PWM控制的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)題目：PWM控制的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、前言近年來，隨著科技的進(jìn)步，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。直流它具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣;過載能力大,能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn);需要能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，從而對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，這時(shí)通過PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法應(yīng)運(yùn)而生。采用傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下缺陷：模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而在用了PWM技術(shù)后，避免了以

2、上的缺陷，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號(hào)，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流,低速特性好；同樣,由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng),可以獲得很寬的頻帶;開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗小,裝置效率高。PWM 具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。2、設(shè)計(jì)要求及組內(nèi)分工2.1設(shè)計(jì)要求（1）根據(jù)電機(jī)與拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)室提供的直流電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)基于PWM的電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案。（2）選用合適的功率器件，設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。（3）設(shè)計(jì)PWM波形發(fā)生電路，使能通過按鍵對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，要求至少有兩個(gè)速度控制按鍵

3、，其中一個(gè)為加速鍵（每按一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)速增加）；另一個(gè)為減速鍵，功能與加速鍵相反。（4）撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2.2組內(nèi)分工（1）負(fù)責(zé)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制硬件設(shè)計(jì)及電路焊接：主要由胡佳春和葉秋平完成（2）負(fù)責(zé)調(diào)速控制軟件編寫及調(diào)試：主要由朱健和葉秋平完成（3）撰寫報(bào)告：主要由胡佳春和朱健完成3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量，PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)

4、則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為 （1）式中 Ua電樞供電電壓（V）； Ia 電樞電流（A）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； Ra電樞回路總電阻（）； CE電勢(shì)系數(shù)， ，p為電磁對(duì)數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra；(2)改變電樞供電電壓Ua；(3)改變勵(lì)磁磁通。4、方案選擇及論證 4.1、方案選擇4.1.1、改變電樞回路電阻調(diào)速可以通過改變電樞回路電

5、阻來調(diào)速，此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為 n=U-【I(R+Rw)】/Ke （2）式中Rw為電樞回路中的外接電阻（）。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻Rw的增大，電樞回路總電阻R=(Ra+Rw)增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就降低。Rw的改變可用接觸器或主令開關(guān)切換來實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方法為有級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在這種調(diào)速方法已極少采用，本次設(shè)計(jì)不采用。4.1.2、改變勵(lì)磁電流調(diào)速當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由式1-1可看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通（也就是勵(lì)磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速n升高；反之，則n降低。與此同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te是磁通和電樞電流Ia的乘

6、積（即Te=CTIa），電樞電流不變時(shí)，隨著磁通的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動(dòng)機(jī)磁通的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動(dòng)機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才采用這種調(diào)速方法。本次設(shè)計(jì)不采用。4.1.3、采用PWM控制的調(diào)速方法圖1為PWM降壓斬波器的原理電路及輸出電壓波形。在圖1a中，假定晶體管V1先導(dǎo)通T1，秒(忽略V1的管壓降，這期間電源電壓Ud全部加到電樞上)，然后關(guān)斷T2秒(這期間電樞端電壓為零)。如此反復(fù)，則電樞端

7、電壓波形如圖1b中所示。電動(dòng)機(jī)電樞端電壓Ua為其平均值。圖1 PWM降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形a) 原理圖 b)輸出電壓波形 (3)式(3)中 （4） 為一個(gè)周期T中，晶體管V1導(dǎo)通時(shí)間的比率，稱為負(fù)載率或占空比。使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變的值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的： (1)定寬調(diào)頻法：T1保持一定，使T2在0范圍內(nèi)變化； (2)調(diào)寬調(diào)頻法：T2保持一定，使T1在0范圍內(nèi)變化(3)定頻調(diào)寬法：T1+T2=T保持一定，使T，在0T范圍內(nèi)變化。 不管哪種方法，的變化范圍均為0l，因而電樞電壓平均值Ua的調(diào)節(jié)范圍為0Ud，均為正值，即電動(dòng)機(jī)只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。當(dāng)需要

8、電動(dòng)機(jī)在正、反向兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，即可逆調(diào)速時(shí)，就要使用圖12a所示的橋式(或稱H型)降壓斬波電路。 在圖2a中，晶體管V1、V4是同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷的，V2、V3也是同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷的，但V1與V2、V3與V4都不允許同時(shí)導(dǎo)通，否則電源Ud直通短路。設(shè)V1、V4先同時(shí)導(dǎo)通T1秒后同時(shí)關(guān)斷，間隔一定時(shí)間(為避免電源直通短路。該間隔時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)問)之后，再使V2、V3同時(shí)導(dǎo)通T2秒后同時(shí)關(guān)斷，如此反復(fù)，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓波形如圖2b所示。圖2 橋式PWM降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形a)原理圖 b)輸出電壓波形電動(dòng)機(jī)電樞端電壓的平均值為 (4)由于01，Ua值的范圍是 -Ud+Ud，因而電動(dòng)機(jī)

9、可以在正、反兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖3給出了兩種PWM斬波電路的電樞電壓平均值的特性曲線。圖3兩種斬波器的輸出電壓特性4.2、元器件的選擇比較、基于IGBT和 MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的比較IGBT驅(qū)動(dòng)電路能驅(qū)動(dòng)大型的功率設(shè)備，但價(jià)格高。MOSFET能驅(qū)動(dòng)較大的功率設(shè)備，價(jià)格比IGBT低很多。本課程設(shè)計(jì)是驅(qū)動(dòng)小功率直流電動(dòng)機(jī)，可以用IGBT和 MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。但電動(dòng)機(jī)功率僅為100W，所以本課程設(shè)計(jì)采用MOSFET管來進(jìn)行控制。功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)與雙極型功率相比具有如下特點(diǎn)：1場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)是電壓控制型器件(雙極型是電流控制型器件)，因此在驅(qū)動(dòng)大電流

10、時(shí)無需推動(dòng)級(jí)，電路較簡(jiǎn)單；2輸入阻抗高，可達(dá)108以上；3工作頻率范圍寬，開關(guān)速度高(開關(guān)時(shí)間為幾十納秒到幾百納秒)，開關(guān)損耗?。?有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作Hi-Fi音響；5功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)可以多個(gè)并聯(lián)使用，增加輸出電流而無需均流電阻。、 89S52單片機(jī)52單片機(jī)價(jià)格便宜，使用簡(jiǎn)單、方便，功能較齊全，能夠達(dá)到控制本電路的要求。所本本課程設(shè)計(jì)采用89S52單片機(jī)。、 光耦隔離開關(guān)光耦隔離開關(guān)是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體內(nèi)，中間通過電光電的轉(zhuǎn)換來傳輸電信號(hào)的半導(dǎo)體光電子

11、器件。光耦以光信號(hào)為媒介來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。采用光耦隔離可以很好地實(shí)現(xiàn)弱電和強(qiáng)電的隔離，達(dá)到抗干擾目的。、 7805穩(wěn)壓管7805能使輸入電壓（正常條件7-25伏）轉(zhuǎn)化為5伏左右輸出，供光耦隔離開關(guān)發(fā)光部分及單片機(jī)等供電。價(jià)格便宜，使用方便。 IRF740 MOSFET功率管1管腳（G）接輸入信號(hào)，2管腳（s）接地，3管腳（D）接電壓源。圖4 IRF740示意圖 圖5 IRF740主要參數(shù)、 直流電機(jī)參數(shù)額定轉(zhuǎn)速1600r/min，額定電壓220V。5、系統(tǒng)電路總設(shè)計(jì)圖6 總體電路原理圖 本次課程設(shè)計(jì)采用定頻調(diào)寬法：T1+T2保持一定，

12、使T1在0T范圍內(nèi)變化來改變a的值從而達(dá)到調(diào)壓的目的。以89S51單片機(jī)系統(tǒng)和7805穩(wěn)壓電源系統(tǒng)以及光電耦合MOSFET部分組成。由鍵盤K1和K2發(fā)出指令，單片機(jī)處理后經(jīng)P26口發(fā)出矩形波，通過占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的。當(dāng)按下key1按鍵時(shí)，IRF740MOSFET功率管1腳的高電平占空比增大，電樞電壓增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增大；當(dāng)按下key2按鍵時(shí)，IRF740MOSFET功率管1腳的高電平占空比減小，電樞電壓減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小。從而通過單片機(jī)達(dá)到簡(jiǎn)單調(diào)速的目的。5.1、單片機(jī)最小系統(tǒng)部分圖7 最小單片機(jī)系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用了89S51單片機(jī)，由最小單片機(jī)系統(tǒng)組成，并將單片機(jī)的P26口作為

13、輸出口，輸出占空比不同的矩形波，供給后續(xù)驅(qū)動(dòng)電路部分，在單片機(jī)的外圍擴(kuò)展了兩個(gè)按鍵，K1作為加速按鍵，K2作為減速按鍵，進(jìn)行調(diào)速控制。5.2、驅(qū)動(dòng)電路部分圖8驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)部分主要由用的光電耦合器和MOSFET組成，由單片機(jī)的P26口提供的信號(hào)，P26當(dāng)為高電平時(shí)，發(fā)光管導(dǎo)通，光電耦合器輸出低電平，MOSFET關(guān)閉，回路關(guān)閉。當(dāng)P26口為低電平時(shí)，發(fā)光管關(guān)閉，光電耦合器輸出為高電平，MOSFET打開，回路導(dǎo)通。5.3、電源部分圖9電源電路電源部分采用的是三端穩(wěn)壓器7805，輸入由AC-DC變壓器提供+9V直流電，經(jīng)7805穩(wěn)壓，由電容濾波，輸出+5V電壓，為單片機(jī)提供工作電源。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 答辯

14、時(shí)得知數(shù)據(jù)有偏差，但確實(shí)為實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。附錄有圖。轉(zhuǎn)速和電壓的關(guān)系序號(hào)1234轉(zhuǎn)速（VPM）11931073906717電壓（V）169152.3129.1102.46、硬件調(diào)試過程 由于我在實(shí)習(xí)的緣故，調(diào)試過程主要由葉秋平完成，調(diào)試的過程中得到了楊成安同學(xué)的大力幫助，調(diào)試工程中出現(xiàn)了一個(gè)問題：電機(jī)轉(zhuǎn)速快，不能調(diào)速。經(jīng)過大家商量，大致的調(diào)試步驟如下：用示波器檢測(cè)檢查電路1.使用按鍵，示波器檢測(cè)MOSFET功率管1腳，發(fā)現(xiàn)其占空比能改變。2.檢測(cè)P2.6，光耦隔離開關(guān)發(fā)射端A腳，接受端C腳，波形正常。然后檢測(cè)MOSFET功率管1腳的波形，發(fā)現(xiàn)其低電平為1v左右,高電平為13v左右。3.最后猜想可

15、能是1V的電平也可能使MOSFET功率管導(dǎo)通，于是減小MOSFET功率管3腳的電壓，把其改為5V。用示波器測(cè)量1腳電壓，顯示方波的低電平為0.2v左右,高電平5v左右。最后按下按鍵能控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。原因分析：MOSFET功率管3腳的輸入電壓過高時(shí),在前面電路的影響下其低電平電壓會(huì)偏高，從而導(dǎo)通IRF740MOSFET功率管。解決方法：降低MOSFET功率管3腳的輸入電壓，可降至5V7、設(shè)計(jì)總結(jié)體會(huì)這一次的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了不少的東西，由于有前幾次的經(jīng)驗(yàn)，這次課程設(shè)計(jì)應(yīng)該來說還是比較順利的，由于我和胡佳春在實(shí)習(xí)，平時(shí)比較忙，許多準(zhǔn)備工作都是*在做，自己對(duì)課程設(shè)計(jì)所花時(shí)間不多，以至于給后面的答辯和論

16、文寫作方面帶來了很多的麻煩。從原理圖的設(shè)計(jì)，電路板的焊接到寫課程設(shè)計(jì)論文，在這個(gè)過程中我們也遇到了很多的困難，如成員間分工不明確，程序大家都不熟悉等。這次課程設(shè)計(jì)給我最大的體會(huì)就是有很多東西如果不是自己親自動(dòng)手，只在書本上是學(xué)不到的，設(shè)計(jì)初期要考慮周到，否則后期會(huì)帶來很多不必要的麻煩。雖然可能會(huì)多花一些時(shí)間，但這比空想要有效的多。做事情一定要細(xì)心，更要耐心，遇到問題要慢慢去檢查，然后仔細(xì)分析后再解決；除此之外，還要有合作精神，注重團(tuán)隊(duì)合作，和合作者一起做，相互鼓勵(lì)，互相彌補(bǔ)不足之處，很多難點(diǎn)的突破都來自于與同學(xué)的交流，交流使自己獲得更多信息，開拓了思路，這樣很多事情就成了。本次設(shè)計(jì)把理論應(yīng)用到

17、了實(shí)踐中，同時(shí)通過設(shè)計(jì)，也加深了自己對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，在解決困難的過程中，獲得了許多專業(yè)方面的知識(shí),拓展了視野。提高了理論水平和實(shí)際的動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)了解決問題的方法，激發(fā)了我們的探索精神。這樣的課程設(shè)計(jì)是很好的鍛煉機(jī)會(huì),通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使我深入了解到課程設(shè)計(jì)在大學(xué)學(xué)習(xí)的重要性，課程設(shè)計(jì)增強(qiáng)了我們的實(shí)踐動(dòng)手能力，也為大四后學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。8、參考文獻(xiàn)7.1主要書目：電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 浙江科學(xué)技術(shù)出版社 李青 總主編電路電子實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 中國(guó)計(jì)量學(xué)院電工電子實(shí)驗(yàn)中心機(jī)電工程訓(xùn)練教程電子技術(shù)實(shí)訓(xùn) 清華大學(xué)出版社朱朝霞 主編 楊其華 主審7.2另外從互聯(lián)網(wǎng)下載了部分圖

18、片及資料9、程序9.1、程序設(shè)計(jì)思想當(dāng)按key1鍵時(shí)，電壓升高，轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)按key2鍵時(shí)，電壓下降，轉(zhuǎn)速下降;定時(shí)器1中斷用來產(chǎn)生周期為1ms的脈寬信號(hào)，定時(shí)器每次中斷后改變下一次的定時(shí)設(shè)置，設(shè)置值由按鍵決定，按key1，高脈寬定時(shí)時(shí)間加大，按key2，低脈寬定時(shí)時(shí)間增大，每次變化10uS。9.2、程序框圖 N初始化，周期T=20ms，高電平T0=10ms判斷是否有按鍵按下開始T0增加或減少1ms，改變占空比Y9.3、程序代碼ORG0000HAJMPMAINORG001BHAJMPINTT1ORG0100HMAIN:MOV60H,#0FEH/存放高電平的脈寬時(shí)間，定時(shí)500usMOV61H,

19、#0CHMOV62H,#0FEHMOV63H,#0CH/存放低電平的脈寬時(shí)間，定時(shí)500us，剛開始時(shí)，高低電平各為50，此時(shí)電壓為輸入電壓的一半，電機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)速為最低。調(diào)速設(shè)定為向上調(diào)節(jié)，即按加鍵時(shí)轉(zhuǎn)速上升，此時(shí)按減鍵，轉(zhuǎn)速不變。CLRP2.0MOVTMOD,#10H/定時(shí)器1用來產(chǎn)生脈寬，周期固定為1mS，MOVTH1,60HMOVTL1,61HSETBEASETBET1SETBPT1SETBTR1SETBP2.6READKEY:SETBP1.2CLRP1.0JNBP1.2,DELAYJNBP1.3,DELAYAJMPREADKEYDELAY:LCALLDL10MS;去抖SETBP1.2C

20、LRP1.0JNBP1.2,HAVEKEY1 /假設(shè)電路板接兩個(gè)鍵，分別為key1和key2，key1為脈寬增加，key2為脈寬減小JNBP1.3,HAVEKEY2AJMPREADKEYHAVEKEY1:MOVA,61H/是加鍵，60H61H值減小，高電平脈寬增加，62H63H值增大，低電平時(shí)間減小CLRCSUBBA,#0AHMOV61H,AMOVA,60HSUBBA,#00HMOV60H,ACLRCMOVA,63HADDA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HADDCA,#00HMOV62H,AMOVR2,60HMOVR3,61HMOVR6,#0FCHMOVR7,#18HLCALLNSU

21、B1JNCCONTINUMOV60H,#0FCH/超出調(diào)速范圍，即高脈寬大于1ms溢出了，則保持此數(shù)值MOV61H,#18HMOV62H,#0FFHMOV63H,#0FBHCONTINU:AJMPNOTXSHAVEKEY2:MOVA,63H/是減鍵，60H61H值增加，高電平脈寬減小，62H63H值減小，低電平時(shí)間增大CLRCSUBBA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HSUBBA,#00HMOV62H,ACLRCMOVA,61HADDA,#0AHMOV61H,AMOVA,60HADDCA,#00HMOV60H,AMOVR2,62HMOVR3,63HMOVR6,#0FDH;#0FCH /考慮到低電平