電力拖動自動控制系統
直流電動機閉環調速系統設計
一、系統結構
（對系統結構的注釋）
二、課程設計內容要求
1. 設定有正轉按鍵、反轉按鍵、加速按鍵、減速按鍵；
2. 顯示馬達的執行狀態（正轉、反轉、停止），顯示轉速；
3. 測量馬達的反電動勢係數；
4. 測量馬達的力矩係數；
5. 建立馬達的數學模型；
6. 實現比例控制；
7. 實現比例積分控制；
8. 快取馬達動態過程執行資料，並上傳到pc機繪出動態過程曲線
（對設計內容的注釋）
三、硬體設計
3.1列表硬體，準備硬體
帶測速碼盤直流電機
l298n電機驅動模組
59c51微控制器實驗板
lcd1602液晶顯示屏
杜邦線3.2微控制器系統的設計
3.3根據自己準備的硬體和系統框圖，設計硬體接線圖；
四、軟體設計
4.1系統的軟體流程圖
4.2對流程圖的說明
五、詳細的功能設計和實現
5.1. 設定有正轉按鍵、反轉按鍵、加速按鍵、減速按鍵；
（設計、實現、測量、對比分析）
5.2. 顯示馬達的執行狀態（正轉、反轉、停止），顯示轉速；
（設計、實現、測量、對比分析）
5.3. 測量馬達的反電動勢係數；
（設計、實現、測量、對比分析）
ke= (v-ir)/n
5.4. 測量馬達的力矩係數；
（設計、實現、測量、對比分析）
5.5. 建立馬達的數學模型；
（設計、實現、測量、對比分析）
5.6. 實現比例控制；
（設計、實現、測量、對比分析）
5.7. 實現比例積分控制；
（設計、實現、測量、對比分析）
5.8. 快取馬達動態過程執行資料，並上傳到pc機繪出動態過程曲線
（設計、實現、測量、對比分析）
附錄一： 永磁直流行星齒輪減速電機
f1.1直流電機的特點
直流電動機與交流電動機相比較，具有良好的調速效能和啟動效能。直流電動機具有寬廣的調速範圍，平滑的無級調速特性，可實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；過載能力大，能承受頻繁的衝擊負載；能滿足自動化生產系統中各種特殊執行的要求。
但直流電機也有它顯著的缺點：一是製造工藝複雜，消耗有色金屬較多，生產成本高；二是執行的時候由於電刷與換向器之間容易產生火花，所以可靠性比較差，維護比較困難。所以在一些對調速效能要求不高的領域中己被交流變頻調速系統所取代。
但是在某些要求調速範圍大、快速性高、精密度好、控制效能優異的場合，直流電動機的應用目前仍然占有較大的比重。
f1.2直流電機的基本結構
直流電機的基本結構圖見圖4-1：
圖直流電機的基本結構
f1.3直流電動機的引數特性
1)感應電勢e
4-1）
式中:-電動勢(v一對磁極的磁通(wb);
-電樞轉速(r/min與結構有關的常數.
2)電磁轉矩t
4-2）
式中:-電磁轉矩(nm一對磁極的磁通(wb);
-電樞電流(a與結構有關的常數.
3)直流電動機電樞電壓平衡方程式
4-3）
為電樞電阻
4)直流電動機機械特性的一般表示式
4-4）
f1.4 直流電機的機械特性曲線
直流電機的機械特性曲線如下圖4-2所示：
圖-直流電機的機械特性曲線
轉速下降的原因：
電機帶負載勻速執行時，te＝tl，若負載tl增加，則電機的輸出電磁轉距te也要隨之增加，也即電樞電流ia增大。那麼電樞繞組的內阻所消耗的壓降iara增加，所以轉速n下降。
4-5）
f1.5永磁直流電機調速
調壓調速通：過改變輸入電壓實現調速，如圖4-3所示。
圖降壓調速原理
附錄二： 直流電動機pwm調速原理
所謂脈衝寬度調製是指用改變電機電樞電壓接通與斷開的時間的占空比來控制電機轉速的方法，稱為脈衝寬度調製(pwm)。
對於直流電機調速系統，使用fpga進行調速是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓導通時間與通電時間的比值，即占空比，來控制電機速度。pwm調速原理如圖4-4所示：
圖 pwm調速原理
在脈衝作用下，當電機通電時，速度增加，電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規律，改變通、斷電時間，即可讓電機轉速得到控制。設電機永遠接通電源時，其轉速最大為 ，設占空比為 ，則電機的平均速度為
4-6）
式中：—電機的平均速度
—電機全通時間的速度（最大）
—占空平均速度與占空比的函式曲線，如圖4-6(a)所示：
圖平均速度與占空比的關係
由圖4-6(b)所示可以看出，與占空比並不是完全線性關係（圖中實線），當系統4允許時，可以將其近似的看成線性關係（途中虛線）。因此也就可以看成電機電樞電壓與占空比成正比，改變占空比的大小即可控制電機的速度。
由以上敘述可知：電機的轉速電樞電壓成比例，而電機電樞電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快，當占空比時，電機轉速最大。
占空比d表示了在乙個週期t裡開關管導通的時間與週期的比值。d的變化範圍為0≤d≤1。當電源電壓u不變的情況下，輸出電壓的平均值u取決於占空比d的大小，改變d值也就改變了輸出電壓的平均值，從而達到控制電動機轉速的目的，即實現pwm調速。
在pwm調速時，占空比d是乙個重要引數。改變占空比的方法有定寬調頻法、調寬調頻法和定頻調寬法等。常用的定頻調寬法，同時改變t1和t2，但週期t（或頻率）保持不變。
附錄三：h型全橋式驅動電路和l298n簡紹
f3.1直流電機驅動電路使用最廣泛的就是h型全橋式驅動電路，這種驅動電路可以很方便實現直流電機的四象限執行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。它的基本原理圖如圖所示。
圖 h型橋式驅動電路
h型全橋式驅動電路的4只三極體都工作在斬波狀態，v1、v4為一組，v2、v3為另一組，兩組的狀態互補，一組導通則另一組必須關斷。當v1、v4導通時，v2、v3關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現電機的正轉或反轉制動；當v2、v3導通時，v1、v4關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。在直流電機運轉的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉和反轉之間切換，也就是在v1、v4導通且v2、v3關斷，到v1、v4關斷且v2、v3導通，這兩種狀態之間轉換。
在這種情況下，理論上要求兩組控制訊號完全互補，但是，由於實際的開關器件都存在開通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關斷的過程中，下橋臂導通了。
為了避免直通短路且保證各個開關管動作之間的同步性，兩組控制訊號在理論上要求互為倒相的邏輯關係，而實際上卻必須相差乙個足夠的死區時間，這個矯正過程既可以通過硬體實現，即在上下橋臂的兩組控制訊號之間增加延時。
f3.2 l298n晶元
l298n是st公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動晶元。該晶元採用15腳封裝。主要特點是：
工作電壓高，最高工作電壓可達46v；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3a，持續工作電流為2a；額定功率25w。內含兩個h橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；採用標準邏輯電平訊號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入訊號影響的情況下允許或禁止器件工作有乙個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用l298n晶元驅動電機，該晶元可以驅動一台兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩台直流電機。
實物如圖5-2所示。
圖 l298n晶元
晶元內部邏輯結構圖見圖
圖 l298n晶元邏輯結構
引腳說明見表3-4：
表5-4
極限引數：
晶元引腳圖如圖3-6所示:
圖3-6 l298n晶元引腳功能
模組引數：
1.驅動晶元：l298n雙h橋直流電機驅動晶元
2.驅動部分端子供電範圍vs：＋5v～＋35v ； 如需要板內取電，則供電範圍vs：+7v～+35v
3.驅動部分峰值電流io：2a
4.邏輯部分端子供電範圍vss：＋5v～＋7v（可板內取電＋5v）
5.邏輯部分工作電流範圍:0～36ma
6.控制訊號輸入電壓範圍：
低電平：－0.3v≤vin≤1.5v
高電平：2.3v≤vin≤vss
7.使能訊號輸入電壓範圍：
低電平：－0.3≤vin≤1.5v（控制訊號無效）
高電平：2.3v≤vin≤vss（控制訊號有效）
8.最大功耗：20w（溫度t＝75℃時）
9.儲存溫度：－25℃～＋130℃
10.驅動板尺寸:55mm*49mm*33mm(帶固定銅柱和散熱片高度)
11.驅動板重量：33g
12.其他擴充套件：控制方向指示燈、邏輯部分板內取電介面。
直流電動機種類
相式電機 分相式電動機的構造最簡單且 亦最便宜.用於輕負荷 容易起動的機器裝置上，因為它的馬力很少超過1 3馬力 1馬力 735 5瓦特 例如 小電風扇 小鼓風機 手提電鑽等.永久 電容分相式電動機 構造與分相電動機非常相似，只是將起動線路上的離心開關改為乙個電容器而已，其餘皆相同，所以當電動機運轉...
安裝直流電動機模型
教案設計課題 鮑長江用案人用案日期 2011年月日 第課時新授 安裝直流電動機模型課型 教學目過程與方法 實驗 操作 討論 交流標 情感 態度與價值觀 增強學生動手動腦學物理的意識。熱愛物理的情趣。弄清電動機的構造，按照合理的順序進行安重 點裝。教法及教具 難點知識和技能 1 通過裝配電動機模型的實...
講述直流電動機工作原理
教案講述直流電動機工作原理一教學目的 了解直流電動機工作原理結構型號將直流電能轉換為機械能的電動機。因其良好的調速效能而在電力拖動中得到廣泛應用。直流電動機按勵磁方式分為永磁 他勵和自勵3類，其中自勵又分為並勵 串勵和復勵3種。導體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用於電樞乙個力矩，這個...