5.1 直流电机控制技术
基于C51单片机直流电机测速仪设计
基于C51单片机直流电机测速仪设计摘要：电机的转速是各类电机运行过程中的一个重要监测量，测速装置在电机调速系统中占有非常重要的地位，特别是数字式测速仪在工业电机测速方面有独到的优势。
本文介绍了一种基于C51单片机的光电传感器转速测量系统的设计。
系统采用对射式光电传感器产生与齿轮相对应的脉冲信号，使用AT89C51单片机采样脉冲信号并计算每分钟内脉冲信号的数目，即电机对应的转速值，最终系统通过LCD实时显示电机的转速值。
经过软硬件系统的搭建，分别通过Protues软件系统仿真实验和实际电路搭建检查实验。
仿真实验表明本系统满足设计要求，并且结构简单、实用。
整个直流电机测速系统在降低测速仪成本，提高测速稳定性及可靠性等方面有一定的应用价值。
关键词：转速测量；光电传感器；单片机Based On C51 SCM Single DC Motor Speedometer DesignABSTRACT：Motor speed is all kinds of motor operation is an important process to monitor the amount of speed measuring device in the motor control system occupies a very important position, Especially the digital speedometer in the industrial motor speed has unique advantage. This paper describes a photoelectric sensor 51 SCM-based speed measurement system design. System uses a beam photoelectric sensor generates a pulse signal corresponding to the gear, the use of a sampling pulse signal AT89C51 SCM and calculating the pulse per minute, the number of signals that the speed of the motor corresponding to the value of the final system time through the LCD display the motor speed value.After a hardware and software system structures, respectively, through Protues software system to build the actual circuit simulation and experimental examination. Simulation results show that the system meets the design requirements, and the structure is simple and practical. DC Motor Speed entire system in reducing speedometer costs, improve reliability, speed stability and a certain application value.Keywords: Speed measurement; Photoelectric; Single chip micyoco目录1 绪论 (1)1.1 数字式转速测量系统的发展背景 (1)1.2 转速测量在国民经济中的应用 (1)1.3主要研究内容 (2)1.4 设计的目的和意义 (2)2 转速测量系统的原理 (4)2.1 转速测量原理 (4)2.2 转速测量计算方法 (5)3转速测量系统设计方案 (7)3.1 直流电机转速测量方法 (7)3.2 设计任务及方案 (8)4 直流电机测速系统设计 (9)4.1 单片机AT89C51介绍 (9)4.2 转速信号采集 (14)4.2 转速信号处理电路设计 (16)4.4 最小系统的设计 (17)4.4.1复位电路 (17)4.4.2 晶振电路 (20)4.5 显示部分设计 (20)5 直流测速系统仿真 (24)5.1 直流测速系统仿真 (24)5.1.1单片机最小系统仿真 (25)5.1.2 数码管显示仿真 (25)5.2 主程序流程设计 (26)5.2.1 主程序流程设计 (26)5.2.2 定时器的初始化 (27)5.3 实际电路实验 (28)参考文献 (30)致谢 (31)1 绪论1.1 数字式转速测量系统的发展背景在现代工业自动化高度发展的时期，几乎所有的工业设备都离不开旋转设备，形形色色的电机在不同领域发挥着很重要的作用。
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。
直流电机的控制原理
直流电机的控制原理
直流电机的控制原理可以通过以下内容来说明：
直流电机的控制原理是通过调节电源电压和改变电枢线圈中电流方向来实现的。
具体来说，直流电机的工作原理是根据洛伦兹力和安培力的作用，通过控制电流方向和大小来改变电机的转速和转向。
在直流电机中，电枢线圈是位于电机中心的旋转部分，而电枢线圈两端与电源相连。
当电流通过电枢线圈时，电流会在磁场中发生作用，产生洛伦兹力，使电枢线圈开始旋转。
电枢线圈的旋转会使其上的集电刷与固定的电极接触，改变电枢线圈中电流的方向，从而反转驱动力，使电机的旋转方向改变。
为了控制直流电机的转速和转向，可以通过改变电源电压和电枢线圈中电流的方向来实现。
当电源电压增加时，电枢线圈中的电流增加，从而增大洛伦兹力，加速电机的转速。
同样地，当电源电压减小时，电机的转速会减慢。
另外，改变电枢线圈中电流的方向也会改变洛伦兹力的方向，从而改变电机的转向。
在实际应用中，直流电机的控制可以通过调节电压或使用电压变频器来实现。
通过调节电源电压的大小，可以实现直流电机的速度调节；通过改变电枢线圈中电流的方向，可以实现直流电机的正反转控制。
综上所述，直流电机的控制原理是通过调节电源电压和改变电
枢线圈中电流方向来实现的，从而实现对电机转速和转向的控制。
《电机与电气控制》教案
《电机与电气控制》教案一、教学目标1. 知识与技能：（1）了解电机的基本原理、结构及分类；（2）掌握电机的主要性能指标及其测试方法；（3）熟悉电气控制的基本环节及其应用；（4）学会电机故障诊断与维修方法。
2. 过程与方法：（1）通过观察、实验，培养学生的动手能力；（2）运用案例分析，提高学生的解决问题的能力；（3）开展小组讨论，培养学生的团队合作精神。
3. 情感态度与价值观：（1）培养学生对电机与电气控制技术的兴趣；（2）增强学生对电机故障诊断与维修的实际操作能力；二、教学内容第一章：电机概述1.1 电机的基本原理1.2 电机的分类1.3 电机的作用与地位第二章：电机的基本结构与工作原理2.1 直流电机的基本结构与工作原理2.2 交流电机的基本结构与工作原理2.3 步进电机的基本结构与工作原理第三章：电机的主要性能指标及其测试方法3.1 电机性能指标概述3.2 电机的运行特性3.3 电机性能测试方法第四章：电气控制基础4.1 电气控制的基本环节4.2 电气控制系统的设计原则4.3 电气控制系统的可靠性分析第五章：电机控制系统及其应用5.1 电机控制系统的组成及功能5.2 电机控制系统的常见故障与诊断5.3 电机控制系统的应用案例三、教学重点与难点1. 教学重点：（1）电机的基本原理与分类；（2）电机的基本结构与工作原理；（3）电机的主要性能指标及其测试方法；（4）电气控制的基本环节及其应用；（5）电机控制系统及其应用。
2. 教学难点：（1）电机的工作原理及性能指标的计算；（2）电气控制系统的的设计与调试；（3）电机控制系统的故障诊断与维修。
四、教学方法与手段1. 教学方法：（1）讲授与实验相结合；（2）案例分析；（3）小组讨论；（4）现场教学。
2. 教学手段：（1）多媒体课件；（2）实验设备；（3）案例资料；（4）现场演示。
五、教学评价1. 过程性评价：（1）课堂提问；（2）实验报告；（3）小组讨论报告；（4）现场操作考核。
直流电机拖动解读
电动机调速时的容许输出
在某转速下， 电机即能充分利用， 又能安全运行时输 出的功率和转矩称为， 调速时的允许输出功率和转矩。
(1)调压调速的允许输出
降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。
N Tem C MI a
P Tem Tem n 1000 9550
保持I不变 Ti C M N I N TN K
恒功率调速方法：在整个调速范围内，做到额定转矩输出， 电 机安全且充分利用。
5.4 直流电动机的制动
断开电源 抱闸
能耗制动 反接制动 回馈制动
自由停车 机械制动
电气制动
5.4.1 能耗制动的方法和原理
保持励磁电流If的大小及方向不变， 将开关接 至RT， 电枢从电网脱离经制动电阻RT闭合。
参数特点：＝ N， U＝0， 电枢回路总电阻R＝Ra＋RT
Ce CeCT 2
n0''
' N
T
额定时，接近饱和，一般 都为减弱的磁通。
n
N’ 人为
n0
N
固有
N> N’ 0
Tem
弱磁通的人为机械特性特点：
（1）磁通减弱转速升高，上调速 （2）特性斜率变化 （3）适合于恒功率负载
5.2 直流电动机的起动
起动要求：
1. 足够的起动转矩
2. 一定范围的起动电流
Ia3.n 起Is动t 时间符合生产要n 求、起动设备简单、经济、可靠。
5.2.3 降压起动
一般只适用于大容量频繁起动的直流电动机，须用专 门的调压电源。
优点：起动电流小，起动消耗能量少，升速比较平稳。 在起动过程中，可逐步提升电源电压，使按需要的加
速度上升。在实用中，发电机-电动机组即采用降压起 动法，其中，发电机及电动机均采用他励，以保证起 动时有足够的励磁电流。“整流器-电动机”组也采用 此方法。
永磁无刷直流电机设计实例
永磁无刷直流电机设计实例永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDC）是一种形式先进的电机，具有高效率、长寿命、高功率密度、高控制精度等优点，已广泛应用于机床、机器人、电动工具等领域。
在本文中，我们将介绍永磁无刷直流电机的设计实例。
1. 电机参数计算在进行永磁无刷直流电机设计之前，首先需要计算出电机的一些参数，包括额定功率、额定转速、额定电压、额定电流等。
这些参数将作为电机设计的基础。
1.1 标称功率Pn = Tmax × ωnPn 为电机标称功率，Tmax 为电机最大扭矩，ωn 为电机额定转速。
1.2 额定转速永磁无刷直流电机的额定转速通常由应用需求决定。
对于电动工具来说，需要较高的额定转速，而对于机床来说，需要较低的额定转速。
通常情况下，可以根据应用的要求来选择适当的额定转速。
永磁无刷直流电机的额定电压通常由电源系统决定。
通常情况下，可以选择电压稳定器或直流电源来提供稳定的电压。
根据实际需求和电源系统的限制，可以确定电机的额定电压。
2. 永磁体设计永磁体是永磁无刷直流电机中最重要的组件之一，其设计将直接影响电机的性能。
永磁体的设计包括永磁体的形状、尺寸以及选用的材料。
2.1 形状与尺寸永磁体的形状和尺寸对电机的输出特性有着重要的影响。
通常情况下，可以选择方形、圆形、椭圆形等形状，并根据电机设计参数计算出永磁体的尺寸。
2.2 材料选择永磁体选用的材料决定了电机的性能。
目前常用的永磁体材料有 NdFeB、SmCo、AlNiCo 等。
不同的永磁体材料具有不同的磁性能、机械性能和耐温性能，应根据实际应用需求进行选择。
3. 绕组设计绕组是永磁无刷直流电机中的另一个关键组件，在电机的输出特性和效率上起着重要作用。
绕组的设计涉及到绕组的形状、导线直径、匝数和线材材料等方面。
绕组的形状通常与永磁体相对应，可以根据永磁体的形状来确定绕组的形状。
3.2 导线直径导线直径直接影响到电机的电阻和电感，对电机的输出特性和效率有着重要影响。
高效能电机控制策略及应用研究
高效能电机控制策略及应用研究1. 研究背景高效能电机控制策略及应用是电机控制领域的重要研究方向。
随着电机技术的发展和应用领域的扩大，对电机控制策略和性能的要求也越来越高。
有效的电机控制策略能够提高电机的运行效率和性能，并延长其使用寿命。
因此，开展高效能电机控制策略及应用研究对于推动电机技术的进一步发展至关重要。
2. 传统电机控制策略传统的电机控制策略主要包括直流电机控制和交流电机控制。
直流电机控制一般采用PWM调制方式，通过控制电源给定的电压和电流，控制电机转矩和转速。
交流电机控制一般采用矢量控制和感应电机控制两种方式，通过控制电机的磁场和转子电流来实现电机转矩和转速的控制。
3. 高效能电机控制策略3.1 矢量控制策略矢量控制是一种先进的交流电机控制策略，通过将电机的矢量旋转坐标系与电机转子磁场进行耦合，实现了对电机磁场和转子电流的精确控制，从而实现了电机转矩和转速的精确控制。
矢量控制策略具有响应速度快、控制精度高、低速高扭矩性能好等优点，广泛应用于高性能交流电机的控制。
3.2 直接转矩控制策略直接转矩控制是一种先进的交流电机控制策略，通过直接测量电机转子磁场的信息，实现了对电机转矩和转速的直接控制。
直接转矩控制策略具有响应速度快、控制精度高、高速响应性能好等优点，广泛应用于高性能交流电机的控制。
4. 高效能电机控制策略的应用4.1 电动汽车电动汽车是高效能电机控制策略的重要应用领域之一。
采用高效能电机控制策略，可以实现电动汽车的高效能驱动，提高整车能量利用率和续航里程，同时降低能耗，减少环境污染。
4.2 工业自动化工业自动化是高效能电机控制策略的另一个重要应用领域。
通过采用高效能电机控制策略，可以实现工业设备的高效能运行，提高生产效率和产品质量，降低能耗和维护成本。
4.3 可再生能源发电高效能电机控制策略在可再生能源发电领域的应用也十分重要。
例如，风力发电和太阳能发电中使用的发电机组需要高效能电机控制策略来确保发电系统的高效能运行，提高能源利用率。
第五章 直流电动机调速控制系统
其中，R是电枢回路总电阻，为系统固有参数， Idnom是对应额定负载时的电流， 也是固定的。所以，一般开环系统无法满足一定调速范围和静差率性能指标要求。
如果在负载增加的同时设法增大系统的给定电压 Un，就会使电动机电枢两端的 电压Ud增大，电动机的转速就会升高。若Un增加量大小适度，就可以使因负载增加 而产生的 n被Ud升高而产生的速升所弥补，结果会使转速n接近保持在负载增加前的 值上。 这样，既能使系统有调速能力，又能减少稳态速降，使系统具有满足要求的调 速范围和静差率。 系统组成如图 我们可以在与调速电动机 同轴接一测速发电机TG，这 样就可以将电动机转速 n 的大 小转换成与其成正比的电压信 号Un，把Un与Un相比较后， 去控制晶闸管整流装置以控制 电动机电枢两端的电压Ud就可 以达到控制电动机转速 n 的目 的。
（5-5）
上式表明，同一系统的调速范围、静差率和额定转速降落三者之间有密不可 分的联系。对静差率值要求越小，能得到的调速范围也将越小。
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例题
某生产机械由他励直流电动机拖动，采用降压调速，额 定负载下电动机的额定转速为 ，理想空载转 速 。降低电压以后的转速为 ，理想 空载转速 。试求： （1）调速范围D和静差率 ； （2）如果生产工艺要求静差率 20% ，则此时的调速范 围是多少？
5.1.3 直流调速的基础知识
直流电动机 电动机 交流电动机 直流调速系统
交流调速系统
直流电动机优点： 转矩易于控制，具有良好的起制动性能，在相当长的时间内，一直在高性能调速 领域占有绝对的统治地位。此外，直流调速技术方面的理论相对成熟，其研究方法和 许多基本结论很容易在其它调速领域内推广，所以直流调速一直是研究调速技术的主 流。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制角度来看， 它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，本章将对 直流调速的基本理论做较详细的介绍。
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5.1.1 直流电动机机械特性参数
小结：
改变参数 Rc 、U、 即可调节直流电动机的转
速，相应的控制方式有串电阻、调压和弱磁三
种。
故直流电动机的有三种基本调速方式：（1）改变
电枢回路电阻；（ 2 ）改变电枢电压；（ 3 ）改
变励磁磁通。
5.1.2 直流电动机控制方式
1、电枢回路电阻控制法
电枢回路电阻控制方式是在磁极绕组励磁电流不
转速，其适用于电动机基速以下的调速控制。
直流电动机的电枢电压与转速之间近似于线性
调节。而电动机的输出转矩不变，因此也称为
恒转矩控制。
5.1.2 直流电动机控制方式
2、电枢电压控制法
当电枢电压降低，在转速、阻力矩还没来得及改
变时，电枢电流必然下降，电枢产生的电磁转
矩下降，致使电枢转速下降。随着电枢转速的
第5章 驱动电机控制技术
驱动电机及其控制系统总体上可以分为直流 电机及其控制系统和交流电机及其控制系统两大 类，在新能源汽车上使用的电机主要包括直流电 动机、交流感应电动机、交流永磁电动机（永磁 同步电动机和无刷直流电动机）和开关磁阻电动 机，不同类型的电动机在控制特性、可靠性等方 面各有特点。
5.1 直流电动机控制技术
5.1.3 典型直流电动机控制系统
控制VT1、VT4的开关状态，可以使C/DC变
换器向电动机电枢绕组提欧共正向电压，从而控
制电动机处于正转电动工况；控制 VT2 的开关状
态，可以控制电机处于正转发电工况；控制 VT3 、
VT2 的开关状态，可以控制电动机处于反转电动
工况；控制 VT4 的开关状态，可以控制电动机处
控制方法具有恒功率调速的特性。励磁磁通控
制方法效率较高，但其调速范围较小（一般不
超过1:3），且响应速度较慢。
5.1.2 直流电动机控制方式
3、励磁磁通控制法 减小磁通，在机械惯性力的作用下，电枢转速还 没有来得及下降，而反电动势随着磁通的减小 而下降，电枢电流增大，由于电流电流增加的 幅度大于磁极磁通减小的幅度，因而电动机的 电磁转矩增大，如果这时电动机的阻力矩不变， 则转速会上升；随着电动机转速的上升，电枢 的反电动势增大，电枢电流随之减小，在电磁 转矩与阻力矩平衡时，电动机就会在比减小磁 通前更高的转速下运行。
为恒功率调速。
5.1.3 典型直流电动机控制系统
DC/DC
VT1 A+ VT3 AAVT2 VT4
A+
if
u
DC/DC PWM控制算法 ACR
i
n
传感 器
Tem* 整车 控制器 n*
ASR
5.1.3 典型直流电动机控制系统
直流电动机控制系统根据整车运行需求，对直流电
动机实施转速与电流的双闭环控制。其中外环ASR是自动
速度调节器，根据转速指令与传感器输出的速度值的情况， 产生电机电枢电流指令，其输出限福为最大电枢电流值； 内环ACR是自动电流调节器，控制实际电枢电流跟随电流 指令值，该调节器输出为电枢回路电压指令值，其输出限
福为允许的最高电枢电压值；该电压指令值通过 PWM 单
位产生开关信号区控制四象限可逆DC/DC变换器中半导体 开关器件的导通和关断。
5.1.1 直流电动机机械特性参数 1、电枢电动势 电枢电动势是直流电动机在正常工作时，电 枢绕组切割气隙磁场所产生的电动势。根据直
流电动机的运行原理，可以推导出电枢电动势
为
pN Ea = n Ce n 60a
5.1.1 直流电动机机械特性参数
2、电磁转矩
电磁转矩时直流电动机的电枢绕组流过电流时，
5.1.2 直流电动机控制方式
直流电动机的转矩-转速特性
T
恒转矩区 恒功率区
基速 调压调速 弱磁调速
nmax
n
5.1.2 直流电动机控制方式
直流电动机的转矩-转速特性
在电动机基速以下，励磁磁场保持不变，通过调
节电枢电压控制电动机的转速，为调压调速，
或称为恒转矩调速；在基速以上，通过调节励
磁磁通控制电动机的转速，为弱磁调速，或称
变的情况下，通过改变电枢回路的电阻，使电
枢电流变化来实现电动机转速的控制。
当电动机负载一定时，随着串入的外接电阻的增
大，电枢回路总电阻增大，相应的电动机的转
速就会降低。外接电阻的改变可以通过接触器
或主令开关来实现。
5.1.2 直流电动机控制方式
2、电枢电压控制法
电枢电压控制是通过改变电枢电压控制电动机的
于反转发电工况。
载流导体在磁场中受力而产生的总转矩。根据
直流电动机的运行原理，可以推导出电磁转矩
为
T= pN Ia CT Ia 2 a
5.1.1 直流电动机机械特性参数
3、直流电动机的机械特性数学方程式
根据以上两个公式即可得到直流电动机的机
械特性数学方程式
Ra +Rc U n T n0 T 2 Ce Ce CT
降低，电枢反电动势减小，电枢电流上升，电
磁转矩随之增大，直到与电动机的阻力矩相平
衡时，电动机才会在比调压前更低的转速下稳
定运行。
5.1.2 直流电动机控制方式
3、励磁磁通控制法
励磁磁通控制是通过调节励磁电流，改变磁极磁
通来调节电动机的转速，适用于电动机基速以
上的调速控制。当电动机电枢电流不变时，该