論文PWM脈寬調(diào)制直流電動(dòng)機(jī)控制器

1、 電子產(chǎn)品創(chuàng)作設(shè)計(jì)課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)論文 題目 直流電機(jī)調(diào)速控制器 院系: 電子工程學(xué)院電子信息工程班級(jí): 作者：西安電子科技大學(xué)直流電動(dòng)機(jī)控制器摘要：當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流驅(qū)動(dòng)控制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍如此之廣，主要在于其采用了pwm脈寬調(diào)制電路來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。本系統(tǒng)介紹了pwm脈寬產(chǎn)生的電路。該電路應(yīng)用模擬電子電路基礎(chǔ)知識(shí)完成，利用產(chǎn)生的方波信號(hào)帶動(dòng)散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，易于理解。電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。我們先分別介紹了電路中所用的電路模塊，然后整體給出電路圖。 關(guān)鍵詞:直流電機(jī)，pwm，速度控制abst

2、ract nowadays，automatic control systems have been widely used and developed in every aspect of life. a direct motor scope of application is, in their adopted the mixed pwm wide to a direct motor machinery velocity modulation control. the system introduced the pulse of pwm wide circuit. the circuit u

3、sed to simulate electronic circuit basic knowledge, the use of the ventilation fans katanami signal a turn. this design principle is simple, easy to understand. the simplest circuits. we were first introduced in the circuit is given, then the circuit diagrams.keywords dc motor ; pwm， speeds control

4、1目錄 一背景3二基礎(chǔ)知識(shí)31直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式42pwm介紹5三設(shè)計(jì)思想6四單元模塊81.電壓跟隨器，比較器，震蕩器8集成運(yùn)算放大器8比較器9馳張振蕩器10lm324112.功率放大12irf530123.電源電路12整流電路13濾波電路13穩(wěn)壓電路13五 總電路圖141.工作電路142.工作原理14六.總結(jié)16七參考文獻(xiàn)：16一背景 當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用 ，無(wú)論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航天航空、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備、還是在日常生活中的家用電器都大量使用著各式各樣的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，其中

5、許多系統(tǒng)有調(diào)速的要求:如車輛、電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械等等。為了滿足運(yùn)行、生產(chǎn)、工藝的要求往往需要對(duì)另一類設(shè)備如風(fēng)機(jī)、水泵等進(jìn)行控制:為了減少運(yùn)行損耗，節(jié)約電能也需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由控制部分、功率部分和電動(dòng)機(jī)三大要素組成一個(gè)有機(jī)整體。各部分之間的不同組合，可構(gòu)成多種多樣的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。三十多年來(lái)，直流電機(jī)傳動(dòng)經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直

6、流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速更是大家所關(guān)注的。 二基礎(chǔ)知識(shí)1直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式 直流電動(dòng)機(jī)分為有換向器和無(wú)換向器兩大類。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行、設(shè)備制造方便、價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場(chǎng)合。30年代末期，發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調(diào)速性能優(yōu)異的直流電動(dòng)機(jī)得到廣泛應(yīng)用。這種控制方法

7、可獲得較寬的調(diào)速范圍、較小的轉(zhuǎn)速變化率和平滑的調(diào)速性能。但此方法的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)重量大、占地多、效率低及維修困難。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，由晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。電力電子技術(shù)中igbt等大功率器件的發(fā)展正在取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為 (1)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

8、路總電阻（）； 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；(2)改變電樞供電電壓ua；(3)改變勵(lì)磁磁通。在本次電路設(shè)計(jì)中我們采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法，即設(shè)計(jì)pwm電路產(chǎn)生脈寬信號(hào)，在利用irf521功率放大器來(lái)帶動(dòng)電機(jī)。2pwm介紹 脈沖寬度調(diào)制（pwm）是英文“pulse width modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(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

9、技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)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(shí)保持恒定。 脈沖寬度調(diào)制（pwm）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。pwm信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(on)，要么完全無(wú)(off)。電壓或電流源是以一種通(on)或斷(off)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的

10、時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用pwm進(jìn)行編碼。 多數(shù)負(fù)載(無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10hz，通常調(diào)制頻率為1khz到200khz之間。pwm調(diào)速方案的優(yōu)越性自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實(shí)現(xiàn)可控整流來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。優(yōu)越性的如下： 1.電源的能量能得到充分利用，電路的效率高。例如：當(dāng)輸出為50的方波時(shí)，脈寬調(diào)制(pwm)電路消耗的電源能量也為50，即幾乎所有的能量都轉(zhuǎn)換為負(fù)載功率輸出。而采用常見的電阻降壓調(diào)速時(shí)，要使

11、負(fù)載獲得電源最大輸出功率50的功率，電源必須提供71以上的輸出功率，這其中21消耗在電阻的壓降及熱耗上。有時(shí)電路的轉(zhuǎn)換效率是非常重要的。 2.采用脈寬調(diào)制(pwm)方式可以使負(fù)載在工作時(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)生更大的力矩。 3.主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。 4.開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。 5.低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:20000左右。 6.若是與快速響應(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)抗干擾能力強(qiáng)。 7.功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適中時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。三

12、設(shè)計(jì)思想本系統(tǒng)由電壓跟隨器，振蕩器，比較器，電源電路，功率開關(guān)，負(fù)載組成?？驁D如下：電源電路電壓跟隨器 振蕩器 負(fù)載功率放大器 比較器四單元模塊1.電壓跟隨器，比較器，震蕩器集成運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器與不同的外接電路連接，采用不同結(jié)構(gòu)反網(wǎng)絡(luò)，不同的反饋元件和反饋方式可以構(gòu)成功能和特性各異多種應(yīng)用電路。在分析眾多的應(yīng)用電路時(shí)，通上是把集成運(yùn)放作理想運(yùn)放，把反饋元件看作理想元件。本文主要討論集成運(yùn)放大器的比例運(yùn)算電路。集成運(yùn)算放大器實(shí)際上是一種各項(xiàng)性指標(biāo)都比較理想的放大器。理想運(yùn)放的等效模型 從反饋角度看,運(yùn)算放大器有兩類基本工作狀態(tài),一類是以負(fù)反饋工作狀態(tài),另一類是開環(huán)或正反饋工作狀態(tài)。當(dāng)集

13、成運(yùn)放處于深度負(fù)反饋時(shí)，輸出電壓與輸入電壓成正比，即運(yùn)放工作在線性區(qū)。當(dāng)集成運(yùn)放處于開環(huán)或正反饋時(shí)，輸出電壓只有兩種狀態(tài)，不是正飽和電壓就是負(fù)飽和電壓，即運(yùn)放工作在非線性區(qū)。比例運(yùn)算電路中的集成運(yùn)放是工作在線性區(qū)的，根據(jù)理想運(yùn)放條，處于深度負(fù)反饋工作狀態(tài)的運(yùn)放?？梢圆捎脠D所示的理想運(yùn)放等效模型來(lái)代替。理想運(yùn)放等效模型的輸入端采用“零子”符號(hào)來(lái)表示?！傲阕釉O(shè)計(jì)指兩個(gè)輸入端的差模電壓ud為零，流入輸入端的電流id也為零。 理想運(yùn)放輸入差模電壓為零。然而輸出電壓和輸出電流為任意值，等效模型的輸出端用任意子符號(hào)來(lái)表示 。所謂任意子是指理想運(yùn)放提供給外部電路的對(duì)地輸出電壓和電流均為任意值。任意值的含義就

14、在于它有能力提供任意輸出電壓和輸出電流 然而任意者非隨意。理想運(yùn)放的輸出電壓和輸出電流將由外部網(wǎng)絡(luò)的條件所決定，其值與外部連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)元件特性和參數(shù)值 輸入信號(hào)大小輸出端負(fù)載等密切相關(guān) 外部網(wǎng)絡(luò)條件確定后 理想運(yùn)放的輸出電壓和輸出電流將為確定值。將集成運(yùn)放看作理想運(yùn)放 并用等效模型來(lái)代替，可以很快導(dǎo)出運(yùn)放電路的理想傳輸特性。虛短虛斷虛地的概念 由于理想運(yùn)放的差模電壓增益為無(wú)窮大，輸出電壓在有限值之間變化。這就意味著輸入端的差模電壓為零，udu+ - u- 0,則u+ = u-說(shuō)明同相端和反相端電壓幾乎相等，所以稱虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短 。若同相端接地，則反相端也為地電位，但并不是直接接地，稱之為

15、虛地。由于運(yùn)放輸入電阻為無(wú)窮大,i+i-0,流入 集成于運(yùn)放同相端和反相端的電流幾乎為零，所以成為虛斷。 利用集成運(yùn)放的虛斷和虛短，可以有多種應(yīng)用，如：同相比例放大器，反相比例放大器，積分器，微分器等等。比較器 輸出量數(shù)值與規(guī)定的參比值相比較，以產(chǎn)生一個(gè)差值信號(hào)(誤差信號(hào))的器件。它是對(duì)兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關(guān)系及排列順序稱為比較。 能夠?qū)崿F(xiàn)這種比較功能的電路或裝置稱為比較器。 比較器是將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路。 工作原理 電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無(wú)窮大”的運(yùn)算放大器。電壓比較器的功能：比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高

16、或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)： 當(dāng)”輸入端電壓高于”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平； 當(dāng)”輸入端電壓低于”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平。此時(shí)虛短不在適用。其原理如圖所示： 利用比較器可以有多種應(yīng)用，如過(guò)零比較器，脈寬調(diào)制器，遲滯比較器等。uo限幅區(qū)限幅區(qū)線性放大區(qū)uol= -uoh uoh ud=u+ - u- 集成運(yùn)放的電壓輸出特性如上圖所示，放大器與比較器的區(qū)別在于：放大器工作在線性放大區(qū)，比較器工作在限幅區(qū)，即非線性區(qū)。馳張振蕩器振蕩器的功能是產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的周期隨時(shí)間改變的輸出波形起到信號(hào)或?qū)π盘?hào)定時(shí)的作用,這樣的電路叫振蕩器.交流輸出信號(hào)可以從振蕩器得到各種各樣的波形中

17、的一種,如:正弦波 ,三角波 , 方波 , 脈沖序列波 , 指數(shù)波形. 定時(shí)電路 狀態(tài)記憶電路馳張振蕩器框圖馳張震蕩器即方波-三角波產(chǎn)生器。其狀態(tài)有時(shí)維持不變，而有時(shí)則發(fā)出突跳。為區(qū)別于正弦振蕩器，稱其為馳張震蕩器。馳張震蕩器必須是一個(gè)正反饋電路。它由兩部分組成，一部分是狀態(tài)記憶電路，另一部分是定時(shí)電路，定時(shí)電路是用來(lái)控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間的電路。如圖所示，一般用遲滯比較器作為狀態(tài)記憶電路，而用積分器作為定時(shí)電路。在本電路中，我們使用雙運(yùn)放構(gòu)成的馳張振蕩器。如圖所示：其原理為：a1運(yùn)放工作在電壓比較器的狀態(tài)，正反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻 r2、r1對(duì)輸出電壓uo分壓后，作為同相輸入端的基準(zhǔn)電壓 u+，反相輸入

18、端的電壓u一接地。r、c組成的積分電路c兩 端，u一與u+進(jìn)行比較，決定著輸出電壓uo電平的高低。由于c不斷在正反兩個(gè)方向充電和放電，使u一電壓不斷地高u+和低于u+，輸出電壓uo也隨之在低 、高電平之間翻轉(zhuǎn) 輸出端就會(huì)得到一定周期和頻率的方波信號(hào)。該振蕩器的 特點(diǎn)是：頻率穩(wěn)定度高、溫漂小，振蕩頻率僅與r3、c有關(guān)，而與所用運(yùn)放特性無(wú)關(guān)；輸出幅度較大、電源電壓范圍寬在本系統(tǒng)中，電壓跟隨器，比較器，馳張震蕩器的實(shí)現(xiàn)都是由lm324實(shí)現(xiàn)。lm324lm324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或

19、者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為mc1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖1所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“v+”、“v-”為正、負(fù)電源端，“vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。lm324的引腳排列見圖。2.功率放大為了驅(qū)動(dòng)負(fù)載，我們采用了功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)電流放大。只要器件為irf530。irf530irf530是功率vmos，特

20、點(diǎn)大電流、高功率、開關(guān)速度較快，一般可用于功率開關(guān)或直流變換器。使用時(shí)要注意驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，理論上說(shuō)mos管的珊級(jí)是絕緣的，屬于電壓驅(qū)動(dòng)，不需要電流，但實(shí)際上由于結(jié)電容的存在，工作于高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，否則會(huì)由于不完全導(dǎo)通而使管子燒毀。irf530參數(shù) 電壓 電流 功率 100v 14a 79w3.電源電路本系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源是所有電子設(shè)備的重要組成部分，它的基本任務(wù)是將電力網(wǎng)交流電壓變換為電子設(shè)備所需要的穩(wěn)定的直流電源電壓。其工作過(guò)程通常為：首先由電源變壓器將220v交流電壓變換為所需的交流電壓值，然后利用二極管單向?qū)щ娦詫⒔涣麟妷赫鳛閱蜗蛎}動(dòng)的直流電壓，在

21、通過(guò)電容或電感等儲(chǔ)能元件組成的濾波電路來(lái)減小其脈動(dòng)成分，從而得到較平滑的電流電壓。同時(shí)，由于其易受電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響，必須加穩(wěn)壓電路，利用負(fù)反饋來(lái)維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。其基本組成框圖如圖所示：uo220v50hz穩(wěn)壓器濾波電路整流電路電源變壓器整流電路該部分由2w30完成。2w30 內(nèi)部如圖所示，電路中的4只二極管都是作為開關(guān)運(yùn)用。當(dāng)正半周時(shí)，二極管d1,d3導(dǎo)通（d2,d4截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。當(dāng)負(fù)半周時(shí)，二極管d2,d4導(dǎo)通（d3d1截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。濾波電路濾波電路采用電容濾波。穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓部分采用lm7812lm7812是指三段穩(wěn)壓集成電路ic芯片元器件，適用于各種電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定性好、使用方便、輸出過(guò)流、過(guò)熱自動(dòng)保護(hù)。 電源整體電路如圖所示5 總電路圖1. 工作電路2.工作原理 由u1a、u1d組成振蕩器電路，提供頻率約為400hz的方波/三角形波。u1c生6v的參考電壓作為振蕩器電路的虛擬地。這是為了振蕩器電路能在單電源情況下也能工作而不需要用正負(fù)雙電源。u1b這里接成比較器的形式，它的反相輸入端(6腳)接入電阻r6、r7和vr1，