直流電機控制系統

1系統論述

1.1 設計思路

本次直流電機控制系統的設計主要功能是實現電機的正轉和反轉。為實現系統的微機控制，在設計中，採用了at89c51微控制器作為整個控制系統的控制電路的核心部分，配以各種模組，實現對電動機控制。

1.2 總體設計框圖

系統組成：直流電機控制方案如圖1.1所示：

方案說明：直流電機控制系統以at89c51微控制器為控制核心，微控制器在程式控制下，採用橋式驅動完成電機正，反轉控制。

圖 1.1 直流電機控制方案

2直流電機單元電路設計與分析

2.1 橋式驅動直流電機方向模組

主要由一些達林頓電晶體、直流電機和二極體以及電阻等組成。現在介紹下直流電機的執行原理

2.1.1 直流電機型別

直流電機可按其結構、工作原理和用途等進行分類，其中根據直流電機的用途可分為以下幾種：直流發電機（將機械能轉化為直流電能）、直流電動機（將直流電能轉化為機械能）、直流測速發電機（將機械訊號轉換為電訊號）、直流伺服電動機（將控制訊號轉換為機械訊號）。下面以直流電動機作為研究物件。

2.1.2 直流電機結構

直流電機由定子和轉子兩部分組成。在定子上裝有磁極（電磁式直流電機磁極由繞在定子上的磁繞提供），其轉子由矽鋼片疊壓而成，轉子外圓有槽，槽內嵌有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷引出,直流電機結構如圖2.1所示。

圖2.1 直流電動機結構

2.1.3 直流電機工作原理

直流電機電路模型如圖2.2所示，磁極n、s間裝著乙個可以轉動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著乙個線圈abcd。當線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，從而產生旋轉。

根據左手定則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的受方向也將改變，因此通過改變線圈電路的方向實現改變電機的方向。

圖2.2 直流電動機電路模型

2.1.4 直流電機主要技術引數

直流電機的主要額定值有：

額定功率pn：在額定電流和電壓下，電機的負載能力。

額定電壓ue：長期執行的最高電壓。

額定電流ie：長期執行的最大電流。

額定轉速n：單位時間內的電機轉動快慢。以r/min為單位

勵磁電流if：施加到電極線圈上的電流。

2.1.5 直流電機pwm調速原理

（1）直流電機轉速

直流電機的數學模型可用圖2.3表示，由圖可見電機的電樞電動勢ea的正方向與電樞電流ia的方向相反，ea為反電動勢；電磁轉矩t的正方向與轉速n的方向相同，是拖動轉矩；軸上的機械負載轉矩t2及空載轉矩t0均與n相反，是制動轉矩。

圖2.3 直流電機的數學模型

根據基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式1.1：

u=ea-ia（ra+rc式1.1

式1.1中，ra為電樞迴路電阻，電樞迴路串聯保繞阻與電刷接觸電阻的總和；

rc是外接在電樞迴路中的調節電阻。

由此可得到直流電機的轉速公式為：

n =ua-ir/ce式1.2

式1.2中，ce為電動勢常數，φ是磁通量。

由1.1式和1.2式得

n =ea/ce式1.3

由式1.3中可以看出，對於乙個已經製造好的電機，當勵磁電壓和負載轉矩恆定時，它的轉速由回在電樞兩端的電壓ea決定，電樞電壓越高，電機轉速就越快，電樞電壓降低到0v時，電機就停止轉動；改變電樞電壓的極性，電機就反轉。

（2）pwm電機調速原理

對於直流電機來說，如果加在電樞兩端的電壓為2.3所示的脈動電流壓（要求脈動電壓的週期遠小於電機的慣性常數），可以看出，在t不變的情況下，改變t1和t2寬度，得到的電壓將發生變化，下面對這一變化進一步推導。

圖2.3 施加在電樞兩端的脈動電壓

設電機接全電壓u時，其轉速最大為vmax。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為d=t1/t，則電樞的平均電壓為：

u平=u·d式1.4

由式1.3得到：

n =ea/ceφ≈u·d/ ceφ=kd

在假設電樞內阻轉小的情況下式中k= u/ ceφ，是常數。

圖2.4為施加不同占空比時實測的資料繪製所得占空比與轉速的關係圖。

圖2.4 占空比與電機轉速的關係

由圖看出轉速與占空比d並不是完全速的線性關係（圖中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內阻較小，可以近視為線性關係。

3、直流電機的驅動方式

3.1 直流馬達的驅動方式解釋

直流馬達的驅動方式，就是把直流電源加到直流馬達上，使之旋轉。

3.2 直流馬達驅動方式分類

3.2.1用繼電器驅動直流馬達

如圖所示，將微控制器訊號連線到電晶體，以控制繼電器。當微控制器送出乙個高電平訊號，即可產生ib,ic，繼電器激磁，而繼電器的a-c接點將接通，即可提供直流馬達電源，使之旋轉。其中vcc不一定是5v電源，而是根據繼電器及直流馬達的規格，取用適當的電壓。

一般來說，電功率p=v*g，v越大功率越大；即便是相同的功率，v越大i越小，損失越小。

圖3.1 用繼電器開關直流馬達

3.2．2 以電晶體驅動直流馬達

1、達林頓電晶體的簡介

達林頓管(darlington transistor)又稱復合管。它採用復合連線方式,將二只三極體適當的連線在一起，以組成乙隻等效的新的三極體, 極性只認前面的三極體。

本設計採用互補達林頓功率電晶體-tip14x系列，這一系列包括三組配對，分別是tip-140（npn）與tip-145(pnp)、tip-141(npn)與tip-146(pnp)、tip-142(npn)與tip-147(pnp),其常見規格如表3-1所示。

表3-1

tip14x系列的內部電路結構如圖14-13所示。

圖3.2 tip14x系列的內部電路結構

其中r1約為8k，r2約為40歐。而其包裝採用扁平的to-218包裝，也提供sot-93的表面貼式包裝，其外觀、引腳配置與尺寸如圖3-3所示。

圖3-3 tip14x系列的外觀、引腳配置與尺寸

2、以電晶體驅動直流馬達

將微控制器訊號連線到達林頓電晶體，直接提供直流馬達的電源，使之旋轉。其中的二極體的功能是為了保護達林頓電晶體，vcc也不一定是5v電源，可根據直流馬達的規格，取用較高的電壓。而此電路不但可以控制直流馬達的開或關，還可以控制其功率的大小，以達到轉速控制的目的。

圖3-4 以達林頓電晶體驅動直流馬達

3．3 控制直流馬達方向

3.3.1 以繼電器控制直流馬達方向

圖3-5 以達林頓電晶體與繼電器控制直流馬達

如圖3-5所示，微控制器訊號連線到達林頓電晶體與繼電器，其中的繼電器室2p繼電器，同時提供兩組c接點，由微控制器訊號連線到「方向」的引腳，即可驅動q1電晶體，以控制繼電器。當「方向」引腳上有高電平訊號時，繼電器激磁，兩組c-a接點接通，而直流馬達上方連線到q2、q3所組成的達林頓電晶體，所以此時直流馬達上方連線到正電源，另外，直流馬達下方通過另一組c-a接點接地。

若方向引腳上有低電平訊號時，繼電器消磁，兩組c-b接點接通，直流馬達上方通過c-b接點接地；而直流馬達下方通過另一組c-b接點連線到q2、q3所組成的達林頓電晶體，所以此時直流下方連線正電源。

若直流馬達上方接電源，下方接地，將其順時針旋轉，此時，如果顛倒其接線，直流馬達上方接地、下方接電源，將其逆時針旋轉。

另外，我們也可以通過「開或關」引腳決定該馬達是否旋轉。即我們不但可以控制直流馬達的開與關，也可以控制其轉向。

3.3.1 以電晶體控制直流馬達方向

圖3-6 橋式驅動直流馬達

如圖所示，q1、q2是一組pnp型達林頓電晶體，q3、q4是一組npn型達林頓電晶體，q5、q6是一組pnp型達林頓電晶體，q7、q8是一組npn型達林頓電晶體,不管是npn型林達頓電晶體還是pnp型林達頓電晶體，都可以找到現成、配對的商品，而且不貴！若使用現成的林達頓電晶體，電路就非常簡單，而且可靠！電路的左右對稱，動作也類似。

不管是左邊的電路還是右邊的電路，當微控制器送乙個高電平訊號到input1或input2端時，上方的pnp達林頓電晶體截止，而上方的npn型達林頓電晶體導通，當微控制器送乙個低電平訊號到input1端時，上方的pnp達林頓電晶體導通，而上方的npn達林頓電晶體截止。

若送乙個高電平訊號到input1端，同時送乙個低電平訊號到input2端時，則電流由右而左流過此馬達，如圖所示。

圖3-7 電流由直流馬達右端流入，左端流出

反之，若送乙個低電平訊號到input1端，同時送乙個高電平訊號到input2端時，則電流由左而右流過此馬達，如圖所示。

圖3-8電流由直流馬達左端流入，右端流出

若直流馬達上方接電源，下方接地，將使其順時針旋轉；此時，如果顛倒其接線，直流馬達上方接地，下方接電源，將使其逆時針旋轉。

經過這兩個方案的比較，由於方案二的效能好，可靠性高，故而選擇方案二。因此，根據原理，選擇以下元器件：

pnp型達林頓電晶體4個；npn型達林頓電晶體4個；330歐姆電阻4個，二極體4個；直流電機1個；10k電阻3個；電解電容10uf1個；30pf電容2個；晶振12mhz1個；按鈕開關2個。

4．程式設計流程圖

5.總電路圖

6.程式設計

#include <>

sbit motor1=p1^0宣告直流馬達位置

sbit motor2=p1^1宣告直流馬達位置

sbit pb0=p2^0宣告按鈕開關位置

sbit pb1=p2^0宣告按鈕開關位置

void delay1ms(int宣告延遲函式

main()

{ motor1=0關閉直流馬達

motor2=0關閉直流馬達

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