又转回来呢？（利用模型分析：转过平衡位置后，ab边受力仍朝上，cd边受力仍朝下，正是这一对力使线圈转回来的）提问：要使线圈不转回来，应该在线圈刚转过平衡位置时就改变线圈的受力方向，即使线圈刚转过平衡位置就使ab 边受力变为向下，cd边受力变为向上。怎样才能使线圈受力方向发生这样的改变呢？引导学生回忆影响受力方向的两个因素，从而得出：应该在此时改变电流方向，或者改变磁感线方向。进一步引导学
直流电动机开环调速MATLAB系统仿真
东北石油大学MATLAB电气应用训练 2013年 3 月 8日
MATLAB电气应用训练任务书 课程 MATLAB电气应用训练 题目直流电动机开环调速系统仿真 专业电气信息工程及其自动化姓名赵建学号 110603120121 主要内容： 采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善 基本要求： 1.设计直流电动机开环调速系统 2.运用MATLAB软件进行仿真 3.通过仿真软件得出波形图 参考文献： [1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M]. 北京：机械工业出版社, 2007. [2] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版[M]. 北京：机械工业出版社, 2000. [3] 任彦硕. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. [4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 完成期限 2013.2.25——2013.3.8 指导教师李宏玉任爽 2013年 2 月25 日
目录 1课题背景 (1) 2直流电动机开环调速系统仿真的原理 (2) 3仿真过程 (5) 3.1仿真原理图 (5) 3.2仿真结果 (9) 4仿真分析 (12) 5总结 (13) 参考文献 (14)
1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始
直流电动机调速设计
综述 直流电机是人类最早发明的和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广发。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有可能被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍具有一定的优势，因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。 直流电动机主要分为四类:1他励直流电动机，2并励直流电动机，3串励直流电动机，4复励直流电动机。本文对他励直流电动机的调速进行设计，主要介绍了他励直流电动机的调速原理以及调速方法。
1 直流电动机调速原理 1.1直流电动机的定义 输入为直流电能的旋转电动机，称为直流电动机，它是能实现直流电能向机械能转换的电动机。 1.2直流电动机的基本结构 直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 图1-1直流电动机的基本结构 1—直流电机总图；2—后端盖；3—通风器；4—定子总图；5—转子（电枢）总图；6—电刷装置；7—前端盖。 1.3直流电动机的工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转，，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的．线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷A，B端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转
直流电动机-教案
《直流电动机》教学设计 一、教材内容分析 本课选自义务教育教科书，北京师范大学出版社物理九年级全一册第14章，第6节《直流电动机》。前面学生已经掌握了电流周围存在磁场，磁场对通电导体有力的作用，紧接着这节课的学习就是对前面所学知识的一个应用，也是对前面所学内容的另一种诠释，这需要很好的理解掌握前面学习的理论知识，这节课进行深入加工，有着理论的依据，亲自动手操作实验，切实做到学以致用。 二、学生情况分析 初三下学期的学生，有前面几节课的知识储备，并具备一定的发现问题、分析问题、解决问题的能力，在实验操作方面也有很多的实验积累，在讨论解决方案时会有一些可行的猜想，并针对这些猜想设计可行的实验，来验证猜想是否正确。但是对于学生来说,总会有一些想法不是很严谨，需要老师的及时适当引导。 三、教学目标设计 1.知识与技能: (1)知道电动机工作的基本原理:通电线圈在磁场中受到力的作用。 (2)知道电动机工作过程中的能量转化。 (3)了解使电动机连续转动的方法,及换向器在直流电动机中的作用。 2.过程与方法: (1)经历探究电动机转动原理的过程,培养学生初步分析问题的能力。 (2)经历电动机的发明过程,培养学生动手能力和发现问题并解决问题的能力。 3.情感态度与价值观: 了解物理知识如何转变为科学技术,强化学生学以致用的意识。 四、教学内容设计：
教学重点:探究磁场对通电导体有力的作用。 教学难点:使电动机持续转动的方法。 五、教学策略分析 （一）教学方法分析： 1.协作学习法：2个学生为一组，组内同学协同完成实验任务。 2.任务驱动法：学生们经历电动机的发展历程，随着电动机发展过程中问题的产生，猜想解决问题的措施，针对解决措施，动手设计实验，验证猜想是否正确，方案是否可行。 3.讨论交流学习法：学生在实验操作前，交流实验方案；在实验操作过程中，讨论方法的可行性；在实验操作后，交流总结实验心得和结论。 （二）教学手段： 多媒体，实物投影，电动机的换向器工作时慢镜头视频，小型电动机模型（2个），带有换 向器的电动机模型（2个），玩具车中的电动机。
直流小电动机调速系统
题目直流小电机测速系统 一．题目要求 设计题目：直流小电动机调速系统 描述：采用单片机、uln2003为主要器件，设计直流电机调速系统，实现电机速度开环可调。 具体要求：1、电机速度分30r/m、60r/m、100r/m共3档； 2、通过按选择速度； 3、检测并显示各档速度。 实验器件： 实验板、STC89C52、直流电机、晶振（12MHz）、电容（30pFⅹ2、10uFⅹ2）、）uln2003、小按键、按键（4个）、、数码管、以及 电阻等 二．组分工
摘要 在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。 本文设计了直流电机测速系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。本系统采用PWM 测量电动机的转速，用MCS-51单片机对直流电机的转速进行控制。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。 ·关键词：直流电机单片机 PWM 转速控制 硬件部分 1.时钟电路 系统采用12M晶振与两个30pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTAL1与XTAL2引脚
2.按键电路 三个按键分别控制电机的不同转速，采用开环控制方法 3.电机控制与驱动部分 电机的运行通过PWM波控制。PWM波通过STC89C52的P2.4口输出。
显示部分 采用4位共阳极数码管实现转速显示。数码管的位选端1~4分别接STC89C52的P2.0~P2.3管脚。 完整仿真电路图
单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》
单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 学院： 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日 目录
设计题目：PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机 1 设计要求及主要技术指标： 基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 （1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。 （2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。 （3）设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。 （4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在
手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速； (4）参考Protuse仿真效果图：图（1） 图（1） 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压，高性能 8位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图（2） 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范
直流电动机教学设计
直流电动机教学设计 教案是每个老师上课必备的讲课材料，但一份好的教案，也能决定一堂课的质量。如何备好教案呢?以下文章“直流电动机教学设计”由出国留学网为您提供，希望对您有所帮助!直流电动机教学设计(一)教学目的 1.知道直流电动机的原理和主要构造。2.知道换向器在直流电动机中的作用。3.了解直流电动机的优点及其应用。 4.培养学生把物理理论应用于实际的能力。(二)教具如课本图12—10的挂图和模型，两个箭头标志(可用饮料盒铝片制作)，自制直流电动机模型(参见图12—2)，直流电动机原理挂图一幅，小型直流电动机一台，学生电源一台。(三)教学过程1.复习提问：上节课我们做实验给磁场中的导体通电，发现了什么?(学生回答：通电导体在磁场中受力)。提问：这个力的方向与哪两个因素有关?(学生回答之后，教师强调：改变电流方向，或改变磁感线方向，导体受力方向就随着改变) 提问：出示如课本12—10甲的挂图和模型，根据上面的结论，通电线圈在磁场中是怎样受力的?(学生回答：ab边受力向上，cd边受力向下) 提问：在这两个力的作用下，线圈怎样运动?(学生回答：线圈会转动) 提问：这个现象中能量是怎样转化的?(学生回答：电能转化为机械能) 2.引入新课教师陈述：电动机就是利用通电线圈在磁场中受力而转动的现象制成的，它将电能转化成机械能。下面我们来研究电动机是如何利用上述现象制成的，当然，我们先讨论最简单的一种电动机—直流电动机。给出直流电动机定义，并板书：〈第五节直流电动机〉3.进行新课(1)使磁场中的通电线圈能连续转动的办法很多同学可能马上想到通电线圈在磁场中不能连续转动(转到平衡位置要停下来)，而实际的电动机要连续转动。怎样解决这个问题呢?(此处可告诉学生把理论用于实际需要再付出很多劳动，还可简介各国对理论应用于实际的重视，以培养学生对应用科学的兴趣)要解决这个问题，我们还得进行深入研究。提问：在上节课的演示实验中，线圈转到平衡位置时是立即停止吗?为什么它不立即停止?(学生答：由于惯性线圈会稍转过平衡位置) 提问：转过平衡位置后，为什么它又转回来呢?(利用模型分析：转过平衡位置后，ab边受力仍朝上，cd边受力仍朝下，正是这一对力使线圈转回来的) 提问：要使线圈不转回来，应该在线圈刚转过平衡位置时就改变线圈的受力方向，即使线圈刚转过平衡位置就使ab边受力变为向下，cd边受力变为向上。怎样才能使线圈受力方向发生这样的改变呢? 引导学生回忆影响受力方向的两个因素，从而得出：应该在此时改变电流方向，或者改变磁感线方向。进一步引导学生分析：改变磁感线方向就是要及时交换磁极，显然这不容易做到;实际的直流电动机是靠及时改变电流方向来改变受力方向的。板书：〈1.使磁场中的通电线圈连续转动，就要每当线圈刚转过平衡位置，就改变一次电流方向。〉(2)换向器提问：怎样才能使线圈刚转过平衡位置时就及时改变电流方向呢? 让学生想办法并开展讨论，教师下去了解学生的情况并鼓励和指导。教师出示：两个半圆铝环和电刷，指出：靠这两样东西就可以解决问题。待学生思考片刻，教师出示已准备的与课本图12—12相似的模型，说明铝环与线圈的连接情况和铝环与电刷的配合过程。引出换向器的概念并板书：〈2.换向器的作用：当线圈刚转过平衡位置时，换向器能自动改变线圈中电流的方向，从而改变线圈受力方向，使线圈连续转动。〉让学生仔细观察课本图12—12，进一步弄清楚线圈转动过程，重点是甲图和丙图，回答教师填空式的提问：甲图：电流方向是a→b→c→d，受力方向是ab边受力向上，cd边受力向下，转动方向是顺时针。丙图：电流方向是d→c→b→a，受力方向是ab边受力向下，cd边受力向上，转动方向是顺时针。(3)直流电动机的构造出示：直流电动机，介绍主要构造：磁极、线圈、换向器、电刷。板书：〈3.直流电动机的构造〉演示：给直流电动机通电转动，提高学生兴趣(若时间不允许，可省些演示)。告诉学生：下节课同学们将自己装一台小直流电动机，进一步弄清楚它的有关知识。让学生阅读课文最后两个自然段，了解直流电动机的优点和应用。4.小结(略) 5.作业：(不要求笔做) (1)预习下节内容。(2)比较直流电动机和交流发电机，从原理、构造和能量转化等方面说出它们的区别。(四)说明 1.本节采用程序性的提问和讨论，启发学生弄清
第4节 电动机 精品教案(大赛一等奖作品)
第4节 电动机 新课引入 电动自行车是倍受人们青睐的一种交通工具．它可以电动骑行，亦可以脚踏骑行．电动骑行时，蓄电池对车上电动机供电，电动机为车提供动力．你知道电动机的工作原理吗？从学生的质疑中导入新课。 合作探究 探究点一 磁场对电流的作用 活动1：展示如图所示的装置，让学生猜想一下，当开关闭合后，将会观察到什么现象？学生诧异？闭合开关，让学生观察实验现象？根据实验现象讨论、交流产生此现象的原因是什么？ 师适当点拨： 现象 → 原因 → 有磁场 ↓ ↓ ↓ 导线运动 →受力的作用→ 通电导体是磁体 归纳总结：磁场对通电导体有力的作用。 知识拓宽：并不是所有的通电直导线在磁场中都受到力的作用，当通电直导线与磁感线方向平行时，此时通电的直导线不受力的作用。 活动2：要想改变导体在磁场中的运动方向，如何操作？学生交流、讨论，发表自己的观点，师总结。 总结：改变磁场的方向；可以改变电流的方向。 活动3：根据学生的猜想，进行验证。让学生观察实验现象，讨论得出实验结论。 归纳总结：通电导线在磁场中受力方向跟电流的方向、磁感线的方向都有关；当电流方向、磁感线方向发生改变时，通电导体受力方向也发生改变。 活动4：根据实验现象，大家讨论一下，在这个装置在能量的转化是怎样的？在生活中哪
些用电器是利用这一原理来工作的？学生交流、讨论，发表自己的观点。 归纳总结： （1）将电能转化为机械能； （2）生活中的电动车、电风扇、电动机等工作时的原理与此相同。 探究点二电动机的基本构造 活动1：一根通电直导线在磁场会受力运动，一个通电的线圈在磁场中会怎样呢？展示如图所示的装置，让同学们猜想，然后再展示。 总结：通电的线圈在磁场中会转动。 活动2：让学生讨论、交流转动的原因。然后各组发表自己的观点。师归纳总结。 归纳总结： 思路：将通电线圈分解为四个通电直导线，即导线ab、导线bc、导线cd、导线da。导线bc、导线da的方向与磁感线方向平行，故不受力的作用，导线ab、导线cd处在同一磁场中，但通过电流的方向相反，故受力方向相反，所以通电的线圈会在磁场中会转动。 活动3：根据原因的分析，说出导线ab、导线cd所受力的特点？ 总结：这两个力的大小相等、方向相反，作用在同一个线圈上，但不在同一条直线上。 活动4：线圈能否在磁场中持续转动？为什么？采取什么措施让线圈持续转动？从受力的角度展开分析。 总结：力的特点：如图所示，此时这两个力的大小相等、方向相反，作用在同一个线圈上，且在同一条直线上，属于一对平衡力，故将会在这个位置处于静止状态。 措施：改变磁感线的方向或者改变线圈中电流的方向。 活动5：让学生自学课本P136找出要让通电线圈在磁场中持续转动的方法，然后交流，统一答案。 活动6：根据以上的探究，总结说出电动机的工作原理、能量转化、构造。学生之间交流、讨论，阐明自己的观点，不同意见的，给予补充。 归纳总结： （1）原理：通电线圈在磁场中受力转动。 （2）构造：电动机由能够转动的线圈和固定不动的磁体两部分组成。在电动机里，能够转动的部分叫转子，固定不动的部分叫定子。 （3）电动机转动的方向：与电流和磁场方向都有关，改变电流方向或磁场方向，电动机的转动方向就随之改变；但如果同时改变电流方向和磁场方向，电动机的转动方向不变。