電機與拖動課程設(shè)計

1、電機與拖動課 程 設(shè) 計直流電機pwm脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計目 錄1.設(shè)計任務(wù)12.直流電機pwm調(diào)速控制原理13.方案選擇與論證13.1pwm調(diào)制電路的選擇13.2驅(qū)動電路的選擇與論證24.硬件電路設(shè)計24.1按鍵輸入電路24.2單片機控制電路34.3電機驅(qū)動電路45.軟件程序設(shè)計56.心得體會67. 小組分工6參考文獻71. 設(shè)計任務(wù)直流電機pwm脈寬調(diào)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(yīng)用。直流電機的調(diào)速有單象限，二象限和四象限三種工作形式。本設(shè)計對直流電機進行四象限調(diào)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(diào)速對象。實現(xiàn)電機的pwm調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)功能。2. 直流電機pwm調(diào)速控制原理脈沖寬度調(diào)制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，來實現(xiàn)開關(guān)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(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。 對于直流電動機，其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速控制有電樞回路串電阻，調(diào)整電樞電壓，調(diào)整勵磁電壓等方法。勵磁控制法用得很少，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用調(diào)整電樞電壓的方法。隨著電力電子技術(shù)的進步，改變電樞

3、電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，其中脈沖寬度調(diào)制( pwm) 便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)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(diào)整直流電機的電樞電壓u，從而控制電機速度，實現(xiàn)二象限或四象限調(diào)速。3. 方案選擇與論證本設(shè)計主要有輸入控制部分、pwm調(diào)制電路以及電機驅(qū)動電路等組成。輸入控制部分采用按鍵輸入，pwm調(diào)制電路以及電機驅(qū)動電路的選擇如下。3.1 pwm調(diào)制電路的選擇方案一：采用tl494等集成脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生pwm波形優(yōu)點：集成度高，只需要較少的元件即可實現(xiàn)pwm波形的輸出，有反饋輸入端，調(diào)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(diào)整占空比，同時，采用集成電路調(diào)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(xiàn)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(diào)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(shù)字式輸出pwm，無法連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)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(shè)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(xiàn)。3.2 驅(qū)動電路的選擇與論證方案一：采用分立元件驅(qū)動場效應(yīng)管優(yōu)點：采用分立元件靈活性強，能獲取不同的驅(qū)動電流和驅(qū)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(diào)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(qū)動電路ir2111優(yōu)點：該電路芯片體積小，集成度高(可驅(qū)動同一橋臂兩路)，響應(yīng)快，偏值電壓達600v，驅(qū)動能力強，是大功率mofet和igbt專用驅(qū)動集成電路，內(nèi)設(shè)欠壓封鎖功能,，成本低, 易于調(diào)試，并設(shè)有外部保護封鎖端口。尤其是上管驅(qū)動采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動電源路數(shù)目較其他ic 驅(qū)動大大減小。對于全橋電路，采用2片ir 2111驅(qū)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(shù)目，降低了產(chǎn)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(shè)計采用方案二。4. 硬件電路設(shè)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(yīng)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(chǎn)生抖動，結(jié)果輸出y在這一瞬間產(chǎn)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(shù)字電路由較大的影響。例如在計數(shù)器中，這些抖動會產(chǎn)生不必要的計數(shù)，而且按鍵在釋放的時候也會產(chǎn)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(xiàn)

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(gòu)成了上電復位電路，x1，c2、c3構(gòu)成了震蕩電路，為單片機的正常工作提供時序信號。本設(shè)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(zhuǎn)向控制口，p2.1為pwm調(diào)制信號輸出口，通過74hc08與

8、門組成兩個驅(qū)動信號，控制下級電機驅(qū)動電路。圖4.3h橋電機驅(qū)動電路原理4.3 電機驅(qū)動電路電機驅(qū)動電路如圖4.3所示。本設(shè)計采用h橋驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)，當q1和q4導通時，電流經(jīng)a路徑驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，當q2和q3導通時，電流經(jīng)b路徑驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，由于a和b的電流方向相反，因而電機的旋轉(zhuǎn)方向也相反。圖4.4單片機控制電路完整的驅(qū)動電路如圖4.5所示。ir2111 是功率mosfet 和igbt 專用柵極驅(qū)動集成電路，可用來驅(qū)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(qū)動任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動電路僅需一個輸入級直流

9、電源；可實現(xiàn)對功率mosfet和igbt 的最優(yōu)驅(qū)動，還具有完善的保護功能。圖4.5 完整的電機驅(qū)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(qū)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(chǎn)生0-12v的同向電平信號，可直接驅(qū)動ir2111。因而本設(shè)計不采用光耦隔離，簡化電路設(shè)計。采用74hc08與門之后，單片機輸出端、pwm信號、電機轉(zhuǎn)向之間的邏輯關(guān)系如表4.1所示。表4.1

10、 輸出邏輯關(guān)系p2.0p2.2p2.1driver1dirver2q1q2q3q4轉(zhuǎn)向0000截止導通截止導通停止010截止導通正轉(zhuǎn)100截止導通反轉(zhuǎn)5. 軟件程序設(shè)計本設(shè)計由stc89c52單片機通過定時器中斷產(chǎn)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(diào)節(jié)的pwm波形，本設(shè)計輸出為1.78khz的波形，通過對定時器溢出進行計數(shù)，達到設(shè)定值則反轉(zhuǎn)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(diào)試過程中，我們小組發(fā)現(xiàn)單片機輸出的pwm波形并不穩(wěn)定，而且不可調(diào)，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(shù)據(jù)測量。6. 心得體會通過這次的電機課程設(shè)計與上一次的電力電子技術(shù)課程設(shè)計的比較，我們小組掌握了除了tl494之外的另一種pwm波產(chǎn)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(shè)計用到ir2111芯片，我們也是第一次接觸，做設(shè)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(chǎn)生一個基本的pwm波，但我們還是在此次的課程設(shè)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(diào)試與測量過程中，也讓我們了解了調(diào)試上的一些細節(jié)要求，還有明白了在設(shè)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(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不是很高。但與傳統(tǒng)的晶閘管可控調(diào)整系統(tǒng)相比，它具有調(diào)速范圍寬、快速性能好、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，使之以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的直流調(diào)速系統(tǒng)中。通過本次設(shè)計以便積累一些經(jīng)驗對我們以后課程設(shè)計奠定基礎(chǔ)。最