電機與拖動課程設計

1、電機與拖動課 程 設 計直流電機pwm脈寬調速系統(tǒng)設計目 錄1.設計任務12.直流電機pwm調速控制原理13.方案選擇與論證13.1pwm調制電路的選擇13.2驅動電路的選擇與論證24.硬件電路設計24.1按鍵輸入電路24.2單片機控制電路34.3電機驅動電路45.軟件程序設計56.心得體會67. 小組分工6參考文獻71. 設計任務直流電機pwm脈寬調速電路由于其節(jié)能，先進，靈活等特點在工業(yè)控制中得到了廣泛應用。直流電機的調速有單象限，二象限和四象限三種工作形式。本設計對直流電機進行四象限調速。選用額定電壓為220v，額定電流為1.2a的它勵直流電動機（即把實驗室的并勵直流電動機做它勵接法）作

2、為調速對象。實現電機的pwm調速以及正反轉功能。2. 直流電機pwm調速控制原理脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。 對于直流電動機，其轉速n可用下式表示：；其中u為電樞端電壓，i為電樞電流，r為電樞電路總電阻，為每極磁通量。直流電機轉速控制有電樞回路串電阻，調整電樞電壓，調整勵磁電壓等方法。勵磁控制法用得很少，大多數應用場合都使用調整電樞電壓的方法。隨著電力電子技術的進步，改變電樞

3、電壓可通過多種途徑實現，其中脈沖寬度調制( pwm) 便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。其方法是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值( 即占空比) 來調整直流電機的電樞電壓u，從而控制電機速度，實現二象限或四象限調速。3. 方案選擇與論證本設計主要有輸入控制部分、pwm調制電路以及電機驅動電路等組成。輸入控制部分采用按鍵輸入，pwm調制電路以及電機驅動電路的選擇如下。3.1 pwm調制電路的選擇方案一：采用tl494等集成脈沖寬度調制電路產生pwm波形優(yōu)點：集成度高，只需要較少的元件即可實現pwm波形的輸出，有反饋輸入端，調制精度高。缺點：要額外增加輸入控制的功能，只能通過改變電阻

4、調整占空比，同時，采用集成電路調試困難。要求電路的抗干擾能力較強。方案二：采用單片機通過編程實現pwm波形輸出優(yōu)點：具有輸入控制功能，可以通過編程改變電路的功能，控制靈活，調試方便，對模擬電路要求不高，不易受電壓和電流沖擊的影響。缺點：數字式輸出pwm，無法連續(xù)調節(jié)，調制出來的pwm波形的頻率受單片機的額定工作頻率的限制。鑒于本設計對pwm波形的頻率要求不高，要求有較高的穩(wěn)定性和靈活性，故采用方案二實現。3.2 驅動電路的選擇與論證方案一：采用分立元件驅動場效應管優(yōu)點：采用分立元件靈活性強，能獲取不同的驅動電流和驅動電壓，可簡單控制時序。缺點：布線復雜，可靠性較低，元件較多，調試不方便，要考慮

5、各個元件的共地問題。方案二：采用集成驅動電路ir2111優(yōu)點：該電路芯片體積小，集成度高(可驅動同一橋臂兩路)，響應快，偏值電壓達600v，驅動能力強，是大功率mofet和igbt專用驅動集成電路，內設欠壓封鎖功能,，成本低, 易于調試，并設有外部保護封鎖端口。尤其是上管驅動采用外部自舉電容上電，使得驅動電源路數目較其他ic 驅動大大減小。對于全橋電路，采用2片ir 2111驅動2個橋臂，僅需要一路10-20v電源，從而大大減小了控制變壓器的體積和電源數目，降低了產品成本, 提高了系統(tǒng)的可靠性。缺點：控制的靈活性不高。鑒于簡便性和可靠性的要求，本設計采用方案二。4. 硬件電路設計4.1 按鍵輸

6、入電路如圖4.1所示為為無消抖的按鍵電路。按鍵沒有按下時，輸出y為高電平，按下時應為低電平。但由于按鍵的機械特性和人手指的不穩(wěn)定性等綜合因素，導致按鍵按下的瞬間產生抖動，結果輸出y在這一瞬間產生多個窄脈沖的干擾，這些脈沖信號的寬度一般可達毫秒，這些在脈沖對于數字電路由較大的影響。例如在計數器中，這些抖動會產生不必要的計數，而且按鍵在釋放的時候也會產生這樣的一些抖動。圖4.1 沒有采用消抖的按鍵電路及波形為了能夠進行有效的消抖，在輸出端y加上rc濾波器，我們知道c有濾除交流的作用，當按鍵斷開時，a、b點均為高電平，c充滿電荷；當按鍵按下時，a點為0v，c通過r2對地放電，b電電位緩慢下降，當出現

7、抖動時，b點也不會立刻上升為電源電壓，而是緩慢上升，由于放電時間比充電時間長，最終降為0v。按鍵釋放時同理，進過rc電路后，波形有毛刺。波形圖如圖4.2所示。圖4.2帶rc消抖的按鍵電路及波形4.2 單片機控制電路單片機控制電路如圖4.4所示，c1、r3構成了上電復位電路，x1，c2、c3構成了震蕩電路，為單片機的正常工作提供時序信號。本設計采用stc89c52單片機，選用x1=12mhz晶振，指令周期為1us。采用外部中斷0（int0）和外部中斷1（int1）作為按鍵信號輸入輸入。輸出信號為p2口，其中p2.0口和p2.2口為電機轉向控制口，p2.1為pwm調制信號輸出口，通過74hc08與

8、門組成兩個驅動信號，控制下級電機驅動電路。圖4.3h橋電機驅動電路原理4.3 電機驅動電路電機驅動電路如圖4.3所示。本設計采用h橋驅動電機的正反轉，當q1和q4導通時，電流經a路徑驅動電機旋轉，當q2和q3導通時，電流經b路徑驅動電機旋轉，由于a和b的電流方向相反，因而電機的旋轉方向也相反。圖4.4單片機控制電路完整的驅動電路如圖4.5所示。ir2111 是功率mosfet 和igbt 專用柵極驅動集成電路，可用來驅動工作在母線電壓高達600v 的電路中的n溝道功率mos 器件。采用一片ir 2111 可完成兩個功率元件的驅動任務，其內部采用自舉技術，使得功率元件的驅動電路僅需一個輸入級直流

9、電源；可實現對功率mosfet和igbt 的最優(yōu)驅動，還具有完善的保護功能。圖4.5 完整的電機驅動電路單片機輸出信號為0-5v的pwm波，ir2111的工作電壓為10-20v，in端輸入電壓高電平時電壓要達到10v以上，如果直接用單片機io口驅動ir2111將無法使其正常工作，為了電平之間的兼容，增加74hc08與門電路。實踐證明，74hc08與門的工作電壓在12v時，輸入端輸入0-5v的電平，輸出端能產生0-12v的同向電平信號，可直接驅動ir2111。因而本設計不采用光耦隔離，簡化電路設計。采用74hc08與門之后，單片機輸出端、pwm信號、電機轉向之間的邏輯關系如表4.1所示。表4.1

10、 輸出邏輯關系p2.0p2.2p2.1driver1dirver2q1q2q3q4轉向0000截止導通截止導通停止010截止導通正轉100截止導通反轉5. 軟件程序設計本設計由stc89c52單片機通過定時器中斷產生pwm波形，由于受單片機額定工作頻率的限制，當采用定時器1工作方式2（8位自動重載定時器）時，最高頻率為5khz，為了能輸出一個占空比可調節(jié)的pwm波形，本設計輸出為1.78khz的波形，通過對定時器溢出進行計數，達到設定值則反轉io引腳的電平，輸出pwm波形。具體算法流程如圖5.1所示。圖5.1 程序流程圖調試過程中，我們小組發(fā)現單片機輸出的pwm波形并不穩(wěn)定，而且不可調，初步估

11、計是由于焊接失誤，因為單片機在其他小組的電路中還是正常工作的，這樣導致了我們沒法進行下一步的數據測量。6. 心得體會通過這次的電機課程設計與上一次的電力電子技術課程設計的比較，我們小組掌握了除了tl494之外的另一種pwm波產生和控制電流，認為單片機控制脈寬更為方便和實用。本次設計用到ir2111芯片，我們也是第一次接觸，做設計之前參考了一些資料，對我們的幫助也非常大。雖然這次我們小組的實物沒有做成功，只能產生一個基本的pwm波，但我們還是在此次的課程設計中學習和收獲到很多東西，我們以后會繼續(xù)努力，克服缺點，提高各個方面的能力。在觀察其他小組的調試與測量過程中，也讓我們了解了調試上的一些細節(jié)要求，還有明白了在設計過程中必須考慮進去的電機的過流和過壓的保護措施的重要性。該系統(tǒng)調速精度與調速范圍要求不是很高。但與傳統(tǒng)的晶閘管可控調整系統(tǒng)相比，它具有調速范圍寬、快速性能好、功率因數高、結構簡單等優(yōu)點，使之以廣泛應用于各行各業(yè)的直流調速系統(tǒng)中。通過本次設計以便積累一些經驗對我們以后課程設計奠定基礎。最