用于精密平台的直流电机驱动控制器电气工程及其自动化本科毕业设计.docx
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用于精密平台的直流电机驱动控制器电气工程及其自动化本科毕业设计
xxxx大学
本科毕业设计（论文）
用于精密平台的直流电机驱动控制器
DCMotorDriveControllerUsedonthePrecisePlatform
学生姓名xx学号xx
学生专业电气工程及其自动化班级12电气
（2）班
二级学院机电工程学院指导教师xx
xx大学
2016年5月
郑重声明
本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
学生签名：
日期：
分类号：
TM301.2密级：
公开
UDC：
621学校代码：
xx
xx大学
本科毕业设计（论文）
用于精密平台的直流电机驱动控制器
DCMotorDriveControllerUsedonthePrecisePlatform
作者xx学号xx
申请学位工学学士指导教师xx
学科专业电气工程及其自动化培养单位xx大学
答辩委员会主席评阅人
2016年5月
用于精密平台的直流电机驱动控制器
摘要：
自从直流电动机被研制出来之后，因其具有良好的线性调速特性、效率高、控制方式简单及体积小等优点得到了普遍使用且备受各行各业青睐。
在直流电机转动的过程中，由于会存在电磁干扰、电机本身构造等原因，转动时候会产生震动。
本文联系实际直流电动机在精密平台中的转动情况，在介绍直流电动机、ARM开发板特点的同时，根据精密平台的要求与特点，提出了基于LM358、IRF740MOS管的恒流源驱动直流电动机的设计方法，使得电动机在运行时能保证稳定运行，电机转速能稳定在一定范围的误差内。
同时本文也给出了系统的硬件电路设计以及软件部分流程图。
关键词：
直流电动机、精密平台、恒流源、单片机。
中图分类号：
TM301.2
DCmotordrivecontrollerusedonthepreciseplatform
Abstract：
DCmotorispopularinallwalksinourcountrywithitsprettygoodperformancesinceitwasinvented,.WhentheDCmotorworks,duetothepresenceofelectromagneticinterferenceandthestructureofmotoritself,vibrationwillbeproduced.ThispaperisdesignedbyspecificapplicationwhatDCmotorusedonpreciseplatformandbasedonthefeaturesoftheDCmotorandARMMicrocontroller,accordingtotherequirementsandcharacteristicsofpreciseplatform,proposedamethodofconstantcurrentsourcedriveDCmotorbasedontheLM358chip、IRF740MOStubeinordertoguaranteethattheDCmotorwilloperatestableandthemotorspeedcanbecontrolledinacertainrangeoferror.Thehardwaredesignandsoftwareimplementationmethodofthisdesignarealsogiven.
Keywords:
Directcurrentmotor,preciseplatform,Constantcurrentsource,SingleChipMicrocomputer（SCM）.
Classification：
TM301.2
目次
2.2直流电机工作原理...................................................................................................4
1绪论
1.1运动控制系统的发展历史与现状
从运动控制技术的出现到现在，交流电气传动和直流电气传动是两种最基本的方法，一直存在与各个工业领域之中[1]。
虽然由于各个时期生产力水平不同，工业需求不同等原因使得交流电气传动、直流电气传动的地位、功能以及工业中使用量不同，但随着科学技术与生产力的不断发展与进步，特别是近些年以来电力电子技术和微电子技术的发展，交直流电气传动控制技术始终在竞争中不断吸收着对方的优点，并且相互促进中，不断的发展。
纵观历史，直流电机比交流电机更早的被研发出来，所以在19世纪80年代以前，工业上能用的电机传动方式只有直流电机传动[2]。
直到19世纪末，特斯拉发明了交流电，并且随着科学技术的发展，三相制交流电的输送和分配问题被解决，而且还研发出了更经济、实用性更高的鼠笼型异步电机，随着交流电由于其特性逐渐被接受和认可，这就使得交流电气传动在工业领域中渐渐地得到推广并且被大多数企业采用。
随着生产技术的提高及工业需求的进步，人们又对电气传动在电机的起制动、正反转以及调速性能、动静态性能等方面提出了更具体的要求，这就表明要研发出更成熟、性能更优调速系统[3]。
因为与交流电机相比，直流电机的调速性能更好，所以从1930年左右开始，直流电机调速系统就被普遍的接受并应用于各种工业场合。
直流电机调速系统的发展历程如下：
最开始使用旋转变流机组来控制电机的转速，后来发展为使用磁放大器对转速进行控制，再后来，随着科学技术的不断进步，开始采用静止的SCR变流装置和模拟控制器完成直流调速，再后来用脉宽调制控制电路实现数字化的直流调速，使系统的能够快速响应且运行稳定可靠[4]。
然而，因为直流电机中，根据其工作原理可知，电刷和换向器必不可少的原件，所以使直流电机具有制造工艺复杂、维护麻烦、使用环境受到限定等缺点，而且很难成长为高速强压大容量的系统，因此，直流电机调速的弱点也被慢慢的发现。
交流电机在很早以前就一直应用于恒速运行的情况下。
在直流调速的弱点被发现之后，加之世界性的煤炭、石油等资源的减少，人们又对交流调速系统开始了进一步的研究。
仅对占传动总量三分之一强的风机、水泵设备而言，在以前用恒速运行会很浪费电能,若是改恒速运行为交流调速运行，那么便可以节省30%左右的电能[5]。
近年来，随着电力电子技术、自动控制原理等有关学科的的发展，为交流调速系统的开发提供了很多的理论支持，使交流调速系统具备了一系列良好性能，并且研发出了一系列的交流调速产品。
从调速性能上来说，交流调速系统与直流调速系统不相上下，因此，目前交流调速已占据主导地位，约占工业领域的80%左右，而直流调速系统则只有20%左右。
1.2运动控制系统的发展趋势
对目前工业及市场上大量使用到的运动控制系统进行总结，并对市场需求和现有科学技术进行分析，可以看出运动控制系统未来的发展方向为：
1）高频化。
在电机驱动装置中，高频率器件将会取代现在常用的低频率器件，这样既可以提高控制系统的实用性，又可以减少异步电机的实用，从而改善电网的功率因数[6]。
2）交流化。
交流电机诞生之后，由于交流电机本身具有其他电机不具备的优点，使得交流调速系统逐渐取代直流调速系统。
随着交流调速系统制造成本的不断减少，交流调速系统不仅会取代现有的直流调速系统，而且还会取代大量的以前常用的交流传动系统。
3）网络化。
由于微处理器的发展，数字处理器也运应而生。
数字处理器在使用中简便而又快捷，同时还有可能联网。
由于工业生产的需求，控制系统的规模越来愈大，相对应的，控制系统也变得越来越复杂[7]。
单独工作控制系统越来越少，反倒是大规模的多级协同工作的控制系统越来越多，因此就需要计算机网络来控制与监控整个系统，传动设备和控制器作为一个网络节点连到现场总线或工业控制网上，以期能够对生产过程进行实时监控。
另外，随着科学技术的不断发展，越来越多的智能控制技术被应用于运动控制系统中。
例如：
模糊控制、神经网络控制、解耦控制等[8]，各式各样的观测器和识别技术的应用，大大改善了控制系统的性能，从而为运动控制系统走向复杂的高度自动化的网络控制创造了有利的条件。
近几年，由于交流调速系统在如何提高调速精度方面遇到了瓶颈，于是直流调速的优势就显现了出来。
虽然直流调速目前不是主流，但由于其转速和转矩容易控制，直流调速仍然是最可靠，调速精度最高的调速方法。
直流调速系统人广泛的应用于各种需要高调速精度的场合，如转台，定位系统等。
所以增强对直流调速系统的学习和研究是很有意义的。
鉴于直流调速系统又具有交流调速不具备的优势，所以不能完全实用交流调速系统，有必要对直流电机控制系统作进一步的研究和开发。
1.3本文研究内容
为了对直流电机控制系统有更进一步的认识和研究，本文利用ARM单片机为核心，在LM358电压比较器芯片、N沟道MOS管IRF740、增量式光电编码器为基础，实现以下功能：
（1）实现了电机转速、正反转控制；
（2）实时显示电机转速；
（3）保证电机运行的稳定性，使得转速误差在很小的范围内；
本文分三大部分。
第一部分为前置部分，包括第一章，描述了运动控制系统的发展历史以及交直流电机控制系统的优缺点。
第二部分为论文主体部分，包括第二、三章，给出用于精密平台的直流电机驱动控制器的硬件电路原理和软件部分流程图，以及通过对本实验数据分析得出的结论，并对下一步工作作出展望。
第三部分为附录部分，包括第四章,为软件部分的编程和系统整体电路图。
2系统硬件设计
2.1整体设计
根据整体硬件电路要求,由于系统运算量不是很大,只会产生很少的数据需要处理,所以使用ARM单片机学习板已完全能够满足要求。
系统的硬件包括:
采用12V直流电机作为驱动目标，采用LM358芯片和N沟道MOS管IRF740作为恒流源驱动电路，采用编码器作为电机转速检测电路以及显示电路、ARM键盘控制电路等。
图2.1 系统硬件框图
2.2直流电机工作原理
图2.2直流电机的物理模型图图2.3直流电机的基本工作原理图
对图2.2所示的直流电机，给电刷A加上高电平，电刷B加上低电平，如图2.3（a）所示，电刷A上就会有电流流入，并且会流过载流导体线圈abcd，从电刷B流出[10]。
如图2.3（a）所示，载流导体ab上电流流动的方向向里，磁感线方向向下，则由左手定则可知载流导体ab将会逆时针转动；同理，载流导体cd电流方向向外，磁感线方向向下，则cd载流导体也会逆时针转动，因此载流线圈将会逆时针转动，所以电机转子也会逆时针转动。
当转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A和电刷B互换位置，电刷A上依然会流入直流电流，不过此时电流在载流线圈中的方向却是dcba，最后从从电刷B流出。
此时载流导体ab上电流方向向外，磁感线方向向下，则由左手定则可知载流导体ab将会逆时针转动；同理，载流导体cd电流方向向里，磁感线方向向下，则cd载流导体也会逆时针转动，相当于载流导体ab和cd互换位置，载流线圈依然会逆时针转动，所以电机转子同样还会逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
虽然在电刷上加的电流为直流高电平和低电平，但由于磁场方向和电流流向不变，所以在线圈中流过的电流实际上是是交流的，所以转矩方向不变，转子的转动方向也不变[9]。
而在实际应用中，为了降低垫底电磁转矩的波动，一般转子上的绕组都不是由一个线圈组成，而是由多个线圈连接而成。
综合本次设计的具体情况，本次设计采用的是D型削边轴775微型直流电机，削边轴保证不会出现打滑现象，为电机稳定运行提供了一下保障。
该电机具体参数如下：
额定电压：
12V；空载电流：
0.27A；堵转电流：
3.25A；空载转速：
4500转/分钟；出轴长度：
15mm（台阶水平面以上的轴长度）；轴径：
5mm轴（削边1.5mm，削边长度13mm）。
2.3运放部分电路及原理
LM358作为电压放大器工作时的原理如图所示：
5V直流电压经0.5K电阻输入至LM358芯片的3脚（同相端），R2、R3组成了反馈网络，引入的是电压串联负反馈；R1为平衡电阻，且有R1=R2//R3，这样，由虚断可得：
iR2=iR3及U+=U1;又由虚短可得：
U+=U-。
再由R2、R3组成的分压电路可得：
Uo=（R2+R3）U-/R2；Uo=（1+R3/R2）U-/=（1+R3/R2）U+=（1+R3/R2）U1=10V.
图2.4电压放大器原理图
LM358用作电压比较器时工作原理为：
由图可知，该运放处于开环工作状态，具有虚断与U-≠U+的特点。
此处有U+=U1，U-=U2。
当U1大于U2时，U0的输出为正的最大值，即高电平；当U1小于U2时，U0的输出为负的最大值，即低电平。
当U1等于U2时，输出U0产生跳变。
由于是单电源供电，所以输出电压摆幅会比较大（一般为0～Vcc-1.5V），所以万用表显示数值为3.5V左右。
图2.5电压比较器原理图
2.4MOS管驱动部分
常用的电机驱动有L298集成芯片、双极性晶体管、MOS管等，但是在查阅资料的过程中发现一个问题，就是电机工作效率[11]。
下面分别用L298芯片、晶体管D882、MOS管IRF250为例说明这一问题。
D882的压降如下：
图2.6D882压降图
IRF250导通电阻为：
图2.7IRF250导通电阻图
L298压降为如下：
图2.8L298压降图
由以上各指标图可以看出，若均以12V驱动电压、2A驱动电流来计算的话，三中驱动方式产生的压降分别为：
D882：
0.5V；IRF250：
2*0.085=0.17V，L298：
4.9V。
所以，三中驱动方式自身消耗功率为，D882：
0.5*2=1W；IRF250:
0.17*2=0.34W；L298：
4.9*2=9.8W。
若驱动一12V、2A直流电机为例：
电机得到的功率是：
12*2=24W；
用D882则需要供电12.5V，效率为：
24/（12.5*2）=96%；
用IRF250则需要供电12.17V，效率为：
24/（12.17*2）=98.6%
用L298则需要供电16.9V，效率为：
24/（16.9*2）=71%
由以上可得：
在所述三种电机驱动方式中，选用MOS管驱动电机时，驱动电路本身消耗的压降会很小压降最小，同时电机的得到的效率也会最大[12]。
根据系统要求，本次设计选用的是N沟道MOS管IRF740，其具体参数为：
漏源极电压VDS最大为400V，栅源极电压VGS最大为20V，漏极电流ID最大为10A，MOS管导通时漏源级电阻RDS最大为0.48Ω，导通电压VGS最大为4V。
IRF740的输出特性及转移特性如下：
图2.9IRF740输出特性与转移特性图
由输出特性曲线可以看出，场效应管会工作在线性区与饱和区[13]，所以只要控制漏源电压VDS和栅源电压VGS，漏极电流ID便会很稳定，如图所示，当VGS为6V，VDS>6V时，ID会稳定在3.8A左右，这就是恒流驱动的基础。
另外，如何给场效应管散热也是电路中急需解决的问题。
场效应管在工作一段时间之后管子本身会发烫，温度过高时会损坏管子，故此在MOS管后加一散热片缓解发烫的问题。
2.5恒流源整体设计
由以上所述可得本设计雏形，本设计的思路是：
由LM358作为比较器，输出一高电平驱动MOS管，相当于给MOS管输入一钳位电压，然后强行让MOS管工作在饱和区，然后由MOS管驱动电机。
同时，MOS管的源极接采样电阻然后输入至电压放大器的同相端，放大器的输出即为比较器的一路输入电压，从而实现反馈控制，使系统能够自动消除输入与输出之间的误差，从而使电机工作在稳态。
电路原理图如下：
图2.10硬件整体原理图
经测量，MOS管的栅源电压VGS约有6.2V左右，漏源电压VDS约有5.1V左右，输出漏极电流ID为5A，且改变栅极电压漏极电流不变。
图示电路中R2为采样电阻，因为采样电阻上流过的电流很大（几安培到几十安培不等），所以为了减少在采样电阻上消耗的功率以及考虑到采样电阻发热的问题，其取值一般都很小[14]。
根据电流的大小和功耗一般取值在0.1Ω～1Ω。
本设计采用金属壳散热式电阻，它具有精度高、功耗较小等优点，阻值为1Ω。
另外需要注意的是，在接线的时候，采样电阻的接地一端的导线要尽可能的短。
如果导线较长的话，又由于采样电阻本身阻值小，所以，导线上的电阻与采样电阻本身相比是不能被忽略的。
而且导线的电阻稳定性很差。
导线上的压降如果过大的话会影响反馈电压值，从而影响整个横流系统的稳定性。
IRF740的源极电压约有3.33V，故U1B的同相端输入电压约为3.33V，用放大器放大1.5倍，所以R1、R4分别为1KΩ和2KΩ；R3为平衡电阻，且有R3=R1//R4=666Ω；放大1.5倍之后U1B的输出电压为4.995V，所以U1A的同相端输入基准电压6V，使U1A一直输出高电平，驱动场效应管工作在饱和区，从而使漏极输出稳定的电流。
2.6电机转速测量部分
电机转速测量的方法有很多种，常用的有以下几种：
1）霍尔传感器测转速，在电机上装一圆盘，保证原判和电机能够同轴转动。
在圆盘上装上数量不定的小磁珠。
任选一小磁珠并将霍尔元件固定在其附近，当电机转动时，每当有一个小磁珠经过霍尔元件，霍尔元件便会输出一个脉冲，计算出一定时间内的脉冲数量，即可确定霍尔元件输出脉冲的频率，从而测得电机转速[15]；
2）测速发电机：
测速发电机是一种输出电动势与转速成正比的微型特种电机，转速越高输出的电动势越大，反之亦然。
其输出电动势E和转速n成线性关系，即E=Kn,K是常数。
若电机的旋转方向发生改变，那么测速发电机的输出极性也会随之改变。
在直流电机与测速发电机同轴连接时，只要能检测到有输出电动势，就可以根据电动势大小测出直流电机的转速，所以测速发电机又称为速度传感器；
3）光电开关传感器：
采用槽式红外对射式光电开关，集成度高，体积小，通过发射端发射红外信号，接收端接收由障碍物反射回来的红外信号，来判断是否有障碍物，当有障碍物经过时，输出脉冲，没有障碍物时则不输出脉冲，计算出一定的脉冲数，就可以计算出传感器输出脉冲的频率，从而可确定电机的转速；
4）光电编码器：
编码器测速原理和光电开关传感器一样，同样是有遮挡物的时候输出脉冲，不遮挡的时候不输出,，通过所测出的一定时间内的脉冲数，就可以根据书上计算转速的公式测出电机当前转速。
如上所述，四种测速方法均简便切可行且所需的元器件也易获取，但由于1）的方法中需要在电机转轴上加一圆盘，且圆盘上还需加小磁钢。
可能会由于材料限制无法获取圆盘和小磁钢；2）的方法中，测速发电机价格比较昂贵，考虑之后决定放弃此方法；3）的方法中光电开关传感器测量范围短，不适宜长距离测速，且点击转轴没有遮挡物，除非是连接小风扇，用扇叶做遮挡物才可行；综合考虑并结合整个系统平台应用之后选择用光电编码器测速，并且用齿条和联轴器将电机和编码器固定在同轴，电机转动时带动编码器转动，然后由编码器输出脉冲测速。
本次设计选用的编码器为AB两相输出的LPD3806增量式旋转编码器，接线方式为：
绿线-A相输出；白线-B相输出；红线-Vcc电源；黑线-地。
电路输出为NPN集电极开路输出，AB两相输出相位差为90°的脉冲，可以根据AB两相脉冲的相位差来判断电机正反转。
但是在本次设计中，因为编码器只是简单的测速功能，所以只用到A相输出，输出的脉冲输入值ARM单片机中，有单片机处理数据并显示当前转速。
其他参数如下：
工作电压：
5～24V；最大转速：
5000转/分钟；电气响频：
20K/秒；综合转速2000转/分钟。
图2.11编码器图
2.7显示电路
在单片机系统中,一般显示功能都是利用数码管来完成，因为LED数码管采用BCD编码显示数字，编程比较简单，而且不占用太多的系统资源。
还有一部分采用液晶显示，但由于用的很少，所以本次设计也采用八段数码管显示。
所谓的八段数码管就是指数码管有八个小发光二极管组成，其中七个发光二极管构成数字显示所需字形，另一个显示的是小数点，可以通过控制不同的发光二极管的亮灭来显示出不同的字形。
数码管具有电路结构简单、低损耗、寿命长、耐老化、成本低、对外界要求低、操作简单等优点，可采用数码管动态显示[16]。
当需要多个数码管进行显示时，常用的方法有两种，静态显示和动态显示。
静态显示时数码管一个段码对应一个控制引脚，其优点是控制逻辑简单，缺点是需要的控制引脚比较多，每一个LED显示器用一个端口驱动，耗电量大，显示位数多时很少采用；动态显示则刚好相反，动态扫描驱动方式的工作原理是将多个显示器的段码同名端连在一起，位码分别控制，利用人眼的视觉暂留时间，分别别进行显示。
只要保证一定的显示频率够大，显示周期就会小于人演的视觉暂留时间，这样，用眼看显示效果就和一直显示时一样的。
本设计的LED显接口采用动态扫描的驱动方式，ARM板上的数码管由4个小数码管组成，用PNP三极管S8550进行驱动，并在三极管上附加4.7K的上拉电阻。
LED数码管从左到右分别显示千位、百位、十位、个位。
数码管要不停显示电机当前的转速。
显示模块电路原理图如图2.11所示。
图2.12显示模块电路原理图
2.8按键控制电路
根据系统设计的最初思路，保证电机平稳运行才是整个系统最重要的部分。
所以为了提高转速测量的准确度以及能够更快速地实时显示电机当前转速，同时也是为了能够多次测量数据以便分析理论转速与实际转速之间的误差，同时也是出于实际考虑，因为在搭建的电机-齿条-编码器平台中，平台长度只有40～50厘米，试验后可发现，以电机运行的速度几秒钟就会走到头，就会触碰到行程开关，电机自动停止，所以，采用按键电路对采样时间进行控制，即对采集编码器输出脉冲数量的时间进行控制。
而且在本设计中只用到两个按键，所占单片机资源比较少，而且电路简单[17]。
按键由3.3V电压驱动，按键S3按下时为0.5s时间采集脉冲数据；S4按下时为1s时间采集脉冲数据。
电路图如图2.12所示。
图2.13按键电路原理图
3闭位erease=5=10323软件设计
3.1主程序设计
根据系统整体硬件电路和电机转速测量功能的要求，系统的软件部分共有四部分，分别为：
主程序，转速检测计算子程序和显示子程序。
主程序的流程图如图3.1所示。
N
Y
N
Y
图3.1主程序流程图
3.2转速检测子程序
由于增量式编码器输出时脉冲信号，所以可以通过测量脉冲频率或周期的方法测速，测速方法有M法、T法及M/T法。
1）M法测速：
在一定的时间间隔内，对编码器所产生的脉冲进行计数，来确定速度。
若编码器每转输出N个脉冲，在时间t内，得到m1个脉冲，则编码器所产生的脉冲频率f为：
f=m1/t，则转速（单位为r/min）为：
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