电机调速系统的硬件设计【字数：11154】
摘 要直流电机凭借着优良性能、正反转切换稳定性，在工业等，各个控制场合应用广泛。随着控制电机的广泛应用，占有市场越来越多的份额。实现直流电机精准的控速，已经成为嵌入式必不可少的部分。并且如今arm内核控制器的广泛应用，用arm控制直流电机越来越流行，本文研究基于stm32直流电机的控制电路实现。本文在设计电路过程中，通过设计并组合4个模块来实现，第一部分是控制核心电路，选用stm32f103rbt6芯片加ams1117-3.3稳压芯片，通过usb供电，板上带有两个按键，用于控速；第二部分，显示部分核心板通过I2C协议控制OLED显示屏，用于人机交互和显示检测的转速；第三部分通过mc34063升压，提供mos驱动IR2104s电源，通过mos驱动控制mos开关，从而控制电机转速；第四部分，通过欧姆龙编码器实现对转速的检测，通过四相脉冲传到单片机实现量的转换。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究与意义 1
1.2 研究现状 2
1.3 本文研究的内容和方法 2
第二章 电机调速硬件设计 4
2.1系统电机调速硬件方案概述 4
2.2系统电机调速硬件原理分析 4
2.2.1 主控电路模块 4
2.2.2 OLED模块 5
2.2.3直流电机驱动电路 5
2.2.4编码器选用 6
第三章 硬件电路制作 7
3.1 开发工具介绍 7
3.2主控硬件电路的设计 7
3.2.1 电源模块 7
3.2.2 晶振电路 8
3.2.3 按键模块 8
3.3驱动硬件电路的设计 9
3.3.1 升压电路 9
3.3.2 MOS驱动电路 10
3.4 电路抗干扰设计 11
3.4.1 器件选择 11
3.4.2 接地技术 11
第四章 系统搭建测试 13
4.1 系统整体搭建 13
4.1.1 核心板及OLED连接 13
4.1.2 编码器安装 13
4.1.3 电机驱动连接调试 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
14
4.2 系统整体测试 15
结束语 16
致 谢 17
参考文献 18
附录A 电机驱动PCB图 19
附录B 电机驱动核心板 20
附录C 引脚连接对应表 21
第一章 绪论
1.1课题研究与意义
电动机在现代社会中被广泛使用，电风扇等家用电器在生活中需要电机。 工业机械如数控机床也需要电机。可以如此说，电机的应用早就渗漏到平常生活和产业生产的各个方面。 据统计，2009年中国产电量的60％用于各种电机。在国际金融危机背景下，中国向香港，美国，日本，韩国，欧洲等地区出口电机。这些区域已达到27亿个单位，输出额为41亿美元，输出总量占环球出口量的60％。与它们配合使用的控制器主要是在发达的国家生产，尤其是在高精度的控制领域内。模块化产品主要由欧洲和美国垄断。电机在平常生活和产业生产中具有着如此举足轻重的地位，因此其配套的控制器研究和设计具有着十分重要的社会实践意义。
电机有着上百年的历史，而无刷直流电机进入到实际应用领域却只有短短十载出头。无刷直流电动机的发展与微电子技术有着密不可分的关系。晶体管的诞生使得可以用直流电动机的电子换向技术替换有刷电动机的机械刷。高性能的永磁材料的技术进步促进了无刷直流电动机的技术的进步，大功率开关器件的诞生促进了无刷电动机的快速的发展和应用。目前，无刷直流电动机已逐步进入军用设备，民用控制和家用电器市场，特别是新一代空调，冰箱和洗衣机。无刷电机的市场份额越来越大。
无刷直流电机越来越成为市场宠儿的原因，是无刷直流电机与以前的有刷直流电机相比，具有以下优势：
1、机械结构没有刷子。没有刷子可以带来很多好处。例如，没有刷子，刷子没有磨损问题，并且不会引起火花。同时，它还降低了电机运行导致的电磁干扰的影响，并提高了抗电磁干扰的能力。电机的使用寿命和可靠性也得到提高，不需要经常维护。
2、开始起动转矩大，速度调节性能优异。电子换向后，无刷直流电机具有更好的运动性能，可控性好，速度范围宽。在电动机具有精度和速度调节要求的场合，无刷直流电动机的优点是显而易见的。
3、高效，在永磁体生出的气隙磁场中，无刷电动机的转子损耗和发热量低，提高了电源利用的效率，又节能又环保。在电动自行车，电动车辆和其他车辆中，提高电源效率具有重要价值，并且无刷电动机也具有优势。
4、可以引入复杂的控制算法。由于无刷直流电动机不仅是机械结构而且是高性能的控制芯片，因此可以引入进比较复杂的控制理论。无刷直流电机的优点需要由电子控制部件支持，否则无刷直流电机将无法工作。没有一种产品能够满足广泛的应用市场要求，几乎所有无刷直流电机都是针对特定应用而设计的。因此，研究和设计满足阀门行业需求的无刷直流电机控制器是本项目的任务。
1.2 研究现状
直流电机调速主要采用电压调节和调速方式，电枢电压的调节主要取决于可控直流电源。因此，可控直流电源的发展可以将直流电机速度分为三级：旋转交流单元，汞弧转换器，晶闸管电源和直流脉冲宽度调速。
它在20世纪20年代和30年代被广泛用于获得用于AC驱动DC发电机的可调节流量源（也称为旋转变换器）。该方法的优点是可以在允许的扭矩范围内实现四象限运行，并且通过电机放大器和湍流管等控制装置，可以获得较宽的调速范围，平稳的调速和其他优异的调速。性能方面，缺点是系统设备体积大，成本高，效率低，安装需要打基础，操作嘈杂，维护困难。电弧转换器的出现使得电机调速性能指标，特别是系统的快速响应特性得到显著改善。主要目的是用副电弧转换器代替发电机和电动机系统。然而，电弧转换器仍然存在一些缺点：流量管体积小，电弧转换器价格高，难以维护，特别是电子束蒸汽对维护人员造成一定的危害。
在20世纪60年代期间，第一个晶闸管的问世促使直流调速系统显示极大的生命力。在技术性能方面，晶闸管转换器装置的放大倍数大于10000，比单位高10倍（放大倍数10），比汞弧转换器高10倍（倍率1000）；旋转变流器单元的响应时间是秒，并且晶闸管转换器装置的数量级为毫秒。然而，晶闸管转换器装置也存在缺点：依靠换向电容器和换向电感器产生背压，实现晶闸管的关断，增加了转换器的损耗和成本；同时，电源电下降可能导致换向失败，系统可靠性降低。晶闸管的工作频率受换向连接（通常为300Hz）的限制。
PWM技术用于通过在打开和关闭时更改脉冲输入信号来控制电机的驱动。为了改变输出信号的大小，实现控制电机转速，定位等方面，改变电机打开和关闭信号有两种基本方法。一种方法是切换脉冲信号的开关频率和周期。周期T是恒定不变的，并且可通过改变导通脉冲的宽度来使负载的平均电压随之变化，这是脉冲宽度调制系统（PWM）。另一种方法是通过改变开关频率和周期来固定脉冲信号的导通宽度T改变负载的平均电压，这是脉冲频率控制（PFM）。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究与意义 1
1.2 研究现状 2
1.3 本文研究的内容和方法 2
第二章 电机调速硬件设计 4
2.1系统电机调速硬件方案概述 4
2.2系统电机调速硬件原理分析 4
2.2.1 主控电路模块 4
2.2.2 OLED模块 5
2.2.3直流电机驱动电路 5
2.2.4编码器选用 6
第三章 硬件电路制作 7
3.1 开发工具介绍 7
3.2主控硬件电路的设计 7
3.2.1 电源模块 7
3.2.2 晶振电路 8
3.2.3 按键模块 8
3.3驱动硬件电路的设计 9
3.3.1 升压电路 9
3.3.2 MOS驱动电路 10
3.4 电路抗干扰设计 11
3.4.1 器件选择 11
3.4.2 接地技术 11
第四章 系统搭建测试 13
4.1 系统整体搭建 13
4.1.1 核心板及OLED连接 13
4.1.2 编码器安装 13
4.1.3 电机驱动连接调试 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
14
4.2 系统整体测试 15
结束语 16
致 谢 17
参考文献 18
附录A 电机驱动PCB图 19
附录B 电机驱动核心板 20
附录C 引脚连接对应表 21
第一章 绪论
1.1课题研究与意义
电动机在现代社会中被广泛使用，电风扇等家用电器在生活中需要电机。 工业机械如数控机床也需要电机。可以如此说，电机的应用早就渗漏到平常生活和产业生产的各个方面。 据统计，2009年中国产电量的60％用于各种电机。在国际金融危机背景下，中国向香港，美国，日本，韩国，欧洲等地区出口电机。这些区域已达到27亿个单位，输出额为41亿美元，输出总量占环球出口量的60％。与它们配合使用的控制器主要是在发达的国家生产，尤其是在高精度的控制领域内。模块化产品主要由欧洲和美国垄断。电机在平常生活和产业生产中具有着如此举足轻重的地位，因此其配套的控制器研究和设计具有着十分重要的社会实践意义。
电机有着上百年的历史，而无刷直流电机进入到实际应用领域却只有短短十载出头。无刷直流电动机的发展与微电子技术有着密不可分的关系。晶体管的诞生使得可以用直流电动机的电子换向技术替换有刷电动机的机械刷。高性能的永磁材料的技术进步促进了无刷直流电动机的技术的进步，大功率开关器件的诞生促进了无刷电动机的快速的发展和应用。目前，无刷直流电动机已逐步进入军用设备，民用控制和家用电器市场，特别是新一代空调，冰箱和洗衣机。无刷电机的市场份额越来越大。
无刷直流电机越来越成为市场宠儿的原因，是无刷直流电机与以前的有刷直流电机相比，具有以下优势：
1、机械结构没有刷子。没有刷子可以带来很多好处。例如，没有刷子，刷子没有磨损问题，并且不会引起火花。同时，它还降低了电机运行导致的电磁干扰的影响，并提高了抗电磁干扰的能力。电机的使用寿命和可靠性也得到提高，不需要经常维护。
2、开始起动转矩大，速度调节性能优异。电子换向后，无刷直流电机具有更好的运动性能，可控性好，速度范围宽。在电动机具有精度和速度调节要求的场合，无刷直流电动机的优点是显而易见的。
3、高效，在永磁体生出的气隙磁场中，无刷电动机的转子损耗和发热量低，提高了电源利用的效率，又节能又环保。在电动自行车，电动车辆和其他车辆中，提高电源效率具有重要价值，并且无刷电动机也具有优势。
4、可以引入复杂的控制算法。由于无刷直流电动机不仅是机械结构而且是高性能的控制芯片，因此可以引入进比较复杂的控制理论。无刷直流电机的优点需要由电子控制部件支持，否则无刷直流电机将无法工作。没有一种产品能够满足广泛的应用市场要求，几乎所有无刷直流电机都是针对特定应用而设计的。因此，研究和设计满足阀门行业需求的无刷直流电机控制器是本项目的任务。
1.2 研究现状
直流电机调速主要采用电压调节和调速方式，电枢电压的调节主要取决于可控直流电源。因此，可控直流电源的发展可以将直流电机速度分为三级：旋转交流单元，汞弧转换器，晶闸管电源和直流脉冲宽度调速。
它在20世纪20年代和30年代被广泛用于获得用于AC驱动DC发电机的可调节流量源（也称为旋转变换器）。该方法的优点是可以在允许的扭矩范围内实现四象限运行，并且通过电机放大器和湍流管等控制装置，可以获得较宽的调速范围，平稳的调速和其他优异的调速。性能方面，缺点是系统设备体积大，成本高，效率低，安装需要打基础，操作嘈杂，维护困难。电弧转换器的出现使得电机调速性能指标，特别是系统的快速响应特性得到显著改善。主要目的是用副电弧转换器代替发电机和电动机系统。然而，电弧转换器仍然存在一些缺点：流量管体积小，电弧转换器价格高，难以维护，特别是电子束蒸汽对维护人员造成一定的危害。
在20世纪60年代期间，第一个晶闸管的问世促使直流调速系统显示极大的生命力。在技术性能方面，晶闸管转换器装置的放大倍数大于10000，比单位高10倍（放大倍数10），比汞弧转换器高10倍（倍率1000）；旋转变流器单元的响应时间是秒，并且晶闸管转换器装置的数量级为毫秒。然而，晶闸管转换器装置也存在缺点：依靠换向电容器和换向电感器产生背压，实现晶闸管的关断，增加了转换器的损耗和成本；同时，电源电下降可能导致换向失败，系统可靠性降低。晶闸管的工作频率受换向连接（通常为300Hz）的限制。
PWM技术用于通过在打开和关闭时更改脉冲输入信号来控制电机的驱动。为了改变输出信号的大小，实现控制电机转速，定位等方面，改变电机打开和关闭信号有两种基本方法。一种方法是切换脉冲信号的开关频率和周期。周期T是恒定不变的，并且可通过改变导通脉冲的宽度来使负载的平均电压随之变化，这是脉冲宽度调制系统（PWM）。另一种方法是通过改变开关频率和周期来固定脉冲信号的导通宽度T改变负载的平均电压，这是脉冲频率控制（PFM）。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/846.html
