目录
第一章绪论 (2)
1.1概述 (2)
1.2直流电动机的基本理论 (2)
1.2.1 直流电动机的工作原理 (2)
1.2.2 直流电动机的调速 (3)
1.3直流脉宽调速系统 (5)
1.3.1 概述 (5)
1.3.2 直流脉宽调速系统的工作原理 (5)
第二章系统设计方案 (7)
2.1直流电动机控制电路 (7)
2.1.1主要设计特点 (7)
2.2.2 布线图 (7)
2.1.3 注意事项 (8)
第三章元器件介绍 (9)
3.1 SG2731 (9)
3.1.1 SG2731结构及原理 (9)
3.1.2 SG2731引脚及功能 (11)
3.1.3 SG2731典型应用(电路参数见表3) (11)
3.2 三极管C4466 和 A1693 (12)
第四章直流电动机控制电路的测试 (13)
4.1直流电动机控制电路的测试 (13)
4.1.1 测试步骤 (13)
4.1.2 测试结果 (13)
第五章实验总结 (15)
参考文献 (16)
第一章绪论
1.1概述
直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。直流电动机是人类最早发明和应用的有一种电机。直流电动机是将直流电转换为机械能的旋转机械。他与交流电动机相比，虽然直流电动机因为结构复杂，维护困难，价格比较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电动机广泛。但由于直流电动机有优良的启动，调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。
1.2直流电动机的基本理论
1.2.1 直流电动机的工作原理
固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。
要使电枢受到一个方向不变的
电磁转矩，关键在于：当线圈边在
不同极性的磁极下，如何将流过线
圈中的电流方向及时地加以变换，
即进行所谓“换向”。为此必须增
添一个叫做换向器的装置，换向器
图1 直流电动机的工作原理
配合电刷可保证每个极下线圈边中
电流始终是一个方向，就可以使电
动机能连续的旋转,这就是直流电动机的工作原理
直流电动机的工作原理归结如下：
将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。电机内部有磁场存在。
载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用，f=Bli.所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转|\分)旋转，以便拖动机械负载
1.2.2 直流电动机的调速
改变直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示
式中 Ua——电枢供电电压（V）；
Ia ——电枢电流（A）；
Ф——励磁磁通（Wb）；
Ra——电枢回路总电阻（Ω）；
CE——电势系数，，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。
由式1可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。
1. 改变电枢回路电阻调速
各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速，当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。其机械特性如图1(b)所示。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。
这种调速方法为有级调速，调速比一般约为2：1左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。
调速性能如下：
（1）调速方向是往下调。
（2）调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式。
（3）调速的稳定性差。因为电阻增大后，机械特性硬度降低，静差率增大。
（4）调速的经济性差，因为初期投资虽然不大，但损耗增加，运行效率低。
（5）调速范围不大，因为低速时静差率的限制。
2. 改变电枢电压调速
连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。降低电枢电压时，电动机机械特性平行下移。负载不变时，交点也下移，速度也随之改变。
优点：调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。
缺点：只能下调，且专门设备，成本大。（可控硅调压调速系统）下面分别介绍这两种调速系统。
3. 改变励磁电流调速
当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式（1）可看出，电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积（即Te=CTФIa），电枢电流不变时，随着磁通Ф的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通Ф的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。
这种调速方法的调速性能如下：
（1）调速方向是往上调，因为励磁电流不能超过其额定值，因此只能减小励磁电流，从而使磁通减小，转速上升。
（2）调速的平滑性好，只要均匀的调励磁电流的大小便可以实现无能调速转速增加，静差率不变。
（3）调速的稳定性好，虽然励磁电流减小时，机械特性硬度下降，但因理想空载转速增加，静差率不变。
（4）调速的经济性较好，因为它是在功率较小的励磁电路内控制励磁电流的，功率损耗小，运行费用低。但基本采用电压可调的直流电源供电，则需增加初期投入。
（5）调速的范围因为受机械强度、电枢电压的去磁作用和换向能力的限制，最高转速和换向能力的限制，最高转速一般只能达到额定转速的1-2倍，所以调速范围不大。
1.3直流脉宽调速系统
1.3.1 概述
直流脉宽调速系统是由脉宽调制变换器(简称PWM变换器)对直流电动机电枢供电的自动调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，其基本原理已在电力电子技术中阐述。自从全控式电力电子器件问世以来，应用于实践的脉宽调速系统，以它的线路简单，谐波少，损耗小，效率高和静、动态性能好等优势，引发了直流调速领域的一场革命。将直流PWM调速推广到一般工业应用中取代晶闸管相控式整流器调速有着广阔的前景。只是由于器件的发展，同时带来交流变压变频调速的更快速发展，使得直流PWM调速还没有来得及完全占领市场，几乎是刚刚兴起，就变成了传统领域。不过，在一些仍需要使用直流电动机的场合，例如电动叉车、城市无轨电车、地铁机车等，直流PWM调速仍有用武之地。
1.3.2 直流脉宽调速系统的工作原理
直流PWM调速系统主回路由二极管整流桥、滤波电容、缓冲电阻、斩波功率绝缘场效应管MOSFET及续流二极管组成,如图2所示。整流电路因系统输出功率大小不同而异,小功率输入电源多用单相220V,整流电路为单相桥式整流桥;功率较大的,一般用三相380 V电源,整流电路为三相桥式全波整流电路。整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压,必须加以滤波。该系统的直流斩波器采用PWM控制方式,实现DC-DC变换,要求直流电源是电压源。所以一般采用电容滤波中间直流电路除起滤波作用外,还必须在整流电路与逆变器之间起去耦作用,以消除相互干扰。由于储能电容大,有必要在整流桥的输出端与储能电容之间接一限流电抗器或限流电阻器以限制因接入电源时电容两端电压为零而产生的电流冲击,但在正常工作时如将此限流电阻器一直接在电路中,将引起附加损耗和直流电压的不稳定。因此,只在接上电源的最初短时间内限流电阻器投入,而后由延时动作的触头将其短路。
图2 控制系统结构图
该直流脉宽调速的控制系统包括速度调节器、电流调节器、PWM调制器、驱
动器、电流隔离检测器、电压隔离检测器、电流正反馈补偿部分,如图1所示，
在电机运行的现场安装测速发电机不太容易,另一方面,即使安装了测速发电机,
反馈信号的处理及信号线的引入也会带来不便,所以在该调速系统中采用电压反
馈来代替速度反馈,由于直流电机电枢内阻的存在,电机的电枢电势不等于电枢
电压·直流电动机的电势平衡方程为:
因此,电压信号并不是准确的转速信号,它们之间存在一定的差别,且随着负载增大,电枢电流增大,误差也增大,也就是说电压闭环不能补偿电机电枢压降所造成的转速降落,从而并不能真正代替转闭环而实现转速无静差调节。为此,在系统电压环增加电流正反馈来补偿电机电枢绕组压降所引起的转速降落,如图1所示。为了使系统静差尽量小,又能使系统稳定且机械特性不上翘,需选择适当的电流正反馈补偿比例以使电压能正确反映电机转速。对于直流电动机,根据电势平衡方程,可以得到电机电势或转速与电压、电流之间的关系,即、
从上式可以看出,电流正反馈补偿可以完全补偿电枢压降所造成的转速降落,
则带电流补偿控制的电压负反馈与转速负反馈调速系统静特性方程[4]完全相当,
即电动势负反馈。也就是说利用电压负反馈和电流正反馈补偿代替转速反馈完全
可以实现无测速机的直流电机调速系统,并具有转速闭环系统的良好调速性能。
第二章系统设计方案
2.1直流电动机控制电路
2.1.1主要设计特点
1.较宽的电压工作范围，可以单极性电源工作，也可以双极性电源工作，但电压控制在 3.5V~12V，-3.5V~-12V范围内变化是，驱动输出极电源电压在
2.5V~24V, -2.5V~-24V范围内变化时均可正常工作。
2. 较强的负载能力：双通道双向脉宽调至输出，每通到最大输出电流为100mA，可直接驱动继电器、微型直流电机和小功率晶体管单项桥式逆变器等。
3. 宽频带的工作范围：其输出频率可在5~350kHz范围内任意调节。
4. 带有脉冲封锁端，便于进行非正常情况下的保护。
本实验所需元件如下表
表1
2.2.2 布线图
图3直流电动机控制电路布线图
2.1.3 注意事项
1. 该布线图存在错误，芯片管脚4，5应直接相连，100K电阻应接在管脚3，5之间。
2. 在焊接电路时，要特别注意三极管C4466和A1693的极性问题，千万不能接反。
3. 要注意虚焊，短接问题。
第三章元器件介绍
本章主要介绍SG2731 ,三极管C4466和A1693的外观、参数及简单应用。
3.1 SG2731
SG2731是SILICON GENERAL公司生产直流电动机PWM控制单片集成电路,它以输入误差信号幅值和极性控制输出两路脉冲调节信号,控制H桥输出;电机驱动电压能在较大的范围内进行调整;可实现直流电动机的4象限控制,可用于精确位置伺服控制和速度控制;可以通过外部电路实现过流保护。其应用电路简单,控制方便,系统成本低,可广泛适用于有、无位置反馈直流电机驱动系统中。3.1.1 SG2731结构及原理
SG2731是一种高性能直流电机驱动芯片,内部有三角波发生器、误差电压放大器、脉宽调制器、PWM补偿电路、H桥驱动电路和瞬间保护电路等, 如图3所示。三角波发生器由两个电压比较器、一个RS触发器、一个双向500μA恒流源和外接定时器电容组成。正基准电压V△+和负基准电压V△-由外部从2和7引脚接入,决定了三角波的幅值电压。在正常情况下,正负基准电压相等,三角波形对称。
图4 SG2731内部结构图
由于决定三角波斜率的定时电容充电和放电是以500μA恒流源进行的,所以三角波的两个斜坡完全对称。从而得到三角波的振荡周期计算公式:
误差放大器:它是一个有内补偿的低输出阻抗运算放大器，其输入和输出端由引脚引出，在应用中可以根据需要采用反馈补偿技术，以控制比环系统的增益特性。
PWM调制器:从RS触发其输出的三角波信号与误差放大器输出的误差电压相加，衰减1/ 2，在两个比较器与门槛电压-VT和+VT进行比较，从而得到两路PWM 信号，控制两个半桥的输出OUTPUT A (13引脚)和输出OUTPUT B (12引脚)。门槛电压从1和8脚输入。
脉宽调制可分为有死区和无死区2种工作方式,以无死区的工作方式为例,这两种工作方式的选择是通过+VT和V△+的比较来决定的,当+VT>V△+时为有死区的工作方式。当误差电压为零时,三角波与门槛电压没有交叉,输出A和B保持低电平。当误差电压足够大时,三角波向上平移与门槛电压周期性相交,输出OUTPUT A有PWM输出。此脉冲占空比与误差电压成正比关系,直到100%占空比。同样在负误差电压下,输出OUTPUT B被调制,如图4所示。如果为无死区工作方式,输出OUTPUT A和输出OUTPUT B出现两列相互差为180°的激励脉冲,有利于消除系统的机械死区。
图5 SG2731有死区工作方式调制波形
2路输出驱动级为推挽结构半桥驱动,输出和吸入电流为100mA,最大值为200mA,4个二极管起续流的作用。采用非饱和、准补偿技术,输入级为高压施密特触发器电路,正反馈加速了开关时间。
3.1.2 SG2731引脚及功能
表2说明SG2731引脚定义,性能指标为：
工作电压范围:±3.5~±18V
电机工作电压范围:7.0~44V
误差运算放大器范围:-3~+3V
工作温度范围:-25~85℃
输出可连续电流:200mA
表2 SG2731引脚说明
3.1.3 SG2731典型应用(电路参数见表3)
如图7所示为由SG2731、外部功率放大电路、速度反馈电路、速度及内部设置给定电路构成的直流电动机伺服系统。系统控制电源为±15V,驱动级电源±32V,驱动电机为小功率直流永磁电动机。外接H 桥功率管开关电路,以扩大输出电流。电动机经轴带动测速发电机,经过滤波、分压处理得到反馈信号,从3脚引入,构成速度控制系统。位置指令电压信号可利用电位器得到,从4引脚输入。三角波峰值电压和门槛电压由5个电阻分压得到。
表3 典型应用外围电路参数
图5 SG2731的管脚排列
图7 典型应用电路图
3.2 三极管C4466 和 A1693
C4466参数为Vcbo=120V,Vceo=80V.Ico=6A,Pc=60W.
C4466 和 A1693是配对管，参数一样，只是一个是ＰＮＰ型，一个是ＮＰＮ型．
图9 C4466和A1693的封装
图8 A1693外观及图形符号
第四章直流电动机控制电路的测试
4.1直流电动机控制电路的测试
4.1.1 测试步骤
1）在连接电源前，先将各个管脚之间的电阻值检查一下，防止有短路或断路情况存在；
2）检查完之后，接上±12V的电源，在检查一下各管脚对地的电压值是否相符；
3）确定电路焊接没有问题后，在A、B两点间接上小型直流电动机，调节电位器，观察电动机的转速及方向的变化情况；
4）连接示波器，观察6号引脚、12或13引脚对地的波形，并记录下来。
4.1.2 测试结果
1）调节电位器，电压随之变化，电动机的转速也相应改变，即电压与转速成正比变化；
2）6号引脚对地的波形是三角波，如下图所示：
图 10 引脚6对地波形
3）13号引脚是脉冲调制，形成一个方波，如图所示：
图11 引脚13对地波形
第五章实验总结
一周的实训很快结束了，虽然在此期间遇到了不少问题，但是我最终完成了任务，并且学到了不少知识。通过这次实训，不仅我的动手能力得到了训练，而且通过动手加深了对知识的理解。
本次实训的主要内容是直流电动机控制电路的设计。在焊接电路前一天，我们主要是了解该电路的工作原理，并熟悉各元器件在电路中的作用。本次实训要求我们自主设计线路的走向并焊接电板，由于设计的电路比较复杂，因此在焊接电路时遇到了不少问题。对于元件位置摆放的恰当与否，直接关系到电路板的美观与走线是否容易。焊接这块电路板花费了我一天的时间，即使如此，我的电路板也不好看，挺遗憾的。看着别人焊接的电路板如此美观，只能羡慕了。也许我也想能够细心、耐心、多动手的话，也可以把电板的质量再提高一点。
起初，我们是按照资料上的电路图设计的，这样并无法得出数据，经过老师指出了此图的错误，并加以纠正才得到正确的结果，这就说明了不能单纯的依靠书籍与资料，它们也是有错误的，必须要经过实践的检验，毕竟，实践是检验真理的唯一标准。
有付出就一定有回报，这次实训让我充分地认识到了这一点。通过实训，我对电动机控制电路有了更近一步的了解，与此相关的一些知识也得到了复习。
同时，我也了解到自己的不足，动手能力有待提高，不能只了解书本知识而不重视实践能力。学校为我们提供实践的机会，我们就应该认真的对待，通过实践提高自己的能力。实践过程中要求我们做事要有耐心，要细致地对待每一件事，这些在我们的日常生活中也是很重要的。
参考文献
1 吴红星.电机驱动与控制专用集成电路及应用. 北京：中国电力出版社，2006
2 李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南. 北京：机械工业出版社，2001
3 谢宗武,吴红星. 电机控制集成电路的选用第十五讲直流电动机PWM控制器SG2731的应用[J]. 微电机.2001年05期
4 陈伯时.电力拖动自控控制系统.北京:机械工业出版社,1992
5 高美霞,吴振奎,魏毅立,王小芹. 直流PWM调速系统研究[J]. 包头钢铁学院学报, 2000, (04) .
煤炭工程学院课程设计 题目：直流电动机转速控制系统 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 日期：
摘要 当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有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。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 电机在各行各业发挥着重要的作用,而电机转速是电机重要的性能指标之一,因而测量电机的转速和电机的调速,使它满足人们的各种需要,更显得重要，而且随着科技的发展,PWM调速成为电机调速的新方式。 随着数字技术的迅速发展，微控制器在社会的各个领域得到了广泛的应用，由于数字系统有着模拟系统所没有的优势，如抗干扰性强、便于和PC机相联、系统易于升级维护。 本设计是以单片机AT89S52和L298控制的直流电机脉宽调制调速系统。利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及PWM的占空比在LCD上的实时显示。 关键词：直流电机；AT89S52；PWM调速；L298
专业资料 电机简要学习手册 2015-2-3
一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能 （直流发电机）的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机，将 电能转换为机械能；作发电机 运行时是直流发电机，将机械 能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。 2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构
如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图（b）所 示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定
直流电动机转速控制 王文玺 （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京） 摘要：通过对直流电动机控制系统的建模，再利用Matlab对建模后的系统进行分析，来加深对自动控制系统的理解。找到系统的输入、输出，理清经历各环节前后的信号变化，找出系统传递函数。 关键词：直流电动机、Matlab、建模、传递函数 1、直流电动机动态数学模型建立 1.1直流电机数字PID闭环速度控制，系统实现无静差控制。 这是一个完整的带PID算法的直流电动机控制系统。目标值为给定的期望值，期望值与被测输出结果形成的反馈做比较，得到误差信号。误差信号经过PID控制环节得到控制信号。继而经历驱动环节得到操作量，驱动量作用与对象即电动机然后得到输出信号即转速。转速通过传感器得到反馈信号。 1.2PID控制环节 1.3被控对象（直流电动机）的统一数学模型 信号类型一次为，输入信号为电压，然后电流、电流、转矩、转速，反馈信号为电压。
各环节的比例函数为： 1.3.1额定励磁条件下，直流电机的电压平衡关系： （Ud为外加电压，E 为感应电势，R a为电枢电阻 ，La为电枢电感，i a为电枢电流。） 拉氏变换后： （ra—L ／R ，为电枢时间常数） 1.3.2直流电机的转矩平衡关系及拉氏变换： （Te 为电磁转矩，Tl 为负载转矩，B为 阻尼系数，J 为转动惯量，w为电机机 械转速，rm=J／B，为机械时间常数） 1.3.3电动机传递函数 可见直流电动机本身就是一个闭环系统，假设电机工作在空载状态，且机械时间常数远大于电枢时间常数，则电机传递函数可近似为： 1.4具体实例 电枢控制直流电动机拖动惯性负载的原理图，涉及的参数有：电压U为输入，转速为输出，R、L为电枢回路电阻、电感，K 是电动机转矩系数，K 是反电动势系数，K 是电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数，．厂是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。已知：R一2．0 Q，L：==0．5 H ，K = Kb一0．015，Kf一0．2 Nms，J— o．02kg．m 。 ( 取电压U为输入，转速叫为输出，由已知条件和原理图，根据直流电机的运动方程可以求出电动机系统的数学模型为：
直流电动机设计方案 第1章前沿 1.1 课题研究的背景及意义 直流电动机以其良好的起动、制动性能，较宽范围内平滑调速的优点，在许多调速要求较高、要求快速正反向、以蓄电池为电源的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术得到了很快的发展，在某些领域交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流调速系统系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用，比如轧钢机、电气机车等都还有用直流电机；而且从控制规律的角度来看，交流拖动控制系统的控制方式是建立在直流拖动控制系统的基础之上的，从某种意义上说有相似的地方。因此，掌握和了解直流拖动控制系统的控制规律和方法是非常必要的。 从生产机械的要求的角度看，电力拖动控制系统分为调速系统、伺服系统、多电动机同步控制系统、张力控制系统等多种类型。而各种系统大多都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统最基本的系统[1]。 从直流电机在国民生产生活中所占位置的角度来看，直流电机目前依旧应用于工业生产中，并广泛应用于人们的生活中。因此直流电机的控制技术的发展很大程度上影响着国民经济的增长，影响着人们的生产生活水平，因此，对直流电机调速系统的研究还是很有必要的。 1.2 课题发展历程及趋势 在很长的一段时间里直流电动机作为最主要的电力拖动工具，其应用已经渗透到人们的工作、学习、生活的各个方面。早期电动机调速控制器主要由模拟器件构成，由于模拟器件存在的固有缺点，比如存在温漂，零漂电压等，使系统控制精度和可靠性降低。后来，随着可编程控制器比如AT89C51，PLC等和IGBT、GTR等电力电子开关器件，传感器技术等的发展使得直流电机调速系统进入了数字控制的阶段，这使得直流电机调速系
摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。特别是在直流电动机广泛应用的电气传动领域，起到至关重要的作用。直流电动机因为具有良好的调速性能和比较大的起动转矩，一直被应用在电气领域，尤其是在需要调速性能很高的场所。在制造业、工农业自动化、铁路与运输等行业都被广泛的应用，随着市场的竞争力，对直流电动机的需求也越来越高，同时对直流电动机的调速性能也有了更高的要求。因此，研究直流电动机转速控制系统的调速性能有着很重要的意义。 在本次的设计中采用PWM控制直流电动机转速。PWM脉冲受到PID算法的控制，被用来控制直流电动机的转速。同时利用安装在直流电动机转轴上的光电式传感器，将直流电动机的转速转换成脉冲信号，反馈到单片机，形成闭环反馈控制系统，改变不同占空比的PWM脉冲就可以实现直流电动机转速控制。 本论文对每一个方案的选择都进行详细的论述，在软件和硬件部分都进行了模块化。硬件部分首先给出一个以AT89S52单片机为核心的整体结构图，并对驱动电路、显示电路等模块进行详细的阐述。在软件部分给出整体程序流程图，对PWM 程序、PID算法程序、显示程序等模块详细的阐述。本次系统设计的具有抗干扰能力强、性价比高、维修简单方便等优点。 关键词：PWM；单片机；直流电动机；转速控制
Abstract Nowadays, automatic control system has been widely used and greatly developed in all walks of life. As the dominant part of electric drive, direct current (DC) control plays an important role in modern production, especially in the DC motor is widely used in the field of electric transmission. DC motor because of its good speed control performance and relatively large starting torque, has been applied in the electrical field, especially in the high speed performance requirements of the occasion. Is widely used in the manufacturing industry, industry and trade of agricultural automation, rail and transit industry, with the competitiveness of the market, the demand of DC motor is also more and more high, also of the DC motor speed performance also has the higher requirements. Therefore, it is very important to study the speed control performance of the DC motor speed control system. In this design, using PWM control DC motor speed. PWM pulse is controlled by the PID algorithm, PWM is used to control the speed of DC motor. At the same time, the hall sensor mounted on the rotational shaft of the DC motor, the DC motor speed is converted into a pulse signal, feedback to the microcontroller, form a closed loop feedback control system, changing the duty ratio of the PWM pulse can realize DC motor speed control. In this paper, the choice of each program are discussed in detail, in both the software and hardware parts are modular. In the part of hardware, we first give a whole structure diagram with AT89S52 single chip microcomputer as the core, and elaborate the driving circuit, display circuit and other modules in detail. In the software part gives the overall program flow chart, the PWM program, PID algorithm program, display program, and other modules are described in detail. The system design has the advantages of strong anti-interference ability, high cost performance, easy maintenance and so on. Key Words: PWM; microcomputer; DC motor; speed control
电机简要学习手册 2015-2-3
一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将 直流电能转换成机械能（直流 电动机）或将机械能转换成直 流电能（直流发电机）的旋转 电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。
2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构 如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图（b）所
示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 发电机的原理则是电机的逆过程：原动机提供转矩，利用法拉第电磁感应产生直流电流。 如下图，比较清晰的说明了直流电动机的原理。 3直流电机重要特性 如下图，更加清晰的揭示了直流电机电流电压与转速转矩之间的关系。 我们可以得到直流电机的四个基本方程：
X X X X X学院 题目：直流电动机控制系统 学 院 XXXXXX学院 专 业 自动化 班 级 XX班 姓 名 XXX 学 号 XXXXX 指导老师 XXX 2012年 12 月 25 日 1、 设计题目：直流电动机控制系统 1、前言 近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。 采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开
关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。 2、系统设计原理 脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：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，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需 要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1） 式中 Ua——电枢供电电压（V）； Ia ——电枢电流（A）； Ф——励磁磁通（Wb）； Ra——电枢回路总电阻（Ω）； CE——电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。 3、方案选择及论证 3.1、方案选择 3.1.1、改变电枢回路电阻调速 可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为 n=U-【I(R+Rw)】/KeФ （2）式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。 当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R= (Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。 这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，
直流无刷电动机工作原 理控制方法 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
直流无刷电动机工作原理与控制方法 序言 由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。 针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应 用奠定了坚实的基础。 三相直流无刷电动机的基本组成 直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。图1所示为三相两极直流无刷电机结构， 图1 三相两极直流无刷电机组成 三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。位 置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。
直流电动机的PWM调压调速原理 直流电动机转速N的表达式为：N=U-IR/Kφ 由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。 对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。 在PWM调速时，占空比α是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的值。 （1）定宽调频法 这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。 （2）调频调宽法 这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T（或频率）也随之改变。 （3）定频调宽法 这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统 双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作为在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。 双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆控制系统的组合。但由于T型双极性驱动中的开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。 另一种称为H型。 H型双极性驱动 一、显示接口模块 方案一：液晶显示器也是一种常用的显示器件。它的优点是功耗低，寿命长，本身无老化问题，显示信息量大（可以显示字母和数字），在显示字符上没有限制。但价格高，接口电路较为复杂。其只在一些（袖珍型）设备上作为显示之用。
直流电机控制电路 永磁式换向器直流电机，是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图9是这种电机的符号和简化等效电路。 工作原理 这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图9(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。 永磁式换流器电机的特点 ·当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。 ·当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。 ·加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。 ·当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于V／Rw(这儿V是电源电压)。最大·电流出现在刚起动的条件。 ·转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。 ·体积小，重量轻。起动转矩大。 由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。 对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。 1、电机的起／停控制 电机的起／停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。大家都比较熟悉，故不举例。 现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图10(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损
开题报告 电气工程与自动化 直流电动机双闭环控制系统设计与分析 一、选题的背景与意义 随着现代工业的快速发展，在调速领域中，双闭环的控制理念已经得到了越来越广泛的认同。由于其动态响应快,静态性能良好,抗干扰能力强,因而在工程设计中被广泛地采用[1]。现在直流调速理论发展得比较成熟,但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度[2]。 PID（即：比例-积分-微分）控制器是最早发展起来的控制理论之一，由于它具有算法结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，在工业控制中90％是采用PID控制系统 [3]。然而，在越来越复杂的工业过程中，常常难以确定其精确数学模型，无法从理论上准确设计PID 控制器的相应参数。此外，在实际的生产现场过程中，由于受到现场环境及运行工况的变化等因素的困扰，常规的PID设计方法往往整定欠佳，性能不良，对运行工况的适应性较差，很难满足对生产过程的控制性能和产品质量的要求。 群体智能算法(Swarm Intelligence Algorithm) [4]是近十几年发展起来的智能仿生算法，其基本思想是模拟自然界生物的群体行为来构造随机优化算法。其中由美国学者Kennedy 和Eberha提出的粒子群优化算法(particle swarill optimization，PSO) 计算快速收敛，不易陷入局部最优，而且所需参数少且易于实现。因此，粒子群及改进的粒子群优化算法在PID参数整定中的应用近几年也得到了极大关注和重视。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 1、基本内容 本课题主要研究直流电动机双闭环控制系统设计与分析，并通过粒子群优化算法（PSO）用于双闭环PID调节控制的方法对系统进行设计和仿真。 双闭环PID控制系统设置了转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 两者实行串级连接, 且都带有输出限幅电路。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速环作为外环, 以抑制电网电压扰动对于转速的影响, 把由电流环作为内环, 以实现在最大 电流约束下的转速过渡过程最快最优控制。直流电动机双闭环控制系统原理见图1所示。 III
课程设计(论文) 题目名称直流电动机控制电路的设计 课程名称电力拖动基础课程设计 学生姓名周孝雄 学号0941202031 系、专业电气工程系、09自动化 指导教师邱雄迩 2011年12 月18 日
邵阳学院课程设计（论文）任务书 注： 1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效； 2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。
指导教师（签字）：学生（签字）：
邵阳学院课程设计（论文）评阅表 学生姓名周孝雄学号0941202031 系电气工程系专业班级09自动化班 题目名称直流电动机控制电路的设计课程名称电力拖动基础一、学生自我总结 二、指导教师评定 注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；
当今，自动化控制系统在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。直流电动机应用如此之广，主要在于其采用了PWM脉宽调制电路来控制直流电动机的调速。在这里介绍了PWM脉宽产生的电路。该电路运用模拟电子电路基础知识完成，利用产生的方波信号带动负载转动。本设计原理简单，易于理解，电路实现简单。我们先概括介绍了电路中锁需要的电路模块，然后给出了整体的电路图，并做了测试及得出测试结果。 关键词：直流电动机，PWM，三极管
1绪论 (7) 1.1概述 (7) 1.2 直流电动机的基本理论 (7) 1.3直流脉宽调速系统 (10) 2 元器件介绍 (13) 2.1 SG2731 (13) 2.2 三极管C4466 和 A1693 (16) 3 系统设计方案 (17) 3.1直流电动机控制电路 (17) 4直流电动机控制电路的测试 (19) 4.1 测试步骤 (19) 4.2 测试结果 (19) 5实验总结 (21) 参考文献 (22)
一种无刷直流电动机控制系统设计1
一种无刷直流电动机控制系统设计 摘要：介绍了MOTORALA公司专门用于无刷直流电机控制的芯片MC33035和 MC33039的特点及其工作原理，系统设计分为控制电路与功率驱动电路两大部分，控制电路以MC33035/33039为核心，接收反馈的位置信号，与速度给定量合成，判断通电绕组并给出开关信号。在驱动电路设计中，采用三相Y 联结全控电路，使用六支高速MOSFET开关管组成。通过实验，电机运行稳定。 关键词：无刷直流电机;MC33035/33039;控制电路;驱动电路 Design of control system for Brushle ss DC Motors SUN GuanQun;SHI Ming;TONG LinYi; XU YiPing Abstract:It introduces the MOTORAL A company used for the characteristi cs of the chip MC33035 and MC3303 9 which control the brushless direc t current motor exclusively and its w ork principle. The system design divi
良,而且具有体积更小、可靠性更高、控制更容易、应用范围更广泛、制造维护更方便等优点,使无刷电机的研究具有重大意义。 本系统设计是利用调压调速，根据调整供电PWM电源的占空比进而调整电压的方式实现。本设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33 035，它能够对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码,它本身更具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 组成的系统所需外围电路 简单，设计者不必因为采用分立元件组成庞大的模拟电路,使得系统的设计、调试相当复杂,而且要占用很大面积的电路板。 MC33035和MC33039这两种集成芯片也可以方便地完成无刷直流电动机的正反转、运转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号的产生、电动机转速的简易闭环控制等。利用专用集成芯片构成的无刷直流电机控制系统，具有集成度高、速度快及完善的保护功能等特点。驱动电路结构简单，因而整个线路外围元件少、走线简单，可大大减小逆变器体积。 2.系统原理
直流无刷电动机工作原理与控制方法 序言 由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。 针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。 三相直流无刷电动机的基本组成 直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。图1所示为三相两极直流无刷电机结构， 图1 三相两极直流无刷电机组成 三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 图2为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管V1、V2和V3构成功率逻辑单元。
设计报告正文 第一章直流电动机转速自动控制系统的组成原理1.1 广义对象的组成原理 1.1.1 被控对象直流电动机工作原理和被控制量 1、被控对象：电动机 被控量：电动机的转速 2、直流电动机的原理：基于电磁感应定律，即：运动导体切割磁力线，在导体中产生切割电势；或者说匝线链线圈的磁通发生变化，在线全中产生感应电势。
N极下到导体中的电流流出纸面，用Θ表示。 S极下到导体中的电流流出纸面，用?表示载流导体在磁场中受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度为L，其中流过的电流为i,导体所在的磁通密度为B，那么导体受到的磁力的值为 F=BLI 式中，F的单位为牛顿（N）；B的单位为韦伯/米2（Wb/m2）;L的单位为米（m）；I的单位为安（A）；力F的方向用左手定则来确定。 1.1.2 功率放大器的组成原理 功放的作用是通过对控制信号的功率放大以产生足够的功率来驱动执行机构。功率放大器的工作原理就是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率将电源转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数。应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原来的β倍的大信号，这种现象成了功率放大。而场效应管则是栅极变化一毫伏，原极电流变化一安，就成称跨导为1，功率放大器就是利用这些作用来实现小信号来控制大信号，从而使多级放大器实现了大功率输出，并非真的将功率放大了。
1.1.3 测速元件工作原理 因此电刷两端的感应电势与电机的转速成正比，即电势值能表征转速的大小，因此直流测速发电机可以把转速信号转换成电视信号，从而用来测速。 测速装置由电机，光栅盘，等组成。 1.2广义对象数学模型的建立 1.2.1广义对象时间响应特性的测试 1.2.1.1测试实验原理图 G(s)=)()(s s N 输出量 G （s ）=Φ(s) - 1Φ(s) Φ(s)=） 输入量（s )(s N （可以消除干扰） 1.2.1.2测试过程与方法 时域法：通过测量对应特定输入信号的系统输出响应，来确定系统的 传递函数。
直流无刷电动机及其调速控制 1．直流无刷电动机的发展概况与应用 有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。 1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。 随着现代永磁材料和相关电子元器件的性能不断提高，价格不断下降，无刷电动机的到了快速发展，并被广泛应用于各个领域，例如，在数控机床、工业机器人以及医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺机械和家用电器等小功率场合，计算机的硬盘驱动和软盘驱动器器中的主轴电动机、录像机中的伺服电动机等。 2．直流无刷电动机的基本结构和工作原理 2.1直流无刷电动机的结构 直流无刷电动机的结构 示意图如图2-1所示。 无刷直流电动机由它是 由电动机本体、位置检测器、 逆变器和控制器组成。无刷 直流电动机最初的设计思想 来自普通的有刷直流电动 机，不同的是将直流电动机 的定子、转子位置进行了互 换，其转子为永磁结构，产 生气隙磁通；定子为电枢， 有多相对称绕组。原直流电 图2-1 无刷直流电机机构示意图 动机的电刷和机械换向器被 逆变器和转子位置检测器所代替。所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种
由於直流無刷電動機既具有交流電動機の結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具備直流電動機の運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點，故在當今國民經濟各領域應用日益普及。 一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉換裝置，其應用範圍已遍及國民經濟の各個領域以及人們の日常生活中。其主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動機三種。由於傳統の直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向，因而存在相對の機械摩擦，由此帶來了噪聲、火化、無線電幹擾以及壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大限制了它の應用範圍，致使目前工農業生產上大多數均采用三相異步電動機。 針對上述傳統直流電動機の弊病，早在上世紀30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向の直流無刷電動機。經過了幾十年の努力，直至上世紀60年代初終於實現了這一願望。上世紀70年代以來，隨著電力電子工業の飛速發展，許多高性能半導體功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現，以及高性能永磁材料の問世，均為直流無刷電動機の廣泛應用奠定了堅實の基礎。 三相直流無刷電動機の基本組成 直流無刷永磁電動機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉子由永久磁鋼按一定極對數（2p=2,4,…）組成。圖1所示為三相兩極直流無刷電機結構， 圖1 三相兩極直流無刷電機組成 三相定子繞組分別與電子開關線路中相應の功率開關器件聯結，A、B、C相繞組分別與功率開關管V1、V2、V3相接。位置傳感器の跟蹤轉子與電動機轉軸相聯結。 當定子繞組の某一相通電時，該電流與轉子永久磁鋼の磁極所產生の磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變換成電信號，去控制電子開關線
第一章：概述 直流电动机是人类发明最早和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复、维护苦难，价格昂贵等缺点制约了它的发展，应用不及交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的启动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。 转速调节的主要技术指标是：调速范围D和负载变化时对转速的影响即静差率，以及调速时的允许负载性质等（静差率就是表示在负载变化时拖动装置转速降落的程度。静差率越小，表示转速稳定性越好，对生产机械，如机床加工的零件，其加工的精度及表面光洁度就越高）。而直流电动机的突出优点是恰好是能在很大的范围内具有平滑，平稳的调速性能，过载能力较强，热动和制动转矩较大。 因此，从可靠性来看，直流电动机仍有一定的优势。 调节直流电动机转速的方法有三种： （１）电枢回路串电阻； （２）改变励磁电流； （３）改变电枢回路的电源电压； 而本文从另一个角度来阐述直流电机的速度控制，即利用自动控制中的反馈来调节电机的平稳运行以达到各项性能指标。
第二章：系统数学模型 本系统的简化方框图为： 其对应的原理图为： 控制系统的被控对象为电动机（带负载），系统的输出量是转速w ，参数亮是Ui 。控制系统由给定电位器、运算放大器1（含比较作用）、运算放大器2（含RC 校正网络）、功率放大器、测速发电机、减速器等部分组成。 工作原理为：当负载角速度ω和电动机角速度m ω一致的时候，反馈电压为0，电机处 于平衡状态即电动机运行稳定。当负载的角速度收到干扰的作用时，ω和m ω失谐，控制系统通过反馈电压的作用来改变 m ω直到达到新的一致使系统恢复稳定，电机稳定运行。
2.1直流电动机的数学模型： 直流电动机的数学模型。直流电动机可以在较宽的速度范围和负载范围内得到连续和准确地控制，因此在控制工程中应用非常广泛。直流电动机产生的力矩与磁通和电枢电流成正比，通过改变电枢电流或改变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制。图2.2是一个电枢控制式直流电动机的原理图。在这种控制方式中，激磁电流恒定，控制电压加在电枢上，这是一种普遍采用的控制方式。 设为输入的控制电压 电枢电流 为电机产生的主动力矩 为电机轴的角速度 为电机的电感 为电枢导数的电阻 为电枢转动中产生的反电势 为电机和负载的转动惯量 根据电路的克希霍夫定理 (2-1) 电机的主动转矩 (2-2) 其中为电机的力矩常数。 反电势 (2-3) 式中为电机反电势比例系数 力矩平衡方程