PWM 四象運行與調(diào)速

1、工程學(xué)院電機與拖動課程設(shè)計說明書電機與拖動課 程 設(shè) 計（題目）（副標題） （作者姓名） （學(xué)號） （成績）（作者姓名） （學(xué)號） （成績）（作者姓名） （學(xué)號） （成績）（作者姓名） （學(xué)號） （成績）（作者姓名） （學(xué)號） （成績）指導(dǎo)教師 （姓名 職稱）學(xué)院名稱 專業(yè)班級設(shè)計提交日期年月 設(shè)計答辯日期年月摘 要本設(shè)計以IR2111與h橋組成的電機驅(qū)動模塊為核心，采用STC89C52單片機來進行PWM的產(chǎn)生以及調(diào)控，并用TIL113光耦隔離模塊進行信號的隔離。實驗調(diào)試后證明，該方法接線容易，可行性較其它方案的高而且在最后驗收中成功實現(xiàn)電機的四象運行與調(diào)速。關(guān)鍵字：IR2111 STC89C

2、52單片機PWM 四象運行與調(diào)速目 錄摘要1 設(shè)計簡述 4 1.1 設(shè)計題目 4 1.2 設(shè)計任務(wù)與要求 4 1.3 設(shè)計原理 42 方案論證 4 2.1 脈寬調(diào)制電路的選擇 4 2.2 驅(qū)動電路的選擇 5 2.2 驅(qū)動電路的選擇 53. 系統(tǒng)的組成 5 3.1 系統(tǒng)的硬件組成 5 3.2 系統(tǒng)的軟件 10 3.2.1系統(tǒng)電機狀態(tài)控制程序 10 3.2.2系統(tǒng)的測速功能程序 10 3.2.3具體程序 12 3.3 系統(tǒng)的調(diào)試 174 問題與解決 175 心得 186 參考文獻7附錄1 設(shè)計簡述1.1 設(shè)計題目直流電機PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1.2 設(shè)計任務(wù)與要求1 直流電機的調(diào)速有單象限，二象限

3、和四象限三種工作形式。要求學(xué)生選擇后兩種工作形式的任意一種進行設(shè)計。2選用額定電壓為220V，額定電流為1.2A的它勵直流電動機（即把實驗室的并勵直流電動機做它勵接法）作為調(diào)速對象。要求帶一發(fā)電機負載進行調(diào)速實驗。1.3 設(shè)計原理：脈寬調(diào)制即PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列的脈沖寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需波形。PWM驅(qū)動是利用大功率管的開關(guān)特性，按固定頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通“與“斷開“時間的長短，通過改變無刷直流電動機定子繞組上電壓脈沖的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。圖2.8

4、即為無刷直流電動機單相繞組PWM驅(qū)動電路的原理框圖。由于PWM控制器的主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，因此控制器的損耗小、效率高。2 方案論證2.1 脈寬調(diào)制電路的選擇方案1：采用STC89C52單片機來進行PWM的產(chǎn)生以及調(diào)控。方案2：采用TL494脈寬調(diào)制芯片選擇：方案1的接線較為簡單，而且實現(xiàn)起來比較容易。2.2 驅(qū)動電路的選擇方案1：使用多個功率放大器件例如三極管以及相關(guān)功率管等，通過不同的放大驅(qū)動電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大要求以及相應(yīng)的控制時序，但由于控制的是半橋驅(qū)動電路，需要考慮到獨立電源的問題，電路制作比較復(fù)雜。方案2：采用專用驅(qū)動集成芯片IR2111來驅(qū)動半橋，IR21

5、11 是功率MOSFET 和IGBT 專用柵極驅(qū)動集成電路，可用來驅(qū)動工作在母線電壓高達600V 的電路中的N溝道功率MOS 器件。采用一片IR 2111 可完成兩個功率元件的驅(qū)動任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動電路僅需一個輸入級直流電源；可實現(xiàn)對功率MOSFET和IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動，還具有完善的保護功能。選擇：方案2有較大優(yōu)勢，而且外圍電路制作簡單，控制方便，采用方案二。在IR2111后接上H橋電機驅(qū)動模塊便可以控制電機勵磁繞組的電流正反向。2.3 信號隔離電路的選擇光電偶合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電

6、光和光電的轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)電信號送入光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“ 0”。若基極有引出線則可滿足溫度補償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應(yīng)用廣泛。3. 系統(tǒng)的組成3.1 系統(tǒng)的硬件組成1.穩(wěn)壓電源電源輸入到固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生

7、變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和右側(cè)的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓圖3.1 5v穩(wěn)壓電源2.IR2111及h橋電機驅(qū)動模塊采用一片IR 211l可完成兩個功率元件的驅(qū)動任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動電路僅需一個輸入級直流電源；可實現(xiàn)對功率MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，還具有完善的保護功能。基于三極管的使用機理和特性，在驅(qū)動電機中采用H橋功率驅(qū)動電路，H橋功率驅(qū)動電路可應(yīng)用于步進電機、交流電機及直流電機等的驅(qū)動永磁步進電機或混合式步進電機的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞組有時需正向電流，有時需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)

8、動。圖3.2 電機驅(qū)動模塊3.TIL113光耦隔離模塊在微機控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用的是開關(guān)量的控制，這些開關(guān)量一般經(jīng)過微機的IO輸出，而IO的驅(qū)動能力有限，一般不足以驅(qū)動一些點磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動介面電路，為避免微機受到干擾，須采取隔離措施。如可控硅所在的主電路一般是交流強電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機控制信號與可控硅觸發(fā)電路進行隔離。圖3.3 TIL113光耦隔離模塊4.按鍵控制模塊通過按鍵實現(xiàn)電機不同狀態(tài)下的工作圖3.4按鍵控制模塊5.單片機最小系統(tǒng)及占空比顯示模塊 電機的控制，測速功能實現(xiàn)的主要模塊 單片機晶振電路，采用12M的晶振圖3.5 單片機晶

9、振電路單片機復(fù)位電路圖3.6 單片機復(fù)位電路單片機最小系統(tǒng)及占空比顯示模塊圖3.7單片機最小系統(tǒng)及占空比顯示模3.2 系統(tǒng)的軟件3.2.1系統(tǒng)電機狀態(tài)控制程序通過控制PWM1 PWM2的輸出影響勵磁繞組的電流正反向來實現(xiàn)電機四象限運行功能。通過對單片機輸入電平計算就可以實現(xiàn)測速功能。程序框圖開始初始化查詢等待 啟動 不同象限的選擇 電機加速/減速 計時 PWM1PWM2的輸出矩形波 勵磁繞組的電流正反向控制 增大/減少占空比結(jié)束 3.2.2系統(tǒng)的測速功能程序若直流電機啟動后，讓定時器T0開始計時，對單位時間內(nèi)產(chǎn)生的方波計數(shù)為N，根據(jù)公式可求出單位時間內(nèi)的速度VNT。測速部分的設(shè)計框Z 開始 初

10、始化 按下OPEN鍵 定時器T0開始計時 對單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù) N 根據(jù)公式計算出電機的速度 數(shù)碼管顯示電機速度 結(jié)束3.2.3具體程序電機控制及測速程序：bit PWM1=P27; /定義兩路PWM脈沖波輸出IOsbit PWM2=P26;sbit SMG1=P12; /定義數(shù)碼管位選sbit SMG2=P15;sbit ONE=P24; /定義四象限按鍵控制IOsbit TWO=P25;sbit THREE=P36;sbit FOUR=P37;sbit pwm_rate_crease=P35;/定義占空比改變按鍵控制IOsbit pwm_rate_decrease=P34;unsigne

11、d char code numtab10=0x18,0xFC,0x52,0x54,0xB4,0x15,0x11,0xDC,0x10,0x14; /聲明數(shù)碼管數(shù)字數(shù)組uchar i=1;uchar count=0;uint pwm_rate=75; /初始化占空比void DelayMS(uint x) /延時程序 uchar t;while(x-) for(t=0;t<35;t+);void OUT_PWM_PULSE() /占空比輸出函數(shù)if(i%2=1)if(count=1)PWM1=0;PWM2=1;if(count=2)PWM1=0;PWM2=0;if(count=3)PWM1=

12、1;PWM2=0;if(count=4)PWM1=0;PWM2=0;if(i%2=0)PWM1=0;PWM2=0;void main()/主函數(shù) P2=0xff;/初始化IO口P0=0Xff;TMOD = 0x01;/初始化定時器0，設(shè)定PWM脈沖波的頻率為10khzTH0 = (65535-pwm_rate)/16;TL0 = (65535-pwm_rate)%16;IE = 0x82; /開啟定時器中斷TR0 = 1;while(1)if(pwm_rate_crease=0|pwm_rate_decrease=0)/按鍵去抖動DelayMS(10);if(pwm_rate_crease=0

13、|pwm_rate_decrease=0) /按鍵處理if(pwm_rate_crease=0)pwm_rate=pwm_rate+1; if(pwm_rate_decrease=0) pwm_rate=pwm_rate-1;if(pwm_rate>100) pwm_rate=0; if(pwm_rate<0) pwm_rate=25; while(pwm_rate_crease=0|pwm_rate_decrease=0) DelayMS(5);if(ONE=0|TWO=0|THREE=0|FOUR=0)DelayMS(10);if(ONE=0|TWO=0|THREE=0|FOU

14、R=0) TR0 = 0;if(ONE=0)pwm_rate=75;count=1;if(TWO=0) count=2; if(THREE=0) pwm_rate=75;count=3;if(FOUR=0) count=4;while(ONE=0|TWO=0|THREE=0|FOUR=0) DelayMS(5);TR0=1;P1=0XFB;/數(shù)碼管顯示P0=numtabpwm_rate%10;DelayMS(6);P1=0XDF;P0=numtabpwm_rate/10;DelayMS(6);void pwm() interrupt 1 /定時器0中斷處理程序OUT_PWM_PULSE();i

15、f(i%2=1)TH0 = (65535-pwm_rate)/16; TL0 = (65535-pwm_rate)%16;if(i%2=0)TH0 = (65435+pwm_rate)/16; TL0 = (65435+pwm_rate)%16;i=i+1;if(i>=2) i=0;3.3 系統(tǒng)的調(diào)試 電機控制系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后實驗數(shù)據(jù)：勵磁電壓為244v電樞電流為1.2A，電樞電壓恒定在218v下改變占空比，測得相應(yīng)電機轉(zhuǎn)速如下：占空比（%）4050607580電機轉(zhuǎn)速（r/min）727.2764.4837.1874.9904.2表3.3 電機轉(zhuǎn)速4 問題與解決在設(shè)計過程中遇到的問題及解決

16、：1.電機調(diào)試過程中，改變電機的占空比，發(fā)現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速變化范圍較小，且輸出轉(zhuǎn)矩偏??？解決：經(jīng)過分析，電機的調(diào)速方式為雙極式PWM調(diào)速，雙極性工作造成低電流啟動。通過軟件改變電機的調(diào)速方式為單極式后，電機運行正常。2.調(diào)試過程中出現(xiàn)當(dāng)增加場效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動電路的上管電壓至140v以上時，場效應(yīng)管擊穿損壞？解決：經(jīng)過分析，原因可能有三個方面：一是電機運行在雙極式工作條件下，H橋的4個晶體管均處于開關(guān)狀態(tài)，因此開關(guān)損耗大，而且上、下兩管容易發(fā)生橋臂直通，降低了可靠性。二是選用的場效應(yīng)管參數(shù)不匹配，內(nèi)置的續(xù)流二極管沒有達到續(xù)流的要求。三是IR2111驅(qū)動電路部分的自舉電容和二極管選型不匹配。針對以

17、上三個方面，對PWM控制器進行改進，使得直流電機運行在了較為理想的狀態(tài)。3.調(diào)試過程中出現(xiàn)電機總是一個方向的運行？解決：基本上鎖定在程序錯誤和硬件電路芯片損壞兩個方面。程序錯誤的可能性不大，用下載器重新下載了程序后，故障仍然存在，排除了程序錯誤的可能性。將驅(qū)動電路部分的兩片IR2111調(diào)換位置后發(fā)現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)向相應(yīng)改變。通過測試，其中的一片IR2111芯片失效，原因可能是調(diào)試電機過程中場效應(yīng)管擊穿，過流通過VS線損壞IR2111。重新?lián)Q上IR2111后，電機控制正常。4.開始調(diào)試過程中，通上電源后電機仍然不轉(zhuǎn)？解決：經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，IR2111芯片的com引腳與場效應(yīng)MOS管的上所加電壓的地未連接在一起，用鱷魚夾連接后，電機控制正常。5.控制電機低速運