自制“教学用直流电动机演示装置”-精选教育文档
自制“教学用直流电动机演示装置”
0 前言
随着新课程改革的深入实施及中学素质教育全面贯彻，全面实施以培养学生的创新精神和实践能力为重点的素质教育已成
为教育界的共识[1-3]。在教学过程中以学生为主体，充分突出学生主体作用，发挥老主导作用，教师使用自制的演示装置不仅能够实现学生自主学习、师生互动，提高教学效率，而且能让同学们在学习知识的过程中激发学生的创新热情，提高科学素养[4-5]。该演示装置制作目的主要针对学生对电动机原理及结构有关知识的内容抽象、实践能力差、理论掌握难等问题而制作的一个简易演示装置，该装置具有构造简单、取材方便、制作简单、操作方便、易携带、实验效果明显等优点，它不仅能够让中学生很好地理解直流电动机的原理及结构，而且能够激发学生的好奇心、培养学生的创新意识，因此该演示装置能够很好地用于中学课堂教学中。
1 装置的设计原理
直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。直流电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，简易的直流电动机主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕
组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子，它是将电能转变为机械能的一种机器。图1为简单的直流电动机的结构图，电动机结构中固定部分称为定子，由两个不同极性的永磁体构成，旋转部分称为转子，由线圈构成，电刷和转换器用来控制线圈向同一方向转动，图2给出了直流电动机工作的原理图。从图2中可以看出，电刷和和转换器来控制线圈转动在制作上比较麻烦及演示其原理时效果不明显，我们在设计的时对这部分进行了重新设计，图1中两个不同极性的磁铁被一个U形磁铁替代，设计的实物图和操作方法在下面的部分给出。
2 装置的实物图及操作方法
自制“教学用直流电动机演示装置”的实物图如图3所示，包括：U形磁铁，矩形线圈，装置支架，电池组、开关、导线组成。在图3中，我们重新设计了图1中电刷和和转换器组合，利用一半导电一半不导电的支架来代替于电刷，借助惯性可实现连续旋转，利用一个U形磁铁替代图1中两个不同极性的磁铁，我们利用铜线缠绕自制了一个简易矩形线圈。该装置制作简单，所用的材料容易获得，因此它不仅能够让学生很好地理解直流电动机的原理及结构，而且可以激发学生的创新热情，让学生自己动手制作，从而锻炼学生的实践能力。在操作中，首先闭合开关，用力轻轻拨动线圈，让线圈会开始转动，观察实验现象，然后分别改变电流的方向和磁场方向及同时改变电流和磁场方向，再观察实验现象，通过实验现象分析得出电动机的电流方向和磁场方
直流电动机测速装置 徐观生
直流电动机测速装置徐观生 摘要：本设计为2017年全国大学生电子设计竞赛题目《直流电动机测速装置》 本设计以 STM32F103ZET6 作为系统的主控芯片，采用串阻测速和漏磁测速方式， 实现了对直流电动机转速的测量。该装置通过 INA199 芯片、LM358 运放及 74LS14 触发器构成采集电路，将系统中电流信号通过多级放大。经过带通滤波器，利用施密特触发器转化成和脉冲整形电路得到方波，通过钳位电路将最大电压不 超过 3.3V 输入给单片机，单片机采用测周法（T）法对方波进行周期采样，计算 出电动机的转速。基于此，装置大部分功能完全符合题目要求，同时具备友好的 人机交互界面。 关键词：直流电动机；测速；单片机；运算放大器 1.系统方案 1.1系统总方案 本系统由电动机、测速装置、单片机、按键模块、显示模块以及语音播报模 块构成。其中显示模块由串口液晶屏构成，语音播报模块通过软件程序设计实现，与此同时，本系统采用独立按键来方便界面操作。本系统结构图如图 1 所示： 2.理论分析与计算 2.1测速方法分析 （1）串阻工作原理：直流电机工作时，电机转子经历接近磁极和远离磁极过程，电枢铁 芯通过的磁通量为正弦变化，电枢稳态电流存在一个与之对应的正弦分量，通过对该正弦分 量的测量处理，就可测出电机转速。 正弦分量频率与电机转速的关系为 如图 2 所示，在电动机串上一个 250mR 的检流电阻，利用差分放大器IC INA199A1 将电 流采集进来并放大 50 倍。将该波形通过带通电路并有 LM358 构成的放大电路放大 100 倍， 放大后的波形经过高通后，再利用施密特触发器整形给单片机，将采集的频率通过计算显示 电机的转速。 （2）壳外电磁检测的分析及电路 图 3 壳外电磁检测电路 如图 3 所示，通过线圈将电机外的电枢漏磁转为电信号并差分放大芯片INA199A1 采集线 圈上的信号闭放大 50 倍在通过带通电路将直流部分隔开，但由于波形不明显，所以利用 LM358 构成一个放大电路将波形放大至 100 倍再次通过带通滤波器，并利用施密特触发器将 波形转为数字脉冲，将该脉冲输给单片机，将采集的频率通过计算显示电机的转速。 图 7 系统流程图 3.2程序设计 如图7 所示本系统采用初始化成功后，通过独立键盘进行对题目的选择与测量；如需要，可通过按键选择语音播报当前的转速和显示并存储近 20 次的采集数据。 4.测试方案与测试结果 测试环境 （1）场地条件：室温（25℃）、室内测试场地 （2）测试仪器：如表 1 所示。
《直流电动机》名师教案
《直流电动机》名师教 案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第六节直流电动机 清华大学附属中学永丰学校刘铭 教材内容分析 本课选自义务教育教科书，北京师范大学出版社物理九年级全一册第14章，第6节《直流电动机》。前面学生已经掌握了电流周围存在磁场，磁场对通电导体有力的作用，紧接着这节课的学习就是对前面所学知识的一个应用，也是对前面所学内容的另一种诠释，这需要很好的理解掌握前面学习的理论知识，这节课进行深入加工，有着理论的依据，亲自动手操作实验，切实做到学以致用。 学生情况分析 初三下学期的学生，有前面几节课的知识储备，并具备一定的发现问题、分析问题、解决问题的能力，在实验操作方面也有很多的实验积累，在讨论解决方案时会有一些可行的猜想，并针对这些猜想设计可行的实验，来验证猜想是否正确。但是对于学生来说,总会有一些想法不是很严谨，需要老师的及时适当引导。 核心素养 通过动手组装模拟电动机，探究电动机的工作的过程和原理，培养学生科学探究的能力和科学的思维，通过了解电动机在生活中的应用，认识科学与技术之间的关系，培养学生科学的态度与责任。 教学目标设计 1.知识与技能: (1)知道电动机工作的基本原理:通电线圈在磁场中受到力的作用。 (2)知道电动机工作过程中的能量转化。 (3)了解使电动机连续转动的方法,及换向器在直流电动机中的作用。 2.过程与方法:
(1)经历探究电动机转动原理的过程,培养学生初步分析问题的能力。 (2)经历电动机的发明过程,培养学生动手能力和发现问题并解决问题的能力。 3.情感态度与价值观: 了解物理知识如何转变为科学技术,强化学生学以致用的意识。 教学内容设计： 教学重点:探究磁场对通电导体有力的作用。 教学难点:使电动机持续转动的方法。 教学策略分析 （一）教学方法分析： 1.协作学习法：2个学生为一组，组内同学协同完成实验任务。 2.任务驱动法：学生们经历电动机的发展历程，随着电动机发展过程中问题的产生，猜想解决问题的措施，针对解决措施，动手设计实验，验证猜想是否正确，方案是否可行。 3.讨论交流学习法：学生在实验操作前，交流实验方案；在实验操作过程中，讨论方法的可行性；在实验操作后，交流总结实验心得和结论。 （二）教学手段： 多媒体，实物投影，电动机的换向器工作时慢镜头视频，小型电动机模型（2个），带有换向器的电动机模型（2个），玩具车中的电动机。
直流电动机控制系统
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
直流电动机调速系统
创新设计创新设计名称: 直流电动机调速系统设计
目录 目录 (1) 1 引言 (2) 1.1 设计背景 (2) 1.2 系统可实现的功能 (2) 2 总体方案设计 (3) 2.1 单片机选型方案 (3) 2.2 转速测量方案选择 (4) 2.3直流电机驱动电路介绍 (5) 2.4 PWM调宽方式的选择 (6) 2.5键盘的选择 (6) 2.6整体方案设计框图 (6) 3 硬件电路设计 (7) 3.1 系统的整体硬件框图 (7) 3.2 按键模块电路设计 (7) 3.3数码管显示模块电路设计 (8) 4系统软件设计 (10) 4.1 PWM输出程序设计 (10) 4.2 数字PID算法程序设计 (11) 4.3速度采集模块程序设计 (12) 4.4 按键设定程序设计 (13) 4.5 速度显示模块程序设计 (15) 5 总结 (16) 6参考文献 (17) 附录A系统原理图 (18)
1 引言 1.1 设计背景 现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。本设计主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。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，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。 1.2 系统可实现的功能 设计一个直流电机调速系统，要求系统具有如下功能：通过按键设定转速的大小，然后由单片机产生PWM控制信号，控制直流电机驱动器L298N，使电动机以一定的转速旋转，为实现闭环控制，通过外围器件为单片机提供测量转速的电平变化信号，单片机测得转速后，与设定的转速值相比较，通过数字PID算法产生控制信号，改变PWM输出的占空比，从而改变电动机转速，从而实现闭环控制，使电动机在一个转速值上较稳定的旋转。
九年级物理全册 第14章 第六节 直流电动机教案1 (新版)北师大版(1)
《直流电动机》 教学目的： 1、知道直流电动机的原理和主要构造。 2、知道换向器在直流电动机中的作用。 3、了解直流电动机的优点及其应用。 4、培养学生把物理理论应用于实际的能力。 教学重点、难点： 1.、磁场对电流的作用。 2.、磁场对电流作用的现象和规律，电动机的构造和原理。 教学过程： 1、复习 提问：上节课我们做实验给磁场中的导体通电，发现了什么？（学生回答：通电导体在磁场中受力）。 提问：这个力的方向与哪两个因素有关？（学生回答之后，教师强调：改变电流方向，或改变磁感线方向，导体受力方向就随着改变） 提问：出示如课本中的挂图和模型，根据上面的结论，通电线圈在磁场中是怎样受力的？（学生回答：ab边受力向上，cd边受力向下） 提问：在这两个力的作用下，线圈怎样运动？（学生回答：线圈会转动） 提问：这个现象中能量是怎样转化的？（学生回答：电能转化为机械能） 2、引入新课 教师陈述：电动机就是利用通电线圈在磁场中受力而转动的现象制成的，它将电能转化成机械能。下面我们来研究电动机是如何利用上述现象制成的，当然，我们先讨论最简单的一种电动机—直流电动机。给出直流电动机定义，并板书： 〈第六节直流电动机〉 3、进行新课 （1）使磁场中的通电线圈能连续转动的办法 很多同学可能马上想到通电线圈在磁场中不能连续转动（转到平衡位置要停下来），而实际的电动机要连续转动。怎样解决这个问题呢？（此处可告诉学生把理论用于实际需要再付出很多劳动，还可简介各国对理论应用于实际的重视，以培养学生对应用科学的兴趣）要解决这个问题，我们还得进行深入研究。 提问：在上节课的演示实验中，线圈转到平衡位置时是立即停止吗？为什么它不立即停止？（学生答：由于惯性线圈会稍转过平衡位置） 提问：转过平衡位置后，为什么它又转回来呢？（利用模型分析：转过平衡位置后，ab
《电动机》教案
《电动机》教案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
电动机教案 核心素养 经历制作模拟电动机的过程，增强学生动手和观察能力；通过了解物理知 识如何转化成实际技术应用，进一步提高学生学习科学技术知识和应用物理知 识的兴趣。 教学目标 知识要点课标要求 1．磁场对通电线圈的作用通过生活实例，认识电流的热效应 2．电动机的基本构造了解电动机的构造，理解电动机的工作原理及换向 器的作用 优教提示：教师登陆优教平台，发送预习任务，学生完成本节课的预习任 务，反馈预习情况。 新课引入 电动自行车是倍受人们青睐的一种交通工具．它可以电动骑行，亦可以脚踏骑行．电动骑行时，蓄电池对车上电动机供电，电动机为车提供动力．你知道电 动机的工作原理吗？从学生的质疑中导入新课。 合作探究 探究点一磁场对电流的作用 活动1：展示如图所示的装置，让学生猜想一下，当开关闭合后，将会观察到 什么现象学生诧异闭合开关，让学生观察实验现象根据实验现象讨论、交流产 生此现象的原因是什么 （优教提示：请打开素材“实验演示：通电导体在磁场中受力”）
师适当点拨： 现象→原因→有磁场 ↓↓↓ 导线运动→受力的作用→通电导体是磁体 归纳总结：磁场对通电导体有力的作用。 知识拓宽：并不是所有的通电直导线在磁场中都受到力的作用，当通电直导线与磁感线方向平行时，此时通电的直导线不受力的作用。 活动2：要想改变导体在磁场中的运动方向，如何操作？学生交流、讨论，发表自己的观点，师总结。 总结：改变磁场的方向；可以改变电流的方向。 活动3：根据学生的猜想，进行验证。让学生观察实验现象，讨论得出实验结论。 归纳总结：通电导线在磁场中受力方向跟电流的方向、磁感线的方向都有关；当电流方向、磁感线方向发生改变时，通电导体受力方向也发生改变。 活动4：根据实验现象，大家讨论一下，在这个装置在能量的转化是怎样的在生活中哪些用电器是利用这一原理来工作的学生交流、讨论，发表自己的观点。 归纳总结： （1）将电能转化为机械能； （2）生活中的电动车、电风扇、电动机等工作时的原理与此相同。 探究点二电动机的基本构造 活动1：一根通电直导线在磁场会受力运动，一个通电的线圈在磁场中会怎样呢？展示如图所示的装置，让同学们猜想，然后再展示。 （优教提示：请打开素材“演示视频：制作简易电动机”）
直流电动机转速控制
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：
直流电动机调速系统设计方案
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 直流电动机调速系统设计 初始条件： 采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。 要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 (4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗 器选择、晶闸管保护设计 参考文献： [1] 周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社， 2005:41-49、105-114 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 1概述 0 2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 0 2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 0 2.2 稳态结构框图和静特性 (1) 3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析 (2) 3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 (2) 3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析 (3) 4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 (5) 4.1转速和电流两个调节器的作用 (5) 4.2调节器的工程设计方法 (5) 4.2.1设计的基本思路 (6) 4.3 触发电路及晶闸管整流保护电路设计 (6) 4.3.1触发电路 (6) 4.3.2整流保护电路 (7) 4.3.2.1 过电压保护和du/dt限制 (7) 4.3.2.2 过电流保护和di/dt限制 (8) 4.4 器件选择与计算 (8) 5心得体会 (13) 参考文献 (14) 附录：电路原理图 (15)
直流测速发电机测速误差分析及减小误差的方法
直流测速发电机测速误差分析及减小误差的方法 摘要：直流测速发电机的输出特性Ua=f(n)不是严格地呈线性特性，实际特性与要求的线性特性之间存在误差。阐述了引起误差的各种原因，并提出了减少误差的方法。 关键词：直流测速发电机误差分析减少误差论文毕业论文 直流测速发电机作为自动控制系统中的校正元件，就其物理本质来说，是一种测量转速的微型直流发电机；从能量转换的角度看，它把机械能转换为电能，输出直流电；从信号转换的角度看，它把转速信号转换成与转速成正比的直流电压信号输出，因而可以用来测量转速。 1 自动控制系统对直流测速发电机的要求 自动控制系统对其元件的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。据此，直流测速发电机在电气性能方面应满足以下几项要求： （1）输出电压与转速的关系曲线（输出特性）RL =∞ 应为线性Ua=K*n，如图1所示。RL1 （2）输出特性的斜率要大； （3）温度变化对输出特性的影响要小； （4）输出电压的纹波要小； （5）正、反转两个方向的输出特性要一致。 可以看出，第（2）项要求是为了提高测速发图1: 不同负载电阻时的电机的灵敏度。因为输出特性斜率大，即△U/△n大，理想输出输出特性这样，测速机的输出对转速的变化很灵敏。负载时输出电压与转速的关系式为：Ua=CeΦ*n/(1+Ra/Rl) 如果式中Ф、Ra和Rl都能保持常数，则Ua与n之间仍呈线性关系，只不过随着负载电阻的减小，输出特性的斜率变小而已，如图1所示。第（1）、（3）、（4）、（5）项的要求是为了提高测速机的精度。因为只有输出电压与转速成线性关系，并且正、反转时特性一致，温度变化对特性的影响越小，输出电压越稳定，输出电压才越能精确地反映转速，才能有利于提高整个系统的精度。 2 直流测速发电机的误差及其减小的方法 实际上，测速发电机的输出特性不是严格地呈线性特性，实际特性与要求的线性
直流电动机教案示例
直流电动机教案示例 （一）教学目的1．知道直流电动机的原理和主要构造。2．知道换向器在直流电动机中的作用。 3.了解直流电动机的优点及其应用。4．培养学生把物理理论应用于实际的能力。（二）教具如课本图12—10的挂图和模型，两个箭头标志（可用饮料盒铝片制作），自制直流电动机模型（参见图12—2），直流电动机原理挂图一幅，小型直流电动机一台，学生电源一台。（三）教学过程1．复习提问：上节课我们做实验给磁场中的导体通电，发现了什么？（学生回答：通电导体在磁场中受力）。提问：这个力的方向与哪两个因素有关？（学生回答之后，教师强调：改变电流方向，或改变磁感线方向，导体受力方向就随着改变）提问：出示如课本12—10甲的挂图和模型，根据上面的结论，通电线圈在磁场中是怎样受力的？（学生回答：ab 边受力向上，cd边受力向下）提问：在这两个力的作用下，线圈怎样运动？（学生回答：线圈会转动）提问：这个现象中能量是怎样转化的？（学生回答：电能转化为机械能）2．引入新课教师陈述：
电动机就是利用通电线圈在磁场中受力而转动的现象制成的，它将电能转化成机械能。下面我们来研究电动机是如何利用上述现象制成的，当然，我们先讨论最简单的一种电动机—直流电动机。给出直流电动机定义，并板书：〈第五节直流电动机〉3．进行新课(1)使磁场中的通电线圈能连续转动的办法很多同学可能马上想到通电线圈在磁场中不能连续转动（转到平衡位置要停下来），而实际的电动机要连续转动。怎样解决这个问题呢？（此处可告诉学生把理论用于实际需要再付出很多劳动，还可简介各国对理论应用于实际的重视，以培养学生对应用科学的兴趣）要解决这个问题，我们还得进行深入研究。提问：在上节课的演示实验中，线圈转到平衡位置时是立即停止吗？为什么它不立即停止？（学生答：由于惯性线圈会稍转过平衡位置）提问：转过平衡位置后，为什么它又转回来呢？（利用模型分析：转过平衡位置后，ab边受力仍朝上，cd边受力仍朝下，正是这一对力使线圈转回来的）提问：要使线圈不转回来，应该在线圈刚转过平衡位置时就改变线圈的受力方向，即使线圈刚转过平衡位置就使ab 边受力变为向下，cd边受力变为向上。怎样才能使线圈受力方向发生这样的改变呢？引导学生回忆影响受力方向的两个因素，从而得出：应该在此时改变电流方向，或者改变磁感线方向。进一步引导学
直流电动机转速控制系统设计
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
直流电动机开环调速MATLAB系统仿真
东北石油大学MATLAB电气应用训练 2013年 3 月 8日
MATLAB电气应用训练任务书 课程 MATLAB电气应用训练 题目直流电动机开环调速系统仿真 专业电气信息工程及其自动化姓名赵建学号 110603120121 主要内容： 采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善 基本要求： 1.设计直流电动机开环调速系统 2.运用MATLAB软件进行仿真 3.通过仿真软件得出波形图 参考文献： [1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M]. 北京：机械工业出版社, 2007. [2] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版[M]. 北京：机械工业出版社, 2000. [3] 任彦硕. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. [4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 完成期限 2013.2.25——2013.3.8 指导教师李宏玉任爽 2013年 2 月25 日
目录 1课题背景 (1) 2直流电动机开环调速系统仿真的原理 (2) 3仿真过程 (5) 3.1仿真原理图 (5) 3.2仿真结果 (9) 4仿真分析 (12) 5总结 (13) 参考文献 (14)
1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始
基于单片机控制的直流电机调速测速系统
TECHNOLOGY WIND 直流电机测速及调速系统是一种由单片机89C52构成的电机运行监测系统，使电机加速或减速，同时可以即时显示电动机的转速（如图1），具有较好的应用性。此系统结构简单，运行可靠，显示准确。整个调速装置采用PID 算法，测速装置有传感器器霍尔元件实现 。 图１硬件组成框图 直流电机的运用很广泛，直流电机测速及调速系统可以配接多种不同传感器，主要运用霍尔开关件UGN3000系列，转速最大测量范围是9999r/min ，测量范围宽。适用于大中小容量各种电机，测量速度快，显示准确适用范围广。比如，在纺织业纱线生产中，测量要求直流电机将劳动纱线供在纱线夹上，控制直流电机正、反转加速或减速，可以实现加工的目的。 1硬件电路设计1.1硬件电路设计要求 单片机输出PWM 使电机运转，用PID 算法来调节电机转速。通过UGN3020测量电机转速并在两位数码显示管显示，完成直流电动机速度测试，调速等整机的安装与调试。 1.2硬件设备介绍 1）单片机89C52：次设计采用单片机产生PWM 波，使电机运转，再通过软件PI 算法的调节，实现对直流电机的调速。 2）传感器霍尔开关件：GN3000系列（本系统采用UGN3020型）用来测量电动机的转速，并将信号送到单片机，最终显示在数码管上。 3）显示电路：可以直观的反映电动机当前的转速，动态显示出电机转速的变化。 4）正反转装置：通过两个继电器改变通过电机的PWM 的方向实现电机的正反转。 5）拨码开关装置：设定电机的目标转速。 6）正反转开关装置：让单片机接收电机的目标状态，通过软件实现。 2数字PID 控制算法 在计算机控制系统中，数字PID 控制算法通常又分为位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。本次设计项目中采用的是PID 控制的增量式PID 算法。 2.1增量式PID 控制算法 当执行机构需要的是控制量的增量时，可以导出提供增量的PID 规律算式。根据递推原理可得 u （k-1）=Kpe （k-1）+K1∑e （j ）+KD[e （k-1）-e （k-2）]（式2-1） 最终可以得到△u （k ）=Kp △e （k ）+K1e （k ）+Kd[△e （k ）-△e （k-1）]，这式称为增量式PID 控制算法。图2为增量式PID 控制系统示意图 。 图２增量式ＰＩＤ控制系统框图 采用增量式算法时，计算机输出的控制增量△u （k ）对应的是本次执行机构位置（例如阀门）的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制量增量的积累u （k ）=∑△u （j ）需要采用一定的方法来解决，而且目前最多利用算式是u （ k ）=u （k-1）+△u （k ）通过执行软件来实现。2.2数字PID 程序的设计要点 在电机调速、定位等微机控制中，由于实时性和动态性能的要求很高，在数字PID 控制程序设计时，应作以下考虑： 1）采用汇编语言编程。 2）编程时尽量采用定点数运算，以减少程序量。 3）算法中各数字量存放单元的字节数选择，应根据各个量的变化范围和控制精度要求，在编程前作出准确的估计。 2.3增量式算法的优缺点 增量式算法虽然只是在算法上做了一点改进，却带来不少优点：1）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。 2）手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故依旧保持原值。 3）算式中不需要累加。控制量△u （k ）的确定仅与最近K 次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。增量式控制也有其不足之处。 4）积分断截效应大，有静态误差。5）溢出的影响大。 因此在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中可采用位置式控制算法，而在以步进电机或电动阀门作为执行器的系统中则可采用增量式控制算法。 3测速系统的设计与实现 由于直流电机的转速快,利用89C52内部的T2定时器来产生定时中断为转速及PID 的采样周期。T1工作在16位计数方式，T2工作在16为定时方式，计数脉冲为传感器的输出脉冲，TR1控制计数器T1的启动与关断。设T2定时时间为100ms ，即在T2的定时时间内T1收到的脉冲数为N ，则电机的转速为：η=10N （r/s ）。T1每次开始计数先清零，当计完一个周期，则停止计数,然后将采集的数据送给CPU 处理，算出直流电机的转速。由于T1采集的数据为16进制数，所以得先将其转化为BCD 码，送给显示LED 数码管。所以设计转速的步骤如下：1 ）T0采集周期Tp ：流程图如图3所示；2）计算转速：η=10N （r/s ）；3）把所测的转速换成压缩BCD 码；4）把压缩的BCD 码转换成非压缩BCD 码，然后送显示。 基于单片机控制的直流电机调速测速系统 尹冬梅 （苏州大学电子信息学院，江苏苏州 215008） [摘要]本文阐述了基于单片机控制的直流电机对象是调速系统的PID 控制。系统包括：测速装置、调速装置、显示装置三部分，其中最重 要的是调速装置。在设计中运用的主要算法是增量式PID 算法。转速的测量由霍尔元件作电机测速的传感器实现，显示部分由动态数码显示转速。力求使本次设计项目直观性和完善性并存。[关键词]MCS-52单片机；PID 算法；测速 科技前沿 29
直流电动机-教案
《直流电动机》教学设计 一、教材内容分析 本课选自义务教育教科书，北京师范大学出版社物理九年级全一册第14章，第6节《直流电动机》。前面学生已经掌握了电流周围存在磁场，磁场对通电导体有力的作用，紧接着这节课的学习就是对前面所学知识的一个应用，也是对前面所学内容的另一种诠释，这需要很好的理解掌握前面学习的理论知识，这节课进行深入加工，有着理论的依据，亲自动手操作实验，切实做到学以致用。 二、学生情况分析 初三下学期的学生，有前面几节课的知识储备，并具备一定的发现问题、分析问题、解决问题的能力，在实验操作方面也有很多的实验积累，在讨论解决方案时会有一些可行的猜想，并针对这些猜想设计可行的实验，来验证猜想是否正确。但是对于学生来说,总会有一些想法不是很严谨，需要老师的及时适当引导。 三、教学目标设计 1.知识与技能: (1)知道电动机工作的基本原理:通电线圈在磁场中受到力的作用。 (2)知道电动机工作过程中的能量转化。 (3)了解使电动机连续转动的方法,及换向器在直流电动机中的作用。 2.过程与方法: (1)经历探究电动机转动原理的过程,培养学生初步分析问题的能力。 (2)经历电动机的发明过程,培养学生动手能力和发现问题并解决问题的能力。 3.情感态度与价值观: 了解物理知识如何转变为科学技术,强化学生学以致用的意识。 四、教学内容设计：
教学重点:探究磁场对通电导体有力的作用。 教学难点:使电动机持续转动的方法。 五、教学策略分析 （一）教学方法分析： 1.协作学习法：2个学生为一组，组内同学协同完成实验任务。 2.任务驱动法：学生们经历电动机的发展历程，随着电动机发展过程中问题的产生，猜想解决问题的措施，针对解决措施，动手设计实验，验证猜想是否正确，方案是否可行。 3.讨论交流学习法：学生在实验操作前，交流实验方案；在实验操作过程中，讨论方法的可行性；在实验操作后，交流总结实验心得和结论。 （二）教学手段： 多媒体，实物投影，电动机的换向器工作时慢镜头视频，小型电动机模型（2个），带有换 向器的电动机模型（2个），玩具车中的电动机。
直流电动机控制系统设计
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，
直流小电动机调速系统
题目直流小电机测速系统 一．题目要求 设计题目：直流小电动机调速系统 描述：采用单片机、uln2003为主要器件，设计直流电机调速系统，实现电机速度开环可调。 具体要求：1、电机速度分30r/m、60r/m、100r/m共3档； 2、通过按选择速度； 3、检测并显示各档速度。 实验器件： 实验板、STC89C52、直流电机、晶振（12MHz）、电容（30pFⅹ2、10uFⅹ2）、）uln2003、小按键、按键（4个）、、数码管、以及 电阻等 二．组分工
摘要 在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。 本文设计了直流电机测速系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。本系统采用PWM 测量电动机的转速，用MCS-51单片机对直流电机的转速进行控制。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。 ·关键词：直流电机单片机 PWM 转速控制 硬件部分 1.时钟电路 系统采用12M晶振与两个30pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTAL1与XTAL2引脚
2.按键电路 三个按键分别控制电机的不同转速，采用开环控制方法 3.电机控制与驱动部分 电机的运行通过PWM波控制。PWM波通过STC89C52的P2.4口输出。
显示部分 采用4位共阳极数码管实现转速显示。数码管的位选端1~4分别接STC89C52的P2.0~P2.3管脚。 完整仿真电路图