直流伺服电机课程设计
目录
绪论 (1)
1 直流伺服电机的基本结构和工作过程 (2)
1.1直流伺服电机的基本结构 (2)
1.1.1 直流伺服电机的介绍 (2)
1.1.2 直流伺服电机的结构 (2)
1.2 直流伺服电机的工作过程 (3)
1.2.1 直流伺服电机的工作原理 (4)
1.2.2 直流伺服电机的工作特性 (4)
2 直流伺服电机的控制方式 (5)
2.1 电枢控制 (6)
2.2 磁场控制 (6)
2.3 总结 (7)
3直流伺服电机控制系统 (7)
3.1总体设计方案 (8)
3.2 硬件电路设计 (8)
3.2.1硬件组成 (8)
3.2.2主要器件功能介绍 (8)
3.2.2.1 直流伺服电机选取 (8)
3.2.2.2 PWM简介及调速原理 (10)
3.2.3 电路组成 (12)
3.2.3.1 晶振电路 (12)
3.2.3.2 复位电路 (12)
3.2.3.3 单相桥式整流电路 (13)
3.3 系统软件设计 (14)
3.3.1 系统简介及原理 (14)
3.3.2 系统设计原理 (14)
3.3.3 系统流程图 (15)
总结 (16)
参考文献 (17)
附录 (18)
附录1单片机原理图 (18)
(18)
绪论
设计内容
设计一个以单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统。
单片机是应控制领域应用的要求而出现的，随着单片机的迅速发展，起应用领域越来越广。尽管目前已经发展众多种类的单片机，但是应用较广、也是最成熟的还是最早有Intel开发的MCS-51系列单片机（51系列单片机）。51系列单片机应用系统已经成为目前主流的单片机应用系统。
直流电机脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation—简称PWM）调速产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜，自动记录仪表等的驱动，后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM技术得到了高速发展，各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。而MCS—51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM 输出功能，本课设采用配合软件的方法实现了MCS—51单片机的PWM输出调速功能，这对精度要求不高的场合时非常实用的。
设计一个以单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统。功能主要包括： 1 直流电机的正转； 2 直流电机的反转； 3直流电机的加速； 4直流电机的减速； 5直流电机的转速在数码管上显示； 6直流电机的启动； 7直流电机的停止；
1 直流伺服电机的基本结构和工作过程
1.1直流伺服电机的基本结构
1.1.1 直流伺服电机的介绍
伺服电动机的作用是将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出，在自动控制系统中常作为执行元件，所以伺服电动机又称为执行电动机，其最大特点是：有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）、励磁式直流电机、混合式直流电机、无刷直流电机、直流力矩电机。
一般的直流伺服电动机的基本结构与普通的直流电动机并无本质的区别。也是有装有磁极的定子、可以转动的电枢和换向器组成。按励磁的方式不同，可分为电磁式与永磁式两种。电磁式直流伺服电动机的磁场有励磁电流通过励磁组产生。按励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，又分为他励式、并励式和串励式三种，一般多用他励式。永磁式直流伺服电动机的磁场由永磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流。
1.1.2 直流伺服电机的结构
直流伺服电机的结构与普通小型直流电动机相同
1. 定子
(1) 主磁极也称为主极。作用是产生气隙磁场。
(2) 换向磁极也称为附加极或间极。作用是改善换向。装在主极之间。
(3) 机座由铸钢或厚钢板焊成。是电机的机械支撑。
(4)电刷装置将直流电压、电流引入或引出的装置。其组数与主极极数相等。
(5)端盖用来支撑转子的转轴。
2. 转子（电枢）
(1) 电枢铁心主磁路的主要部分及嵌放电枢绕组，由硅钢片迭压而成。
(2) 电枢绕组由许多按一定规律联接的线圈组成。用来感应电动势和通过电流，是电路的主要部分。
(3) 换向器由许多彼此绝缘的换向片构成。
(4) 转轴电枢铁心与换向器等都固定在转轴上，通过转轴可以拖动生产机械。
（5）风扇有冷却作用
1.2 直流伺服电机的工作过程
1.2.1 直流伺服电机的工作原理
如图，当用原动机拖动电枢逆时
针方向旋转，线圈边将切割磁力线感
应出电势，电势方向可据右手定则确
定。由于电枢连续旋转，线圈边ab 、
cd 将交替地切割N 极、S 极下的磁力
线，每个线圈边和整个线圈中的感应
电动势的方向是交变的，线圈内的感
应电动势是交变电动势，但由于电刷
和换向器的作用，使流过负载的电流
是单方向的直流电流，这一直流电流一般是脉动的。 在图中，电刷A 所引出的电动势始终是切割N 极磁力线的线圈边中的电
动势，它始终具有正极性;电刷B 始终具有负极性。这就是直流伺服电机的工作
原理。
1.2.2 直流伺服电机的工作特性
传统的直流伺服电动机动实质是容量较小的普通直流电动机，因此其工作特
性与普通直流电动机一致。
1. 静态特性
电磁转矩由下式表示:
a T M I K T ??=φ 式（1.1）
Kt —转矩常数； Φ—磁场磁通；Ia —电枢电流；TM —电磁转矩。
电枢回路的电压平衡方程式为:
a a a a E R I U += 式（1.2）
Ua ─ 电枢上的外加电压；Ra ─ 电枢电阻；Ea ─ 电枢反电势。
电枢反电势与转速之间有以下关系：
φωe a K E = 式（1.3）
Ke ─电势常数；ω─电机转速（角速度）。
根据以上各式可以求得：
M T e a e a T K K R K U ???-=2φφω 式（1.4）
当负载转矩为零时：
φωe a
K U =0式（1.5）
理想空载转速当转速为零时： 式（1.6）
启动转矩当电机带动某一负载TL 时电机转速与理想空载转速的差:
L T e a T K K R 2φω=? 式（1.7）
2. 动态特性
直流伺服电机的动态力矩平衡方程
式（1.8） 式中 TM ─电机电磁转矩； TL ─ 折算到电机轴上的负载转矩；ω ─ 电
机转子角速度； J ─ 电机转子上总转动惯量；t ─时间自变量。
2 直流伺服电机的控制方式
dt d J T T L M ω=-φT g a s K R U T =
2.1 电枢控制
采用电枢控制时，电枢绕组加上控制信号电压，电磁式伺服电动机的励磁绕
组加上额定电压。当控制信号Ua=0时，Ia=0,T=0,电机不会旋转，及转速n=0。
当Ua ≠0时，Ia ≠0，T ≠0，电动机在电磁转矩T 的作用下运转。改变Ua 室外大
小或极性，电动机的转速或转向将随之改变，电动机随着电枢电压大小或极性的
改变而处于调速或反转的状态中。Ua 不同时，伺服电动机的机械特性与普通直
流电动机相同，是一组平行的略微倾斜的直线
机械特性 控制特性
电枢控制时 U f = U fN ，Ua = Uc （控制电压）
T K C R C Uc n T e a e ???-=2φφ 式（2.1）
2.2 磁场控制
采用磁场控制是，电磁式直流伺服电动机的励磁绕组加上控制信号电压，电
枢绕组加上额定电压。这种控制方式在永磁式直流伺服电动机中不能采用。这时
电磁式伺服电动机的工作原理与电枢控制是相同，只是当控制信号电压Uf 的大
小和极性改变时，电动机随着磁场强弱和方向的改变额处在调速或反转状态中，
Uf 不同时，电磁式直流伺服电动机的机械特性与普通的直流电动机在不同If 是
的机械特性相同。If 减小，机械特性上移，斜率增加。
Ua = UaN ， Uf = Uc （控制电压）
忽略磁路饱和、不计电枢反应，则
Φ = CUf =CUc
式（2.2）
2.3 总结
两种控制方式相比，在性能上，电枢控制圆角磁场控制优越，故应用最多。磁场控制的主要优点是控制功率小，仅用于小功率电机。结合生活上的直流伺服电机应用来说，一般多用功率大的控制方式，所以电枢控制应用更加普遍。
3直流伺服电机控制系统
直流伺服电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对消速性能都有一定的要求。例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载使得允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：调速,在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地或平滑地调节转速。稳速,以一定的精度再说需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。加、减速,自动设备要求加、减速尽量快，以提高生产效率，不易经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。
电机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。根据本学期的电力电子以及单片机知识，可以设计一个以单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统。
3.1总体设计方案
总体设计方案的硬件部分详细框图如下图所示
键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过数码管显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三”，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“F”，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000”
3.2 硬件电路设计
3.2.1硬件组成
本系统由PC机、MCS-51单片机开发系统、、PWM脉宽调制控制板以及直流伺服电动机等组成。
3.2.2主要器件功能介绍
3.2.2.1 直流伺服电机选取
负载变化大，要求精度高，为了提高性能，对直流伺服电机提出如下要求：（1)电动机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象。
（2)电动机应有一定的过载能力，以满足低速、大转矩的要求。
（3）为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵
转转矩、尽可能小的机电时问常数和启动电压。
（4）电动机应能承受频繁的启动、制动和反转。
一 转矩的要求
直流伺服电机是根据负载来选取的，加在伺服电机轴上的负载转矩和负载惯
量。负载转矩包括切削转矩和摩擦转矩;负载惯量指由伺服电机驱动的所有作旋
转运动和直线运动的部件的惯量折算到伺服电机轴上的惯量总和。加到伺服电机
轴上的负载转矩通常由下述公式计算
(FL/2)M f M πη=+ 式（3.1）
式中:M 一一加到伺服电机轴上的负载转矩，N m ?；
F 一一沿丝杠轴向移动工作台所需的力，N ;
η一一驱动系统的效率;
L 一一伺服电机轴每转工作台的位移，m ；
f M 一一折算到电机轴上的滚珠丝杠螺母部分、轴承部分的摩擦转矩
(N m ?)不包括η。
力F 决定于工作台质量、摩擦系数以及水平及垂直方向的切削力，或是所用
的平衡体的质量(在垂直方向时)。不切削时：
(W )s F f μ=+ 式（3.2）
切削时：
(9.8W f )f g cf c F f μ=+++ 式（3.3）
式中 W 一一工作台和工件的质量，kg ;
g f 一一镶条夹紧力，N ;
c f 一一切削抗力，N ;
cf f 一一刀具切削时的轴向切削力，N
μ一一摩擦系数。
二 转动惯量的要求
一般在选择直流伺服电机时，应使负载转矩小于或等于伺服电机的额度转矩;
负载转矩加上加速转矩应等于伺服电机的最大转矩;加速转矩等于最大转矩减去
负载转矩(空载时等于最大转矩减去摩擦转矩);加速转矩应考虑负载惯量与电机
惯量的匹配。系统机械传动部分的等效惯量L J 对系统响应特性的影响L J 增大时，
响应趋缓，且出现超调;当L J 工减小时，系统响应加快。所以交流伺服电机的要
求是
223L M
J J ≤≤ 式（3.4）
所以选择型号：博山瑞鑫70sz54，额定电压：220V 的直流伺服电动机。
SZ系列微型直流伺服电动机广泛应用于各种机械设备及自动化控制系统中用作执行元件，也可用作驱动元件。本系列电动机是我国自行设计的新系列产品，同老系列S系列产品相比，具有体积小、重量轻、力能指标高、零部件通用化程度强等特点。
按激磁方式本系列电动机分为：他激（并激）、串激（C）、复激（F）三种。
按使用环境条件本系列电动机分为普通型和湿热带型两类.本系列电机可与多种系列减速器相配合，满足用户对转速、转矩、安装工位的不同要求。
型号转矩
（mN·m）转速
（r/min）
功率
（w）
电压电流（A）不大于允许顺
逆转速
差
（r/min）转动惯量不大于（mN·m ·S）
电枢激磁电枢激磁
70sz54 176 3000 55.0 110 110 0.80 0.130 200 0.070
3.2.2.2 PWM简介及调速原理
（1）简介：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等待地获得所需要波形。PWM的一个优点是从处理器
到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持在数字形式可
将噪声影响降到最小。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点
而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。
（2）调速原理：占空比表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。其变化范围为0—1。如图2.1，在电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值U取决于占空比的大小。改变其值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。在PWM调速时，占空比是一个重要的参数。以下是3种方式都可以改变占空比的值：
占空比示意图
计算公式：占空比=ton/T
(a)定宽调频法
( b)调宽调频法
(c)定频调宽法
目前，在直流伺服电机的控制中，主要使用定频调宽法。
PWM调速系统有下列优点：
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可能就足以获得脉冲动很小的直流电流，电枢容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。又由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流即相同的输出转矩下，电动机的损耗和发热都较小。
同样由于开关频率高，若与快速响应的电机配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗干扰能力强。
由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率比较高。
3.2.2.3传感器选择
霍尔器件是一种磁传感器。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量，可用于磁场的测量和控制。霍尔器件具有许多优点，它们的体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1 MHz) ,耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。此外，其工作温度范围宽。
其中最常用的有以下几种：
（1）霍尔元件式位置传感器
霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍
尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式。第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装在与电机轴同轴的永磁体。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔120°电角度，永磁体的极弧宽度为180°电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽度为180°电角、相位互差120°电角的矩形波信号。第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。
（2）电磁式位置传感器
电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成。转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦合，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器工作。这种传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但此输出电压是交流，必须先整流。由于这种传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。
3.2.3电路组成
3.2.3.1 晶振电路
晶振电路图，由两个电容和一个晶振组成，晶振频率为12MHZ，用来提供稳定的频率信号。
3.2.3.2 复位电路
复位电路由直流电源，电容和电阻组成，其主要功能是对单片机进行复位功能。
3.2.3.3 单相桥式整流电路
单相桥电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路PWM电路由复合体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。
在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，当电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过P10输入高电平信号，P11输入低电平，电机正转；通过P10输入低电平信号，P11输入高电平，电机反转；P10、P11同时为高电平或低电平时，电机不转。通过对信号占空比的调整来对电机转速进行调节。
3.3 系统软件设计
3.3.1 系统简介及原理
该课设是基于单片机利用脉冲宽度调制来控制伺服直流电动机的转速以及转向，是一个典型的控制系统。
脉冲宽度调制主要是改变脉冲信号的占空比来实现控制的。当增加脉冲的占空比，伺服直流电动机转速增加；反之，其速度降低。所以通过控制脉冲的占空比可以控制伺服直流电动机的转速。
单片机AT89C51，其主要功能就是将开关的模拟信号转化成数字信号，并通过固定程序，通过对信号的识别，输出相应的控制信号。采用晶闸管作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。以电动机作为负载，工作时Q1,Q3的通断状态互补，Q2,Q4的通断状态也互补。PWM逆变电路中间是调制电路，输入信号分别是信号波和载波，输出的信号分别送至4个晶闸管的门极，对其控制。
3.3.2 系统设计原理
（1）正反转控制原理
该系统中利用开关K3控制伺服直流电动机的正反转。当开关闭合时既输入信号为1，通过单片机编程处理后，控制电动机的正转；反之，控制电动机的反转。实现该功能的子程序为：
LOOP: JB K3,LOOPZF ；高电平逆时针转，低电平顺时针转
CLR ZF ；正转
LJMP LOOPK1
LOOPZF: SETB ZF
（2）加速控制原理
该系统中利用开关K1控制伺服直流电动机的加速。当开关闭合时既输入信号为1，通过单片机编程处理后，增加控制脉冲的占空比，从而增大了电动机两侧的电压，使伺服直流电动机加速；反之，电动机保持匀速转动。
实现该功能的子程序为：
LOOPK1: JB K1,LOOPK2 ；K1按下加速
LCALL DELAY
MOV A,PWML
ADD A,#1 ；调宽值低4位加1
MOV PWML,A
MOV A,PWMH
ADDC A,#0 ；调宽值高4位加1
MOV PWMH,A
JNC LOOPK2 ；最大值时时
MOV PWMH,#0FFH
（3）减速控制原理
该系统中利用开关K2控制伺服直流电动机的加速。当开关闭合时既输入信号为1，通过单片机编程处理后，减少控制脉冲的占空比，从而减小了电动机两侧的电压，使伺服直流电动机减速；反之，电动机保持匀速转动。
实现该功能的子程序为：
LOOPK2: JB K2,OVER ；K2按下减速
LCALL DELAY
MOV A,PWML
CLR C
SUBB A,#1 ；调宽值低4位减1
MOV PWML,A
MOV A,PWMH
SUBB A,#0 ；调宽值高4位减1
MOV PWMH,A
JNC OVER
MOV PWMH,#00H ；最小值时
3.3.3 系统流程图
由左边流程图可知，系统先检测开关3
（正反转开关）的信号。如果是0信号（开
的状态），则发出正转信号，电动机正转，
反之电动机反转。检测完开关3，接下来检
测开关1（加速开关），若信号为1（关的
状态），发出加速的信号，电动机加速，若
信号为0（开的状态），速度保持不变。再
检测开关2（减速开关），若信号为1（关
的状态），发出减速的信号，电动机减速，
若信号为0，速度保持不变。系统一直对三
个开关信号循环检测，循环的执行程序。
总结
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电机技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手设计，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。
课程设计给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道理，给了我很多思想，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和功能；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等。
在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！
参考文献
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[2]高玉芹.单片机原理及C51编程技术.机械工业出版社.2011
[3]王兆安刘进军.电力电子技术.机械工业出版社.2009
[4]赵鸿图.基于单片机AT89C51的直流电机PWM调速系统.电子技术.2008(10).
[5]王苏.直流电机PWM调速研究及单片机控制实现[J].机电工程技术.2008(11).
附录附录1单片机原理图
直流伺服电机实验报告
实验六 直流伺服电机实验 一、实验设备及仪器 被测电机铭牌参数： P N =185W ，U N =220V ，I N =1.1A ， 使用设备规格(编号)： 1．MEL 系列电机系统教学实验台主控制屏（MEL-I 、MEL-IIA 、B ）； 2．电机导轨及测功机、转速转矩测量（MEL-13）； 3．直流并励电动机M03（作直流伺服电机）； 4．220V 直流可调稳压电源（位于实验台主控制屏的下部）； 5．三相可调电阻900Ω（MEL-03）； 6．三相可调电阻90Ω（MEL-04）； 7．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）； 二、实验目的 1．通过实验测出直流伺服电动机的参数r a 、e κ、T κ。 2．掌握直流伺服电动机的机械特性和调节特性的测量方法。 三、实验项目 1．用伏安法测出直流伺服电动机的电枢绕组电阻r a 。
2．保持U f=U fN=220V，分别测取U a =220V及U a＝110V的机械特性n=f(T)。3．保持U f=U fN=220V，分别测取T2＝0.8N.m及T2＝0的调节特性n=f(Ua)。4．测直流伺服电动机的机电时间常数。 四、实验说明及操作步骤 1．用伏安法测电枢的直流电阻Ra
表中Ra=（R a1+R a2+R a3）/3; R aref=Ra*a ref θ θ + + 235 235 （3）计算基准工作温度时的电枢电阻 由实验测得电枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值，冷态温度为室温。按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值： R aref=Ra a ref θ θ + + 235 235
直流稳压电源设计实验报告(模电)
直流稳压电源的设计实验报告 一、实验目的 1.学会选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源 2.掌握直流稳压电源的调试及主要技术指标的测量方法 二、实验任务 利用7812、7912设计一个输出±12V 、1A 的直流稳压电源； 三、实验要求 1）画出系统电路图，并画出变压器输出、滤波电路输出及稳压输出的电压波形； 2）输入工频220V 交流电的情况下，确定变压器变比； 3）在满载情况下选择滤波电容的大小（取5倍工频半周期）； 4）求滤波电路的输出电压； 5）说明三端稳压器输入、输出端电容的作用及选取的容值。 四、实验原理 1.直流电源的基本组成 变压器：将220V 的电网电压转化成所需要的交流电压。 整流电路：利用二极管的单向导电性，将正负交替的交流电压变换成单一方向的直流脉动电压。 滤波电路：将脉动电压中的文波成分滤掉，使输出为比较平滑的直流电压。 稳压电路：使输出的电压保持稳定。 4.2 变压模块 变压器：将220V 的电网电压转化成所需要的交流电压。 4.2 整流桥模块 整流电路的任务是将交流电变换为直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。管D 1～D 4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。 由上面的电路图，可以得出输出电压平均值：2)(9.0U U AV o ≈ ，由此可以得V U 152=即可 即变压器副边电压的有效值为15V 计算匝数比为 220/15=15 2.器件选择的一般原则 选择整流器 流过二极管的的平均电流: I D =1/2 I L 在此实验设计中I L 的大小大约为1A 反向电压的最大值：Urm=2U 2 选择二极管时为了安全起见，选择二极管的最大整流电路I DF 应大于流过二极
基于单片机的直流伺服电机转速控制课程设计
近年来,随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入。在仪器仪表、家用电器和专用装备的智能化以及过程控制等方面,单片机都扮演着越来越重要的角色。作为高等工科院校,将单片机的应用引入实验教学必将对微电子控制技术的研究与实践注入强大活力。我们研制的直流伺服电机控制实验装置即以单片机作为核心部件,它可完成对直流伺服电机转速、方向、行程的闭环控制。本文重点论述该实验装置的硬件组成,软件设计以及控制方案的实施。 1 系统硬件组成 本系统由IBM-PC机、MCS-51单片机开发系统、模拟控制板、PWM脉宽 调制控制板以及带齿片和光电传感器的直流伺服电动机等组成。 1.1 以IBM-PC机作为本系统的辅助机 为了便于对单片机进行有效的开发,通过RS-232串行接口直接与IBM-PC机相连,使单片开发机能充分利用IBM-PC的CRT、磁盘、打印机和各种软硬件资源。可同时在IBM-PC机上进行编辑程序—交叉汇编—屏幕模拟调试,最后通过串行通讯软件将目标程序传输到单片开发机上,从而极大地方便了程序的调试。 1.2 MCS-51单片开发机 通过一条40芯仿真插头使该单片开发机与直流伺服电机控制板相连,系统在总线控制器的作用下,使8031在监控状态和用户状态之间切换。实验程序有单步断点、连续运行方式,包括INT0，INT1，T0，T1和串行口的中断服务程序。1.3 模拟控制板 该板由DAC0832数模转换器、译码电路、T1中断信号整形电路、运算放大器电路及三极管驱动电路组成。译码电路完成对DAC0832的片选,0832芯片完成数字量到模拟量的转换。四运放芯片F324,前两级运放构成双极性输出,其输出正、负由单片机输出的代码决定,即D7=0输出为正,D7=1输出为负,由此驱动电机正、反转。第三级运放为电压放大,将±5V放大到±12V,运放后面跟着两级功放,为射级跟随器输出形式。 1.4 PWM脉宽调制控制板 该板由T9224光电隔离、T1中断信号整形、电机转向控制以及功放驱动电路组成。采用脉宽调制控制电机的转速,首先要确定采样周期和定时脉冲周期以
直流电机VS交流电机VS步进电机VS伺服电机-如何正确选择步进电机和伺服电机
什么是直流电机，什么是交流电机，什么是步进电机，什么是伺服电机？ (1) 一般直流电机与直流伺服电机的区别 (2) 直流伺服电动机工作原理是什么？ (2) 伺服马达的工作原理 (4) 伺服马达和步进马达的区别 (5) 如何正确选择伺服电机和步 (5) 1，如何正确选择伺服电机和步进电机？ (5) 2，选择步进电机还是伺服电机系统？ (5) 3，如何配用步进电机驱动器？ (6) 4，2相和5相步进电机有何区别，如何选择？ (6) 5，何时选用直流伺服系统，它和交流伺服有何区别？ (6) 6，使用电机时要注意的问题？ (7) 7，步进电机启动运行时，有时动一下就不动了或原地来回动，运行时有时还会失步，是什么问题？ (7) 8，我想通过通讯方式直接控制伺服电机，可以吗？ (8) 9，用开关电源给步进和直流电机系统供电好不好？ (8) 10，我想用±10V或4~20mA的直流电压来控制步进电机，可以吗？ (8) 11，我有一个的伺服电机带编码器反馈，可否用只带测速机口的伺服驱动器控制？ (8) 12，伺服电机的码盘部分可以拆开吗？ (8) 13，步进和伺服电机可以拆开检修或改装吗？ (8) 14，几台伺服电机可以作同步运行吗？ (8) 15，伺服控制器能够感知外部负载的变化吗？ (8) 16，可以将国产的驱动器或电机和国外优质的电机或驱动器配用吗？ (8) 17，使用大于额定电压值的直流电源电压驱动电机安全吗? (8) 18，我如何为我的应用选择适当的供电电源? (9) 19，对于伺服驱动器我可以选择那种工作方式？ (9) 20，驱动器和系统如何接地？ (10) 21，减速器为什么不能和电机正好相配在标准转矩点? (10) 22，我如何选择使用行星减速器还是正齿轮减速器? (10) 23，何为负载率(duty cycle)? (11) 24，标准旋转电机的驱动电路可以用于直线电机吗？ (12) 25，直线电机是否可以垂直安装，做上下运动？ (12) 26，在同一个平台上可以安装多个动子吗？ (12) 27，是否可以将多个无刷电机的动子线圈安装于同一个磁轨道上？ (12) 28，AMS的直线电机是否可以用于特殊环境，如水溅、真空、洁净室、辐射等环境？ (12) 29，使用直线电机比滚珠丝杆的线性电机有何优点？ (12) 30，你们的滑台可以做多个组合一起使用吗？ (12) 什么是直流电机，什么是交流电机，什么是步进电机，什么是伺服电机？ 1、什么是直流电机？ 答：输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机 2、什么是交流电机
直流稳压电源设计实验报告
直流稳压电源设计实验报 告 Prepared on 22 November 2020
实训报告 题目名称：直流稳压电源电路 系部：电气与信息工程系 专业班级：机制 14-3 学生姓名：郭欣欣 学号： 指导教师：刘岩 完成日期： 2018年1月17日 摘要 随着电子技术的快速发展，高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来越高，如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。直流稳压源为电路提供直流电压和能量，其输出电压的品质直接决定的电源性能的好坏。 本实验旨在利用交流变压器、整流环节、滤波环节和集成元件稳压电路将交流电压转化为直流电压输出，并且对衡量稳压电路性能的几种主要参数进行了测试和分析。 随着电子技术的快速发展，高性能的电子电路对于电源供电质量的要求越来 越高，如何设计出能满足高性能电路要求的高精度电源便成为一大课题。直流稳 压源为电路提供直流电压和能量，其输出电压的品质直接决定的电源性能的好坏。本实验旨在利用交流变压器、整流环节、滤波环节和集成元件LM317稳压电路将220V交流电压转化为5V直流电压输出，并且对衡量稳压电路性能的几种主要参数进行了测试和分析。 关键词:半波整流电容滤波稳压电路稳压系数纹波电压 目录 一、设计要求 (1) 二、原理分析与设计步骤 1.直流稳压电路结构的选择 (1) 2.交流变压器 (2) 3.整流电路 (2)
4.滤波电路 (2) 5.集成稳压电路 集成稳压器件LM317 (3) LM317典型接法 (4) 6.参数计算与器件选择 (4) 电路参数计算 (4) 元器件清单 (5) 三、实验步骤与测试结果 1.电路搭接与仪器调试 (6) 2.性能参数测试 稳压系数的测量 (6) 输出电阻的测量 (6) 纹波电压的测量 (7) 测量结果分析 (7) 四、实验小结 (7)
直流伺服电机控制系统设计
电子信息与电气工程系课程设计报告 设计题目：直流伺服电机控制系统设计 系别：电子信息与电气工程系 年级专业： 学号： 学生姓名： 2006级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书
摘要 随着集成电路技术的飞速发展，微控制器在伺服控制系统普遍应用，这种数字伺服系统的性能可以大大超过模拟伺服系统。数字伺服系统可以实现高精度的位置控制、速度跟踪，可以随意地改变控制方式。单片机和DSP在伺服电机控制中得到了广泛地应用，用单片机作为控制器的数字伺服控制系统，有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。。本设计研究的直流伺服电机控制系统即以单片机作为核心部件,主要是单片机为控制核心通过软硬件结合的方式对直流伺服电机转速实现开环控制。 对于伺服电机的闭环控制，采用PID控制，利用MATLAB软件对单位阶跃输入响应的PID 校正动态模拟仿真，研究PID控制作用以及PID各参数值对控制系统的影响，通过试凑法得到最佳PID参数。同时能更深度地掌握在自动控制领域应用极为广泛的MATLAB软件。 关键词：单片机直流伺服电机 PID MATLAB
目录 1.引言 ...................................................... 错误!未定义书签。2．单片机控制系统硬件组成.................................... 错误!未定义书签。 微控制器................................................ 错误!未定义书签。 DAC0808转换器.......................................... 错误!未定义书签。 运算放大器............................................... 错误!未定义书签。 按键输入和显示模块....................................... 错误!未定义书签。 按键输入............................................ 错误!未定义书签。 显示模块............................................ 错误!未定义书签。 直流伺服电动机.......................................... 错误!未定义书签。 3.单片机控制系统软件设计..................................... 错误!未定义书签。 主程序................................................... 错误!未定义书签。 键盘处理子程序........................................... 错误!未定义书签。 4.控制系统原理图及仿真....................................... 错误!未定义书签。 控制系统方框图........................................... 错误!未定义书签。 控制系统电路原理图....................................... 错误!未定义书签。 Proteus仿真结果........................................ 错误!未定义书签。组件对直流伺服控制系统的仿真................................. 错误!未定义书签。 MATLAB与Simulink简介.................................. 错误!未定义书签。 MATLAB简介......................................... 错误!未定义书签。 Simulink简介....................................... 错误!未定义书签。 直流伺服电机数学模型.................................... 错误!未定义书签。 系统Simulink模型及时域特性仿真......................... 错误!未定义书签。 开环系统Simulink模型及仿真......................... 错误!未定义书签。 单位负反馈系统Simulink模型及仿真................... 错误!未定义书签。 PID校正................................................ 错误!未定义书签。 PID参数的凑试法确定................................ 错误!未定义书签。 比例控制器校正...................................... 错误!未定义书签。 比例积分控制器校正.................................. 错误!未定义书签。 PID控制器校正...................................... 错误!未定义书签。6．小结...................................................... 错误!未定义书签。参考文献..................................................... 错误!未定义书签。附录 ........................................................ 错误!未定义书签。
伺服电机工作原理及和步进电机的区别
伺服电机工作原理及和步进电机の区别 2010-03-30 17:14 伺服电机内部の转子是永磁铁，驱动器控制のU/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场の作用下转动，同时电机自带の编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动の角度。伺服电机の精度决定于编码器の精度（线数）。 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到の电信号转换成电动机轴上の角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩の增加而匀速下降.。 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术の发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出の发展，各国著名电气厂商相继推出各自の交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统の主要发展方向，使原来の直流伺服面临被淘汰の危机。90年代以后，世界各国已经商品化了の交流伺服系统是采用全数字控制の正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域の发展日新月异。 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小，易于提高系统の快速性波纹管联轴器。⑷适应于高速大力矩工作状态。⑸同功率下有较小の体积和重量。 伺服和步进电机 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应の角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲の功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量の脉冲，这样，和伺服电机接受の脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确の控制电机の转动，从而实现精确の定位，可以达到0.001mm。 步进电机是一种离散运动の装置，它和现代数字控制技术有着本质の联系。在目前国内の数字控制系统中，步进电机の应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统の出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制の发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号）弹性联轴器，但在使用性能和应用场合上存在着较大の差异。现就二者の使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为
直流伺服电机实验报告
直流电机的特性测试 一、实验要求 在实验台上测试直流电机机械特性、工作特性、调速特性（空载）和动态特性，其中测试机械特性时分别测试电压、电流、转速和扭矩四个参数，根据测试结果拟合转速—转矩特性（机械特性），并以X 轴为电流，拟合电流—电压特性、电流—转速特性、电流—转矩特性，绘制电机输入功率、输出功率和效率曲线，即绘制电机综合特性曲线。然后在空载情况下测试电机的调速特性，即最低稳定转速和额定电压下的最高转速，即调速特性；最后测试不同负载和不同转速阶跃下电机的动态特性。 二、实验原理 1、直流电机的机械特性 直流电机在稳态运行下，有下列方程式： 电枢电动势 e E C n =Φ （1-1） 电磁转矩 e m T C I =Φ （1-2） 电压平衡方程 U E I R =+ （1-3） 联立求解上述方程式，可以得到以下方程： 2e e e m U R n T C C C = -ΦΦ （1-4） 式中 R ——电枢回路总电阻 Φ——励磁磁通 e C ——电动势常数 m C ——转矩常数 U ——电枢电压 e T ——电磁转矩 n ——电机转速
在式（1-4）中，当输入电枢电压U 保持不变时，电机的转速n 随电磁转矩e T 变化而变化的规律，称为直流电机的机械特性。 2、直流电机的工作特性 因为直流电机的励磁恒定，由式（1-2）知，电枢电流正比于电磁转矩。另外，将式（1-2）代入式（1-4）后得到以下方程： e e U R n I C C = -ΦΦ （1-5） 由上式知，当输入电枢电压一定时，转速是随电枢电流的变化而线性变化的。 3、直流电机的调速特性 直流电机的调速方法有三种：调节电枢电压、调节励磁磁通和改变电枢附加 电阻。 本实验采取调节电枢电压的方法来实现直流电机的调速。当电磁转矩一定 时，电机的稳态转速会随电枢电压的变化而线性变化，如式（1-4）中所示。 4、直流电机的动态特性 直流电机的启动存在一个过渡过程，在此过程中，电机的转速、电流及转矩 等物理量随时间变化的规律，叫做直流电机的动态特性。本实验主要测量的是转速随时间的变化规律，如下式所示： s m dn n n T dt =- （1-6） 其中，s n ——稳态转速 m T ——机械时间常数 本实验中，要求测试在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的 动态特性。 5、传感器类型 本实验中，测量电机转速使用的是角位移传感器中的光电编码器；测量电磁 转矩使用的是扭矩传感器。
直流伺服电机的结构与分类
直流伺服电机的结构与分类 直流伺服电机的品种很多，根据磁场产生的方式，直流电机可分为他励式、永磁式、并励式、串励式和复励式五种。永磁式用氧化体、铝镍钴、稀土钴等软磁性材料建立激磁磁场。在结构上，直流伺服电机有一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。为避免电刷换向器的接触，还有无刷直流伺服电机。根据控制方式，直流伺服电机可分为磁场控制方式和电枢控制方式。永磁直流伺服电机只能采用电枢控制方式，一般电磁式直流伺服电机大多也用电枢控制方式。 在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机主要有以下几种：1．小惯性直流伺服电机 小惯性直流伺服电机因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式，电枢绕组有无槽电枢式、印刷电枢式和空心杯电枢式三种。因为小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量，所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上，这类伺服电机应用得比较多。 2．大惯量宽调速直流伺服电机 大惯量宽调速直流伺服电机又称直流力矩电机。一方面，由于它的转子直径较大，线圈绕组匝数增加，力矩大，转动惯量比较其他类型电机大，且能够在较大过载转矩时长时间地工作，因此可以直接与丝杠
相连，不需要中间传动装置。另一方面，由于它没有励磁回路的损耗，它的外型尺寸比类似的其他直流伺服电机小。它还有一个突出的特点，是能够在较低转速下实现平稳运行，最低转速可以达到1r／min，甚至0.1r／min。因此，这种伺服电机在数控机床上得到了广泛地应用。 3．无刷直流伺服电机 无刷直流伺服电机又叫无整流子电机。它没有换向器，由同步电机和逆变器组成，逆变器由装在转子上的转子位置传感器控制。它实质是一种交流调速电机，由于其调速性能可达到直流伺服发电机的水平，又取消了换向装置和电刷部件，大大地提高了电机的使用寿命。
集成稳压电源实验报告
电子电工教学基地 实 验 报 告 实验课程：模拟电子技术实验 实验名称：集成直流稳压电源的设计 班级： 姓名 小组成员： 实验时间： 上课时间：
集成直流稳压电源实验报告 一．设计目的 1.掌握集成稳压电源的实验方法。 2.掌握用变压器、整流二极管、滤波电容和集成稳压器来设计直流稳压电源。 3.掌握直流稳压电源的主要性能参数及测试方法。 4.进一步培养工艺素质和提高基本技能。 二．设计要求 （1）设计一个双路直流稳压电源。 （2）输出电压Vo=±12V，+5V最大输出电流Iomax=1A （3）输出纹波电压ΔVop-p≤5mV, 稳压系数Sv≤5×10-3。 三．总电路框图及总原理图。 LM7912CT 四．设计思想及基本原理分析 直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。 直流稳压电源一般有电源变压器T r、整流、滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图：
各部分作用如下： （1）电源变压器 电源变压器T r的作用是将电网220V的交流电压变换为整流滤波电路所需要的交流电压U i，变压器的副边与原边的功率比为P2/P1=η，η为变压器的效率。 （2）整流电路 整流电路将交流电压U i变换成脉动的直流电压。 常用的整流电路有全波整流电路，桥式整流电路、倍压整流电路等。 本实验我们采用的是桥式整流电路： 二极管选择： 考虑到电网波动范围为±10%，二极管 的极限参数应满足： （3）滤波电路 滤波电路将脉动直流电压的纹波减小或滤除，输出直流电压U1。 常用的滤波电路有电容滤波电路，电感滤波电路、复式滤波电路等。 2 max R 2U U= L 2 L(AV) D(AV) 45 .0 2R U I I≈ = ? ? ? ? ? > ? > 2 R L 2 F 2 1.1 45 .0 1.1 U U R U I
直流电机转速闭环控制课程设计
计算机控制技术课程设计 报告 设计课题：直流电机转速闭环控制 （采用单片机教学实验系统） 班级： 报告人： 指导教师： 完成日期：2011年9月22日
重庆大学本科学生《计算机控制技术基础》课程设计任务书课程设计题目直流电机转速闭环控制（采用单片机教学实验系统） 学院自动化学院专业自动化专业年级 （1）已知参数和设计要求 1）用单片机产生PWM方波调制直流电机以一定速率旋转，人为给一个速度漂移，霍尔元件测出速度并根据PID算法跟踪校正速度漂移。 2）要求用LED或LCD时实显示电机速度。 3）要求在10秒内PID算法纠正速率漂移。 （2）实现方法 采用单片机教学实验系统实现（限≤4人选做） 学生应完成的工作： 1）硬件设计：要求完成控制系统框图；绘制完整的控制系统电原理图；说明各功能模块的具体功能和参数；结合实验室现有的单片机教学实验系统进行系统组成，对整个系统的工作原理进行全面分析，论述其结构特点、工作原理、优、缺点和使用场合。分析和论述系统采用的主要单元的工作原理和特性。 2）软件设计：要求合理分配系统资源，完成直流电机转速闭环控制的程序设计（如：系统初始化；主程序；A/D转换；D/A转换；标度变换；显示与键盘管理；控制算法处理；输出等）。 3）对设计控制系统进行系统联调。 4）编写课程设计报告：按统一论文格式、统一报告纸和报告的各要素【封面、任务书、目录、摘要、序言、主要内容（包括设计总体思路、设计步骤、原理分析和相关知识的引用等）、总结、各组员心得体会、参考书及附录（包括系统框图、程序流程图、电原理图和程序原代码）】进行编写，字数要求不少于4000字，要求设计报告论理正确，逻辑性强，文理通顺，层次分明，表达确切。 目前资料收集情况（含指定参考资料）： 《计算机硬件技术基础实验教程》黄勤等编著重庆大学出版社 《单片微型计算机机与接口技术》李群芳等编著电子工业出版社 《计算机控制技术》王建华等编著高等教育出版社 课程设计的工作计划： （1）2011年9月19日熟悉设计任务和要求。 （2）2011年9月20日确定设计方案。 （3）2011年9月21日硬件调试。 （4）2011年9月22日软件及系统调试。 （5）2011年9月23日设计答辩。 任务下达日期 2011年 9月 19 日完成日期 2011年 9 月 24日 指导教师（签名） 学生（签名） 说明：1、学院、专业、年级均填全称，如：光电工程学院、测控技术、2003。 2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。
如何正确选择步进电机和伺服电机
步进电机和伺服电机的区别与正确选择 在行走定位系统中，常用的电机就是步进电机和伺服电机两种，其中步进电机主要有2相、 5相和微步进几种，伺服电机主要有交流伺服电机和直流伺服电机，以及有刷和无刷电机的分类。 2相、5相和微步步进电机主要是驱动器所表现出来解析度不同, 2相步进系统电机每转最细可分为400 格, 五相则为1000 格, 微步进则可从200 ~ 5000(或以上)格, 表现出来的特性以微步进最好, 加减速时间较短, 动态惯性较低. AC 和DC 伺服电机主要的分别为DC伺服比AC伺服电机多了一个碳刷, 会有维护上的问题, 而AC 伺服电机因没有碳刷, 所以后续并不会有太大维护上的问题. 所以基本上来说AC伺服系统是较DC 伺服系统为优, 但DC 伺服系统主要的优势则是价位上比AC 伺服系统较便宜. 而此两种系统的控制精度皆为相同. 以下为伺服电机与步进电机的特征介绍 步进电机： ◎特征 ●具保持力 由于步进电机在激磁状态停止时，具有很大的保持力，因此即使不使用机械式刹车亦可以保持停止位置(具有激磁状态停止时，与电机电流成比例的保持力)。 在停电时步进电机不具有保持力，因此停电时若需有保持力，请使用附电磁刹车机种。 藉由电机的高精度加工，可实现步进电机高精度定位功能。解析度是取决于电机的构造，一般的HYPRID型5相步进电机为1步级0.72°精度是取决于电机的加工精度而定，无负载时的停止精度误差为±3分(±0.05°)。 ● 角度控制、速度控制简单 步进电机为与输入的脉波成正比，一次以一步级角运转（0.72度）。 ●高转矩，高响应性 步进电机虽然体积小但在低速运转时皆可获得高转矩输出。因此在加速性、响应性、频繁的起动及停止皆可发挥很大的威力。
交流伺服电机内部结构图及原理
一、交流伺服电机结构图 二、原理 交流伺服电机在定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。
交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无"自转"现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大, 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 2、运行范围较广. 3、无自转现象) 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。 交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W 的小功率控制系统。
基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统
成绩 运动控制系统 课程设计 题目: 基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统 院系名称: 电气工程学院 专业班级: xxx 学生姓名: xxx 学号: xxxx 指导教师: 石庆生
摘要 单片机是应控制领域应用的要求而出现的，随着单片机的迅速发展，起应用领域越来越广。尽管目前已经发展众多种类的单片机，但是应用较广、也是最成熟的还是最早有Intel开发的MCS-51系列单片机（51系列单片机）。51系列单片机应用系统已经成为目前主流的单片机应用系统。 直流电机脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation—简称PWM）调速产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜，自动记录仪表等的驱动，后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM技术得到了高速发展，各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。而MCS—51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM 输出功能，本课设采用配合软件的方法实现了MCS—51单片机的PWM输出调速功能，这对精度要求不高的场合时非常实用的。
目录 1、前言 (1) 1.1单片机的发展史 (1) 1.2本设计任务 (1) 2、总体设计方案 (2) 3、硬件电路设计 (2) 3.1硬件组成 (2) 3.2主要器件功能介绍 (3) 3.2.1直流伺服电机简介 (3) 3.2.2 PWM简介及调速原理 (4) 3.2.3 传感器选择 (5) 3.3电路组成 (6) 3.3.1 晶振电路 (6) 3.3.2 复位电路 (6) 3.3.3 单相桥式整流电路 (7) 3.3.4 调制电路 (7) 4、系统软件设计 (8) 4.1系统简介及原理 (8) 4.2系统设计原理 (8) 4.3程序流程图 (10) 5、建模 (11) 5.1控制框图 (11) 5.2参数计算 (12) 5.3PWM变换器环节的数学模型 (14) 5.4仿真结果图 (14) 总结 (16) 参考文献 (17) 附件1：汇编设计 (18) 附件2： (20)
数控直流稳压电源实验报告
数控直流稳压电源实验报告 学院：信息学院 专业：电气工程与自动化 班级：12自动化班 姓名：陈志强 学号： 3 指导老师：胡乾苗 2014年7月8日 数控直流稳压电源 一、系统初步设计 直流稳压电源框图： 我们只对稳压电路部分进行设计，前三部分利用现成的实验室稳压电源。即 U=实验室稳压电源的输出电压 I 1.1.1 设计任务 设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源。 1.1.2 基本要求 （1）输出直流电压调节范围0-15V，纹波小于20mV。 （2）输出电流0-500mA。 （3）稳压系数小于0.2。 （4）输出直流电压能步进调节，步进值为1V。 （5）由“+”、“-”两键控制输出电压步进值的增或减。 （6）用数码管显示输出电压值，当输出电压为15V时，数码管显示为“15”。 1.2基本工作原理 1.2.1 串联型稳压电路
稳压电路较常用的串联型线性稳压电路具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点，其原理图如图1所示。输入电压为整流滤波电路的输出电压。稳压电路的输出电压为： （1-1） 由式（1-1）可知输出电压与基准电压为线性关系，当改变UZ 的大小，则输出电压也将发生变化。如果此基准电压时一个数控基准电压，则此稳压电路就可以构成一个数控的稳压电源。 图1 串联稳压电路原理图 1.2.2 数控基准电压源 数控基准电压源的原理框图如图2所示。数控基准电压源的电压大小可以通过可逆计数器预置数据，计数器的内容对应于稳压电源的输出电压，同时该计数值经译码显示电路，显示当前稳压电源的输出电压。计数器的输出送至D/A 转换器，转换成相应的电压，此电压去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出 电压以1V 的步进值增或减。 图2 数控基准电压源框图 1.2.3 数字直流稳压电源总框图 图3 数字直流稳压电源总框图 二．单元电路设计系统 单脉冲通常可以用按键产生，实际的电路有多种形式，可以由门电路构成，也可以由集成单脉冲触发器构成。 按键闭合：C 充电，τ充=R 1C ，按键断开：C 放电，τ放=R 2C ，G ：施密特触 1 2 2()N O U U R R R =+1 2 2 ()P U R R R =+ U 'O
伺服电机工作原理及和步进电机的区别
伺服电机工作原理及和步进电机的区别 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.。 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制滚珠丝杆，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。 永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小，易于提高系统的快速性波纹管联轴器。⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。 伺服和步进电机 伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号）弹性联轴器，但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳膜片联轴器，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同
伺服电机的工作原理图
伺服电机的工作原理图? 伺服电机工作原理——伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。 永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；（2）定子绕组散热快；(3)惯量小，易提高系统的快速性；（4）适应于高速大力矩工作状态；（5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2 交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。
集成稳压电源实验报告
电装电调实习报告集成稳压电源的制作 班级：电科09-1班 XX： 学号：xxxxxxxxxxx 指导老师：
实习时间： 实习地点： 一、实习目的与意义 1.了解稳压电源的基本知识和学会制板、安装、调试、使用；看懂原理图， 通过具体的电路图，初步掌握绘制电路板，焊接技术，安装技术和简单 电路元器件装配，并学会排除一些稳压电源的常见故障。 2.熟悉常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用X围，能查阅有 关的电子器件图书。 3.熟悉电路板的制作和手工焊锡的常用工具的使用及其维护与修理，掌握 制板、技术焊接技术并制作、安装、焊接一块用LM317，LM337制作的 集成稳压电源。 4.加深学习集成稳压电源的结构和工作原理，熟悉电路中主要元件的作用 及其结构。 5.了解安全用电知识，学习安全操作要领，培养在工作中耐心细致，一丝 不苟的工作作风，养成良好的工作习惯；培养正确的劳动观与人生观， 也培养团队意识和集体主义精神，同时更是培养我们的动手能力。 二、实习任务 1.读懂电路原理图，了解每个元件的用处。 2.了解制板的工具，熟悉常用电子元器件的识别,选用原则和测试方法。 3.掌握了解电路板的设计步骤和方法及工艺流程，能够根据电路原理图、
元件实物，设计并制作电路板。 4.掌握电路板的制作、元件的焊接、产品的组装，并对制作出来的产品进 行调试和检测。 三、集成稳压电源的结构和原理 1.集成稳压电源一般是由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。集成 稳压电源是由直流稳压构成，通过变压，整流，滤波，稳压的过程，将我们平常所使用的220V的交流电，转变成稳定的直流电。（如下图） 2.我们的集成稳压电源是由LM317和LM37制作而成的。