关于直流电机的10个小问题.docx

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关于直流电机的10个小问题

问题

1．什么是直流调速系统？

调速方法都有什么？

什么是调速电机？

答：

调速就是通过自己设计的按键（其中包含设定的程序）来控制电机的转动速度和转动方向。

大体来说，调速系统包括直流调速系统和交流调速系统两大类。

由于直流电动机的电压、电流和磁通之间的耦合较弱，使直流电动机具有良好的机械特性，能够在大范围内平滑调速。

调速方法分为：

A.变极对数调速方法

B.变频调速方法

C.串级调速方法

D.绕线式电动机转子串电阻调速方法

E.定子调压调速方法

F.电磁调速电动机调速方法

G.液力耦合器调速方法

调速电机就是利用改变电机的级数、电压、电流、频率等方法改变电机的转速，以使电机达到较高的使用性能的一种电机。

2.简要说明直流电机组成结构和工作原理

答：

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

图1直流电机的结构

其工作原理:

从图2可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。

电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出。

根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。

电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4指指向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。

在图示瞬间，导线ab与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转．即图中S的方向

图2工作原理图

3.直流电机工作的基本特性和规律是什么？

答：

电源

给电机供电，产生电流

。

电机在运转过程中等效于电阻

和反向电动势

串接起来。

其中

为电枢等效电阻；

为电枢旋转时产生的反向电动势，它和转速成正比，转速越快，反向电动势越大。

列出了如下公式：

（1.1）

上面已经说过，反向电动势和转速成正比，具体关系为:

（1.2）

式中

是电动势常数，Φ是气隙磁通，它们都是电机的固有常数。

另外，电机的电流

和电机的输出转矩T成正比。

具体关系为：

（1.3）

式中CT是电磁转矩常数，它是电机的固有常数。

把上面三式合拼并整理得到：

（1.4）

图3直流电机的电路等效图

总结起来的特性结论就是：

电枢旋转时产生的反向电动势，它和转速成正比，转速越快，反向电动势越大；电机的电流和电机的输出转矩成正比；电源电压越高，转速越高。

当转矩为零时直线与纵轴的交点为某一电源电压下的最大转速，即空载时的转速；当转速为零时，直线与横轴的交点为某一电源电压下的最大转矩，即电机启动瞬间的转矩。

4.什么是PWM？

如何选择的PWM工作方式？

答:

PWM（PulseWidthModulation）脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。

根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：

相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、空间电压矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、非线性控制PWM、谐振软开关PWM。

本文研究的等脉宽PWM法属于相电压控制PWM。

选用相电压控制PWM调速的原因：

v①主电路线路简单，需要的功率元件少；

v②开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；

v③低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；

v④系统快速响应性能好，动态抗干扰能力强；

v⑤主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；

v⑥直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。

PWM调速工作方式分为双极性和单极性两种：

双极性工作制。

双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速

单极性工作制。

单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。

由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。

5.怎样实现调速？

答：

本次设计是通过PWM波来调速。

要想知道如何实现的调速，就要知道PWM的理论基础：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

　图4　形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

面积等效原理：

　分别将如图4所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图5a所示。

其输出电流

对不同窄脉冲时的响应波形如图5b所示。

从波形可以看出，在

的上升段，

的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。

脉冲越窄，各

响应波形的差异也越小。

如果周期性地施加上述脉冲，则响应

也是周期性的。

用傅里叶级数分解后将可看出，各

在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

图5冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

图6用PWM波代替正弦半波

要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

　　PWM电流波：

电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。

　　PWM波形可等效的各种波形：

直流斩波电路：

等效直流波形

　　SPWM波：

等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。

本次调节电机的转速是通过改变输入脉冲信号的占空比来调速。

占空比：

就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比。

占空比越大，电机转速越快；反之，占空比越小，电机转速越慢。

电动机的电枢绕组两端的电压平均值Uo为：

其中，α称为占空比：

占空比

表示了在一个周期T里二极管导通的时间与周期的比值。

的变化范围为0≤

≤1。

由上式可知，当电源电压

不变的情况下，电枢的端电压的平均值

取决于占空比

的大小，改变

值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。

图7直流电机的电路等效图

图8输入输出电压波形

6.如何设计电机驱动？

答：

本次电机驱动采用H桥式驱动电路。

图9H桥驱动电路

要使电机运行，就必须同时导通对角线上的两个三极管。

根据不同三级管对的导通情况，电机的转动方向不一样。

图10H桥驱动电路

当三极管Q1与Q4同时导通时，电流从电源正极通过Q1和Q4回到电源的负极。

这样，电机将会顺时针转动。

当三极管Q2与Q3同时导通，电流从电源正极通过Q3和Q2回到电源的负极。

这样，电机将会逆时针转动。

7.简要介绍本次设计使用的单片机以及端口分配？

选用AT89C51单片机。

简要介绍：

8031CPU与MCS-51兼容，4K字节可编程FLASH存储器，全静态工作：

0Hz-24KHz，三级程序存储器保密锁，128*8位内部RAM，32条可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，6个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

图11AT89C51

端口分配:

表1单片机端口分配

P1口

键盘模块接口

P2.0/P2.7

PWM电机驱动接口

外部中断0（P3.2）

键盘中断

8.本次设计按键都有什么功能？

什么是按键抖动？

答：

本次一共设计了五个按键。

分别连接在单片机的P1.0到P1.4口，实现了电机启动、反转、加速、减速以及停止转动的功能。

消除键抖动：

一般按键在按下的时候有抖动的问题。

即键的簧片在按下的时候会有轻微的弹跳，需经过一个短暂的时间才会可靠的接触。

若在簧片抖动的时候就进行扫描可能得出不正确的结果。

因此，在程序中要考虑预防抖动的问题。

最简单的办法是在检测到有按键按下时，等待（延迟）一段时间再进行扫描，延迟时间一般为10—20ms。

这可通过调子程序来解决。

9.复位电路是如何工作的？

起到了什么作用？

答：

复位是单片机的初始化操作。

其主要作用是把PC初始化为0000H。

使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外。

当由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。

单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，5V的电通过电阻给电解电容充电。

电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短一般小于0.3秒）。

正因为如此，复位脚的电平由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作，这是单片机的上电复位，也叫做初始化复位。

当按下复位键时，电容两端放电，电容又变回了0V，于是又进行了一次复位工作。

这是手动复位原理。

图12复位电路

10.怎样测量直流电机转速？

答：

霍尔传感器的测速：

霍尔传感器的工作原理

霍尔效应：

在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。

该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。

工作原理：

霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。

信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。

单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT。

图13霍尔传感器的测速电路