直流电机转速测量与控制

无刷直流电机的调速与控制技术随着科技的发展，电动机在各个领域的应用越来越广泛。

而无刷直流电机作为一种高效、可靠的电机，在许多领域得到了广泛的应用。

无刷直流电机的调速与控制技术是保证电机运行稳定性和提高其性能的重要一环。

一、无刷直流电机的工作原理无刷直流电机是一种基于电磁感应原理工作的电动机。

其核心部件是电机转子上的永磁体，通过感应电流产生的磁场与定子线圈产生的磁场相互作用，从而实现电机的运转。

相比于传统的有刷直流电机，无刷直流电机省去了电刷与换向器件，因此具有更高的效率和更长的寿命。

二、无刷直流电机的调速方法无刷直流电机的调速方法主要包括电压控制调速和电流控制调速两种。

1. 电压控制调速电压控制调速是通过改变电压的大小来控制电机的转速。

在实际应用中，最常见的方式是采用PWM (Pulse Width Modulation) 调制技术。

PWM技术通过调整电压的占空比，使得电机在一个固定的周期内以不同的占空比工作，从而实现不同的转速。

这种方法简单易行，但是对于大功率的无刷直流电机，其调速范围较窄。

2. 电流控制调速电流控制调速是通过改变电机定子线圈的电流来控制电机的转速。

常见的控制方法有开环控制和闭环控制。

开环电流控制是在电机定子线圈中加回馈电阻，通过改变反馈电阻的大小来调整电流。

这种方法结构简单，控制参数易调，但是系统稳定性较差，无法适应负载的变化。

闭环电流控制是在开环控制的基础上加入反馈环节，通过传感器测量电机的电流，并与设定的电流进行比较，通过PID控制算法来调整控制器输出的电压，从而控制电机的转速。

这种方法可以提高系统的稳定性和动态响应性能，适用于对转速精度和系统稳定性要求较高的应用。

三、无刷直流电机的控制技术无刷直流电机的控制技术是实现电机调速的重要手段之一。

根据不同的应用场景和需求，可以选择不同的控制方法。

1. 速度控制速度控制是无刷直流电机最基本的控制方式。

通过改变电机的输入提速，可以控制电机的转速。

霍尔传感器测量电机转速一、背景随着单片机的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机的涌现，转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。

本文介绍了一种由单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测量的直流电机转速测量系统。

二、工作原理1、转速测量原理转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。

由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。

根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。

脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：式中：n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期根据式(1)即可计算出直流电机的转速。

霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的2个侧面之间产生霍尔电势。

其大小和外磁场及电流大小成比例。

霍尔开关传感器由于其体积小、无触点、动态特性好、使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。

在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单<输出电平可与各种数字电路兼容等特点。

2、转速控制原理直流电机的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用C8051F060片内的D／A转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。

在这里采用简单的比例调节器算法(简单的加一、减一法)。

直流电机控制方法
直流电机的控制方法主要有以下几种：
1. 速度控制：通过改变电压或电流的大小来控制电机的转速。

可以使用PWM （脉冲宽度调制）技术来实现精确的速度控制。

2. 方向控制：通过改变电机的电流流向来控制电机的旋转方向。

可以使用H桥电路来实现方向控制。

3. 位置控制：通过测量电机转子的位置来控制电机的旋转角度。

可以使用编码器等位置传感器来获取转子位置信息，并使用闭环控制算法来实现精确的位置控制。

4. 力矩控制：通过改变电机的电流大小来控制电机输出的力矩。

可以使用电流反馈控制算法来实现力矩控制。

5. 转矩控制：通过改变电机的电流大小和方向来控制电机输出的转矩。

转矩控制可以实现精确的负载控制和工艺要求。

这些控制方法可以单独应用，也可以组合使用，以实现不同的应用需求。

直流电机转速测控实验一、实验目的1. 掌握电机转速的测量原理；学会根据被测环境、对象不同选择合适的传感器测量转速；2. 掌握电机转速控制的原理；学会用计算机和传感器组成转速测控系统。

二、实验原理图1所示为计算机直流电机转速测控系统原理图。

图1 计算机测控直流电机转速原理框图根据被测环境和对象选择不同转速传感器（光电、霍尔、磁电）实现直流电机转速的测量及控制。

三. 实验仪器和设备1. CSY－5000型传感器测控技术实训公共平台；2. 环形带综合测控实验台；3. 数据采集模板及测控软件(LabVIEW试用版)；4. 12V直流电机调节驱动挂箱；5. 光电式、霍尔式、磁电式转速传感器各一件；6. PC机及RS232通讯接口。

四．实验预习要求1.查阅资料，了解旋转轴转速测量的常用方法；2.掌握采用光电式、霍尔式、磁电式传感器测量转速的原理及特点；3.理解计算机测控直流电机转速的系统工作原理；4.熟悉CSY-5000型传感器测控技术实训平台的硬件配置。

五. 实验步骤及内容第一部分：转速测量1、在关闭公共平台主机箱电源开关的前提下，连接数据采集模板电源线、RS232通讯线；2、根据你选用的转速传感器，按转速传感器附录图1、图2、图3示意图安装接线；（注意光电、霍尔传感器为+5V供电，磁电传感器为+15V供电）3、主机箱上0～12V可调电源与电压表（电压表量程选择20V档）及环形带综合测控实验台电机（环形带综合测控实验台背面）接口并接（注意接口的相应极性）；4、检查接线无误后，首先将主机箱上0～12V可调旋钮逆时针方向缓慢调节到底（起始输出电压最小）；然后桌面“环形带综合测试软件”（或者启动计算机中的测试软件目录“SensorTest.vi”），双击打开，显示图2环形带综合测试程序软件界面；再打开主机箱电源开关给测量系统供电。

图2 环形带综合测试软件界面5、在计算机的环形带综合测试程序软件界面采单栏下方栏点击运行按钮，串口通讯正常后选择测试软件中“手动转速控制与测量”选项，软件界面显示为图3转速测量选择传感器类型界面；在界面下方选择“传感器类型”为现在做测量转速实验相对应的转速传感器。

准备测试DC的服务器就像准备科学冒险一样！我们需要电源给电动机控制电压就像超级英雄为任务供电一样我们将使用一个塔克仪，
这就像我们信任的侧翼，测量发动机的输出速度。

当然，我们将有一个数据采集系统，我们的高科技笔记本，来记录所有的电压和速度数据。

一旦一切准备就绪，是时候释放控制电压在马达上，并让它恢复到其全部潜力。

就像开赛车一样，我们可能需要调整一下电压以获得我们想要的速度。

一旦我们的马达以稳定的速度前进，我们可以抽出我们的塔克仪来测量它，就像检查运动车上的速表。

我们的数据采集系统就在那里，像一个勤奋的实验室助理一样，记录所有电压和速度信息。

准备好用电，用电，用电，用电量，因为测试DC伺服电动机即将成
为你见过的最激动人心的科学实验！
一旦你收集了电压和速度数据，下一步就是看它们是如何相互通联的。

将数据绘制在图表上，并进行一些数字计算，以了解控制电压和输出速度之间的通联。

你可能需要在不同的操作条件下做更多的测试来
真正了解电动机的表现。

注意诸如载荷和温度的变化可能影响发动机的性能这一分析的整个要点是用一个数学公式来进行，这个公式能够
根据进入它的电压来准确预测运动的速度。

一旦有了它，你就可以用
它来设计控制系统，使发动机在现实世界中运行得最好。

在得出结论时，对DC伺服器的控制电压和输出速度进行仔细审查，就必须迅速建立测试装置，认真积累电压和速度数据，并认真分析这两个变量之间的相互关系。

工程师们坚持系统的方法，能够对发动机的性能属性获得宝贵的洞察力，并培养出便于精确调节发动机各种应用的模型。

这些测量对于预先确定发动机的行为和在实际环境中提高其效能是必不可少的。

4562、由DAC0832经功放电路驱动直流电机，计数光电开关通关次数并经过换算得出直流电机的转速，并将转速显示在LED上。

3、G5区的0、1号按键控制直流电机转速快慢， (最大转速≈96r/s，5V，误差±1r/s)六、演示程序(完整程序见目录SPEED);键盘、LED显示子程序请参阅综合实验一.MODEL TINYEXTRN CMD_8279:WORD, DATA_8279:WORDEXTRN Display8:NEAR, SCAN_KEY:NEAR,GetKeyA:NEARPCIBAR1 EQU 14H ;PCI9052 I/O基地址（用于访问局部配置寄存器）PCIBAR3 EQU 1CH ;8位I/O空间基地址(它就是实验仪的基地址,;也为DMA & 32 BIT RAM板卡上的8237提供基地址) PCIIPR EQU 3CH ;IRQ号INTCSR EQU 4CH ;PCI9052 INTCSR地址mask_int_9052 EQU 24HVendor_ID EQU 10EBH ;厂商ID号Device_ID EQU 8376 ;设备ID号VoltageOffset EQU 5 ;0832调整幅度.STACK 200.DATAIO8259_0 DW 00F0HIO8259_1 DW 00F1HRD_IO8259 DW 0000HCon_8253 DW 00E3HT0_8253 DW 00E0HT1_8253 DW 00E1HDA0832 DW 00D0HIO_Bit8_BaseAddress DW ?PCI_IO_BaseAddress0 DW ?PCI_IRQ_NUMBER DB ?INT_MASK DB ?INT_Vector DB ?INT_CS DW ? ;保护原中断入口地址INT_IP DW ?msg0 DB 'BIOS不支持访问PCI $'msg1 DB '找不到Star PCI9052板卡 $'msg2 DB '读PCI9052 I/O基地址时出错$'msg3 DB '读8位I/O空间基地址时出错$'msg4 DB '读IRQ号出错$'buffer DB 8 DUP(0) ;显示缓冲区，8个字节buffer1 DB 8 DUP(0) ;显示缓冲区，8个字节VOLTAGE DB 0 ;转换电压数字量Count DW 0 ;一秒转动次数NowCount DW 0 ;当前计数值kpTime DW 0 ;保存上一次采样时定时器的值bNeedDisplay DB 0 ;需要刷新显示.CODESTART: MOV AX,@DATAMOV DS,AXMOV ES,AXNOPCALL InitPCICALL ModifyAddress ;根据PCI提供的基地址,将偏移地址转化为实地址CALL ModifyVector ;修改中断向量、允许中断MOV bNeedDisplay,1 ;显示初始值MOV VOLTAGE,99H ;初始化转换电压输入值，99H-3.0VMOV Count,0 ;一秒转动次数MOV NowCount,0 ;当前计数值MOV kpTime,0 ;保存上一次采样时定时器的值CALL DAC0832 ;初始D/ACALL Init8253CALL Init8259STIMAIN: CALL IfExitCALL GetKeyA ;按键扫描JNB Main1JNZ Key1Key0: MOV AL,VoltageOffset ;0号键按下，转速提高ADD AL,VOLTAGECMP AL,VOLTAGEJNB Key0_1MOV AL,0FFH ;最大Key0_1: MOV VOLTAGE,AL ;D/ACALL DAC0832JMP Main2Key1: MOV AL,VOLTAGE ;1号键按下，转速降低SUB AL,VoltageOffsetJNB Key1_1XOR AL,AL ;最小Key1_1: MOV VOLTAGE,ALCALL DAC0832 ;D/AJMP Main2Main1: CMP bNeedDisplay,0JZ MAINMOV bNeedDisplay,0 ;1s定时到刷新转速Main2: CALL RateTest ;计算转速/显示JMP MAIN ;循环进行实验内容介绍与测速功能测试;转速测量/显示RateTest: MOV AX,CountMOV BL,10DIV BLCMP AL,0JNZ RateTest1MOV AL,10H ;高位为0，不需要显示RateTest1: MOV buffer,AHMOV buffer+1,ALMOV AL,VOLTAGE ;给0832送的数据AND AL,0FHMOV buffer+4,ALMOV AL,VOLTAGEAND AL,0F0HROR AL,4MOV buffer+5,ALMOV buffer+2,10H ;不显示MOV buffer+3,10HMOV buffer+6,10HMOV buffer+7,10HLEA SI,bufferLEA DI,buffer1MOV CX,8REP MOVSBLEA SI,bufferCALL Display8 ;显示转换结果RETTimer0Int: MOV bNeedDisplay,1MOV AX,NowCountSHR AX,1SHR AX,1MOV Count,AX ;转一圈,产生四个脉冲,Count = NowCount/4MOV NowCount,0RETIntProc: PUSH AXPUSH DXCALL ClearIntMOV DX,RD_IO8259IN AL,DXIN AL,DX ;判断由哪个中断源引起的中断CMP AL,08HJNZ IntProc1CALL Timer0IntJMP IntProc2IntProc1: CMP AL,0FHJNZ IntProc2CALL CountIntIntProc2: MOV DX,IO8259_0MOV AL,20HOUT DX,ALPOP DXPOP AXIRETCountInt: MOV DX,Con_8253MOV AL,40HOUT DX,AL ;锁存MOV DX,T1_8253IN AL,DXMOV AH,ALIN AL,DXXCHG AL,AH ;T1的当前值XCHG AX,kpTimeSUB AX,kpTimeCMP AX,100JB CountInt1 ;前后二次采样时间差小于100，判断是干扰INC NowCountCountInt1: RETInit8253 PROC NEARMOV DX,Con_8253MOV AL,34HOUT DX,AL ;计数器T0设置在模式2状态,HEX计数MOV DX,T0_8253MOV AL,12HOUT DX,ALMOV AL,7AHOUT DX,AL ;CLK0=31250Hz,1s定时MOV DX,Con_8253MOV AL,74HOUT DX,AL ;计数器T1设置在模式2状态,HEX计数MOV DX,T1_8253MOV AL,0FFHOUT DX,ALMOV AL,0FFHOUT DX,AL ;作定时器使用RETInit8253 ENDPInit8259 PROC NEARMOV DX,IO8259_0MOV AL,13HOUT DX,ALMOV DX,IO8259_1MOV AL,08HOUT DX,ALMOV AL,09HOUT DX,ALMOV AL,7EHOUT DX,ALRETInit8259 ENDP;数模转换，A-转换数字量DAC0832 PROC NEARMOV DX,DA0832MOV AL,VOLTAGEOUT DX,ALRETDAC0832 ENDP;IfExit、InitPCI、ModifyAddress、ModifyVector、ClearInt、Exit子程序请参阅8259实验END START七．实验扩展及思考题实验内容：在日光灯或白炽灯下，将转速调节到25、50、75，观察转盘有什么现象出来。

一、实验目的1. 理解直流调速电机的工作原理和调速方法。

2. 掌握直流调速电机的调速性能指标及其测试方法。

3. 熟悉直流调速电机的驱动电路和控制系统。

4. 培养实验操作技能和数据分析能力。

二、实验仪器与设备1. 直流调速电机：一台2. 可调直流电源：一台3. 电机转速测量仪：一台4. 电流表：一台5. 电压表：一台6. 实验台：一套三、实验原理直流调速电机是通过改变电枢电压或励磁电流来调节电机转速的。

本实验采用改变电枢电压的方式来实现调速。

四、实验内容与步骤1. 实验一：直流调速电机调速性能测试（1）连接实验电路，确保接线正确无误。

（2）将可调直流电源输出电压调至一定值，启动电机。

（3）使用电机转速测量仪测量电机转速。

（4）改变可调直流电源输出电压，重复步骤（3），记录不同电压下的电机转速。

（5）绘制电机转速与电压的关系曲线。

2. 实验二：直流调速电机驱动电路与控制系统测试（1）连接实验电路，确保接线正确无误。

（2）启动电机，观察电机正反转及转速。

（3）调整驱动电路中的PWM波占空比，观察电机转速变化。

（4）改变PWM波频率，观察电机转速变化。

（5）绘制电机转速与PWM波占空比、频率的关系曲线。

五、实验结果与分析1. 实验一结果分析根据实验一的数据，绘制电机转速与电压的关系曲线。

分析曲线，得出以下结论：（1）电机转速与电枢电压成正比关系。

（2）电机转速存在最大值和最小值，分别为电机空载转速和堵转转速。

2. 实验二结果分析根据实验二的数据，绘制电机转速与PWM波占空比、频率的关系曲线。

分析曲线，得出以下结论：（1）电机转速与PWM波占空比成正比关系。

（2）电机转速与PWM波频率成反比关系。

（3）PWM波频率过高或过低都会导致电机转速不稳定。

六、实验总结1. 通过本次实验，掌握了直流调速电机的工作原理和调速方法。

2. 熟悉了直流调速电机的调速性能指标及其测试方法。

3. 掌握了直流调速电机的驱动电路和控制系统。

直流电机调速控制和测速系统设计摘要：在电机结构之中，直流型的电机在性能上具有极高的优势，随着时代的飞速发展，有关直流电机的应用范围也越发广泛。

但是，传统的直流电机的工作性质决定它会面临有关运转方面的问题，如何进行转速控制便成为困扰直流电机发展与应用的重要原因。

而直流电机控制系统的出现，很好地缓解了这方面的问题，不但提高了直流电机的稳定性与精准性，同时还能够对直流电机开展有效的调速控制，以此来满足我国对相关设备的应用需求。

正因如此，本文就直流电机调速控制加以分析，并以此为基础开展相应的测速系统设计。

关键词：直流电机；调速控制；测速系统电子技术是新时代发展的基础，对于人们的日常生活有着极为重要的影响，随着我国科学技术的不断提升，有关直流电机的成本也在不断降低，在这一过程中，直流电机本身所具备的优良特性也会得到有效发挥，在发展前景方面也会更加乐观。

此外，由于直流电机本身在控制方面相对简单，且自身所具备的应用性比较强，在进行设计的过程中，只需要对其自身调速稳定内容进行优化即可。

但是，当前我国在有关这方面的控制技术上还存在着一定程度的问题，很多计算过程十分复杂，很难将直流电机的调速控制工作完全发挥出来。

正因如此，本文就这方面进行调速与测速系统的控制与设计，以此来确保整个电机设备的稳定性与安全性能够得到有效提升。

一、电机调速原理及其实现电机调速原理主要是指对电机两端所存在的电压进行数据上的更改，以此来完成对电机转速的调节工作，对于电机而言，当自身的电压方向出现改变，那么电机的旋转变化发生改变[1]。

而PWM在调速原理方面则是以脉冲信号为主，利用脉冲信号的输出特性来进行传输，并改变原本存在于电机内部空间的脉冲信号，通过间接或速度按钮来完成有关电机电压的更改工作，从而来确保电机的转速能够因此发生改变。

在这一过程中，电机内部的脉冲占比越大，转速也就越慢[2]。

本文针对直流电机进行相应的系统设计，整个电路主要是以H桥为主，为了确保整个驱动电机能够得到有效控制，将三极管进行单片机的引脚安装，将基极部分分别安装在P3.4以及P3.7这两部分，从而来确保当电机处于运行状态时，能够利用垫片机来对其自身的转速内容进行控制。

一、实训目的通过本次实训，使学生了解直流电机测速的基本原理，掌握直流电机测速仪的设计与制作方法，提高学生的动手能力和创新意识。

同时，培养学生的团队合作精神和严谨的科学态度。

二、实训内容1. 直流电机测速原理直流电机测速是通过测量电机转动时产生的电压信号，从而确定电机的转速。

常用的测速方法有电磁测速、光电测速和霍尔元件测速等。

本次实训采用霍尔元件测速方法。

2. 直流电机测速仪的设计与制作（1）电路设计直流电机测速仪的电路主要由以下几个部分组成：电源模块、霍尔元件模块、放大电路模块、滤波电路模块、A/D转换模块、单片机控制模块和显示模块。

（2）硬件制作根据电路设计，制作电路板，焊接各个元件，连接好电路。

（3）软件编程编写单片机控制程序，实现以下功能：1）采集霍尔元件输出的电压信号；2）将电压信号转换为转速值；3）将转速值显示在LCD屏幕上；4）通过红外遥控器控制测速仪的开关和转速设定。

3. 实验步骤（1）组装测速仪按照电路图组装好测速仪，确保各个元件焊接牢固，电路连接正确。

（2）调试测速仪将组装好的测速仪接入电源，调试各个模块，确保电路正常工作。

（3）测试测速仪将测速仪与待测电机连接，通过红外遥控器控制测速仪的开关和转速设定，观察LCD屏幕上显示的转速值是否准确。

三、实训结果与分析1. 实验结果本次实训成功制作了一台直流电机测速仪，通过测试，测速仪能够准确测量电机的转速，满足实验要求。

2. 结果分析（1）电路设计合理，元件选择合适，电路连接正确，确保了测速仪的正常工作。

（2）软件编程实现功能完善，能够满足实验要求。

（3）测速仪具有较好的稳定性和抗干扰能力。

四、实训总结1. 通过本次实训，使学生掌握了直流电机测速的基本原理和测速仪的设计与制作方法。

2. 提高了学生的动手能力和创新意识，培养了团队合作精神和严谨的科学态度。

3. 深化了对电子电路、单片机编程和传感器应用等课程知识的理解。

五、实训体会1. 在实训过程中，认真对待每一个环节，确保电路连接正确，编程无误。