课程设计--直流电机调速控制系统设计

课程设计--直流电机调速控制系统设计指导教师评定成绩：审定成绩：**********课程设计报告设计题目：直流电机调速控制系统设计学校：********************学生姓名：**********专业：********************班级：***********学号：**************指导教师：*****************8设计时间：2013 年12 月目录引言 (3)一、直流电动机的工作原理 (4)二、直流电动机的结构 (5)三、直流电动机的分类 (6)四、电动机的机械特性 (7)五、他励直流电动机起动 (10)六、他励直流电动机的调速方法 (11)七、PWM调制电路 (14)八、H桥驱动电路 (14)九、直流电动机调速控制系统设计 (15)十、心得体会 (22)附录参考文献 (23)课程设计任务书 (23)引言现代工业生产中，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。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。

利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。

一、直流电动机的工作原理应用了“通电导体在磁场中受力的作用”的原理，励磁线圈两个端线同有相反方向的电流，使整个线圈产生绕轴的扭力，使线圈转动。

要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。

为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转，这就是直流电动机的工作原理。

如图1-1所示，图1-1 直流电动机的工作原理图将电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载项链，这时便有电流从电源的正极流出，经A电刷流入点数绕组，再经电刷B流回电源的负极。

在图（a）所示位置时，线圈的ab边在N极下，cd边在S极下，电枢绕组中的电流沿着a-b-c-d的方向流动。

电枢电流与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则来判断。

这一对电磁力所形成的电磁转矩使电机逆时针旋转。

当线圈的ab边在S极下，cd边在N极下，如果线圈中电流的方向仍然不变，那么作用在这两个线圈上的电磁力和电磁转矩的方向就会与原来的方向相反，电机便无法旋转。

如图（b）所示，由于原来与电刷A接触的线圈a端的铜片现在已改接成与电刷B接触，而原来与电刷B接触的线圈d端的铜片现在已改接成与电刷A接触，因而电枢绕组中的电流沿着d-c-b-a的方向流动。

利用左手定则来判断出：电磁力及电磁转矩的方向仍然是电动机逆时针旋转。

这样，就使得电机一直旋转下去。

二、直流电动机的结构直流电机由定子、转子和机座等部分构成。

1、定子主磁极——主磁极的作用是建立主磁场。

绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。

主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。

换向极——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。

机座——机座有两个作用，一是用来固定主磁极、换向级和端盖；另一个是作为磁路的一部分。

电刷装置——电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。

由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成。

图2-1 直流电机的定子图2-2 直流电机的转子2、转子电枢铁心——电枢铁心也有两个用处，一是作为主磁路的主要部分，二是嵌放电枢绕组。

电枢绕组——电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。

换向器——换向器也是直流电机的重要部件。

在直流电动机中，它的作用是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流；在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势。

三、直流电动机的分类根据励磁线圈和转子绕组的连接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机。

1、他励直流电动机他励直流电动机是一种励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源而由其他直流电源对励磁绕组单独供电的直流电动机，如图3-1（a）所示。

2、并励电直流动机并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图3-1（b）所示。

这种直流电动机的励磁绕组上所加的电压就是电枢电路两端的电压。

3、串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕串联，如图3-1（c）所示。

这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流，若有调节电阻与励磁绕组并联，其电流则为电枢电流的一部分。

4、复励直流电动机这种直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联，然后再和另一个励磁绕组串联，如图3-1（d）所示。

图3-1 他励直流电动机图3-2 并励直流电动机图3-3 串励直流电动机图3-4 复励直流电动机四、电动机的机械特性4.1他励电动机的转速与转矩之间的关系 由于T n C C R R C U n 02T e a e a βφφ-=+-=T 0n 是电动机的理想空载转速，其值为φe aC U =0nβ是机械特性的斜率，其值为2T e a C C RR φβ+=α是机械特性的硬度，其值为βα1= 斜率β越大，硬度α越大，机械特性特硬。

4.2他励直流电动机的固有机械特性当他励直流电动机的额定电压、气隙每极磁通量为额定值，电枢回路不电阻时的机械特性称为固有机械特性，其表达式为T n n n C C T R C U n 002T e a e a βφφ-=∆-=-=N N由于电枢绕组的电阻a R 值很小，而φ值大，因此Δn 很小，固有机械特性为硬特性。

4.3他励直流电动机的人为机械特性他励直流电动机的参数如电压、励磁电流、电枢回路电阻大小等改变后，其机械特性称为人为机械特性。

主要人为机械特性有3种。

(1)．电枢回路串联电阻R 时的人为机械特性1）人为机械特性方程为T C C R R C U n 2T e a e a N N φφ+-=2）人为机械特性的特点理想空载转速0n 保持不变；机械特性的斜率β随R 的增大而增大，特性曲线变软。

从图4-1中可以看出改变电阻R 大小，可以使电动机的转速发生变化。

因此，电枢回路串电阻可用于调速，R 越大，转速越低。

(2)改变电源电压U 时的人为机械特性1）人为机械特性方程为 T C C R C U n 2T e a e a N N φφ-=2）人为机械特性的特点理想空载转速0n 正比于电压U ，U 下降时，0n 成正比例减小；特性曲线斜率β不变。

从图4-1中可以看出改变电压U 大小，可以使电动机的转速发生变化。

因此，降低电源电压也可用于调速，U 越低，转速越低。

(3)改变励磁电流f I 时的人为机械特性1）人为机械特性方程式为 T C C R C U n 2t e ae a φφ-=2）人为机械特性的特点理想空载转速与励磁电流f I 成反比，减小励磁电流f I ，0n 升高；斜率 与磁通二次方成反比，减小励磁电流f I使斜率增大。

从图4-1中可以看出改变励磁电流f I大小，可以使电动机的转速发生变化。

因此，降低励磁电流f I也可用于调速，f I越大，转速越低。

图4-1五、他励直流电动机起动5.1直流电动机启动条件起动是指电动机从静止状态开始转动起来，直至最后达到稳定运行。

对于任何一台电动机，在启动时，都有下列两个基本的要求：1）起动转矩要足够大。

2）启动电流不要超过允许范围。

aNa a N st R U R E U I =-=0=Φ=n C E e a 此外，他励直流电动机在起动瞬间，转速n=0，电动势E=0，起动电流aast R U I =在额定电压下直接起动时，由于a R 很小，st I 很大，一般可达到电枢电流额定值的10~20倍，这样大的电流是换向所不允许的，起动转矩也能达到额定转矩的10~20倍，过大的起动转矩会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以致损坏传动机构和生产机械。

因此，除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电a I 阻大、转动惯量有比较小、可以直接起动外，一般的直流电动机是不允许采用直接启动的。

5.2直流电动机启动方法 1、直接起动直接起动是指接通励磁电源后，将电动机的电枢直接投入额定电压的电源上起动。

直接起动又称为全压起动。

由于起动瞬间，转速等于零，电枢绕组的感应电动势（5-1）则起动电流为 （5-2）由于电枢绕组的电阻Ra 很小，所以起动电流很大，可达到额定电流的十几倍。

该电流对电网的冲击很大。

因而，除了小容量电机可采用直接起动外，对大中、容量的电动机不能直接起动。

2、电枢串电阻起动电枢回路串电阻R,启动电流为 RR U I A NS +=为了保持启动过程中电磁转矩持续较大及电枢电流持续较小，可以逐渐切除启动电阻，启动完成后，启动电阻全部切除，这种情况下的特性如图5-1所示。

UMr ar a2n0hecITO TLI L I2T2g mfd32b1R alαr aR a2r a1K m1K m2R k1R k2+-（b）特性图（a）电路图图5-1 直流他励电动机串电路启动的电路图和特性图3、降电压起动降低电源电压到U,启动电流为aS RUI降低电枢电压起动，即起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流，电动机起动后，再逐渐提高电源电压，使起动电磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速。