pwm的直流電機(jī)調(diào)速課程設(shè)計(jì)

一、課程設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)任務(wù)直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能［2］采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。目前，直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。二、課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案選取1.直流電動機(jī)運(yùn)行原理脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機(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，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3要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(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。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為圖1：直流電機(jī)原理圖式中Ua——電梃供電電壓&）；la——電樞電流（A）；①一C$“—勵磁磁通（Wb）；Ra——電樞回路總電阻（Q）；CE——電勢系數(shù)，，p為電磁對數(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、①三個參量都可以成為變量，只要改變其中一個參量，就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動機(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）改變勵磁磁通①。如圖1所示：改變直流電機(jī)電樞繞組兩端電源電壓u大小就可以調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小;改變直流電機(jī)電樞繞組兩端電源電壓u方向就可以改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方向。

方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案二:采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對電動機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由三極管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案三。PWM調(diào)速原理圖1為PWM降壓斬波器的原理電路及輸出電壓波形。在圖1a中，假定晶體管七先導(dǎo)通T「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T秒（這期間電樞端電壓為零）。如此反復(fù)，則電樞端電壓波形如圖1b中2所示。電動機(jī)電樞端電壓Ua為其平均值。TOC\o"1-5"\h\z時卜）圖1PWM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\o"CurrentDocument"U=—^1—U=TU=aU(3)aT+TdTdd式⑶中12口=二=T(4)T1+T2Ta為一個周期T中，晶體管V1導(dǎo)通時間的比率，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a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?8范圍內(nèi)變化；（2）調(diào)寬調(diào)頻法：T2保持一定，使T1在0?8范圍內(nèi)變化

定頻調(diào)寬法：T1+T2=T保持一定，使T,在0?T范圍內(nèi)變化。不管哪種方法，a的變化范圍均為0WaWl,因而電樞電壓平均值Ua的調(diào)節(jié)范圍為0?Ud，均為正值，即電動機(jī)只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。當(dāng)需要電動機(jī)在正、反向兩個方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，即可逆調(diào)速時，就要使用圖1—2a所示的橋式(或稱H型)降壓斬波電路。PID調(diào)節(jié)在模甜控制系觥中，控制器最常用的控制規(guī)律是PIDE制為了說明控茬器的丁作原理，先看-個例f”如國1—1所示是?個小功率直流屯機(jī)的曲速曉旺圖"給定速困田」。與實(shí)際轉(zhuǎn)諺進(jìn)行比較n(0-其差值經(jīng)過PID控制器調(diào)整后輸出電片■控制信號討(E)姓過功一率放大后-堰動直流及動粗改攻其轉(zhuǎn)速■=圖1—1小功率直派屯機(jī)調(diào)姓系統(tǒng)常翅的模報PID控制系統(tǒng)原理推圖如圖1一2所示：該系統(tǒng)由模擬PID近制器和敲控料氯組成。圖中.1(。是給定也直。是系統(tǒng)的實(shí)除輸出值.給定直與實(shí)睜輸出值構(gòu)成控制偏差威。e(n=r(r)-Xn〔式1一，區(qū)。作為PID控制的輸入.KU)作為PID控制別的輸出卷皺控對;&的輸兀所以模抵P舊控制章的控制聞律為心)=心)=砌的+土兇)由+Td%]〔式1-2)中：Kp——控制器的比例系數(shù)n——控制器的枳分時間「也禰積分系數(shù)Id~~控制囂的做分時間，也惠微分墓故2.3控制器參數(shù)整定控制器■參數(shù)整定=指演定調(diào)書器的比例察數(shù)逢、積分酎間1＞、徵分時間叫和采樣周期正的具體教值■整定的實(shí)成是通過改變御節(jié)搟的客:故，使其特性和過程特性相匹配,以改善暮貌的動態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)，取得最佳的控制莪果，座定調(diào)節(jié)器基數(shù)的方注很多-歸納起來可分為兩大類，即坦餛計(jì)算墊定法和工程壑定法。理說計(jì)算整定法心閔數(shù)頻率特性法和根貌謝法等；丁度糙定法有凌試注、臨界比例法、經(jīng)驗(yàn)法、宣地也繾儂和響聞曲踐法等口工程整定法特山不需要事先知道過程的數(shù)學(xué)模型，直接在過程控制系統(tǒng)中譜行現(xiàn)場整定方法簡單.首算簡便、易于掌登，PID控制的直流電動機(jī)調(diào)速控制原理圖如下圖3：電動機(jī)調(diào)速控制原理圖基于PID的電動機(jī)調(diào)速控制程序流程圖如下：（擴(kuò)展功能）定時器1中斷程序PWM波產(chǎn)生圖4：基于PID的電動機(jī)調(diào)速控制程序流程圖6.基于PID的電動機(jī)調(diào)速控制程序流程圖如下：（擴(kuò)展功能）定時器1中斷程序PWM波產(chǎn)生圖4：基于PID的電動機(jī)調(diào)速控制程序流程圖速度檢測一般有三種方法：M法測速、T法測速、M/T法測速。M法測速：是在規(guī)定時間Tc內(nèi)［12］，對位置脈沖信號是個數(shù)m1進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到轉(zhuǎn)速的測量值，60mn=1PTPN是每個位置周期所含有的信號脈沖數(shù)，適用于高速運(yùn)行時的測速，低速時精度較低T法測速：測出相鄰兩個位置信號的間隔時間來計(jì)算轉(zhuǎn)速的一種方法，而時間的測量是借助計(jì)數(shù)器對已知頻率的時鐘脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)時鐘頻率f，兩個位置脈沖間的時鐘脈沖個數(shù)為m2,則電機(jī)轉(zhuǎn)子位置脈沖信號的周期T為m6060f1=—2n==fTppmPn是每個位置周期所含有的信號脈沖數(shù)，適用于低速運(yùn)行時的測速，高速時每個位置周期的時鐘脈沖數(shù)m/、，測得的精度較低M/T法綜合了以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，既可在低速段可靠的測速，又在高速段具備較高的分辨能力，因此在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有很好的檢測精度。即在稍大于規(guī)定時間T的某一時間T內(nèi)，分別對位置信號的脈沖個數(shù)m和高頻時鐘脈cd1沖個數(shù)山2進(jìn)行計(jì)數(shù)。于是：n=6°，/2由于調(diào)速關(guān)系本文采用M/T法測速以使測速的準(zhǔn)確性，即在100個PWM周期內(nèi)電機(jī)所轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，n=60m1其中f=100,m2=100,P^=1三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（芯片的選取、原理圖等）1.續(xù)流二極管IN4002PLC、變頻器、伺服驅(qū)動器等等設(shè)備的晶體管輸出，如果要連接感性負(fù)載（例如中間繼電器），一定不要搞忘接一個反向的續(xù)流二極管。當(dāng)輸出斷開時，繼電器線圈兩端會產(chǎn)生感生電動勢，如果沒有續(xù)流二極管，產(chǎn)生的電壓可能高于輸出晶體管的反向擊穿電壓。筆者實(shí)測，HH54P那樣的微型中間繼電器線圈回路斷開時產(chǎn)生的電壓大概為50V以下，不加反向續(xù)流二極管也可以，不過原則上最好加上，以避免損壞輸出晶體管的可能。最大周期性方向峰值電壓：100V最大有效值電壓：70V最大直流閉鎖電壓：100V[1]2.H橋驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)電路得名于“H橋式驅(qū)動電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個三極管組

成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。H橋電路的“H”的意思是它實(shí)際電路在電路圖上是一個字幕H的樣式。如下圖：H橋是如何控制電機(jī)的呢，舉個例子：你手里拿著一節(jié)電池，用導(dǎo)線將馬達(dá)和電池兩端對接，馬達(dá)就轉(zhuǎn)動了；然后如果你把電池極性反過來會怎么樣呢？沒有錯，馬達(dá)也反著轉(zhuǎn)了。如圖：當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時電流從左上方流過電機(jī)流向右下方，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向認(rèn)為正轉(zhuǎn)的話；當(dāng)Q2和Q3同時導(dǎo)通時電流從右向上方流過電機(jī)流向左下方，電機(jī)反轉(zhuǎn)。注意：千萬不能將同一側(cè)的兩個三極管同時導(dǎo)通，否則會燒壞電路。

制動。這是因?yàn)楫?dāng)沒有電源供給時，馬達(dá)在自由轉(zhuǎn)動的情況下是處于發(fā)電狀態(tài)，同位的電路接通，相當(dāng)于將馬達(dá)的兩端“短接”，那么馬達(dá)會因?yàn)槎搪范喈?dāng)與接了一個無限大功率的電爐即一個很大的負(fù)載，所以馬達(dá)就會產(chǎn)生“電”制動；當(dāng)你把馬達(dá)兩端懸空后，它就恢復(fù)自由了。為了以避免馬達(dá)的反電動勢的危害，我們?nèi)匀恍枰诰w管兩端接二極管，因?yàn)轳R達(dá)線圈在電路開閉瞬間產(chǎn)生的反向電動勢通過會高過電源，這樣對晶體管和電路會有很大的影響甚至燒毀零件。如圖在兩端接入二極管后+12"Grounduround圖3-7加入二極管的H橋L298內(nèi)置兩個H橋，每個橋提供1A的額定工作電流，和最大3A的峰值電流。它能驅(qū)動的馬達(dá)不超過可樂罐大小。

■xc圖3-8H橋驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)3.脈沖信號的獲得■xc霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于開關(guān)信號采集的有CS3020、CS3040、OH3144等，這種傳感器是一個3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖1所示是CS3144的外形圖，將有字面對準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是Vcc，地，輸出。圖3-143144實(shí)物圖使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出［11』如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之圖3-143144實(shí)物圖3232電機(jī)驅(qū)動電路與qoppAmu-、?raLaywp\plalzimp\」|3車號%【與qoppAmu-、?raLaywp\plalzimp\」|3車號%【lsl*w?Y%J.iLgw，M~A^P>號WT■>.顯示電路四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（程序流程圖的設(shè)計(jì)）

五、系統(tǒng)仿真結(jié)果仿真軟件選擇Proteus，在Proteus中畫出系統(tǒng)電路圖，當(dāng)程序在KeilC中調(diào)試通過后，會生成以hex為擴(kuò)展名的文件，這就是使系統(tǒng)能夠在Proeus中成功進(jìn)行仿真的文件。將些文件加載到單片機(jī)仿真系統(tǒng)中，驗(yàn)證是否能完成對直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)。若不成功，則重新回到軟件調(diào)試步驟，進(jìn)行軟件調(diào)試。找出錯誤所在，更正后重新運(yùn)行系統(tǒng)。硬件仿真電路的設(shè)計(jì)完全按照論文設(shè)計(jì)方案進(jìn)行。在仿真的過程中也遇到了很多問題，比如元件選擇、電路設(shè)計(jì)等，在元件選擇方面，有的芯片是我以前學(xué)習(xí)的時候所沒有遇到過的，所以在尋找和使用的過程中也遇到很多麻煩，但經(jīng)過自己的努力，并借鑒從互聯(lián)網(wǎng)上找到的資料，我逐漸掌握這些元件的使用方法和原理，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真提供了良出的基礎(chǔ)。另外，在進(jìn)行仿真的時候，也經(jīng)常出現(xiàn)程序沒有錯誤了，但是仿真通不過的情況，這些大部分原因是在管腳定義上，很多系統(tǒng)仿真的問題都出在這。經(jīng)過這段時間的努力，使我對仿真軟件以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路有了更深一步的認(rèn)識，也為系統(tǒng)的成功奠定了基礎(chǔ)六、系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試雖說在protues上仿真時能正常運(yùn)行了，硬件的制作完成后，結(jié)合硬件又發(fā)現(xiàn)了很多問題。（1）因?yàn)閱纹瑱C(jī)的問題，使復(fù)位電路上的電容燒壞，單片機(jī)運(yùn)行出錯。（2）因?yàn)槌绦蛩惴▎栴}，在電機(jī)轉(zhuǎn)動時，出現(xiàn)顯示跳動情況。（采取多次取值濾波）（3）按鍵問題（用吸管換下好的按鍵）（4）PCB板子銅線虛斷。（用焊錫在銅線上覆蓋一遍。）（5）PCB板子有飛線直接連接不方便（為了方便，硬件板與板這件用杜邦線相連）七、結(jié)論從原理圖的設(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)給我最大的體會就是有很多東西如果不是自己親自動手，只在書本上是學(xué)不到的，設(shè)計(jì)初期要考慮周到，否則后期會帶來很多不必要的麻煩。雖然可能會多花一些時間，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，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)用到了實(shí)踐中，同時通過設(shè)計(jì)，也加深了自己對理論知識的理解和掌握，在解決困難的過程中，獲得了許多專業(yè)方面的知識，拓展了視野。提高了理論水平和實(shí)際的動手能力，學(xué)會了解決問題的方法，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，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)。參考文獻(xiàn)7.1主要書目：電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)一一數(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)練教程一一電子技術(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)下載了部分圖片及資料單片機(jī)原理.接口技術(shù)及應(yīng)用（含C51）》主編楊學(xué)昭王云東西安電子科技大學(xué)出版社《電子技術(shù)基礎(chǔ)》（模擬部分）主編康華光高等教育出版社mc*ass2r?sIf_51s?S4NPSzunor§028ZUJSr-aum5口口口Hn口MalTdaebss□■unn

cRccnnris焉2§2rzs^saxbupsuar-Td*xmd口蕙dWM二灸d°備EdM2Ju。號￡P(guān)HIIIJI9■-山津|血］1中呻寸■■ikilulq.》■-I￡H-5UEHH-sT2OUTTLWWkLOOTpRL0clM-2UnrB&fLrirlnr3VHK2V!EWOVHQnn?amKBOHM.ZEE;*so#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineNOP()_nop_();#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitkey1=P2A0;sbitkey2=P2A1；sbitkey3=P2A2;sbitkey4=P2A3;sbitIN1=P1A0;sbitIN2=P1A1;sbitEN=P1A2;uinthuonum,huonum1;uintstart,fanxiang;uinttimenum1,timenum2,timenum3,A1,A2,A3,A4;uintspeed=100;intSetPoint;ucharcodetable[]=(0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};//*****************************************************voiddelay(ucharz)//延時MS{uchara,b;for(a=z;a>0;a--)for(b=100;b>0;b--);}//*****************************************************voidinitEA()〃中斷初始化{TMODI=0X11;TH0=(65535-100)/256;TL0=(65535-100)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;IT0=1;EX0=1;P1=0;P0=0xff;IN1=1;IN2=0;//*****************************************************voiddisplay1(ucharC1,ucharC2,ucharC3,ucharC4)//顯示速度{if(timenum3==10){P0=0xff;P2=0xef;P0=table[C1];//delay(5);}if(timenum3==20){P0=0xff;P2=0xdf;P0=table[C2];//delay(5);}if(timenum3==30){P0=0xff;P2=0xbf;P0=table[C3];//delay(5);}if(timenum3==40){P0=0xff;P2=0x7f;P0=table[C4];timenum3=0;}}/3““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““//*****************************************************voidkeyscan()//鍵盤掃描{if(key1==0){delay(5);if(key1==0){start++;if(start>1)start=0;}while(!key1);}if(key2==0){delay(5);if(key2==0){if(speed<=180)speed=speed+10;}while(!key2);}if(key3==0){delay(5);if(key3==0){if(speed>=20)speed=speed-10;}while(!key3);}if(key4==0){delay(5);if(key4==0){fanxiang++;}while(!key4);}if(fanxiang==0){IN1=1;IN2=0;}if(fanxiang==1){IN1=0;IN2=1;}if(fanxiang>1){fanxiang=0;}if(start==1)TR0=1;if(start==0){TR0=0;EN=0;}/3““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““//*******************************