电机运行时的温度检测论文

摘要

随着科技生活的日益进步，人们对机器的控制从单一的开环控制慢慢发展到目前的闭环反馈式控制，特别是在工控领域，由于一些大型设备在长时间的运行过程中电机不断地运转，导致电机温度的升高，影响到电机的使用寿命以及运行时的精确控制。过高的电机温度，还有可能导致火灾，造成不可避免的损失。因此电机运行时的温度监控，不但可以确保电机的正常工作，电机运行过程中实时温度数据都可以被检测显示，当温度过高时会直接停止电机的运转。

此次设计是以STC89C52单片机为控制核心，电动机为控制对象，通过单片机实时的数据采集、传输、处理。通过DS18B20芯片对温度数据的采集转换，传送到单片机处理，然后通过LCD1602液晶显示模块进行显示，串口通信采用MAX232电平转换芯片，使单片机与PC端电脑可进行双向的数据传输和通信功能，上位机可设定电机阈值温度，下位机反馈当前温度值。程序使用C语言编写通过Keil软件进行编译，硬件部分使用Altium Designer 17仿真制板。总体调试成功后可监控电机五个部位的温度值，并显示在液晶屏，当电机温度超过阈值温度时，启动继电器断开电机的电源，实现电机的实时监控和保护功能，通过与计算机的实时通信，提高系统的智能化以及电机的自动化过程管理。

关键字：电动机绕组表面温度电动机运行保护装置温度保护过负荷保护

Abstract

With the development of science and technology, the control of machine is gradually developing from single open loop control to closed loop feedback control, especially in the field of industrial control. Due to the continuous operation of some large-scale equipment during the long-term operation, the temperature of the motor increases, which affects the service life of the motor and the precise control of the operation time. Too high motor temperature, but also may lead to fire, causing inevitable losses. Therefore, the temperature monitoring when the motor is running can not only ensure the normal operation of the motor, but also can detect and display the real-time temperature data in the course of the motor operation. When the temperature is too high, it will stop the motor directly. The operation of the This design is based on STC89C52 single chip microcomputer as the control core, motor as the control object, real-time data acquisition, transmission, processing through the single-chip microcomputer. Through the DS18B20 chip to the temperature data acquisition and conversion, transmitted to the single-chip processor processing, and then through the LCD1602 LCD module to display, serial communication using MAX232 level conversion chip. The function of data transmission and communication between single chip computer and PC terminal computer can be carried out in two directions. The upper computer can set the threshold temperature of motor, and the lower computer can feedback the temperature value first. The program is written in C language and compiled by Keil software, hardware part Use Altium Designer 17 to simulate the board. After the overall debugging, the temperature values of five parts of the motor can be monitored and displayed on the LCD screen. When the temperature of the motor exceeds the threshold temperature, the relay is started to disconnect the power supply of the motor to realize the real-time monitoring and protection function of the motor. Through the real-time communication with the computer, the intelligence of the system and the automatic process management of the motor are improved.

Key words:Motor winding surface temperature Motor operation protector Temperature protection overload protection

目录

摘要 .................................................................................................................................. I ABSTRACT..................................................................................................................... II 目录 ............................................................................................................................... I II

第1章绪论 (1)

1.1概况 (1)

1.2 电动机的发展历程 (1)

1.3 电动机的应用 (1)

1.4电动机热计算的发展 (1)

1.4.1电动机热计算的方法 (2)

1.5论文要求和内容 (2)

第2章电动机的结构介绍 (3)

2.1 直流电机的基本结构 (3)

2.2直流电机的工作原理 (4)

2.3电机运行中的温度分析 (5)

2.3.1 电动机的正常发热 (5)

2.3.2电动机的异常发热 (5)

2.3.3 电机运行时的温度检测方法 (6)

第3章系统硬件设计 (7)

3.1 设计要求 (7)

3.2系统设计方框图 (7)

3.2.1直流电机的通断控制电路 (7)

3.2.2 LCD温度显示的实现 (8)

3.2.3串口通信功能的实现 (9)

3.2.4DS18B20温度测量的实现 (9)

3.2.5单片机的时钟晶振模块 (11)

3.2.6单片机的复位电路模块 (12)

第4章系统整体结构图 (12)

4.1Altium Designer软件介绍 (12)

4.2系统整体介绍 (12)

4.3系统整体结构图 (12)

第5章温度检测系统软件设计 (13)

5.1Keil软件介绍 (14)

5.2程序设计总流程 (14)

第6章系统的调试及应用 (15)

6.1软件调试和硬件调试 (15)

第7章设计总结 (16)

第1章绪论

1.1概述

在日新月异的当今时代，电动机在我们的生活中扮演着不可或缺的角色，无论是在日常生活中，还是在工业控制领域，电动机都起到了很大的作用。电动机的种类繁多，应用也十分广泛。电动机按照电源种类可划分为直流电动机和交流电动机，按结构和工作原理可划分为直流电动机、异步电动机、同步电动机，按用途划分可分为驱动电动机和控制电动机。

电动机可以广泛应用于各个方面，尤其是在当前工业生产的自动化，电动机逐渐成为自动控制过程中的核心部件、现代科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要元件,因此直流电机的控制要求也越来越高,传统的采用由晶闸管可控整流器供电的调速系统已满足不了现代社会的需求。同时,随着电子技术高速发展,直流电机的控制逐渐地由模拟化走向数字化,特别是单片机技术发展的日新月异,使得许多控制装置功能和算法可以由软件来实现。

1.2电动机的发展历程

世界上的第一台电动机诞生于1820年，制作者是奥斯特，他发现了电流的磁效应，后通过总结安培的电流在磁场中所受到的力建立了安培定律：F=IBLsin θ。而在次年的九月份法拉第发现将通了电的导线置于磁场中，导线会发生旋转。从而建立了电动机的实验模型。1832年法拉第利用电磁感应原理，在此基础上他发明了法拉第圆盘发电机，如今的电机中旋转的是线圈，而当时他是用紫铜做的圆盘。后来亨利的振荡电动机展示了磁极排斥和吸引的运动现象。于1832年斯特金发明了换向器，对亨利的振荡电机进行了改进，发明了世界上第一台能持续运动的电动机。

1.3电动机的应用

不同类型的电动机应用于不同的场合，而工业方面用到的电动机更是各式各样，起到不同的作用，比如在机床、起重机、压缩机、传送带等方面，使用了不同制动参数的的电动机。起重机主要用来搬运重物的，它在运行过程中，必须要求有强大的过载能力、良好制动性能以及平稳的运行过程，这些因素直接决定了电动机品质因素。而在机床方面主要使用的是直流伺服电机和交流伺服电机，这种电机的特点是精度比较高，位置控制更加精确，噪声小转速高，电压可调节范围也很广，所以应用于精密器件的加工。可见在不同的场合需要用到不同类型特点的电动机，因此电机的种类也在不断地更新和发展，电动机也不可或缺的称为制造业的重要组成部分。

1.4电动机热计算的发展

通俗的讲，电动机的功率越大，工作效率越高，其产生的热量也就越高。而电动机的表面温度不仅仅取决于电动机工作时自身产生的热量，还与电机的表面材料，环境温湿度等有关。因此对于电机的发热问题，通常可以采用两种方法，第一种方法是使用散热性好的绝缘性材料作为电动机的表面材料，第二种方法是利用冷却技术，通过风扇排除电动机内部的热空气以实现冷却电机的目的使电动机保持原有的性能。一般的小型电动机基本上都是采用物理冷却的方法。

然而随着工业生产的自动化，机器生产逐渐代替了人工生产，大量的大型电动机被使用在机器中。长时间的运转使电动机产生大量的热量，引起电动机各部分的温度的升高，影响到电动机的安全。因此准确的热量监控以及降温处理是目前电机监管部门首要关注的地方。

1.4.1电动机热计算的方法

目前的电机热计算的主要方法有三种：等效热路法、公式化简法、温度场计算法。等效热路法：等效热路法是一种假设方法，将分布的热量和热阻通过等量的发热材料代替，并嘉定两者的热量大小不取决于流过材料热流的大小，这样就能将等效热通过数学的方法利用不同材料的比热容计算出热量的线性度，并用替代法进行求解。公式化简法：公式化简法是利用牛顿散热公式△T=q/a（a为散热系数，q为负载热量）计算出温度的上升量△T。温度场计算法：温度场计算法能精确地计算出电机不同发热部位的热量大小，原理是通过将研究对象从宏观方面转变为微观，将宏观的全局变量进行数学建模，再将求解区域离散为微观单元，然后在每个微观单元中用热传导方程求解每一单元中的温度和升温，最后整合所有的微观单元中的热量值，用有限差分法或者有限元法计算出电机表面的热量值。

从上面的三种方法中，可以看出专业的电机热量计算方法已经趋于成熟，且计算过程比较麻烦。对于专业化程度不高的人员，无法精准的计算出电机的发热量。因此使用智能化的测温装置，利用软件编程同样可以精准的计算出温度值，本次设计中采用的是DS18B20温度测量芯片，同样可以对电动机运行时的温度进行实时的监控测量。

1.5 论文要求和内容

本次设计的是电动机运行时的温度监控系统，首先从介绍电动机在各个领域的运用，阐明电动机的发展历程，以及电动机在工业生产过程中存在的隐患。接着阐述电动机的发热原因，分析比较当前电动机的常用的温度计算方法。研究数据方面利用牛顿的散热公式以及数学建模的方法，从宏观到微观，对热量数据进行计算分析，并提出当下常用的测量温度的方法。

设计电路部分采用的是STC89C52单片机，进行数据的采集、传输和处理。温度测量方面使用5个DS18B20对电机的不同部位进行温度的采集转换，控制电机运转使用的是继电器，当单片机采集到的电机的温度数据异常时，立即启动继电器断开电动机的电源，实时的保护电动机。通信方面利用RS-232标准串口