本科生毕业论文（设计）
题目：基于LabVIEW的直流电机控制
系统的设计与分析
院系：信息科学与技术学院自动化系
专业：自动化
学生姓名：朱文城
学号：05376017
指导教师：杨智
（职称）中山大学教授
二〇〇九年五月
摘要
虚拟仪器技术是计算机测量与控制技术的一个新的发展方向。虚拟仪器是虚拟仪器技术的一个重要组成部分，其中最具有代表性的是图形化编程开发平台LabVIEW，它是一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用的开发工具。
在现代工业领域中，电机是工业应用及电能生产的基本装备，同时也是速度调节控制系统的核心部件之一，应用范围极为广泛，特别是拖动系统。因此弄清和熟悉电机的特性，研究其速度控制方法尤为重要。
本文主要开发了基于LabVIEW的直流电机的速度控制系统，设计出了电机转速控制VI，实现了其速度的在线实时控制，达到了较好的速度控制效果。软件方面，主要采用美国NI公司推出的虚拟仪器开发软件LabVIEW作为平台；硬件方面，主要采用NI ELVIS虚拟仪器教学实验套件,并结合多功能数据采集卡（DAQ)PCI-6024E。本文以PID经典控制方法为理论指导，采用经验法、4：1衰减法分别对直流电机PID 控制参数进行整定，然后利用整定结果进行速度在线实时控制，最后对控制效果进行对比与分析。
关键词：虚拟仪器； LabVIEW ；PID ；电机转速；数据采集卡
Abstract
Virtual instrument technology is a new development direction of computer measure and control technology. Virtual instrument is an important component of virtual instrument technology, and LabVIEW is the most representative graphic programming development platform with its powerful and flexible function.
In the modern industry domain, the DC motor is basic equipment in industry application and electric energy producing, and it is the most important part in the DC motor velocity control system, which is used in many domains, especially in drag system. Therefore, it is very important to clear and know well the feature of DC motor and its velocity control methods.
The article mainly develops the speed control system based on the LabVIEW for the DC motor, and designs the speed control VI which has realized its speed online real-time control and achieves a good speed control effect. The software system mainly uses LabVIEW, which is a virtual instrument development platform and is promoted by NI Corporation. The hardware mainly uses virtual instrument teaching experiment suite of the NI ELVIS, unifies the multi-purpose data acquisition system called PCI-6024E. The article takes the PID classical control theory as the conduct, uses the thumb rule and 4:1 weaken law to carry on the installation separately to the PID variable of DC motor, and then carries on the speed online real-time control using the installation result, and finally carries on the contrast and the analysis to the control effect.
Keywords: Virtual instrument; LabVIEW; PID; velocity of DC motor; DAQ
目录
摘要....................................................................................................................................................................................I ABSTRACT....................................................................................................................................................................... I I 第一章绪论. (1)
1.1本课题的研究背景和意义 (1)
1.2本课题的国内外研究现状 (1)
1.3本课题的工作内容 (3)
1.4本文的结构安排 (3)
第二章直流电机 (4)
2.1工作原理 (4)
2.2直流电机的基本结构 (4)
2.3直流电机的速度控制方法介绍 (5)
2.3.1 改变电枢回路电阻调速 (5)
2.3.2 改变励磁电流调速 (6)
2.3.3 改变电枢电压调速 (7)
第三章虚拟仪器与LabVIEW介绍 (10)
3.1虚拟仪器概述 (10)
3.1.1虚拟仪器的概念 (10)
3.1.2虚拟仪器的前景 (10)
3.1.3虚拟仪器的优点 (11)
3.2LabVIEW概述 (11)
3.2.1编程语言的介绍 (11)
3.2.2编程语言的优点 (13)
3.2.3LabVIEW 编程基础 (13)
第四章PID 控制器设计 (17)
4.1引言 (17)
4.2PID控制规律 (17)
4.2.1PID控制系统模型 (17)
4.2.2PID参数的调节作用 (18)
4.3PID控制器的不完全微分形式 (19)
4.4动态响应的性能指标 (20)
4.5PID控制器参数整定方法 (21)
4.5.1经验法 (21)
4.5.2等幅振荡法 (22)
4.5.34：1衰减法 (22)
第五章直流电机控制系统的设计与分析 (24)
5.1速度控制模型分析 (24)
5.2NI ELVIS硬件 (25)
5.2.1 NI ELVIS平台工作站 (25)
5.2.2 NI ELVIS原型实验板 (26)
5.3DAQ系统 (28)
5.3.1 DAQ系统的构成 (28)
5.3.2 DAQ的关键概念 (29)
5.4控制系统的电路设计 (30)
5.5控制系统的软件设计 (32)
5.5.1控制系统前面板程序设计 (32)
5.5.2控制系统控制程序框图 (33)
5.6PID参数整定过程 (35)
5.6.1经验法的在线实时控制过程 (35)
5.6.24：1衰减法的在线实时控制过程 (36)
5.7小结 (39)
第六章结论 (40)
参考文献 (41)
致谢 (42)
第一章绪论
1.1本课题的研究背景和意义
随着计算机技术的飞速发展，虚拟仪器的概念逐步为工业界和学术界所认识，经过20年的技术进步与发展，已成为21世纪测试技术发展的一个重要方向，并在研究、制造和开发等众多领域得到广泛应用。采用虚拟仪器技术构建测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分保证，具有很高的性价比，节省投资，便于设备更新和功能的转换与补充。因此，虚拟仪器在产品性能测试，设备故障诊断、生产过程控制中得到普遍的应用，其研究的意义非常重要。
LabVIEW作为虚拟仪器概念的首创者，自1986年问世以来，已经成为虚拟仪器软件开发平台事实上的工业标准，在研究、制造和开发的众多领域得到广泛应用。
直流电机是人类最早发明和应用的一种电机，虽然应用不如交流电机广泛，但是由于直流电动机具有优良的启动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有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，直流发电机仍有一定的优势。在实验室开发系统上，由于直流电机价格便宜，结构简单，控制效果良好，因而得到众多研发人员的青睐。在此基础上，研究直流电机的基于虚拟仪器的速度控制将有极大的意义。
1.2本课题的国内外研究现状
电机控制是一个既成熟而又发展迅速的课题，电机控制具有种种优点，近年来一直是国内外很多公司、大学研究开发的热点。目前，国内外电机控制有关方面的研究工作正围绕电机控制理论、计算机辅助技术、电机控制器、电力电子技术几个方面展开。
电机控制理论方面。目前，在电机速度控制领域，由于PID控制算法简单，结构改变灵活，技术成熟，适应性强，可靠性高等特点，而得到广泛的应用。随着理论研究的发展，各种改进的控制算法层出不穷，近年来研究得很热门的自适应控制算法、
模糊控制算法、神经网络控制算法、鲁棒控制理论等等。
计算机辅助设计方面。由于计算机微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大。为系统的设计和方针提供的软件业越来越多。值得一提的MATLAB和LabVIEW。MATLAB程序设计语言是美国MathWorks公司在20世纪80年代中期推出的高性能数值计算软件，是国际、国内控制领域内最流行的计算和仿真软件,功能强大，工具箱丰富。LabVIEW是NI公司推出的一种基于G语言（图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。
有了好的控制方法，还需要有能将其实现的控制器。可靠性高，实时性好是对控制系统的基本要求。目前，现场可编程门阵列（FPGA）可以作为一种解决方案，一片FPGA可以实现非常复杂的逻辑，替代对快集成电路和分立元件组成的电路。现在市面上较通用的变频器大多都是采用单片机来控制，但单片机的处理能力有限。近年来，各种集成化的数字信号处理器（DSP)的性能得到很大的改善，比起单片机，DSP 具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器，越来越多的单片机使用者开始选用DSP器件来提高产品性能。
新型电力电子技术。电力电子器件是实现弱电控制强电的关键所在。目前电力电子器件正向高电压、大功率、高频化、组合化、智能化方向发展。功率器件及变频技术以电力电子技术为基础。低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、GBT以及智能功率模块IPMI ( Intelligent Power Module)[1] [2]，后两种集GTR的低饱和电压特性和OSFET的高频开关特性于一体，是目前通用变频器中使用最广泛的主流功率器件。第四代I GBT具有发热减少、高载波控制、开关频率高、驱动功率小等特点，它的应用使变频器的性能有了很大的提高。
基于以上技术的研究，设计出实用效率高就成为控制专家的工作内容，目前，国内外的工业控制系统的研究不外乎是上述技术的有机综合。其中，采用虚拟仪器对系统进行PID控制是一个新的组合方法，有较好的发展前景。但是，国内对虚拟仪器技术的使用研究，很多只是建立在仿真的基础上进行的，实际控制应用有待研究。
1.3本课题的工作内容
本文完成的工作有：
（1）详细介绍了虚拟仪器技术以及LabVIEW编程方法。
（2）设计了基于LabVIEW的PID控制器。
（3）以LabVIEW为开发平台，设计出来直流电机转速控制VI，并拥有良好的使用界面。然后借助已设计出来的硬件电路，实现了转速的在线实时控制。
（4）详细介绍了PID控制系数整定方法，并应用于直流电机转速在线实时控制过程中。然后在过程控制中分析控制效果，总结经验。
1.4本文的结构安排
本论文主要分六章：
第一章前言，介绍论文研究背景、国内外研究现状、本文内容以及架构；
第二章直流电机，主要介绍了直流电机的速度控制方法；
第三章虚拟仪器与LabVIEW介绍，详细介绍虚拟仪器和LabVIEW编程语言。
第四章PID控制器设计，介绍了PID控制器的设计方法；
第五章直流电机速度控制系统的设计与分析，本章是本文的核心部分，详细的介绍了本论文控制系统的硬软件设计过程以及PID在线实时控制过程，分析控制效果并总结经验。
第六章结论，主要是对本文的研究情况作总结。
第二章直流电机
本章简单的介绍了直流电机的工作原理、基本结构，详细的分析了直流电机速度控制方法。
2.1工作原理
本论文系统设计采用的电动机是普通的直流电机，直流电动机的工作原理是基于载流导体在磁场中受力产生电磁力形成电磁转矩的基本原理。在直流电动机的工作过程中，单从电枢线圈的角度看，每个导体中的电流方向是交变的；但从磁极看，每个磁极下导体中电流的方向是固定的，即不管是哪个导体运行到该极下，其中的电流方向总是相同的。因此，直流电动机可获得恒定方向的电磁转矩，使电机持续旋转。
2.2直流电机的基本结构
实际上的直流电机是在上述工作原理的基础上加以完善和改进而成的。下面介绍它的具体结构[3]（如图2-1）。
直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成，定子与转子之间有空隙，称为气隙。
定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装备；转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、转向器、转轴、风扇等部件。.
图2-1 直流电机结构图
2.3 直流电机的速度控制方法介绍
在生产中经常需要改变生产机械的工作速度，改变方法有机械和电气两种。机械方法是通过改变传动机构的传动比来实现调速的。电气方法是通过改变电动机的参数、电源的参数和电动机的接线方式，使电动机运行在不同的人为特性曲线上以得到不同的相对稳定转速。
直流电动机的转速n 和其他参量的关系可表示为： (/m in)a a a e U I R n r C -=
Φ∑ )1.2( 式)1.2(中：
a U ——电枢供电电压（V ）； a I ——电枢电流（A ）；
Φ——励磁磁通（W b ）；
a R ——电枢回路总电阻（Ω）； e C ——电势系数；
a pN
C e 60= )2.2(
式)2.2(中：P 为电磁对数，a 为电枢并联支路数，N 为导体数。
由式)1.2(可以看出，式中a U 、a R 、Φ三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法[4]
2.3.1 改变电枢回路电阻调速
各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速，如图2-2(a)是改变电枢电阻调速电路图。此时转速特性公式为：
Φ+-=e w a a a C R R I U n )
( )
3.2(式中w R 为电枢回路中的外接电阻（Ω）。
当负载一定时，随着串入的外接电阻w R 的增大，电枢回路总电(a b R R R =+）增大，电动机转速就降低。其机械特性如图2-2(b)所示。R w 的改变可用接触器或主令开关切换来实现。
这种调速方法为有级调速，调速比一般约为2：1左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。 2.3.2 改变励磁电流调速
当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式（2.1）可看出，电动机的转速与磁通Φ（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n 升高；反之，则n 降低。与此同时，由于电动机的转矩e T 是磁通Φ和电枢电流a I 的乘积（即e a T C T I =Φ），电枢电流不变时，随着磁通Φ的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通Φ的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。
为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。采用弱磁调速时的范围一般为1.5:1～3:1，特殊电动机可达到5:1。
这种调速电路的实现很简单，只要在励磁绕组上加一个独立可调的电源供电即可实现。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速
图2-2 电阻调速电路与机械特性图
（a ）调速电路 （b ）机械特性
时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。
2.3.3 改变电枢电压调速
常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。
改变电枢供电电压的方法有两种，一种是采用发电机-电动机组供电的调速系统；另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。下面分别介绍这两种调速系统。
1）采用发电机-电动机组调速方法。
(a) 调速电路(b) 机械特性
图2-3 发电机-电动机调速电路机械特性图
如图2-3(a)所示，通过改变发电机励磁电流IF来改变发电机的输出电压a U，从而改变电动机的转速n。在不同的电枢电压a U时，其得到的机械特性便是一簇完全平行的直线，如图2-3(b)所示。由于电动机既可以工作在电动机状态，又可以工作在发电机状态，所以改变发电机励磁电流的方向，如图2-3(a)中切换接触器ZC和FC，就可以使系统很方便地工作在任意四个象限内。
由图可知，这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机(LF)，因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大、维护不方便。为克服这些缺点，50年代开始采用水银整流器（大容量）
和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。目前已被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。
2）采用晶闸管变流器供电的调速方法。
(a)调速电路
（b）机械特性
图2-4 晶闸管供电的调速电路机械特性图
有晶闸管变流器供电的调速电路如图2-4(a)所示。通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。在此调速方法下可得到与发电机-电动机组调速系统类似的调速特性。其开环机械特性示于图2-4(b)中。
图2-4(b)中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较硬，改变延迟角a时，特性呈一簇平行的直线，它和发电机-电动机组供电时的完全一样。但在电流断续区，则为非线性的软特性。这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。
变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响（也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式），则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。如果采用反馈控制系统，调速范围可达50：1～150：1,甚至更大。
3）采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法。
脉宽调速系统出现的历史久远，但因缺乏高速大功率开关器件而未能及时在生产
实际中推广应用。今年来，由于大功率晶体管(GTR)，特别是IGBT功率器件的制造工艺成熟、成本不断下降，大功率半导体器件实现的直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展，目前其最大容量已超过几十兆瓦数量级。PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法，其基本原理是：用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。[5]
其中前两种是改变电机参数的方法，后一种是改变电源参数的方法。对于要求在一定内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最佳。因为改变电阻只有极调速，而调节磁通范围很小，不然将造成飞车事故。且本控制系统采用的直流电机为小功率电机，所以直流调速系统以变压调速为主。
第三章虚拟仪器与LabVIEW介绍
3.1虚拟仪器概述
本章主要从概念、发展阶段、研究现状、发展方向、优点等五个方面对虚拟仪器做了详细地介绍。
3.1.1虚拟仪器的概念
所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的通用硬件平台上，由用户设计定义，采用虚拟面板，测试功能由软件实现的一种计算机仪器系统。这里的“虚拟”有两层含义[6]：
（1）虚拟的仪器面板。
在虚拟仪器里由软件在计算机显示器上生成类似于真实仪器的操作面板，物理的开关、按键、旋钮以及数码管等显示器件都是由与实物外观很相似的图形控件来代替，操作人员通过鼠标或者键盘操纵软件界面中的这些控件来完成仪器的控制。
（2）由软件实现仪器的测量功能。
在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的。它不仅能实现传统仪器的测量功能，也能实现传统仪器不能实现或者很难实现的一些数据处理功能，如FFT分析、小波分析、数字滤波、回归分析、统计分析等。通过不同软件模块的组合，还可以实现多种自动测试功能。
3.1.2虚拟仪器的前景
随着计算机技术、微电子技术、通信技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，虚拟仪器正在深入各行各业，影响着人类的生产、教学、科学实验、国防等，甚至进入家庭自动化管理。由于可充分利用PC、网络和通讯的相关技术，虚拟仪器有望取代测量技术传统领域的各类仪器。
“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。虚拟仪器技术将不但成为测量技术领域的主流，而且将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。
3.1.3虚拟仪器的优点
一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方面有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可以一机多用、可重复开发等。虚拟仪器与传统仪器相比，有以下6个特点[7]：
（1）传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致许多识别与操作错误。而虚拟仪器可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。同时，虚拟仪器面板上的学生研究和操作元件的种类与小时不受“标准件”和“加工工艺”限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板。
（2）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。
（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。
（4）仪器的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。
（5）研制周期较传统仪器大为缩短。
（6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键软件”。
3.2LabVIEW 概述
3.2.1编程语言的介绍
LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，得到工业界和学术界的普遍认可和好评。它可以把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能(图形)，用线条将各种功能(图形)连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、查错、调试提供了简单方便、完整的环境和工具，尤其适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员使用。LabVIEW是一种虚拟仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在
实际工程中所需要的仪器系统创造了基础条件。
而且LabVIEW与其它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点:其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码行，而LabVIEW采用图形化编程语言——G语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样。因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人员们学习LabVIEW驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用LabVIEW，也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。
LabVIEW 的功能十分强大。像C或C++等其它计算机高级语言一样，LabVIEW 也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行等。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。
图3-1 LabVIEW 启动后对话框
本论文程序设计使用的是LabVIEW7.1版本，该版本拥有强大的子VI库，依据它们，我们可以更加方便的构建多样化的LabVIEW控制系统。双击LabVIEW图表，启动如图3-1所示对话框。
3.2.2编程语言的优点
LabVIEW具有强大的编程能力与可读性，具体来说有七大优点[8]：
第一，图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。
第二，提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。
第三，既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。
第四，32bit是编辑器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。
第五，囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232/485在内的各种仪器通信总线表针的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。
第六，提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLs（动态链接库）、DDE(共享库)、ActiveX等。
第七，强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。
3.2.3LabVIEW 编程基础
所有的LabVIEW程序（即虚拟仪器VI）都是由前面板和框图构成的。下面通过一个简单的加减法程序的实现来说明。
（1）前面板（Front Panel）
在LabVIEW中，前面板式虚拟仪器VI的图形用户界面，其中包含着旋钮、按钮、图表等控件（Control）、指示器（Indictor），用来接收用户的输入以及显示程序的输出。各种控件、指示器是LabVIEW 与用户的接口，它们的外观和实际仪器对应元件的外观几乎一样，因此，计算机屏幕所显示的就像一台实际仪器的前面板，既直观又友好。图3-2为加减法程序的前面板。
图3-2 加减法程序前面板
（2）框图（Block Diagram）
框图与图元（Icons）一起包含着虚拟仪器图形方式的源代码。在框图中，可以使用G语言对前面板中所创建的各种输入、输出的功能进行编码。框图中可以包括LabVIEW内部的虚拟仪器库函数（Function）、结构（Structure），还可以包括与前面板的控件、指示器有关的接线端子。如图3-3为加减法程序的框图。
图3-3 加减法程序框图
（3）选项板（Palette）
选项板提供了创建、编辑用户VI的前面板、框图时所需要的一些选项LabVIEW中有以下三个选项板。
①工具选项板
工具选项板既可用在前面板设计时，也可用在框图设计时，它包括了创建、编辑、调试前面板及框图对象的一些工具(如图3-4所示)。
图3-4 工具选项板
②控件选项板
该选项板用在前面板设计时，其中包括了创建用户界面时所需要的各种控件、指示器（如图3-5所示）。
图3-5 控件选项板
③函数选项板
函数选项板用于框图设计时，其中包括了对VI进行编程时可使用的一些标准
单片机课程设计
基于单片机的转速测量系统设计 【摘要】介绍了一种基于AT89C51单片机平台,采用光电传感器实施电机转速测量的方法,硬件系统包括脉冲信号产生、脉冲信号处理和显示模块,并采用C语言编程,结果表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。介绍了该测速法的基本原理、实现步骤和软硬件设计 【关键词】转速测量; 单片机; 霍尔传感器；电机；脉冲。
1.概述 1.1 数字式转速测量系统的发展背景 目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号．其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点．加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。 1.2 本设计课题的目的和意义 在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。 这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。
电力电子与电机拖动综合课程设计 题目： PWM控制直流电机的系统 专业： 05自动化 学号： 200510320219 姓名：张建华 完成日期： 指导教师：李晓高
电力电子与电机拖动综合课程设计任务书 班级：自动化05 姓名：张建华指导老师：2008年6月10日 年月日
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1 引言 直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。 本电机调速系统采用脉宽调制方式, 与晶闸管调速相比技术先进, 可减少对电源的污染。为使整个系统能正常安全地运行, 设计了过流、过载、过压、欠压保护电路, 另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行。 2 系统概述 2.1 系统构成 本系统主要有信号发生电路、PWM速度控制电路、电机驱动电路等几部分组成。整个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图1所示。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器
一种无刷直流电动机控制系统设计
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一种无刷直流电动机控制系统设计 摘要：介绍了MOTORALA公司专门用于无刷直流电机控制的芯片MC33035和 MC33039的特点及其工作原理，系统设计分为控制电路与功率驱动电路两大部分，控制电路以MC33035/33039为核心，接收反馈的位置信号，与速度给定量合成，判断通电绕组并给出开关信号。在驱动电路设计中，采用三相Y联结全控电路，使用六支高速MOSFET 开关管组成。通过实验，电机运行稳定。 关键词：无刷直流电机;MC33035/33039;控制电路;驱动电路 Design of control system for Brushless DC Motors SUN GuanQun;SHI Ming;TONG LinYi;XU YiPing Abstract:It introduces the MOTORALA company used for the characteristics o f the chip MC33035 and MC33039 which control the brushless direct curren t motor exclusively and its work principle. The system design divides into tw o major parts: the control circuit and the power driver circuit, the control circ uit take MC33035/33039 as the core, receive feedback position signal, with th e speed to the quota synthesis, the judgment circular telegram winding and p roduces the switching signal. In the actuation circuit design, uses the three-p hase Y joint all to control the electric circuit, uses six high speed MOSFET swit ching valve to compose. Through the experiment, the electric motor moveme nt stable is reliable. Keywords:Brushless DC motor;MC33035/33039;control circuit;drive circuit 1.引言 永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。该电机由定子、 转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成,由于没有励磁装置,效率高、结构简单、工作特 性优良,而且具有体积更小、可靠性更高、控制更容易、应用范围更广泛、制造维护更方便 等优点,使无刷电机的研究具有重大意义。 本系统设计是利用调压调速，根据调整供电PWM电源的占空比进而调整电压的方式实 现。本设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33035，它能够对霍尔传感器检测出的位置 信号进行译码,它本身更具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 组成的系统所需 外围电路简单，设计者不必因为采用分立元件组成庞大的模拟电路,使得系统的设计、调试 相当复杂,而且要占用很大面积的电路板。 MC33035和MC33039这两种集成芯片也可以方便地完成无刷直流电动机的正反转、 运转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号的产生、电动机转速的简易闭环控制等。
直流电机驱动电路设计 一、直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点： 1. 功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电 器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。 如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。 2. 性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。 1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。 二、三极管-电阻作栅极驱动
1．输入与电平转换部分： 输入信号线由DATA引入，1脚是地线，其余是信号线。注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开，实现“一点接地”。 高速运放KF347（也可以用TL084）的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。 不能用LM339或其他任何开路输出的比较器代替运放，因为开路输出的高电平状态输出阻抗在1千欧以上，压降较大，后面一级的三极管将无法截止。 2．栅极驱动部分： 后面三极管和电阻，稳压管组成的电路进一步放大信号，驱动场效应管的栅极并利用场效应管本身的栅极电容（大约 1000pF）进行延时，防止H桥上下两臂的场效应管同时导通（“共态导通”）造成电源短路。 当运放输出端为低电平（约为1V至2V,不能完全达到零）时，下面的三极管截止，场效应管导通。上面的三极管导通，场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平（约为VCC-(1V至2V),不能完全达到VCC）时，下面的三极管导通，场效
单片机原理及应用 课程设计报告书 题目：用单片机控制直流电动机并测量转速姓名：徐银浩 学号：1110702225 专业：电子信息工程 指导老师：沈兆军 设计时间：2014年 11月 信息工程学院
目录 1. 引言 (1) 1.1 设计意义 (1) 1.2 系统功能要求 (1) 2. 方案设计 (1) 3. 硬件设计 (3) 3.1 AT89C51最小系统 (3) 3.2 按键电路 (4) 3.3 A/D转换模块 (4) 3.4. D/A转换模块 (6) 3.5 电机转速测量电路 (7) 3.6 显示电路 (8) 3.7 总电路图 (10) 4. 软件设计 (111) 4.1 系统主程序设计 (12) 4.2 按键扫描程序设计 (12) 4.3 显示子程序 (12) 4.4 定时中断处理程序 (12) 4.5 A/D转换程序 (13) 5. 系统调试 (14) 6. 设计总结 (16) 7. 参考文献 (17)
8. 附录A；源程序 (18) 9. 附录B；电路原理总图、作品实物图片 (23)
用单片机控制直流电动机并测量转速 1 引言 1.1. 设计意义 电动机作为最主要的动力源，在生产和生活中占有重要地位。电动机的调速控制过去多用模拟法，随着计算机的产生和发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制也发生了深刻的变化，本系统利用直流电机的速度与施加电压成正比的原理，通过滑动变阻器向ADC0809输入控制电压信号，经AD后，输入到AT89C51中，AT89C51将此信号转发给DAC0832，通过功放电路放大后，驱动直流电机。 1.2.系统功能要求 单片机扩展有A/D转换芯片ADC0809和D/A转换芯片DAC0832。 通过改变A/D输入端可变电阻来改变A/D的输入电压，D/A输入检测量大小，进而改变直流电动机的转速。 手动扩展。在键盘上设置两个按键——直流电动机加速键和直流电动机减速减。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。 用显示器LED或LCD显示数码移动的速度，及时形象地跟踪直流电动机转速的变化情况。 2 方案设计 为了使用单片机对电动机进行控制，对单片机的基本要求应有足够快点速度；有捕捉功能。总体设计方案如图所示
直流电机控制系统设计
XX大学 课程设计 （论文） 题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名 指导教师
沈阳航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号姓名 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 2012年7 月9 日至2012年7 月20 日 课程设计的内容及要求： 1.内容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。 指导教师年月日 负责教师年月日
学生签字年月日 目录 0 前言 (1) 1 总体方案设计 (2) 1.1 系统方案 (2) 1.2 系统构成 (2) 1.3 电路工作原理 (2) 1.4 方案选择 (3) 2 硬件电路设计 (3) 2.1 系统分析与硬件设计 (3) 2.2 单片机AT89C52 (3) 2.3 复位电路和时钟电路 (4) 2.4 直流电机驱动电路设计 (4) 2.5 键盘电路设计 (4) 3软件设计 (5) 3.1 应用软件的编制和调试 (5) 3.2 程序总体设计 (5) 3.3 仿真图形 (7) 4 调试分析 (9) 5 结论及进一步设想 (9) 参考文献 (10) 课设体会 (11) 附录1 电路原理图 (12) 附录2 程序清单 (13)
基于无刷直流电机控制系统设计与实现 发表时间：2017-10-20T11:19:09.350Z 来源：《防护工程》2017年第15期作者：樊圣至[导读] 为了摆脱此系统对进口技术的依赖性，应深入研究其控制系统，提升设计水平，从而实现煤矿开采的自动化。交通运输部东海第一救助飞行队摘要：无刷直流电机具备体积小、效率高以及控制精度高等优势，且在多个领域得到了广泛使用。但在部分控制系统中，外加干扰以及参数摄动等因素干扰了系统的动静态性，基于此，本文在分析无刷直流电机结构与运行原理的基础上，指出了其软硬件方面的优化控制措施，以期为此后无刷直流电机控制系统的设计工作提供更多的参考依据。 关键词：无刷直流电机；控制系统；设计与实现 1 无刷直流电机结构 电机本体、位置测算结构、电子换相逻辑等均属于无刷直流电机的组成结构，且其与永磁同步电机较为相似。相较直流电机，无刷直流电机旋转的转子为磁极，而直流电机为绕组。且定子主要由电枢绕组、定子铁芯以及其他固定部件组成，电枢绕组一般采用三相Y型绕法，而转子磁极则采用稀土永磁钢片组成，安装在转子表面。 2 无刷直流电机软硬件设计2.1系统硬件部分 2.1.1系统硬件结构 系统硬件主要包括整流电路、开关电源电路、控制芯片、信号隔离电路、调试电路、逆变功率电路以及电流电压检测与保护电路等，其具体结构如下图1所示。 图1 无刷直流电机控制系统硬件结构组成图其中键盘控制系统信息，比如完成启动、停机、速度给定以及系统参数的在线修改等工作。系统交流电源通过整流桥获得直流电源，并供给全桥逆变以及开关电源电路。而开关电源电路则为系统提供24V以及5V的直流电源，电压检测电路通过模数转换获得电压时值，通过母线电压的监控实行过压保护动作，而主控芯片则通过判断输入信息进行控制命令。 2.1.2电源部分分路 整个系统能量的主要来源便是电源，且其呈现出交流、直流以及交流的变化过程，整个电路被分为强电与弱电两个组成部分，且单相220伏的交流电在整合后会形成310伏的直流电，为逆变电路以及开关电路提供能量。首先是整流电路，包括单相全桥不可控整流电路以及电容充电电流限制电路两个组成部分，当电机功率为1.5kW时，控制器的输出能力设定为2.2kW，且上电瞬间直流电源对电容充电，断开继电器，且电流在经过电阻的过程中得到缓冲。其次是电源电路，主要由变压器、IC1以及MC7085等部分组成，其中IC1为电源的专门控制面板。且开关电源处于电压工作模式，IC1通过电压反馈调整PWM的输出功率，从而维持电源电压的稳定运行。最后是芯片电源电路，主要采用主控芯片为3.3伏的工作电平。 2.1.3主控芯片以及周边电路研究中采用适合电机控制领域的32位Cortex -M3核的单片机，可以达到较高的运算效率，且其时钟频率为72赫兹，具备丰富的外设资源。在设计管脚分配以及附属电路时应在参考专业手册的基础上进行，第一，对于引脚60的外接电路，芯片应处于下载设置状态，且系统完成后还应焊接0欧姆的电阻，以保持引脚的低电平状态。第二，对于晶振电路应采用8M外部晶体的振荡器，且电源与大地之间连接电容，以排除电源的耦合干扰。第三，PWM信号输出控制电路，应采用安全性较强的芯片，且在芯片输出后以及光电隔离之前设置74ACT244以有效控制信号的总输出。第四，键盘系统属于独立通信模块，设计时应按照协议要求编写通讯软件即可使用。 2.1.4功率器元件以及驱动电路GTO、MOSFET、GTR、IGBT以及IPM等均属于常用的功率开关元件，且设计期间，应根据元件管件的耐压程度、最大开关频率等因素进行选择。本次研究中，电机控制要求较高的开关频率；较小的导通阻抗以及较小的驱动功率，因此可以选择MOSFET、IPM以及IGBT。比较发现，IGBT具备大电流以及低导通阻抗的特点，可以保持开关频率；而IPM则在内部集成了过高电压、过大电流以及高温的检测系统，且可以在引脚处输出故障信号，降低了系统的损害率。但考虑到此次研究的试验性质，因此应选择IGBT的分立元件组建全桥逆变电路，并确定1200伏的耐压与25安的额定电流，上升时间为50毫秒。 2.1.5模拟量采集与故障电路
可实现功能： 1 可控制左右旋转 2 可控制停止转动 3 有测速功能，即时显示在液晶上 4 有速度档位选择，分五个档次，但不能精确控速 5 档位显示在液晶上 用到的知识： 1 用外部中断检测电机送来的下降沿，在一定时间里统计 脉冲个数，进行算出转速。 2 通过改变占空比可改变电机速度，占空比的改变可以通过改变定时器的重装初值来实现。 3 要想精确控制速度，还需要用自动控制理论里的PID算法，但参数难以选定，故在此设计中没有涉及！ #include<> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit PW1=P1^0 ; sbit PW2=P1^1 ; ; write_data('0'+shi); write_data('0'+ge); }
/******延时函数********/ void delay(uint z) { uint x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--) ; } /************写指令************/ void write_com(uchar com) { lcdrs=0; Da=com; delay(1); lcden=1; delay(1); lcden=0; } /************写数据**********/ void write_data(uchar date) { lcdrs=1; Da=date; delay(1); lcden=1; delay(1); lcden=0; } /************液晶初始化**********/ void lcd_init() { lcden=0; write_com(0x38) ; //初始化 write_com(0x0c) ; //打开光标 0x0c不显示光标 0x0e光标不闪，0x0f光标闪 write_com(0x01) ; //清显示 write_com(0x80+0x40); write_data('0');
设计名称：直流电机调速及速度系统设计院系：工学院电气与信息工程系专业班级：自动化 小组组号： 小组成员： 日期：
一、方案比较、设计与分析 1、稳压电源 直流稳压电源通过MC34063芯片所构成降压电路，把输入的24V的直流电压降为12V的直流稳压电源，为所有的电路模块和系统提供所需要的电源电压该电路的仿真图如图3所示。 图1 直流稳压电源 2、电机调速模块 脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短即通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而达到控制电动机转速的目的。 图2 占空比仿真波形
图 3 电机调速电路图 3、测速模块 方案一：霍尔传感器测量方案 霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件霍尔转速传感器其引脚封装如图3所示。在直流电机扇叶两端放置固定的互相垂直的感应接收装置A和B，在电机的扇叶上贴上磁片HA和HB，当电 机转动的时候就会产生速度感应信号。 图4 霍尔元件封装图 优点：采用霍尔传感器是通过对磁场的感应，从而产生电信号脉冲的元件，霍尔 元件的感应灵敏，能够比较准确的反映直流电机的转速，而且改元件的体积较小， 方便使用。 方案二：光电传感器采集速度数据 转速信号由光电传感器拾取,使用时应先在直流电机的扇叶上做好光电标记,具体 办法可以是:将一片白色的纸板作为光电标记,然后将光电传感器(光电头) 固定 在正对光电标记的某一适当距离处。当直流电机转动时，光电头每照到一次白色 的纸板，光电传感器就会产生一个脉冲信号，从而达到计数的目的。
1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停
直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言 1.1 题目综述 直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。 1.2 国内外研究状况 目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。近些年来，计算机和控制技术快速发展。单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。 经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。 1.3 课题设计的主要内容 本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。本课题涉及的技术概括如下：
直流电机控制电路集锦 直流电机的类型 按：直流电机在家用电器、电子仪器设备、电子玩具、录相机及各种自动控制中都有广泛的应用。但对它的使用和控制，很多读者还不熟悉，而且其技术资料亦难于查找。直流电机控制电路集锦，将使读者“得来全不费功夫”! 在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。本文将详细介绍各种直流电机的控制技术。 站长的几句说明：本文内容比较详实完整，但遗憾的是原稿的印刷质量和绘图的确很差，尽管采取了很多措施，有些图仍可能看不太清楚。 直流电机，大体上可分为四类： 第一类为有几相绕组的步进电机。这些步进电机，外加适当的序列脉冲，可使主轴转动一个精密的角度(通常在1.8°--7.5°之间)。只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动。 步进电机用微处理器或专用步进电机驱动集成电路，很容易实现控制。例如常用的SAAl027或SAAl024专用步进电机控制电路。 步进电机广泛用于需要角度转动精确计量的地方。例如：机器人手臂的运动，高级字轮的字符选择，计算机驱动器的磁头控制，打印机的字头控制等，都要用到步进电机。 第二类为永磁式换流器直流电机，它的设计很简单，但使用极为广泛。当外加额定直流电压时，转速几乎相等。这类电机用于录音机、录相机、唱机或激光唱机等固定转速的机器或设备中。也用于变速范围很宽的驱动装置，例如：小型电钻、模型火车、电子玩具等。在这些应用中，它借助于电子控制电路的作用，使电机功能大大加强。 第三类是所谓的伺服电机，伺服电机是自动装置中的执行元件，它的最大特点是可控。在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小，除去控制信号电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机应用甚广，几乎所有的自动控制系统中都需要用到。例如测速电机，它的输出正比于电机的速度；或者齿轮盒驱动电位器机构，它的输出正比于电位器移动的位置．当这类电机与适当的功率控制反馈环配合时，它的速度可以与外部振荡器频率精确锁定，或与外部位移控制旋钮进行锁定。 唱机或激光唱机的转盘常用伺服电机。天线转动系统，遥控模型飞机和舰船也都要用到伺服电机。 最后一类为两相低电压交流电机。这类电机通常是直流电源供给一个低频振荡器，然后再用低频低压的交流去驱动电机。这类电机偶尔也用在转盘驱动机构中。 步进电机的基本工作原理
直流电机控制系统 设计
XX大学 课程设计 （论文）题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名 指导教师
沈阳航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号姓名 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 7 月 9 日至 7 月 20 日 课程设计的内容及要求： 1.内容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。
指导教师年月日 负责教师年月日 学生签字年月日 目录 0 前言...................................................................................... 错误!未定义书签。 1 总体方案设计 ...................................................................... 错误!未定义书签。 1.1 系统方案 ...................................................................... 错误!未定义书签。 1.2 系统构成 ...................................................................... 错误!未定义书签。 1.3 电路工作原理............................................................... 错误!未定义书签。 1.4 方案选择 ...................................................................... 错误!未定义书签。 2 硬件电路设计 ...................................................................... 错误!未定义书签。 2.1 系统分析与硬件设计................................................... 错误!未定义书签。 2.2 单片机AT89C52............................................................ 错误!未定义书签。 2.3 复位电路和时钟电路................................................... 错误!未定义书签。 2.4 直流电机驱动电路设计 ............................................... 错误!未定义书签。 2.5 键盘电路设计............................................................... 错误!未定义书签。 3 软件设计 ............................................................................ 错误!未定义书签。 3.1 应用软件的编制和调试 ............................................... 错误!未定义书签。 3.2 程序总体设计............................................................... 错误!未定义书签。 3.3 仿真图形 ...................................................................... 错误!未定义书签。 4 调试分析 .............................................................................. 错误!未定义书签。
无刷直流电机控制系统的Proteus仿真-机械制造论文 无刷直流电机控制系统的Proteus仿真 王家豪潘玉民 （华北科技学院电子信息工程学院，河北三河101601） 【摘要】基于Proteus软件仿真平台，提出了一种对无刷直流电机(BLDCM)控制系统实现了转速闭环控制的方案。该系统以AT89S52单片机为核心，采用IR2101芯片驱动及AD1674实现速度，并利用数码动态显示转速，通过增量式PID调节对无刷直流电机实现转速闭环稳定控制。仿真结果表明该系统具有可控调速、显示直观等特点。 关键词无刷直流电机(BLDCM)；Proteus；增量式PID；闭环控制 ０引言 无刷直流电机（BLDCM）既有直流有刷电机的特性，又有交流电机无刷的优点，在快速性、可控性、可靠性、输出转矩、结构、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，近年来得到迅速推广[1]。BLDCM是一种用电子换向取代机械换向的新一代电动机，与传统的直流电动机相比，它具有过载能力强，低电压特性好，启动电流小等优点。近年来在工业运用方面大有取代传统直流电动机的趋势，所以研究无刷直流电机的驱动控制技术具有重要的实际应用价值。 本设计采用增量式PID控制策略控制无刷电动机，并在Proteus平台上进行转速闭环系统仿真。搭建了无刷直流电动机转速控制系统的仿真模型，基于80C51控制核心，采用keil C51软件编写C程序。 1系统硬件组成 控制系统的硬件组成如图1所示。采用Atmel公司的AT89S52单片机为系统
控制核心、IR2101驱动的MOSFET三相桥式逆变器、无刷直流电机、A/D转换转速检测、闭环PID控制、按键检测、档位和转速显示等部分组成。 2控制系统核心及外围电路 系统核心AT89S52单片机最小系统及按键电路如图2所示。 AT89S52芯片是8位单片机，具有廉价、实用及运算快等优点，它有两个定时器，两个外部中断接口，24个I/O口，一个串行口。 单片机首先进行初始化，将显示部分（转速显示、档位显示）送显“0”然后通过中断对按键进行检测当检测到启动键按下时，系统启动，控制核心输出初始控制码，与此同时通过AD转换器读取当前的实时转速，一方面用于显示，另一方面将当前转速与设定转速送入PID控制环节然后输出下一时刻的控制码。 在本次设计中使用80C51的外部中断接口0（INT0）作按键检测（见图3），通过四个与门，当有任何一个按键按下去时tap端都会出现低电平引发中断。
直流电机调速与测速系统设计 【摘要】直流电机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性。利用PWM 脉冲信号的占空比决定输出到直流电机的平均电压的大小。通过调节占空比，可以实现调节输出电压的目的，而且输出电压可以实现无级连续调节。以AT89S51单片机为核心的直流电机调速与测速系统的设计方法，给出了系统的主电路结构，以及驱动电路设计和系统软件设计。充分利用了单片机的优点，具有频率高、响应快的特点。 【关键词】直流电机；单片机；调速测速；PWM；占空比 直流电机是工业生产中常用的驱动设备，具有良好的起动、制动性能。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复杂、功能单一，调试困难。采用单片机控制系统，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。 1.基于单片机的PWM直流调速原理 PWM（脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术，广泛应用在测量、功率控制与变换等许多领域中。脉宽调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极的偏置，改变晶体管导通时间。是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压。所以通过调节占空比，可以实现调节输出电压无级连续调节。 2.调速和测速系统的主体电路设计 整个系统由输入电路、PWM调制、测速电路、驱动电路、控制部分及显示等部分组成，PWM调制选用AT89S51单片机通过软件实现频率和占空比的调节。 2.1 直流电机调速的设计方案 驱动电路用光耦隔离保护电路，控制部分由单片机和外围电路组成，实现各种控制要求，外围电路主要完成对输入信号的采集、操作、对速度进行控制，显示部分采用四位共阳数码管。系统方框图如图1所示。
课程设计(论文) 题目名称直流电动机控制电路的设计 课程名称电力拖动基础课程设计 学生姓名周孝雄 学号0941202031 系、专业电气工程系、09自动化 指导教师邱雄迩 2011年12 月18 日
邵阳学院课程设计（论文）任务书 注： 1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效； 2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。
指导教师（签字）：学生（签字）：
邵阳学院课程设计（论文）评阅表 学生姓名周孝雄学号0941202031 系电气工程系专业班级09自动化班 题目名称直流电动机控制电路的设计课程名称电力拖动基础一、学生自我总结 二、指导教师评定 注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；
当今，自动化控制系统在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。直流电动机应用如此之广，主要在于其采用了PWM脉宽调制电路来控制直流电动机的调速。在这里介绍了PWM脉宽产生的电路。该电路运用模拟电子电路基础知识完成，利用产生的方波信号带动负载转动。本设计原理简单，易于理解，电路实现简单。我们先概括介绍了电路中锁需要的电路模块，然后给出了整体的电路图，并做了测试及得出测试结果。 关键词：直流电动机，PWM，三极管
1绪论 (7) 1.1概述 (7) 1.2 直流电动机的基本理论 (7) 1.3直流脉宽调速系统 (10) 2 元器件介绍 (13) 2.1 SG2731 (13) 2.2 三极管C4466 和 A1693 (16) 3 系统设计方案 (17) 3.1直流电动机控制电路 (17) 4直流电动机控制电路的测试 (19) 4.1 测试步骤 (19) 4.2 测试结果 (19) 5实验总结 (21) 参考文献 (22)
本科实验报告 课程名称：微机原理及接口技术 课题项目：直流电机测速实验 专业班级：电科1201 学号：2012001610 学生姓名：王天宇 指导教师：任光龙 2015年 5 月24 日
直流电机测速实验 一、实验目的 1.掌握8254的工作原理和编程方法 2.了解光电开关，掌握光电传感器测速电机转速的方法。 二、实验内容 光电测速的基本电路有光电传感器、计数器/定时器组成。被测电机主轴上固定一个圆盘，圆盘的边缘上有小孔。传感器的红外线发射端和接收端装在圆盘的两侧，电机带动圆盘转到有孔的位置时，红外线光通过，接收管导通，输出低电平。红外线被挡住时，接收截止，输出高电平。用计数器/定时器记录在一定时间内传感器发出的脉冲个数，就可以计算车电机的转速， 三、线路连接 线路连接：8254计数器/定时器0和2作为定时器，确定测速时间，定时器0的CLK0连1MHZ脉冲频率，OUT0作为定时器2的输入，与CLK2相连，输出OUT2与8255的PA0端相连。GATE0和GATE2均接+5V，8354计数器/定时器1作为计数器，，输入CLK1与直流电机计数端连接，GATE1与8254的PC0相连。电机DJ端与+5V~0V模拟开关SW1相连。如下图所示。
四、编程提示 8254计数器/定时器1作为计数器记录脉冲个数，计数器/定时器0和2作为定时器，组成10~60秒定时器，测量脉冲个数，算出点击每分钟的转速并显示在屏幕上， 8255的PA0根据OUT2的开始和结束时间，通过PC0向8254计数器/定时器1发出开始和停止计数信号。 五、流程图
六、实验程序： DATA SEGMENT IOPORT EQU 0D880H-0280H IO8255K EQU IOPORT+283H IO8255A EQU IOPORT+280H IO8255C EQU IOPORT+282H IO8254K EQU IOPORT+28BH IO82542 EQU IOPORT+28AH IO82541 EQU IOPORT+289H IO82540 EQU IOPORT+288H MESS DB 'STRIKE ANY KEY,RETURN TO DOS!', 0AH, 0DH,'$' COU DB 0 COU1 DB 0 COUNT1 DB 0 COUNT2 DB 0 COUNT3 DB 0 COUNT4 DB 0 DATA ENDS CODE SEGMENT