直流电机转速检测与脉宽调速器的设计

双闭环直流电机调速系统设计综述《自动控制系统论文设计报告》班级：自动化 09-1姓名：许丹阳学号：0918120123时间：2012年 5月 12号指导老师：丁丽娜大连海洋大学信息工程学院自动化研究所双闭环直流电机调速系统设计摘要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

依据晶闸管的特征，经过调理控制角α 大小来调理电压。

鉴于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。

在设计中调速系统的主电路采纳了三相全控桥整流电路来供电。

本文第一确定整个设计的方案和框图。

而后确定主电路的构造形式和各元零件的设计，同时对其参数的计算，包含整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。

接着驱动电路的设计包含触发电路和脉冲变压器的设计。

最后，即本文的要点设计直流电动机调速控制器电路，本文采纳转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。

为了实现转速和电流两种负反应分别起作用，可在系统中设置两个调理器，分别调理转速和电流，即分别引入转速负反应和电流负反应，两者之间推行嵌套联接。

从闭环构造上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

先确定其构造形式和设计各元零件，并对其参数的计算，包含给定电压、转速调理器、电流调理器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算而后最后采纳MATLAB/SIMULINK 对整个调速系统进行了仿真剖析，最后画出了调速控制电路电气原理图。

要点词：双闭环；转速调理器；电流调理器目录一.绪论二 . 直流调速系统的方案设计2. 1. 12 . 2三．调理器的设计3. 1四．鉴于 MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真五．课程设计总结六．参照文件绪论直流调速系统的概括三十多年来，直流电机调速控制经历了重要的改革。

第一实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置代替了惯用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动达成了一次大的跃进。

直流电动机的PWM调压调速原理
直流电动机的PWM调压调速是指通过调节脉宽调制（PWM）信号的占空比，控制直流电动机的电压和转速。

其原理是利用数字信号的高低电平与时间的对应关系，通过高电平和低电平的时间比例来控制脉冲信号的平均值，从而实现对电动机的调压和调速。

具体来说，PWM调压调速主要包括以下几个步骤：
1.信号发生器：使用微控制器或其他信号发生器产生一个固定频率的方波信号，通常频率为几千赫兹到几十千赫兹。

这个信号称为PWM基准信号。

2.调制器：通过控制占空比，将PWM基准信号转换为调制后的PWM信号。

占空比是指高电平持续的时间与一个周期的比值。

例如，占空比为50%的PWM信号表示高电平和低电平持续时间相等。

调制器可以是硬件电路或者软件控制的。

3.电压调节：将调制后的PWM信号经过滤波器平滑输出，形成电压调节信号。

滤波器通常使用低通滤波器，将PWM信号的高频成分滤除，得到平均电压。

4.转速控制：通过调节占空比，改变PWM信号的高电平时间，从而改变直流电动机的平均电压。

占空比越大，输出电压就越高；占空比越小，输出电压就越低。

5.转速反馈：为了实现闭环控制，通常需要通过传感器获取直流电动机的转速，并将转速信息反馈给调速控制器。

调速控制器会根据反馈信号与设定的转速进行比较，调节占空比控制电动机的转速。

总结起来，PWM调压调速原理就是通过调节PWM信号的占空比控制直流电动机的电压和转速。

通过改变占空比，可以改变PWM信号的高电平时间，从而改变电动机的平均电压和转速。

同时，结合转速反馈，可以实现封闭环控制，使电动机的转速能够与设定值保持一致。

一、总体设计概述本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件， L298N为直流伺服电机的驱动芯片，利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的变化值。

二、直流电机调速原理根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线有所不同。

但是对于直流电动机的转速，总满足下式：式中U——电压；Ra——励磁绕组本身的内阻；——每极磁通（wb ）;Ce——电势常数；Ct——转矩常数。

由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。

磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制，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，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。

电枢控制法在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。

传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。

随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制法。

如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。

调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。

脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上的电压的“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”。

如果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。

平均转速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。

基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计第一章:前言1.1前言：直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。

近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。

采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。

并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。

随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

1.2本设计任务:任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统设计的主要内容以及技术参数:功能主要包括：1)直流电机的正转；2)直流电机的反转；3)直流电机的加速；4)直流电机的减速；5)直流电机的转速在数码管上显示；6)直流电机的启动；7)直流电机的停止；第二章：总体设计方案总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。

示数码管显PWM单片机按键控制电机驱动基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。

基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统设计Brushless DC Motor Speed Control System Based On PWM摘要无刷直流电机(BLDCM)具有调速性能优异、运行性能可靠和维护方便等优点，相较于有刷直流电机，其采用电子换向取代机械换向，有效地提高了电动机的运行效率，也使得其成品体积更加的轻巧。

但是无刷直流电机也存在转矩脉动、控制器复杂、成本较高等缺陷，这些缺陷的存在也一定程度上影响了无刷直流电机作为高效、先进电机在应用上的普及，因此研究如何改善以及解决无刷直流电机存在的问题便具有更加明显的现实意义。

MATLAB是一款用于数据分析与计算、算法开发以及动态系统建立与仿真的数学软件。

最初是由美国MathWorks公司出品的商用数学软件，其由Matlab和Simulink 两个重要组成部分构成，现在更是应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

本文通过对无刷直流电机结构以及工作原理的研究与分析，找出导致其具有较大转矩脉动的原因，并先从理论上得到如何抑制转矩脉动的方法，再通过Matlab 建立起无刷直流电机的仿真模型，对其仿真结果进行分析与改善，从而有效地抑制无刷直流电机的转矩脉动。

关键词：无刷直流电机，转矩脉动，仿真模型AbstractBrushless DC motor (BLDCM) has excellent speed performance, reliable performance and easy maintenance, etc., compared to a brush DC motor, which uses electronically commutated replace mechanical commutation, effectively improve the operating efficiency of the motor, but also so that the volume of the finished product more compact. But there brushless DC motor torque ripple controller complexity, high cost and other defects, the presence of these defects also affected to some extent, a brushless DC motor as efficient and advanced motor universal in application, how to improve and therefore research solve the problems of the brushless DC motor will have more obvious practical significance.MATLAB is a tool for data analysis and computation, algorithm development, and simulation of dynamic systems to establish and mathematical software. MathWorks was originally developed by the US company produced commercial mathematical software, which consists of Matlab and Simulink are two important parts, and now it is used in engineering calculations, control design, signal processing and communications, image processing, signal detection, financial modeling design and analysis and other fields.Based on the brushless DC motor structure and working principle of research and analysis to identify the cause of which has a large torque ripple, and theoretically first get how to suppress torque ripples, established through Matlab brushless Simulation Model DC motor, its simulation results are analyzed and improved in order to effectively suppress the torque ripple of the brushless DC motorKeywords:Brushless DC motor; The torque pulsation; The simulation model目录第一章绪论 (6)1.1 研究背景及研究意义 (6)1.2 无刷直流电机调速系统的国内外研究现状 (7)1.3 本文的主要研究内容及章节安排 (8)第二章无刷直流电机的基本原理 (9)2.1 无刷直流电机的基本结构 (9)2.1.1 电机本体 (9)1.电动机定子 (9)2. 电动机转子 (10)2.1.2 位置传感器 (10)2.2 无刷直流电机的工作原理及换相过程 (12)2.2.1 无刷直流电机的工作原理 (13)2.2.2 无刷直流电机的换相过程 (15)2.3 无刷直流电机的应用 (16)2.4 本章小结 (16)第三章基于PWM技术的无刷直流电机转矩脉动抑制 (17)3.1 PWM控制技术简介 (17)3.1.1 PWM控制技术的基本原理 (17)3.1.2 PWM控制技术的控制方法 (18)3.2 Buck变换器的原理及控制方式 (19)3.2.1 Buck变换器的原理 (19)3.2.2 Buck变换器的控制方式 (20)3.3 无刷直流电机转矩脉动的产生 (20)3.3.1传导区转矩脉动 (21)3.3.2换相区转矩脉动 (22)3.4 无刷直流电机转矩脉动的抑制 (24)3.5 本章小结 (27)第四章无刷直流电机的仿真分析 (28)4.1 MATLAB和SIMULINK的介绍 (28)4.2 无刷直流电机的数学模型 (29)4.2.1电机本体模块 (30)4.2.2转矩计算模块 (31)4.2.3速度控制模块 (32)4.2.4电流控制模块 (32)4.2.5电压逆变模块 (33)4.3无刷直流电机的仿真结果 (33)4.4本章小结 (38)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录 (42)第一章绪论1.1 研究背景及研究意义对于工厂生产和社会发展而言，电力拖动都有着举足轻重的地位，为了满足生产工艺的需求，通过控制电机的转矩以及转速来控制电动机的转速以及位置，这样就可以形成一个自动化系统，称之为电力拖动。

单片机原理及应用课程设计报告设计题目：学院：专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：年月日目录设计题目 (3)1 设计要求及主要技术指标： (4)1.1 设计要求 (4)1.2 主要技术指标 (5)2 设计过程 (6)2.1 题目分析 (9)2.2 整体构思 (10)2.3 具体实现 (12)3 元件说明及相关计算 (14)3.1 元件说明 (14)3.2 相关计算 (15)4 调试过程 (16)4.1 调试过程 (16)4.2 遇到问题及解决措施 (20)5 心得体会 (21)参考文献 (22)附录一：电路原理图 (23)附录二：程序清单 (24)设计题目：PWM直流电机调速系统本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。

电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。

通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。

电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。

关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；PWM波形；LED显示器；51单片机1 设计要求及主要技术指标：基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM 调速控制装置。

1.1 设计要求（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。

（2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。

（3）设计一个4个按键的键盘。

K1:“启动/停止”。

K2：“正转/反转”。

K3：“加速”。

K4:“减速”。

（4）手动控制。

在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。

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。

直流电机的调速方法
一、概述
一是调节电枢电压，二是调节励磁电流，
1、常见的微型直流电机，其磁场都是固定的，不可调的永磁体，
所以只好调节电枢电压。

调节电枢电压方法：
常用的一是可控硅调压法，再就是脉宽调制法(PWM)。

PWM的H型属于调压调速。

PWM的H桥只能实现大功率调速。

国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。

2、弱磁调速，通过适当减弱励磁磁场的办法也可以调速。

二、直流电机与交流电机调速比较
最大的优点就是直流电机可以实现“平滑而经济的调速”；直流电机的调速不需要其它设备的配合，可通过改变输入的电压/电流，或者励磁电压/电流来调速。

交流永磁同步的调速是靠改变频率来实现的，需要变频器。

直流电机虽不需要其它的设备来帮助调速，但自身的结构复杂，制造成本高；在大功率可控晶闸管大批量使用之前，直流电动机用于大多的调速场合。

在大功率可控晶闸管工业生产化后，交流电动机的调速变得更简单了，交流电动机的制造成本低廉，使用寿命长等优点就表现出来。

三、直流电机的调速方法的优缺点
不同的需要，采用不同的调速方式，应该说各有什么特点。

1.在全磁场状态，调电枢电压，适合应用在零至基速以下范围内调速。

不能达到电机的最高转速。

2.在电枢全电压状态，调激磁电压，适合应用在基速以上，弱磁升速。

不能得到电机的较低转速。

3.在全磁场状态，调电枢电压，电枢全电压之后，弱磁升速。

适合应用在调速范围大的情况。

这是直流电机最完善的调速方式，但设备复杂，造价高。

基于PLC的直流电机调速控制器设计作者：郝结来谢军来源：《江苏理工学院学报》2018年第06期摘要：基于PLC的直流电机调速控制器以三菱FX2N为核心，通过定时器T246和T247实现了PWM波的输出功能，使PWM输出不受输出继电器的限制。

系统设置了启动开关自锁按键，三档位速度控制旋钮。

通过软件继电器M0实现了软件程序启动自锁，防止启动开关异常时程序无法启动的问题。

设置系统启动指示灯和电机启动指示灯，便于用户知晓系统工作是否正常。

通过对6 V小型直流电机的实验，论证了该控制器能够达到较好的控制效果。

关键词：PLC;PWM;定时器;电机调速中图分类号：TM925.11;TP273 文献标识码：A 文章编号2095-7394（2018）06-0047-05直流电机在生产生活中应用广泛，对直流电机的速度调控只需要控制电机的工作电压即可[1]，这也是其应用广泛的一个重要原因。

利用PWM脉宽调制方法，可方便地控制负载端的平均电压，在脉冲的低电压趋近于0时，负载的平均电压与PWM的占空比成正比[2-4]。

三菱FX2N型PLC是一款小型高性能的超小程序裝置，具有配置固定灵活，编程简单，高性能与高运算速度等特点，具有丰富的软件定时器与软件继电器，可满足多样化广泛需求。

1 PWM输出与PLC配置1.1定时器PWM输出配置定时器PWM波输出配置PWM波是周期变化的方波信号，其占空比可调，通过调节占空比可实现不同平均电压的输出[5-7]。

PWM波形函数可表示为：在PLC中可使用高速定时器完成PWM波的输出功能，三菱FX2N型PLC内部集成有PWM输出功能[ PWM S1 S2 D]，其中S1用于指定脉冲的宽度，S2用于指令脉冲的周期，单位都为 ms，取值范围为0～32767，S1应小于等于S2。

D用于指令脉冲输出端口，FX2N晶体管输出型PLC仅能使用Y0和Y1作为PWM输出口。

在保证PWM输出性能的情况下，选择使用高速定时器可克服上述缺陷。

利用单片机控制直流电机调速系统设计一、本文概述随着现代工业技术的快速发展，直流电机调速系统在众多领域，如自动化生产线、航空航天、电动汽车等中得到了广泛应用。

为了满足日益增长的精确控制和高效节能需求，开发稳定可靠的直流电机调速系统显得至关重要。

单片机作为一种集成度高、功耗低、价格适中的微控制器，被广泛应用于各种控制系统。

因此，研究利用单片机控制直流电机调速系统的设计，不仅具有理论价值，更具有实际应用意义。

本文旨在探讨基于单片机的直流电机调速系统设计的关键技术和实现方法。

文章将介绍直流电机调速系统的基本原理和常见控制方法，为后续设计提供理论基础。

文章将详细阐述单片机选型、硬件电路设计、软件编程等关键环节，并分析其中的技术难点和解决方案。

通过实际案例的分析和实验验证，评估所设计系统的性能，并提出改进和优化建议。

本文的研究内容不仅有助于推动单片机在直流电机调速领域的应用发展，也为相关领域的工程技术人员提供了有益的参考和借鉴。

二、直流电机基础知识直流电机是一种将直流电能转换为机械能的设备，其工作原理基于安培定律和电磁感应。

直流电机主要由定子和转子两部分组成。

定子包括铁心和励磁绕组，它的作用是产生一个恒定的磁场。

转子包括电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等部分，它的作用是在定子产生的磁场中受力而转动。

直流电机的转速可以通过改变电枢电压、改变电枢电流或改变磁场强度来实现。

其中，改变电枢电压是最常用的调速方法。

通过调整电压的大小，可以控制电机的转速，从而实现对直流电机的精确控制。

直流电机还具有启动性能好、调速范围广、控制精度高等优点，因此在许多领域得到了广泛应用。

在单片机控制直流电机调速系统中，我们需要了解直流电机的这些基础知识，以便更好地设计和实现调速控制算法。

还需要考虑电机的额定电压、额定电流、额定功率等参数，以确保电机在正常工作范围内运行。

还需要考虑电机的散热问题，以避免因过热而损坏电机。

因此，在设计和实现单片机控制直流电机调速系统时，我们必须充分了解直流电机的基础知识和相关参数，以确保系统的稳定性和可靠性。

直流电动机设计方案第1章前沿1.1 课题研究的背景及意义直流电动机以其良好的起动、制动性能，较宽围平滑调速的优点，在许多调速要求较高、要求快速正反向、以蓄电池为电源的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来，虽然高性能交流调速技术得到了很快的发展，在某些领域交流调速系统已逐步取代直流调速系统。

然而直流调速系统系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用，比如轧钢机、电气机车等都还有用直流电机；而且从控制规律的角度来看，交流拖动控制系统的控制方式是建立在直流拖动控制系统的基础之上的，从某种意义上说有相似的地方。

因此，掌握和了解直流拖动控制系统的控制规律和方法是非常必要的。

从生产机械的要求的角度看，电力拖动控制系统分为调速系统、伺服系统、多电动机同步控制系统、力控制系统等多种类型。

而各种系统大多都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统最基本的系统[1]。

从直流电机在国民生产生活中所占位置的角度来看，直流电机目前依旧应用于工业生产中，并广泛应用于人们的生活中。

因此直流电机的控制技术的发展很大程度上影响着国民经济的增长，影响着人们的生产生活水平，因此，对直流电机调速系统的研究还是很有必要的。

1.2 课题发展历程及趋势在很长的一段时间里直流电动机作为最主要的电力拖动工具，其应用已经渗透到人们的工作、学习、生活的各个方面。

早期电动机调速控制器主要由模拟器件构成，由于模拟器件存在的固有缺点，比如存在温漂，零漂电压等，使系统控制精度和可靠性降低。

后来，随着可编程控制器比如AT89C51，PLC等和IGBT、GTR等电力电子开关器件，传感器技术等的发展使得直流电机调速系统进入了数字控制的阶段，这使得直流电机调速系统的发展突飞猛进，从而出现了各种控制算法，比如比较经典的PID调节算法和后来的模糊控制算法等，这些领域的发展使得直流电机调速的精度和可靠性能大大提高，它取代了常规的模拟检测、显示等单元，基本上实现了智能化，使被控对象的动态过程按照规定的方式运行，已经能够满足绝大部分的工作要求，这使得以微控制器为核心的控制系统成为工业生产中控制系统的主流。