大功率直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1緒論在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩Ｖ绷麟姍C(jī)是最常見(jiàn)的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義電機(jī)調(diào)速問(wèn)題一直是自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問(wèn)題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合。直流電機(jī)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(guò)載能力大,能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn);需要能滿足生產(chǎn)過(guò)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

2、阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求但對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，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。伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)關(guān)速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成為主流，PWM表現(xiàn)出了越大的優(yōu)越性：主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率

3、較高；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。本設(shè)計(jì)采用PWM技術(shù)來(lái)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，與一般直流調(diào)速相比，既減少了對(duì)電源的污染，而且使控制過(guò)程更簡(jiǎn)單方便，減少了對(duì)人力資源的使用，又因?yàn)榫€路的簡(jiǎn)單化、功率器件需用的減少，使系統(tǒng)的維護(hù)、維修變得更加簡(jiǎn)單了，但動(dòng)、靜態(tài)性能卻提高了。 第1頁(yè)共15頁(yè)1.1直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)

4、因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。如圖，通過(guò)單片機(jī)控制器產(chǎn)生PWM矩形波，PWM矩形波經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的放大對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PWM控制，由速度傳感器對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，并將測(cè)得的速度反饋到輸入端即讓反饋信號(hào)與給定量進(jìn)行比較。從而達(dá)到對(duì)直流電機(jī)的較為精確的控制。圖1直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖圖2直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖第2頁(yè)共15頁(yè)1.3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，

5、用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)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。如下圖，令周期T一定，改變ton的大小的控制方式稱為PWM控制。圖3PWM控制方式輸出波形UI工Rn二aaa直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示,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（Q）；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；

6、（2）改變電樞供電電壓Ua；（3）改變勵(lì)磁磁通。在本設(shè)計(jì)中因?yàn)楹蚏a一定，故只能改變電樞供電電壓來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)第3頁(yè)共15頁(yè)速。而通過(guò)PWM方式，通過(guò)控制其占空比(a=ton),而U，a(U=aE),即Taa可控制電樞供電電壓。從而改變轉(zhuǎn)速n。2方案論證PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)方案、分立電子元件組成的PWM信號(hào)發(fā)生器這種方法是用分立的邏輯電子元件組成PWM信號(hào)電路。它是最早期的方式，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰了。、軟件模擬法利用單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳，通過(guò)軟件對(duì)該引腳不斷地輸出高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出。采用單片機(jī)軟件編程生成PWM信號(hào)，具有兩個(gè)定時(shí)器TO和T1。并通過(guò)對(duì)定時(shí)器T0和T1的設(shè)置，可輸出

7、不同占空比的脈沖波形。其控制簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，且控制功能多。、專用PWM集成電路從PWM控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的PWM集成電路芯片，現(xiàn)在市場(chǎng)上已有許多種。這些芯片除了由PWM信號(hào)發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護(hù)功能等。但是其對(duì)軟件編程的要求不太高，無(wú)法讓所學(xué)軟件知識(shí)得到利用，起不到鍛煉作用，且成本太高?？紤]以上三種方案，選擇(2)即利用單片機(jī)進(jìn)行軟件模擬方法產(chǎn)生PWM信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案圖4所示的H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)，電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線第 頁(yè)共15頁(yè)10上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)

8、的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。圖4H橋驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖5所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針?lè)较颍﹫D5H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖6所示為另一對(duì)二極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)二極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)

9、針?lè)较颍?。所以H橋驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于此設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)等是一個(gè)不很好的選擇。2.3轉(zhuǎn)速檢測(cè)、反饋電路設(shè)計(jì)方案集成霍爾開(kāi)關(guān)只對(duì)一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)起作甩抗干擾能力強(qiáng)，因而應(yīng)用廣泛。當(dāng)霍爾開(kāi)關(guān)所在位置的磁場(chǎng)尚未達(dá)到工作點(diǎn)之前，器件以高電平輸出，當(dāng)磁場(chǎng)增強(qiáng)到工作點(diǎn)B時(shí)，霍爾片輸出的電壓U經(jīng)差分放大器放大后，送至施密特觸發(fā)器,使之翻轉(zhuǎn)導(dǎo)通，從而使門電路輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?稱此為“開(kāi)”狀態(tài)。反之，當(dāng)磁場(chǎng)減小到釋放點(diǎn)B時(shí)，門電路輸出端截止，則由低電平變?yōu)楦唠娖剑Q為“關(guān)”狀態(tài)。A44E是典型的集成霍爾開(kāi)關(guān)在計(jì)數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速的測(cè)量中應(yīng)用廣泛。由于A44E靈敏度較高，抗干擾能力強(qiáng)，因而大量用于計(jì)數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)和

10、轉(zhuǎn)速的測(cè)量中，本設(shè)計(jì)測(cè)速的方法為:將小磁鋼粘在霍爾開(kāi)關(guān)背面，一起靠近轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪，由于齒輪的凹與凸，使霍爾開(kāi)關(guān)的磁感應(yīng)強(qiáng)度呈明顯變化，霍爾開(kāi)關(guān)同樣輸出脈沖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)31單片機(jī)控制單元單片機(jī)控制單元如圖所示，它要完成功能鍵控制、LCD顯示的控制、PWM矩形波的生成這幾項(xiàng)功能，由于控制功能多，選用AT89S52系統(tǒng)。顯示部分用了1602LCD顯示器，利用AT89S52的P0口來(lái)完成顯示控制，顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。鍵盤(pán)接口電路，采用了5個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)作為控制。5個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)分別控制直流電機(jī)的開(kāi)始、停止、轉(zhuǎn)向、加速、減速的5個(gè)狀態(tài)；當(dāng)按下open鍵時(shí)，電機(jī)開(kāi)始工作。若需要加快電機(jī)的轉(zhuǎn)速，則按下add_speed

11、鍵，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速適中；相反,需要減慢電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，則按下sub_speed鍵，待轉(zhuǎn)速滿意后，放開(kāi)按鍵。當(dāng)然，在某種特定的環(huán)境下，還需改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，此時(shí)，你可以按一下swap鍵，以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)向的目的。當(dāng)電機(jī)不工作時(shí)，則按下close鍵。如下圖,鍵盤(pán)控制電路用單片機(jī)的P2口來(lái)完成。PSDP2P22P23P34P23P36PZ?WTLINTOTlTOEA)VPKI忙2RISET醫(yī)WRKZDTXDALEjPPEEN1市MVEf7MbPW215pwuiIT二圖7AT89S52單片機(jī)控制單元QII113JEPPFPFPF3EL37236:3545336327m0D2D3M血闊EPPPPPPPP3.2

12、電源電路78XX,XX就代表它所輸出的電壓值，能降低電壓4-5V電子產(chǎn)品中常見(jiàn)到的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78XX系列和負(fù)電壓輸出的79XX系列。故名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V,7909表示輸出電壓為負(fù)9V。有時(shí)在數(shù)字78或79后面還有一個(gè)M或L，如78M12或79L24,用來(lái)區(qū)別輸出電流和封裝形式等，其中78L調(diào)系列

13、的最大輸出電流為100mA,78M系列最大輸出電流為1A,78系列最大輸出電流為1.5A。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過(guò)高時(shí),穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。電源電路采用78系列芯片產(chǎn)生+5V、+15V。電路圖如圖8：RIourourII1W第 #頁(yè)共15頁(yè)10第 #頁(yè)共15頁(yè)10圖878系列的電源電路第 頁(yè)共15頁(yè)1033H橋驅(qū)動(dòng)電路基于三極管的使用機(jī)理和特性，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)中采用H橋功率驅(qū)動(dòng)電路，H橋功率驅(qū)動(dòng)電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動(dòng).永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說(shuō)繞組有時(shí)

14、需正向電流，有時(shí)需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)控制使用H橋驅(qū)動(dòng)電路（圖9）,當(dāng)PWM1為低電平，通過(guò)對(duì)PWM2輸出占空比不同的矩形波使三極管QI、Q6同時(shí)導(dǎo)通Q5截止，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速的控制；同理，當(dāng)PWM2為高電平,通過(guò)對(duì)PWM1輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時(shí)導(dǎo)通,Q6截止，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速的控制。圖9H橋的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路34轉(zhuǎn)速檢測(cè)、反饋電路霍爾效應(yīng)：在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長(zhǎng)度為1,寬度為b,厚度為d,當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I

15、和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。工作原理：霍爾開(kāi)關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波，代表轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)齒。單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N,因此可求出單位時(shí)間內(nèi)的速度V=NT。本設(shè)計(jì)選用霍爾傳器進(jìn)行轉(zhuǎn)速的檢測(cè)與反饋。圖10霍爾傳感器的測(cè)速電路3.5LCD顯示模塊1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器(CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字

16、、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B(41H)，顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。因?yàn)?602識(shí)別的是ASCII碼,試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如A。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地第2腳：VDD接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平

17、1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平（1）時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平（0）時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。第6腳：E（或EN）端為使能（enable）端。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。如下圖所示，為L(zhǎng)CD顯示電路U3BLADLKRB7A&5RB4RB3RB2A&1RWL亡C?ifrQiR17JOk圖11LCD顯示電路 第11頁(yè)共15頁(yè)4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件電機(jī)控制的方框圖通過(guò)控制總中斷使能EA控制電機(jī)的開(kāi)關(guān)，同時(shí)使能對(duì)霍爾傳感器輸出的方波在單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)。其中定時(shí)器TO,T1分別對(duì)脈沖的寬度、霍

18、爾元件輸出的脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間定時(shí)。對(duì)脈沖寬度的調(diào)整是通過(guò)改變高電平的定時(shí)長(zhǎng)度。通過(guò)軟件控制電機(jī)的啟動(dòng)，加速，減速，轉(zhuǎn)向，和停止。圖12軟件電機(jī)控制的方框圖第12頁(yè)共15頁(yè)4.2測(cè)速軟件設(shè)計(jì)若直流電機(jī)啟動(dòng)后，讓定時(shí)器T1開(kāi)始計(jì)時(shí)，對(duì)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的方波計(jì)數(shù)為N,根據(jù)公式可求出單位時(shí)間內(nèi)的速度V=NT。程序流程圖如下所示。開(kāi)始r初始化按下OPEN鍵定時(shí)器T1開(kāi)始計(jì)時(shí)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)N根據(jù)公式計(jì)算出電機(jī)的速度液晶顯示電機(jī)速度圖13軟件測(cè)速的方框圖第13頁(yè)共15頁(yè)5心得體會(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(lái)說(shuō)還是比較順利的，由于我們做課程設(shè)計(jì)過(guò)程中正在實(shí)習(xí)，平時(shí)比較忙，所以對(duì)于軟件設(shè)計(jì)里面的編程只將流程圖等編程的架構(gòu)思想寫(xiě)出來(lái)了，沒(méi)有給出具體的程序。從方案的確定，原理圖的設(shè)計(jì)，具體繪制到寫(xiě)課程設(shè)計(jì)論文，在這個(gè)過(guò)程中我也遇到了很多的困難，因?yàn)闆](méi)有選修過(guò)單片機(jī)那門課程，讓我在做課設(shè)的時(shí)候感覺(jué)很頭疼，不得不去圖書(shū)館借了有關(guān)單片機(jī)的書(shū)來(lái)學(xué)習(xí)。對(duì)于在protel99