直流电机调速控制
系统设计
专业：测控技术与仪器
姓名：
学号：201006040103
指导老师：
日期：2013/12/25
目录
1 前言 (4)
1.1直流电机调速系统的研究意义 (4)
1.2直流电机调速的发展趋势 (4)
2 直流调速系统的硬件设计 (6)
2.1设计方案综述 (6)
2.1.1 H桥驱动电路设计方案 (8)
2.1.2调速设计方案 (9)
2.2硬件设计 (10)
2.2.1电源电路 (10)
2.2.2 H桥驱动电路 (11)
2.2.3 基于霍尔传感器的测速模块 (12)
2.3.4 LCD显示模块 (13)
3 直流调速系统的软件设计 (14)
3.1 PWM技术简介 (14)
3.1.1 PWM介绍 (14)
3.1.2 PWM控制的基本原理 (15)
3.1.3 PWM调速原理 (16)
3.2调节器设计 (18)
3.2.1 电流调节器设计 (18)
3.2.2 速度调节器的设计 (19)
3.2 软件设计 (21)
3.2.1 系统总控制流程图及说明 (21)
3.2.2 PWM波软件设计 (22)
3.2.2 测速软件设计 (23)
5 结论 (24)
参考文献 (24)
1 前言
1.1直流电机调速系统的研究意义
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。直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机。
直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。
1.2直流电机调速的发展趋势
(1) 国外发展概况
随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机数字控制调速系统的研究也在不断的发展和完善，尤其在80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究:有的提出了内模控制的算法;有的提出了用I-P控制器取代PI调节器的方
法;有的提出了自适应PID算法和模糊PID算法，等等。
(2) 国内发展概况
我国在电机调速系统的水平还远落后于于发达国家，在电机调速的很多装备方面都还不够成熟。全数字化调速系统在国内并没有得到广泛的应用。
目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发数字直流调速装置。因此国内调速系统的研究也非常活跃，但很多电机调速的市场还是被国外公司所占据。在国家十五计划中，对电机调速系统方面的研究投入将高达500亿元，所以电机调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。
基于目前国内外的研究状况，本设计主要研究的是用数字化调速系统代替传统的模拟调速系统。虽然本设计研究的调速系统无法与国外先进的调速系统相比拟，但相对国内的现状，本设计研究还是具有一定的实用价值的。
设计要求：
1.要求电机转速控制为可调，在系统中设计转速实时显示。
2.超调量≤10%。
单片机（速度的测量计算、输入 设定及系统控制） 单片机（PID 运算控制器、
PWM 模拟发生器）
电机 速度采集电路 电机驱动电路
键 盘 显示器 2 直流调速系统的硬件设计
2.1设计方案综述
方案一：PWM 波调速
采用由达林顿管组成的H 型PWM 电路（图2.1）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM 调速技术[4]。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM 脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。
图2.1 PWM 波调速电路
其结构图如图2.2所示：
图2.2电机调速系统框图
方案二：晶闸管调速
采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。如图2-3，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压c U来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压d U，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整
10以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机流器的功率放大倍数在4
那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统），得到了广泛的应用[6]。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的du dt与di dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。
