小容量直流電機(jī)雙極性PWM調(diào)速說(shuō)明書

小容量直流電機(jī)PWM調(diào)速臺(tái)州第一技師學(xué)院維修電工高級(jí)課題（xxxx屆）課題題目小容量直流電雙極性PWM調(diào)速班級(jí)xxxxxx班姓名xxx指導(dǎo)教師xxxx職稱或等級(jí)xxxx完成日期xxxx年xx月xx日小容量直流電雙極性PWM調(diào)速姓名：xx（臺(tái)州第一技師學(xué)院）2013年9月30日摘要直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，被廣泛的應(yīng)用對(duì)啟動(dòng)和調(diào)速有較高要求的拖動(dòng)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)介紹了用PWM實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的基本方法，直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識(shí)，PWM調(diào)整的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器數(shù)字輸出來(lái)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、通訊、功率控制與變換等許多領(lǐng)域。硬件系統(tǒng)主要包括：直流雙電源電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、PWM調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖整形放大電路、H型雙極性驅(qū)動(dòng)電路。關(guān)鍵字：PWM；直流電機(jī)；雙極性；目錄目錄1引言 52課題研究的意義 63直流調(diào)速及PWM控制原理 64總體設(shè)計(jì) 85硬件設(shè)計(jì) 95.1 電源電路 95.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 95.3 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 105.4 PWM調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路 105.5 H型雙極性驅(qū)動(dòng)電路 116制版 126.1 打印電路板 126.2 裁剪覆銅板 126.3 預(yù)處理覆銅板 126.4 轉(zhuǎn)印電路板 126.5 腐蝕線路板 126.6 線路板鉆孔 126.7 焊接電子元件 127課題小結(jié) 138致謝 139附錄 149.1、元器件清單 149.2、集成塊介紹 149.3、電路圖 149.4、實(shí)物圖 1610參考文獻(xiàn) 16引言PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開(kāi)辟了新的局面。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制功率器件的開(kāi)關(guān)開(kāi)始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號(hào)輸出，可以說(shuō)直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。由于PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。由此在交流傳動(dòng)及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如ABB

ACS1000系列和美ROBICON公司的完美無(wú)諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。

在70年代開(kāi)始至80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過(guò)5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開(kāi)關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱?，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值（DTC控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因?yàn)殡S機(jī)PWM技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問(wèn)題的全新思路。2課題研究的意義直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特征，簡(jiǎn)單的控制性能，高效益優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最佳選擇。因此研究直流電流的書的控制，有著非常重要的意義。還有利用脈寬調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速能使電源的能量得到充分利用，電路的效率高。例如：當(dāng)輸出為50%的方波時(shí)，脈寬調(diào)制電路消耗的電源能量也為50%，即幾乎所有的能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載功率輸出。而采用常見(jiàn)的電阻降壓調(diào)速時(shí)，要使負(fù)載獲得電源最大輸出功率50%的功率電源必須提供71%的輸出功率，這其中21%消耗在電阻的壓降及熱耗上，有時(shí)電路的轉(zhuǎn)換效率是肥腸重要的。此外采用脈寬調(diào)制方式可以市使負(fù)載工作時(shí)得到滿電源電壓，這樣有利于克服電機(jī)內(nèi)在的線圈電阻，而使電機(jī)產(chǎn)生更大的力拒。3直流調(diào)速及PWM控制原理3.1

直流電機(jī)調(diào)速原理

直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式不同，直流電動(dòng)機(jī)分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種類型。不同勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。但是對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式：

其中：U—電壓；R內(nèi)—?jiǎng)?lì)磁繞組本身的電阻;每極磁通(Wb)；Cc—電勢(shì)常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。由上式可知，直流電機(jī)的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場(chǎng)控制法。磁場(chǎng)控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時(shí)受到磁極飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的方法是電樞控制法.電樞控制是在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟(jì)效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進(jìn)行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓等等。調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制(PWM)應(yīng)用更為廣泛。

3.2

PWM脈寬調(diào)制原理PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術(shù)。下式是占空比計(jì)算公式：

式中t1表示一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間，T表示一個(gè)周期的時(shí)間。

占空比D表示了在一個(gè)周期里，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值，變化范圍為0≤D≤1。由上式可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值為Vd=Vmax×D，因此改變占空比D就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。

在PWM調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)。以下是三種可改變占空比的方法：

（1）定寬調(diào)頻法:保持脈寬不變，改變周期（或頻率）。

（2）定頻調(diào)寬法：保持頻率不變，改變脈寬。

（3）調(diào)頻調(diào)寬法：同時(shí)改變周期（或頻率）和脈寬。第1、3兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此應(yīng)用較少。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用第2種方法。

定頻調(diào)寬法是利用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的接通或斷開(kāi)，并通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，PWM又被稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。4總體設(shè)計(jì)本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的平滑調(diào)速。圖1-1直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖5硬件設(shè)計(jì)5.1 電源電路本設(shè)計(jì)的電源都是12V雙電源供電，電源電路是由一15V變壓器，橋式整流電路，7812、7912芯片，電容所組成(如圖1-2所示)。由變壓器變壓得到15V的交流電經(jīng)過(guò)橋式整流然后C1、C2濾波得到比較平滑的直流電，再經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器7812，7912變成±12V電，然后再次使用電容C3、C4、C5、C6濾波，輸出平滑的±12V直流電。圖1-2直流電機(jī)PWM調(diào)速電源電路5.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 本設(shè)計(jì)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路是三極管單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。電源接通時(shí)，一個(gè)三極管始終保持截止?fàn)顟B(tài)不變，另一個(gè)三極管始終保持飽和狀態(tài)不變。當(dāng)有外來(lái)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，原來(lái)截止的變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，原來(lái)飽和的變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，兩個(gè)三極管又恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)不變，具有一種穩(wěn)定狀態(tài)。圖1-3直流電機(jī)PWM調(diào)速單穩(wěn)態(tài)電路5.3 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路本設(shè)計(jì)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路是三極管單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。在沒(méi)有外來(lái)信號(hào)時(shí)，三極管始終保持原來(lái)的截止或飽和狀態(tài)不變，當(dāng)有外來(lái)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，原來(lái)截止的變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)并保持不變，原來(lái)飽和的變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)也保持不變，具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。圖1-4直流電機(jī)PWM調(diào)速雙穩(wěn)態(tài)電路5.4 PWM調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路 由U3C、U3D組成振蕩器電路，提供頻率約為400Hz的方波/三角形波。U3A產(chǎn)生6V的參考電壓作為振蕩器電路的虛擬地。U3B這里接成比較器的形式，它的輸入端(5腳)接入電阻R15，用來(lái)提供比較器的參考電壓。這個(gè)電壓與U3D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U3B的6腳電壓．U3B的7腳輸出為高電平；反之，當(dāng)該波形電壓低于U3B的6腳電壓，U3B的7腳輸出為低電平。由此改變U3B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)。圖1-5直流電機(jī)PWM調(diào)速PWM調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路5.5 H型雙極性驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通，當(dāng)Q11、Q10導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)Q11從左至右穿過(guò)電機(jī)在經(jīng)過(guò)Q10形成回路。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Q12、Q9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)沿另一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。。圖1-6直流電機(jī)PWM調(diào)速H型雙極性驅(qū)動(dòng)電路6制板6.1、打印電路板 將繪制好的電路板用轉(zhuǎn)印紙打印出來(lái)，有油墨的一面面向自己，一般打印兩張電路板，即一張紙上面打印兩張電路板。在其中選擇打印效果最好的制作線路板。

6.2、裁剪覆銅板 覆銅板，也就是一面覆有銅模的線路板。把覆有銅膜的板裁成電路板的大小，不要過(guò)大節(jié)約材料。

6.3、預(yù)處理覆銅板 用細(xì)砂紙把覆銅板表面的氧化層打磨掉，以保證在轉(zhuǎn)印電路板時(shí)，熱轉(zhuǎn)印紙上的碳粉能牢固的印在覆銅板上，打磨好的標(biāo)準(zhǔn)是板面光亮，沒(méi)有明顯污漬。

6.4、轉(zhuǎn)印電路板 將打印好的電路板裁剪成合適大小，把印有電路板的一面貼在覆銅板上，對(duì)齊好后把覆銅板放入熱轉(zhuǎn)印機(jī)，放入時(shí)一定要保證轉(zhuǎn)印紙沒(méi)有錯(cuò)位。一般來(lái)說(shuō)經(jīng)過(guò)2-3次轉(zhuǎn)印，電路板就能很牢固的轉(zhuǎn)印在覆銅板上。熱轉(zhuǎn)印機(jī)事先就經(jīng)過(guò)預(yù)熱，溫度設(shè)定在160-200攝氏度。6.5、腐蝕線路板 先檢查一下電路板是否轉(zhuǎn)印完整，若有少數(shù)沒(méi)有轉(zhuǎn)印好的地方可以用黑色油性筆修補(bǔ)。然后就可以腐蝕了，等線路板上暴露的銅膜完全被腐蝕掉時(shí)，將線路板從腐蝕液中取出清洗干凈，這樣一塊線路板就腐蝕好了。腐蝕液成分為三氯化鐵、水，比例為1：80，在配置腐蝕液時(shí)先放水，在加三氯化鐵。6.6、線路板鉆孔 線路板上是要插入電子元件的，所以就要對(duì)線路板鉆孔了。依據(jù)電子元件管腳的粗細(xì)選擇不同的鉆針，在使用鉆機(jī)鉆孔時(shí)線路板一定要按穩(wěn)，速度不能太快。

6.7、焊接電子元件 鉆完孔后，用細(xì)砂紙把覆在線路板上面的墨粉打磨掉，用清水把線路板清洗干凈。然后焊接完板上的電子元件，焊接時(shí)要注意先低后高，即先焊接比較低的元件，在焊接比較高的。7.課題小結(jié)通過(guò)這次小容量直流電機(jī)雙極性PWM調(diào)速的課程設(shè)計(jì)，我們才把學(xué)到的東西與實(shí)踐相結(jié)合。從中對(duì)我們學(xué)的知識(shí)有了更進(jìn)一步的理解，而且更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨(dú)立思考問(wèn)題的能力和通過(guò)查看相關(guān)資料來(lái)解決問(wèn)題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)，但通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我們了解了課程設(shè)計(jì)的一般步驟，和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。設(shè)計(jì)本身并不是有很重要的意義，而是同學(xué)們對(duì)待問(wèn)題時(shí)的態(tài)度和處理事情的能力。各個(gè)芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時(shí)應(yīng)該注意那些要點(diǎn)。同一個(gè)電路可以用那些芯片實(shí)現(xiàn)，各個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能的區(qū)別。另外，我還更加熟練的使用了DXP2004等軟件，讓我體會(huì)到了期中的樂(lè)趣，還在電腦制作文檔的過(guò)程中，使我對(duì)辦公軟件有了更進(jìn)一步的了解和掌握。8.致

謝

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我得到了老師的耐心指導(dǎo)和幫助，在此，表示衷心的感謝！在設(shè)計(jì)的整體思路、方案確立、主要元器件的選擇上給予了我很大幫助，同時(shí)提供了很多有價(jià)值的資料。

經(jīng)過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我感受頗多，在正式進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過(guò)對(duì)這些設(shè)計(jì)方案來(lái)開(kāi)拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。

此次課題設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)電力電子技術(shù)的一種檢驗(yàn)，更是對(duì)所學(xué)知識(shí)大融合，站在新的高度看待新的問(wèn)題，而且也是對(duì)自己運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力的一種提高。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)還比較欠缺，自己要學(xué)習(xí)的東西還太多。以前老是覺(jué)得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。

由于自己的水平有限，設(shè)計(jì)中難免有一些錯(cuò)誤和遺漏之處，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正，謝謝！9附錄9.1、元器件清單名稱大小/型號(hào)數(shù)量名稱大小/型號(hào)數(shù)量電阻1K11二極管1N400783K11N414