直流電機(jī)PWM調(diào)速電路

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題：直流電機(jī)PWM調(diào)速電路班級(jí) 電氣工程1101學(xué)號(hào)1101205304學(xué)生姓名 xxx專業(yè)電氣信息類系別電子與電氣工程學(xué)院指導(dǎo)老師電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)小組xxxxx電子與電氣工程學(xué)院2012年5月一、設(shè)計(jì)目的a）培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過的理論和生產(chǎn)實(shí)際 知識(shí)去分析和解決工程實(shí)際問題的能力。b）學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，了解和掌握模擬、數(shù)字電路等知識(shí)解 決電子信息方面常見實(shí)際問題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、自行制作和自行調(diào)試。c）進(jìn)行基本技術(shù)技能訓(xùn)練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識(shí)別、測(cè)量、 熟練運(yùn)用的能力，掌握設(shè)計(jì)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)

2、和規(guī)范以及使用仿真軟件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn) 行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等。d）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1 設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主回路，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)；2 設(shè)計(jì)PW驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路；3. 設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示電路；4. 設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路；可以按鍵或電位器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速;5. 安裝調(diào)試；6. 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。三、設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)原理1信號(hào)可以采用數(shù)字方法給定，也可以采用電位器給定。建議采用數(shù)字方法。2. PWM信號(hào)可以采用三角波發(fā)生器和比較器產(chǎn)生，也可采用數(shù)字電路及可編程器 件產(chǎn)生。建議采用數(shù)字方法。3正反轉(zhuǎn)主回路可以采用雙極型器件實(shí)現(xiàn)，也可以用MOS器件實(shí)現(xiàn)；4. 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路可以采用增量型光電編碼器，

3、也可采用自行制作的光電編碼電 路、霍爾傳感器以及其它近似測(cè)速方法。建議采用光電編碼器。5. 顯用數(shù)字方法顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。采用光電編碼等方法的脈沖測(cè)速方法時(shí)，可采 用計(jì)數(shù)法測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速；電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)為模擬信號(hào)時(shí)，可采用數(shù)字表頭顯示轉(zhuǎn)速。建 議采用數(shù)字方法。6. （提高部分 ）可以采用反饋控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步完善。四、單元電路設(shè)計(jì)4.1 LM324組成的PW直流電機(jī)產(chǎn)生電路4.1.1 它主要由U1（ LM324和Q1組成圖4.1中，由U1a U1d組成振蕩器電路，提供頻率約為 400Hz的方波/三角形波。 U1c產(chǎn)生6V的參考電壓作為振蕩器電路的虛擬地。這是為了振蕩器電路能在單電源情 況下也能工作而

4、不需要用正負(fù)雙電源。 U1b 這里接成比較器的形式，它的反相輸入端 （6腳）接入電阻R6 R7和VR1,用來提供比較器的參考電壓。這個(gè)電壓與 U1d的輸出 端（14腳）的三角形波電壓進(jìn)行比較。當(dāng)該波形電壓高于 U1b的6腳電壓.U1b的7腳 輸出為高電平；反之，當(dāng)該波形電壓低于 U1b的6腳電壓，U1b的7腳輸出為低電平。 由此我們可知，改變U1b的6腳電位使其與輸入三角形波電壓進(jìn)行比較。就可增加或 減小輸出方波的寬度，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM）電阻R6 R7用于控制VR1的結(jié)束點(diǎn)，保 證在調(diào)節(jié)VR1時(shí)可以實(shí)現(xiàn)輸出為全開（全速或全亮）或全關(guān)（停轉(zhuǎn)或全滅），其實(shí)際的阻 值可能會(huì)根據(jù)實(shí)際電路不同有所改

5、變。圖4.1中，Q1為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，這里用作功率開關(guān)管（電流放大），來驅(qū)動(dòng) 負(fù)載部分。前面電路提供的不同寬度的方波信號(hào)通過柵極 （G）來控制Q1的通斷。LED1 的亮度變化可以用來指示電路輸出的脈沖寬度。C3可以改善電路輸出波形和減輕電路 的射頻干擾 （RFI） 。 D1 是用來防止電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)損壞 Q1。當(dāng)使用24v的電源電壓時(shí)，圖1電路通過U2將24V轉(zhuǎn)換成12V供控制電路使 用。而Q1可以直接在21v電源上，對(duì)于Q1來講這與接在12v電源上沒有什么區(qū)別。 參考圖1,改變J1、J2的接法可使電路工作在不同電源電壓（12V或24V）下。當(dāng)通過 Q1的電流不超過1A時(shí)，Q1可不用散熱器。但

6、如果 Q1工作時(shí)電流超過1A時(shí)，需加裝 散熱器。如果需要更大的電流（大于 3A）,可采用IRFZ34N等替換Q1。圖4.1 LM324組成的PWM直流電機(jī)產(chǎn)生原理圖4.1.2 工作原理脈沖寬度調(diào)制（PWM是英文“ Pulse Width Modulation ”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。 它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng) 用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的 變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通 時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定。上述電路中，運(yùn)算放大器

7、 U1A和U1B兩級(jí)產(chǎn)生三角波，U1C為跟隨器，起隔離作 用。U1B俞出的三角波與從電位器 RP得到的直流電壓相加后輸入到 U1D勺反相端，U1D 作為脈沖寬度調(diào)制電路，其輸出一定占空比的矩形脈沖，其占空比與反相端輸入信號(hào) 的瞬時(shí)采樣值成比例，然后控制三極管 Q1的導(dǎo)通時(shí)間，使其輸出電流隨輸入電壓的平 均值大小而變化，進(jìn)而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。調(diào)節(jié)電位器可調(diào)節(jié)占空比的大小，即可 調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。4.2 H 橋式電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)主回路4.2.1 主電路原理圖H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖 4.2所示。PW逆變器的直流電源由交 流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C0濾波，以獲得恒定的

8、直流電壓Us由于電容量較大，突加電源時(shí)相當(dāng)短路，勢(shì)必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流 二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻R0 （或電抗），合上電源以后，延時(shí)用開關(guān)將 R0短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。濾波電容器往往在PWM裝置的體積和重量中占有不小的份額，因此電容量的選擇 是PWM裝置設(shè)計(jì)中的重要問題。但對(duì)于 PWM換器中的濾波電容，其作用除濾波外， 還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不 可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻 Rb消耗掉這些能量，在泵升

9、電壓達(dá)到 允許值時(shí)接通 VT5。圖 4.2 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖4.3 光電編碼器測(cè)速電路4.3.1 光電編碼器的工作原理 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器， 光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝 置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與 電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組 成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖 1 所示；通過計(jì)算每秒光電 編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還 可提

10、供相位相差90o的兩路脈沖信號(hào)。根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法 及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。圖 2 光電編碼器狀態(tài)圖圖3光電編碼器測(cè)速原理圖4.4 頻率測(cè)量及顯示電路圖4.4.1系統(tǒng)原理圖各部分模塊的功能： 光電編碼器：采集光電信號(hào). 放大、整形電路：對(duì)傳感器送過來的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，在送入單片機(jī)進(jìn)行 數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換。 單片機(jī)：對(duì)處理過的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速的實(shí)際值，送入LED LED顯示：用來對(duì)所測(cè)量到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示。4.4.1 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)我們采用AT89C51其引腳圖如圖3-1 )，相較于INTEL公司的8

11、051它本身 帶有一定的優(yōu)點(diǎn)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory )的低電壓，高性 能CMOS位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEI高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù) 制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51旨令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位CPI和閃爍 存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器，AT89C單片機(jī)為 很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。圖4.4.2 AY89C51 引腳圖(1) VCC供電電壓，(2) GN

12、D 接地。(3) P0 口： P0 口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O 口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它 可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。(4) P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外 部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址

13、接收。(5) P2 口： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收， 輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2 口被寫“ T時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸 入。并因此作為輸入時(shí)，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的 緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2 口輸 出地址的高八位。在給出地址“ T時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn) 時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。（6） P3 口： P3 口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O 口

14、，可接收輸出4個(gè)TTL 門電流。當(dāng)P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL ）這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口。P3 口管腳備選功能：（7）P3.0 RXD （串行輸入口）（8）P3.1 TXD （串行輸出口）（9）P3.2 /INT0 （外部中斷 0）（10）P3.3 /INT1 （外部中斷 1）（11）P3.4 T0 （記時(shí)器0外部輸入）（12）P3.5 T1 （記時(shí)器 1外部輸入）（13）P3.6 /WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）（14）P3.7 /RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選

15、通）（15）P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。（16） ?RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電 平時(shí)間。（17）ALE/PROG當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的 地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的 脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE脈沖。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行 MOV，MOV指令是ALE才起作用。另外，

16、該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí) 行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。（18）PSEN ：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè) 機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不 出現(xiàn)。（19）EA/VPP ： 當(dāng) /EA 保 持 低 電 平 時(shí) ， 則 在 此 期 間 外 部 程 序 存 儲(chǔ) 器（0000H-FFFFH，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASHS程期間，此引腳 也用于施加12V編程電源（VPP。（20）XTAL1 ：反向振蕩放大器的

17、輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。（21）XTAL2 ：來自反向振蕩器的輸出。圖 4.4.3 計(jì)數(shù)顯示電路五、安裝調(diào)試1. 檢查線路按照原理圖完成實(shí)驗(yàn)電路后，檢查線路是否正確，焊接點(diǎn)是否牢固，有無虛焊， 用萬用表逐個(gè)檢驗(yàn)部分電路中接點(diǎn)的焊接情況。2. 通電檢測(cè)電路實(shí)行分部檢驗(yàn)電路的方法：（ 1）在電路的兩端加上適當(dāng)?shù)碾妷?，用示波器逐個(gè)檢 查PW啲兩個(gè)輸出端，觀察波形是否為方波和鋸齒波。（2）將H橋電路接在電動(dòng)機(jī)的 輸入端，調(diào)節(jié)H橋電路的輸入方式，觀察電路是否能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。（3）將電動(dòng)機(jī)接上 電源，將霍爾元件輸出端連接到示波器，觀察示波器是否輸出方波。（4）給計(jì)數(shù)器輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，觀察顯示器是否可

18、以顯示功能。3. 調(diào)試電路根據(jù)檢查電路中出現(xiàn)的問題，逐個(gè)排查，反復(fù)檢驗(yàn)。先檢查電路圖是否有問題， 若電路圖沒有問題，再檢查焊點(diǎn)和器件是否有問題，最后用示波器調(diào)試。4. 測(cè)試整個(gè)電路加上12V的電壓，看整個(gè)電路能否正常工作。六、設(shè)計(jì)總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)直流電機(jī) PW調(diào)速電路和光電編碼器有了一定的了解。 脈沖寬度調(diào)制 （PWM，） 是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵 極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方 式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì) 模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出 軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器， 光電編碼器