直流电流经电刷流过电枢上的线圈,则产生电磁转矩,电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动,由于换
向器配合电刷对电流的换向作用,直流电流交替地由线圈边 ab 和 cd 流入,使线圈边只要处于 N 极下,其中通过电
流的方向总是由电刷 A 流入的方向,而在 S 极下时,总是从电刷 B 流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流
始终是一个方向。这样的结构,就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理.
直流电机的调速方法有:
(一)电枢串电阻调速:电枢回路串接电阻后,电动机的机械特性的斜率随电阻的改变而改变,在恒负载下使转速发
生变化。该调速方式的优点是控制装置很简单;缺点是转速受负载的影响较大,在空载时几乎没有调速作用,
而在重载低速运行时特性显得太软,而且功耗很大。
(二)改变电枢电压调速:当电动机采用这种方式,其机械特性随电枢电压的改变而产生平移,所以它的调速范围较广。
电枢电压的调节常用晶闸管整流装置实现,但低速运行时功率因数变低,而且在交流侧出现较多的谐波成分,
对电网不利。
(三)PWM 直流调整系统:其原理是将直流控制信号与三角波经调制电路产生一系列脉宽不等的脉冲信号,做功率放
大后驱动大功率器件。控制调制方波的占空比,便可以改变输出平均电压。将 PWM 输出电压接至直流电动机
的电枢两端,便可组成性能优良的调速系统。该调速系统的优点是调速范围广、效率高、响应速度快、电流脉
动小及对电网污染小;但因系统较复杂,造价也相应地提高。
(四)双闭环直流调速系统:该系统的反馈量电流和转速信号,分别送入电流调节器和速度调节器。调节器按 P-I(比
例—积分)方式实现调节。由电流调节器组成的闭环称为电流环。由速度调节器组成的闭环称为转速环,电流
环用于控制电流,转速环用于控制转速。
(五)数字式直流调速系统:目前较先进的直流调速系统均采用数字控制,从积分调节器到触发装置,以及其他控制功
能均由微处理器来实现。它具有调速性能高、工作可靠和体积小等特点。数控装置设有键盘和 LED 显示器,可
方便地利用键盘进行各项运行参数的设定。此外,它还具备自诊断及完善的保护功能。
改变励磁的恒功率调速:从直流电动机的机械特性的公式可看出,当磁通减小电动机的转速也随之提高。
由直流电机的电压平衡方程式:
U = e+IR
其中 I 为电机线圈电流,R 为线圈电阻,e 为电机的反电势, e = C*Φ*ω,式中,C 为电机结构常数,为一常量;
Φ 为线圈磁通;ω 为电机转动角速度。于是将 e 代入电压平衡方程式中,可得:
U = C*Φ*ω+ IR
经过移项之后就可得出角速度和电压的关系式:
ω = (U-IR)/ C*Φ
从上式可以看出,改变外接电压 U,电机回路电阻 R, 磁通 Φ,可改变电机转速。本实验所用直流电机为永磁式,
磁通 Φ 不可改变,而改变电机回路电阻 R 来调速的方式,已不多见,所以采用改变外接电压 U 的调速方式,
1.3 系统设计功能要求
本设计是要利用 89C52 单片机控制 PWM 调速电路实现小功率直流电机的转速调节。而本系统必须符合以下几
点要求:
(1) 在(1000—5500)转/分 内对直流电机进行任意调速,最小调速级差为 1 转/分。
(2) 电机能在所设速度下稳定运转,运转速度与设定速度之差小于±20 转/分。
(3) 电机启动和加减 80%额定负载时,其转速能迅速回到设定值,转速超调±5%内。