直流电动机闭环调速系统课程设计指导书Word格式.docx
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LCD1602液晶显示屏杜邦线
3.2单片机系统的设计
3.3根据自己准备的硬件和系统框图，设计硬件接线图；
四、软件设计
4.1系统的软件流程图
4.2对流程图的说明
五、详细的功能设计和实现
5.1.设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键；
设计、实现、测量、对比分析）
5.2.显示马达的运行状态（正转、反转、停止），显示转速；
5.3.测量马达的反电动势系数；
（设计、实现、测量、对比分析）
Ke=（V-IR）/n
5.4.测量马达的力矩系数；
5.5.创建马达的数学模型；
5.6.实现比例控制；
5.7.实现比例积分控制；
5.8.缓存马达动态过程运行数据，并上传到PC机绘出动态过程曲线（设计、实现、测量、对比分析）
附录一：
永磁直流行星齿轮减速电机
F1.1直流电机的特点
直流电动机与交流电动机相比较，具有良好的调速性能和启动性能。
直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；
过载能力大，能承受频繁的冲击负载；
能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。
但直流电机也有它显著的缺点：
一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生
产成本高；
二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花，所以可靠性比
较差，维护比较困难。
所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。
但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重。
F1.2直流电机的基本结构
直流电机的基本结构图见图4-1：
F1.3直流电动机的参数特性
1）感应电势E
（4-1）
式中:
（4-2）
TKtla
Ia-电枢电流（A）；
Kt-与结构有关的常数
3）直流电动机电枢电压平衡方程式
（4-3）
UEIaRa
R为电枢电阻
4）直流电动机机械特性的一般表达式
F1.4直流电机的机械特性曲线
直流电机的机械特性曲线如下图4-2所示:
图-直流电机的机械特性曲线
转速下降的原因：
电机带负载匀速运行时，Te=TL,若负载TL增加，则电机的输出电磁转距
Te也要随之增加，也即电枢电流Ia增大。
那么电枢绕组的内阻所消耗的压降IaRa增加，所以转速n下降。
Ce
（4-5）
UIaRa
F1.5永磁直流电机调速
调压调速通：
过改变输入电压实现调速，如图4-3所示
附录二：
直流电动机PWM调速原理
所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制（PWM）。
t1
t2
对于直流电机调速系统，使用FPGA进行调速是极为方便的。
其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值，即占空比，来控制电机速度。
PWM调速原理如图4-4所示：
在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加，电机断电时，速度逐渐减少。
只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。
设电机永远接通电源时，其转速最大为，设占空比为，则电机的平均速度为
（4-6）
VdVmax?
D
式中：
Vd—电机的平均速度
Vmax—电机全通时间的速度（最大）
Dti/T—占空
平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图4-6（a）所示:
⑻
（b）
图平均速度与占空比的关系
由图4-6（b）所示可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），当系统4允许时，可以将其近似的看成线性关系（途中虚线）。
因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。
由以上叙述可知：
电机的转速电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比1时，电机转速最大。
占空比D表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。
D的变化范围为OWD<
1。
当电源电压U不变的情况下，输出电压的平均值U取决于占空比D的大小，改变D值也就改变了输出电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的，即实现PWM调速。
在PWM调速时，占空比D是一个重要参数。
改变占空比的方法有定宽调频法、
调宽调频法和定频调宽法等。
常用的定频调宽法，同时改变t1和t2，但周期T
（或频率）保持不变。
附录三：
H型全桥式驱动电路和L298N简绍
F3.1直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式驱动电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。
它的基本原理图如图所示。
图H型桥式驱动电路
H型全桥式驱动电路的4只三极管都工作在斩波状态，VI、V4为一组，V2、V3为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。
当VI、V4导通时,V2、V3关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；
当V2、
V3导通时，VI、V4关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。
在直流电机运转的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在VI、V4导通且V2、V3关断，到VI、V4关断且V2、V3导通,这两种状态之间转换。
在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是,由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。
为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时。
F3.2L298N芯片
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15
脚封装。
主要特点是：
工作电压高，最高工作电压可达46V;
输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A;
额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等
感性负载；
采用标准逻辑电平信号控制；
具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分
在低电压下工作；
可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
使用L298N
芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动
两台直流电机。
实物如图5-2所示。
图L298N芯片
芯片内部逻辑结构图见图
图L298N芯片逻辑结构
引脚说明见表34
表5-4
MW.15
Name
Function
1;
15
SenseA;
SenseB
在这个引脚和低之间可以接感应电阻用于控制负载电流
2；
3
Out1;
Out2
A桥的输出端口；
流经这两个端子连接的负载电流在端子1被检测
4
VS
用于驱动负载的功率输出电源电压。
在这个引脚和地之间必须接一个100nf的无极性电容
5；
7
Input1;
Input2
A桥TTL输入端
6;
11
EnableA;
EnableB
TTL使能输入端：
低电平使桥A或桥B无效
8
GND
地
9
VSS
逻辑模块的电源供应。
引脚与地间必须接一个
100nF的电容
10;
12
Input3;
Input4
B桥TTL输入端
13;
14
Out3;
Out4
B桥的输出；
流经这两个端子连接的负载电流在端子15被检测
极限参数:
Vs：
功率电源
50V
Vss：
逻辑电源电压
7V
Vi、Ven：
输入和使能电压
-0.3~7V
Io：
最大输出电流（每个通道）
无重复重复直流操作
3A
2.5A
2A
Vsens：
感应电压
-1~2.3V
Ptot：
总的功率耗散（温度达到75度）
25W
Top：
结操作温度
-25~130度
TstgTi:
储存和结温度
-40~150度
hUtlwa+tlS
13141312血w
VfLTMEV»
*WOMA
SUPPLYVOLTAGEV«
芯片引脚图如图3-6所示:
图3-6L298N芯片引脚功能
模块参数：
1•驱动芯片：
L298N双H桥直流电机驱动芯片
2•驱动部分端子供电范围Vs：
+5V〜+35V;
如需要板内取电，贝U供电范围Vs：
+7V〜+35V
3•驱动部分峰值电流Io:
2A
4•逻辑部分端子供电范围Vss：
+5V〜+7V（可板内取电+5V）
5•逻辑部分工作电流范围：
0〜36mA
6•控制信号输入电压范围：
低电平：
一0.3VWVin<
1.5V
高电平：
2.3V<
Vin<
Vss
7•使能信号输入电压范围：
—0.3<
Vin<
1.5V（控制信号无效）
Vss（控制信号有效）
8•最大功耗：
20W（温度T=75E时）
9•存储温度：
—25T〜+130C
10.驱动板尺寸:
55mm*49mm*33mm（带固定铜柱和散热片高度）
11.驱动板重量：
33g
12.其他扩展：
控制方向指示灯、逻辑部分板内取电接口。
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