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ABSTRACT
DCmotorhasabetterperformanceduringstartingandbraking,anditiseasytorealizespeedregulationonwiderange.SoDCmotorisusedonmanyoccasion,suchasmetallurgy,mechanicsandlightindustry.
IntheSystemofDCmotorspeedcontrolbasedonsinglemicrocomputer,asthecoreofsinglemicrocomputer,AT89C52couldcontrolmotor′sstate(containclockwiseandanti-clockwise),speedupanddownandstop.Duringthemotorworking,weusedLCD1602todisplaythespeedandcurrentofmotor.Inordertocometruesmoothspeedregulation,thissystemsetasuitablefrequentonPWMbysettingtwoTimersinitialvalue.Theprincipleofthisclosed-loopiscalldifferentsub-functionaccordingtocomparisonoftheresults.Whenthemotorwasrotating,3144couldsimplespeedandcurrentsignalprocessedbyADtransformationthendisplaythroughLCD1602displaymodular.Whilethedisplayedcurrentmoreorlessthanspecialrange,motorwouldissueanalarmsignal,atthesametime,motorwouldbestopped.Thesystemincludefourmodular:
buttonformotorstateselection,displayofspeedofmotorandcurrentthroughmotor′sarmaturewinding,motordrivemodular(L298N)andsinglemicrocomputerkeytoAT89C52.
KEYWORDS:
DCmotor,PWM,L298N,ButtonSelectionModular,LCD1602Display
第1章直流电机及其控制的发展和现状
本章主要介绍了直流电机的发展,分类及各种电机的优缺点,并进一步介绍了有刷直流电机现阶段国内外的研究现状。
同时简单介绍了本次直流电机调速设计的主要内容。
1.1直流电机的发展及研究现状
1.1.1直流电机的国外发展
直流马达(directcurrent,DCmotor)可以说是最早能够将电力转换为机械功率的电动机,它可追溯到由MichaelFaraday所发明的碟型马达。
1821年,法拉第发现了载流导体在磁场内受力的现象;
1831年,他又发现了电磁感应定律。
两年后皮克西利用永久磁铁和线圈之间的相对运动和一个换向装置支撑了一台旋转磁极式直流发电机,即现代直流发电机的雏形。
虽然在1833年时楞次已经证明了电机的可逆原理,但在1870年以前直流发电机和直流电动机一直被大家看作是两种不同的电机各自独立发展。
当时直流电动机制造的指导思想是电磁铁之间的相互作用并需要用蓄电池供电。
因此,直流电动机的广泛应用就必须提供较大的,廉价的直流电源。
后来由于生产上的需要即电报,电解,电镀和电动机电源,使得直流电机得到了较快的发展。
在1834年到1870这近四十年的时间里,发电机的发展领域内发生了三个重大发明和改进。
在励磁方面,首先从永久磁铁励磁转换成直流励磁,后来又从蓄电池他励转换成自励;
在电枢方面,1870年格拉姆提出了环形电枢绕组以代替凸极式的T型电枢绕组。
由于环形绕组为分布绕组,电压脉动小,换向和散热情况也较T型绕组大大改善,因此T型绕组很快就被淘汰了。
在格拉姆对电机上提出环形电枢结构之后,人们对直流发电机和电动机的结构进行了对比终于使电机的可逆原理被大家所接受,从此之后发电机和电动机的发展就合二为一。
1870年至1890年是直流电机发展的另一阶段。
1873年,海夫纳—阿尔泰涅克发现了鼓型电枢绕组提高了电枢导线的利用率。
同时为了加强绕组的机械固定和减少铜线内部的涡流所耗,绕组的有效部分被放置于铁心的槽中。
1880年,爱迪生提出了采用叠片铁芯以减少电机铁心损耗,降低电枢绕组的温升。
鼓型电枢绕组和开槽,叠片铁芯的结构一直应用到今天。
上述的种种进步使得直流电机的电磁负荷,单向容量及效率大为提高,这样换向器上的火花问题就成为当时最突出的问题。
1885年出现的换相极和补偿绕组,1885年又开始用碳粉做电刷。
这些措施的使用使得火化问题暂时告一段落,同时使电磁负荷和单机容量大为提高。
电机理论方面,1886年霍普金生兄弟确定了磁路的欧姆定律。
1891年阿诺特在此基础上建立了直流电枢绕组理论。
这些理论使直流电机的设计和计算建立在更为科学的基础之上。
至19世纪90年代,直流电机已经具备了现代直流电机的主要结构特点。
1882年也是电机发展史上的有一个转折点。
在这一年,台勃莱兹把米斯巴哈水电站发出的2KW直流电用一条57km的输电线送到慕尼黑,从此为电机和电能的应用打开了广阔的前景。
法拉第的原始设计其后经由迅速的改良,到1880年代已成为主要的电力机械能转换装置,但之后由于交流电的发展,逐渐发明出了感应马达与同步马达,直流马达的重要性亦随之降低。
直到1960年,由单向可控硅的发明、磁铁材料、碳刷、绝缘材料的改良,以及变速控制的需求日益增加,再加上工业自动化的发展,直流马达驱动系统再次得到了发展的契机,到了1980年直流伺服驱动系统成为自动化工业与精密加工的关键技术。
1.1.2直流电机的国内发展
我国电机的发展和生产较其它国家较晚但发展迅速。
解放之前,我国的电机工业极端落后全国只有少数几个城市有电机制造厂。
这些厂规模小设备差,生产能力低下,产品规格混乱,材料多数依赖于进口。
解放前的最高年产量发电机仅20000KW,电动机为5.1万KW。
改革开放之后,我国的电机制造工业得到快速得发展从防止阶段到自行车设计阶段一直到现在的研究创新阶段。
经过多年的努力,我国已建立起自己的电机工业体系,有了统一的国家标准和统一的产品系列,建立全国性的研究试验基地和研究,工程技术人员队伍。
已经研制成功2×
5000KW的直流电动机,4700KW的直流发电机。
在中型,小型和微型电机方面已经开发和研制成125个系列,上千个品种,几千个规格的各种电机。
在特殊电机方面,由于新的永磁材料的出现,制成了许多节能高效的,维护简单的永磁电机。
电机和电力电子装置,单片微型计算机相结合,出现了许多各种性能形态迥异的“一体化电机”。
同时,各种类型的电机除满足我国生产和生活领域中的各种不同需求外还有部分可供出口。
直流电机具有以下优点:
(1)调速特性好,调速范围宽、调速平滑、方便;
(2)较大的过载能力,可承受频繁冲击负载,而且能设计成与负载机械相适应的各种机械特性;
(3)可以实现快速起动、制动和逆向运转;
(4)能适应生产过程自动化所需要的各种特殊运行要求。
以上这些特点,对交流电机而言特别是大功率交流电机是比较难的。
所以到目前为止,功率较大要求较高的现代化自动控制系统中,一般采用直流电动机驱动。
例如在冶金工业中作为各种轧钢机的驱动电机,主要特点是可以在不同转速下运行,并能承受频繁的冲击过载,频繁起、制动和逆转;
在采矿工作中,作为矿山卷扬机和电铲驱动电机,主要是有良好的调速特性和高的过载力;
在交通运输方面作为大型船舶推进和机车动力,主要利用它能快速起动和高起动转矩的特点;
机床工作上用作为宽调速大型车床和巨型刨床的驱动,主要利用它的优越调速特性。
此外,在城市交通、大型起动设备、船舶、航空和国防工作中,直流电动机都得到广泛的应用。
1.2直流电机控制的国内外发展及现状
电动机作为最主要的机电能量转换装置,其应用范围已经遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。
尤其是在冶金、机床、采矿和交通领域都大量使用着直流电机。
据资料显示,在所有的动力资源中百分之九十都来自电动机。
同样,我国生产的电能中百分之六十是用于电动机的。
电动机与人的生活息息相关密不可分。
1.2.1直流调速系统发展简介
最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢绕组供电,通过改变电枢回路中的电阻来实现调速目的。
这种调速方法的优点在于简单易行设备制造方便且价格低廉,但缺点是效率低,机械特性过软不能在较宽范围内实现调速所以目前很少使用。
在二三十年代末出现了发电机——电动机即旋转变流机组,它与磁放大器,电机扩大机,晶闸管等控制器件配合使用获得良好的调速效果,也就是可以在较宽范围(十比一至数十比一)内实现调速、较小的转速变化率和调速平滑等,尤其是电动机减速时可以通过发电机非常容易地将电动机轴的飞轮惯量反馈给电网。
这样既可以得到平滑的制动特性又能减少能量的损耗,提高效率。
但旋转变流机组调速系统的主要缺点在于要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备,因此体积大维修困难。
其后由于汞弧变流器的出现,利用汞弧变流器代替上面发电机-电动机系统,使电机的调速性能指标进一步提高。
尤其是它的系统快速响应性是旋转变流机组难以比较的。
但汞弧变流器的致命缺点是水银蒸汽会对维护人员造成一定的危害而且维护工作量大。
具有转折意义的发展是在1957年。
1957年世界上出现了第一支晶闸管,与其它变流元件相比,晶闸管具有独特的优越性因此晶闸管直流调速系统一开始就显示出了强大的生命力。
由于其体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点,采用晶闸管供电的调速系统不仅在经济指标和可靠性上有所提高而且在技术性能上也显示出了很大的优越性。
晶闸管变流装置的放大倍数在1000以上,比普通机组(放大倍数为10)提高1000倍,汞弧变流器(放大倍数为1000)提高10倍;
在调速的响应快速性上,机组只为秒级而晶闸管为毫秒级。
从20世纪80年代中后期开始,晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机-电动机组及汞弧变流器使直流电气传动完成一次显著的进步。
同时控制电路也实现了高度集成化,小型化,高可靠性及低成本。
以上技术的应用使得直流调速系统的性能指标大幅提高应用范围不断扩大,直流调速技术不断发展。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电力电子开关器件和新型传感器的出现及自动控制理论,电力电子技术,计算机控制技术的深入发展,直流电动机控制技术装置也不断向前发展。
微型计算机的使用使得直流电气传动控制系统的发展趋向于数字化,智能化,极大地推动了电气传动的发展。
近些年来,一些先进的国家逐渐大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置,列入西门子的SIMOREGK6RA24,ABB的PAD/PSD等。
随着现代化步伐的加快,人们的生活水平不断的提高,同时对自动化的需求也越来越高,直流电动机的应用领域不断地扩大。
像军事和宇航方面的雷达天线,火炮瞄准,惯性导航,卫星姿态,飞船光电池对太阳的跟踪控制;
工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、塑料机械、印刷机械,绕线机、纺织机械、工业缝纫机、泵及压缩机等设备的控制;
计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器,光盘驱动器、绘图仪、扫描仪、打印机、传真机等设备控制;
音响设备和家用电器中的录影机、录像机、数码相机、洗衣机及风扇等的控制。
随计算机微电子技术的发展和新型电力电子功率器件的不断涌现,电动机的控制策略也发生了深刻的变化。
电动机控制技术的发展得益于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术和微机应用技术的最新发展成就。
变频技术和脉宽调制技术已经成为电动机控制的主流技术。
正是这些技术的发展使得电动机控制技术在近二十年内发生了很大的变化。
首先是模拟实现电动机控制策略逐渐退出历史舞台,而微处理器、通用计算机、DSP控制器等现代化手段构成的数字控制系统得到了快速的发展。
电动机的驱动部分所用的的功率器件经历几次更新换代之后速度更快,控制更容易的全空性功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。
同时功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也是新兴的电动机控制方法能够实现。
其中脉宽调制即PWM的方法,变频技术在直流调速系统中得到了广泛的应用。
永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机如永磁直流电动机,交流伺服电动机和超声波电动机等。
由于含有微处理器和传感器作为新一代控制系统的组成部分,这种运动控制系统又称为智能运动控制系统。
由此看来,应用先进的控制算法和开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统的发展方向。
在那些需要对电动机控制系统进行精确控制的场合(包括数控机床,工业缝纫机、打印机)要求对电动机实现精确定位以适应负荷的剧烈变化,因此传统的控制算法已经难以满足系统的精度要求。
为了适应时代的发展,现有的电动机控制系统也在朝着高精度,高性能和网络化,信息化,模糊化的方向不断前进。
电气时代电动机的调速控制一般采用模拟法,对电机的简单控制应用比较多。
简单控制是指对电机进行启动,制动,正反转控制和顺序控制。
这类控制可通过继电器的可编程控制和开关元件来实现。
还有一类控制称为复杂控制,即对电动机的转速,转角,转矩,电压,电流及功率进行物理量控制。
1.2.2直流电机控制现状
自20世纪60年代初试验成功第一支硅晶闸管以来,晶闸管直流调速系统也得到了快速的发展和广泛的应用。
目前,有晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到了广泛的应用。
随着新型电力半导体器件的发展,绝缘栅双极型晶体管即IGBT具有开关速度快,驱动简单,可以自关断等优点克服了其自身的固有缺点。
所以我国的直流电机调速也正向着脉宽调制(PWM)方向发展。
数字直流调速装置从技术上看,它能够做到由给定信号,调节器参数设定触发脉冲的数字化,同时使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率内和电流大小的直流电机。
同一台控制器可以仅仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制,强大的通讯功能可以使它易于和PLC等各种通信器件组成对整个工业控制过程系统,并且具有操作简便、抗干扰能力强等特点。
特别是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化的优点弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善,调试不方便,体积大等对应的不足之处。
数字控制系统表现出的像查找故障迅速,速度调节精度高,维护简单也使其有更加广阔的前景。
国外的主要电气公司如瑞典的ABB公司,德国的西门子、AEG公司,日本的三菱公司、东芝公司,美国的GE公司,西屋公司等都已经开发出了多种直流调速装置,有一些成熟的系列化,标准化,模板化的应用产品。
我国关于数字直流调速系统的研究内容为:
综合性最优控制,补偿PID控制,PID算法优化和模糊控制技术。
我国现在大部分数字化控制直流调速控制装置主要依靠进口,但由于进口设备价格昂贵,同时也给予了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。
目前国内有许多大专院校、科研院校和生产厂家也在开发全数字直流调速装置。
1.3直流电机调速系统的主要研究内容和意义
1.3.1直流调速系统的研究意义
单片机有着广泛的应用。
直流电机以其优良的性能在驱动、控制、牵引等许多场合起到了十分重要的作用。
铁路机车直流牵引电机、地铁机车直流牵引电机、机车直流辅助电机、矿用机车直流牵引电机、船用直流电机、轧钢电机和其它直流电机,由于它们作为国民生活的基础,直流电动机是最早出现的电动机,也是最早实现调速的电动机。
长期以来,直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,高效率,优异的动态特性,现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。
因此研究直流电机的速度控制,有着非常重要的意义。
目前,直流电动机调速系统数字化已经走向实用化,伴随着电子技术的高度发展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别是单片机的应用,使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段,智能化,高可靠性已成为它发展的趋势。
由于直流调速系统的重要地位,因此对直流调速系统的转速控制要求(包括稳速,调速,加速减速三方面)更加精确。
其中稳速要求即要求电机以一定的精度在所需要的转速稳定运行,同时在各种干扰的作用下不能有过大的转速波动。
然而工业控制中对于加减速和调速已经能够很好地实现,但是工程应用中的稳速指标却往往不能达到预期的效果。
稳速很难达到要求的原因在于直流调速装置中的PID调节器对被控对象及其负载参数变化适应能力差。
直流电机的数学模型很容易得到使得经典控制理论在已知被控对象的传递函数才能进行设计的前提得到满足,大部分数字直流调速器就是建立在此基础之上的。
然而实际的传动系统之中,电机的一些固有参数和拖动负载的参数并不是模型那样一成不变。
尤其对中小型电机而言,在某些应用场合参数随工况而变。
同时,因为直流电机本身就是一个非线性的被控对象,许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素,所以被控对象的参数变化与非线性特性使得线性常参数PID调节器顾此失彼而不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标,使得控制系统的鲁棒特性变差。
尤其是模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统,常规的PID调节器难以满足高精度,快响应的控制要求而不能有效控制负载、模型参数大范围变化及非线性因素的影响。
在工程应用中这种控制器可能就不能满足生产要求譬如轧钢工业的同轴控制系统,回转窑传动装置等都需要在生产过程中保持稳定的转速要求而生产负载参数却是随工况变化的。
模糊控制不要求被控对象的精确模型但适应能力强,为了弥补常规数字直流调速装置的缺点。
可以讲模糊控制与PID调节器相结合以形成FUZZY-PID负荷控制方案。
从而设计能在负载和模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响下都可以满足控制稳定转速精度要求的直流电机控制器。
1.3.2论文主要研究内容
本论文的主要研究内容就是在对直流电机的调速原理和调速方法了解的基础之上实现对直流有刷电机的调速系统设计。
论文中直流电机的调速系统控制硬件主要包括单片机(AT89C52)控制模块,L298N电机驱动模块,LCD1602电机速度显示模块,独立式键盘控制模块及测速及反馈模块。
在这次基于单片机的直流电机调速的课题主要实现三个功能:
(1)实现电机的加速减速和正反转;
(2)实现电机速度的数字显示;
(3)通过AD转换实现对电机电枢绕组电流的模数转换并显示电流值;
由于该电机调速系统中共有正转,反转,加速,减速和急停五个运行状态,考虑到成本和接线的简单性从而采用了独立式键盘输入。
通过按键扫描结合中断功能,实现对按键的输入和识别。
通过按键,可以实现电机的五个运行状态及各个状态之间的转换。
结合实际直流电机驱动需求,选用L298N电机驱动芯片作为直流电机的驱动芯片,通过对L298N的控制端子输入PWM波实现电机的转速和转动方向控制。
在电机速度控制系统中,可以利用霍尔元件配合磁片来对与电机同转速的脉冲计数实现直流电机的速度测量,将电机的实时速度反馈给单片机,再由单片机通过P0口输出实现对电机速度的实时显示。
另外,通过L298N的管脚输出测得直流电机电枢绕组的电流,经AD转换之后,将它的输出与单片机复用P0口输出电枢绕组的电流。
直流调速系统的主程序和按键子程序流程图分别如图1-2、图1-3所示。
图1-2主程序流程图图1-3按键子程序流程图
第2章基于单片机的直流电机调速系统硬件部分
本章首先简要地对直流电机的工作原理介绍之后,将基于单片机的直流电机调速系统进行系统的整体的描述。
之后对系统中的的各个硬件模块包括按键控制模块,速度显示模块,电机驱动模块,测速反馈模块及以单片机为最小系统,并进一步描述各个模块之间的相互联系及其与单片机的连接。
2.1直流电机概述
2.1.1直流电机的分类
直流电机的分类方式有多种:
(1)按结果分直流电机分为直流电动机和直流发电机。
直流电机是指输入或者输出为直流电能的旋转电机,可以实现直流电能和机械能之间的转化。
当直流电机作为发电机时它可以将机械能转化为直流电能,而作为电动机时则将输入的直流电能转化为机械能。
一台直流电机原理上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,即电机理论中的可逆原理。
当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时,电枢绕组上感应出感生电动势,经碳刷、换向器装置整流为直流后,引向外部负载或者电网对外供电,此时电机作直流发电机运行。
如用外部直流电源,经碳刷和换向器装置将直流电流引向电枢绕组,则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用,产生转矩,驱动转子与连接于其上的机械负载工作,此时电机作直流电动机。
(2)按励磁方式:
直流电动机的励磁电流与电枢绕组电流一样,均由外电源供给,根据励磁绕组与电枢绕组的连接方式不同,可分为他励式直流电机,自励式直流电机,串励式直流电机和复励式直流电机。
①他励直流电机
他励直流电机的励磁绕组与电枢绕组没有联接关系,而是由其他直流电源对励磁绕组供电。
永磁直流电机也可看作一种特殊的他励直流电机。
如图2-1a示。
②并励直流电机:
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联连接。
当直流电机作为并励发电机运行时,电机本身发出来的端电压为自身的励磁绕组供电;
而作为并励电动机运行时,励磁绕组与电枢共用同一电源,从性能上讲与他励直流电动机相同。
接线图如图2-1b所示。
③串励直流电机:
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联之后相接于直流电源。
这种直流电机的励磁电流也就是电枢电流。
接线图如图2-1c所
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