PWM控制的直流電動機調速系統(tǒng)設計

1、課程設計設計報告書題目：PWM控制的直流電動機調速系統(tǒng)設計專業(yè)電氣自動化姓名學號同組同學姓名設計題目：PWM控制的直流電動機調速系統(tǒng)設計1、前言近年來，隨著科技的進步，電力電子技術得到了迅速的發(fā)展，直流電機得到 了越來越廣泛的應用。直流它具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便，調速范圍廣； 過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉 ； 需要能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，從而對直流電機的調速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調速，改變電樞電壓調速等技術已遠遠 不能滿足要求，這時通過 PWM方式控制直流電機調速的方法應運而生。采用傳統(tǒng)的調速系統(tǒng)主要有以下

2、缺陷：模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一 些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了 PWM技術后，避免了以上的 缺陷，實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。另外， 由于PWM調速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的 直流電流,低速特性好；同樣，由于開關頻率高，快速響應特性好，動態(tài)抗干擾能力強 可以獲得很寬的頻帶；開關器件只工作在開關狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率高。 PWM具有很強的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟等特點。2、設計要求及組內分工2.1設計要求(1) 根據(jù)電機與拖動實驗室提供的直流電動機，設計基于PWM的電動機調速方案。(2) 選用合適的功率

3、器件，設計電動機的驅動電路（3）設計PWM波形發(fā)生電路，使能通過按鍵對電機轉速進行調節(jié)，要求至少有兩個速度控制按鍵，其中一個為加速鍵（每按一次，使電機轉 速增加）；另一個為減速鍵，功能與加速鍵相反。（4）撰寫課程設計報告。2.2組內分工（1）負責直流電動機調速控制硬件設計及電路焊接：主要由胡佳春和葉秋 平完成（2 ）負責調速控制軟件編寫及調試：主要由朱健和葉秋平完成（3 ）撰寫報告：主要由胡佳春和朱健完成3、系統(tǒng)設計原理脈寬調制技術是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其是 在對電機的轉速控制方面，可大大節(jié)省能量，PWM控制技術的理論基礎為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的

4、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 需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制， 既可改變逆變電路輸出電壓 的大小，也可改變輸出頻率。直流電動機的轉速n和其他參量的關系可表示為RaCe(1 )式中Ua電樞供電電壓（V）；Ia電樞電流（A）;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為導體 數(shù)。由式(1 )可以看出，式中Ua、Ra、三個參量都可以成為變量，只要改變 其中一個參量，就可以改變電動機的轉速，所以直流電動機有三種基本調速方法： (1)改變電樞回路總電阻Ra; (

5、2)改變電樞供電電壓Ua; (3)改變勵磁磁通。4、方案選擇及論證4.1、方案選擇、改變電樞回路電阻調速可以通過改變電樞回路電阻來調速，此時轉速特性公式為n=U-【l(R+Rw)】/Ke (2)式中Rw為電樞回路中的外接電阻(Q)。當負載一定時，隨著串入的外接電阻Rw的增大，電樞回路總電阻R=(Ra+Rw) 增大，電動機轉速就降低。Rw的改變可用接觸器或主令開關切換來實現(xiàn)。這種調速方法為有級調速，轉速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低， 故現(xiàn)在這種調速方法已極少采用，本次設計不采用。、改變勵磁電流調速當電樞電壓恒定時，改變電動機的勵磁電流也能實現(xiàn)調速。由式1-1可看出，電動機的轉速與磁通(也

6、就是勵磁電流)成反比，即當磁通減小時，轉速n升高；反之，則n降低。與此同時，由于電動機的轉矩 Te是磁通和電樞電流la 的乘積(即Te=CTla)，電樞電流不變時，隨著磁通的減小，其轉速升高， 轉矩也會相應地減小。所以，在這種調速方法中，隨著電動機磁通的減小，其 轉矩升高，轉矩也會相應地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉速時，電動 機始終可以輸出額定功率，因此這種調速方法稱為恒功率調速。為了使電動機的容量能得到充分利用，通常只是在電動機基速以上調速時才 采用這種調速方法。本次設計不采用。、采用PWM控制的調速方法圖1為PWM降壓斬波器的原理電路及輸出電壓波形。在圖1a中，假定晶管V1先導通T

7、1，秒（忽略V1的管壓降，這期間電源電壓 Ud全部加到電樞上）, 然后關斷T2秒（這期間電樞端電壓為零）。如此反復，則電樞端電壓波形如圖 1b圖1 PWM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Ua 二仁山=TUdUdTiT T2T:為一個周期T中，晶體管V1導通時間的比率，稱為負載率或占空比。 使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變 :的值，從而達到調壓的目的：（1）定寬調頻法：T1保持一定，使T2在0范圍內變化；調寬調頻法：T2保持一定，使T1在0范圍內變化定頻調寬法：T1+T2=T保持一定，使T,在0T范圍內變化。不管哪種方法，的變化范圍均為0W弓，因而電樞電壓平均值

8、Ua的 調節(jié)范圍為0Ud，均為正值，即電動機只能在某一方向調速，稱為不可逆調速。 當需要電動機在正、反向兩個方向調速運轉，即可逆調速時，就要使用圖1 2a所示的橋式（或稱H型）降壓斬波電路。在圖2a中，晶體管V1、V4是同時導通同時關斷的，V2、V3也是同時導通同時關斷的，但 V1與V2、V3與V4都不允許同時導通，否則電源 Ud直通短 路。設V1、V4先同時導通T1秒后同時關斷，間隔一定時間（為避免電源直通短 路。該間隔時間稱為死區(qū)時問）之后，再使V2、V3同時導通T2秒后同時關斷， 如此反復，則電動機電樞端電壓波形如圖2b所示。圖2橋式PWM降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形a）原理圖b）輸

9、出電壓波形電動機電樞端電壓的平均值為T TTUa 1=(2,-1)5 =(2： -1從T2T由于ow W1，Ua值的范圍是 -Ud+Ud，因而電動機可以在正、反兩個方向調速運轉。圖3給出了兩種PWM斬波電路的電樞電壓平均值的特性曲線 Ua二fG ）圖3兩種斬波器的輸出電壓特性4.2、元器件的選擇比較、基于IGBT和MOSFET功率管的驅動電路設計的比較IGBT驅動電路能驅動大型的功率設備，但價格高。MOSFET能驅動較大的 功率設備，價格比IGBT低很多。本課程設計是驅動小功率直流電動機，可以用 IGBT和MOSFET功率管的驅動 電路設計。但電動機功率僅為100W，所以本課程設計采用 MOS

10、FET管來進行 控制。功率場效應管(MOSFET)與雙極型功率相比具有如下特點：1. 場效應管(MOSFET)是電壓控制型器件(雙極型是電流控制型器件)，因此 在驅動大電流時無需推動級，電路較簡單；2 輸入阻抗高，可達108 Q以上；3 工作頻率范圍寬，開關速度高(開關時間為幾十納秒到幾百納秒)，開關 損耗??；4 .有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且場效應管(MOSFET)的輸入電容比雙極型的輸 入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作Hi-Fi音響;5 .功率場效應管(MOSFET)可以多個并聯(lián)使用，增加輸出電流而無需均流電阻。422、89S52單片機52單片機價格便宜，使用簡單、方

11、便，功能較齊全，能夠達到控制本電路 的要求。所本本課程設計采用 89S52單片機。、光耦隔離開關光耦隔離開關是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體內，中間通過電光一電的轉換來傳輸電信號的半導體光電子器件。光耦以光信號為媒介來實現(xiàn) 電信號的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強的特點。 采用光耦隔離可以很好地實現(xiàn)弱電和強電的隔離，達到抗干擾目的。、7805 穩(wěn)壓管7805能使輸入電壓（正常條件7-25伏）轉化為5伏左右輸出，供光耦隔離 開關發(fā)光部分及單片機等供電。價格便宜，使用方便。功率管1管腳（G）接輸入信號，2管腳（s）接地，3管腳（D）接電壓源。圖4 IRF740示意圖

12、4.2.5、直流電機參數(shù):V dss = 400VDS(on) = 055£1lD = 10A圖5 IRF740主要參數(shù)額定轉速1600r/min，額定電壓220V5、系統(tǒng)電路總設計圖6總體電路原理圖本次課程設計采用定頻調寬法：T1+T2保持一定，使T1在0T范圍內變 化來改變a的值從而達到調壓的目的。以 89S51單片機系統(tǒng)和7805穩(wěn)壓電源 系統(tǒng)以及光電耦合MOSFET部分組成。由鍵盤K1和K2發(fā)出指令，單片機處理 后經(jīng)P26 口發(fā)出矩形波，通過占空比的調節(jié)達到電機調速的目的。當按下keyl按鍵時，IRF740MOSFET功率管1腳的高電平占空比增大，電樞電壓增大，電 機轉速增大

13、；當按下key2按鍵時，IRF740MOSFET功率管1腳的高電平占空 比減小，電樞電壓減小，電機轉速減小。從而通過單片機達到簡單調速的目的。5.1、單片機最小系統(tǒng)部分VCC1DK RVC C I130PFRSI1K1KEV1R4PH"MOS1M1£O SCK1234PIO PllP12P13P14P15PISP17U1POOPQ1 F 口P03P04P05POtfPO383634F3.3P3.2TNT1INTOP3.315P3.41413T1TOeaTviXIX2XQ22砂幷27P"12 3 斗 5 百 700o 123斗56?2 2222222FFFFFFFF

14、Rj&se I9P3.? 17FM.石 “£RESETRTiWRRXQTXDALE/FPSEN1R2200E210UF8051RESETQ OTSWPBVCC圖7最小單片機系統(tǒng)本次設計中主要應用了 89S51單片機，由最小單片機系統(tǒng)組成，并將單片機的P26 口作為輸出口，輸出占空比不同的矩形波，供給后續(xù)驅動電路部分,在單片機的外圍擴展了兩個按鍵,K1作為加速按鍵，K2作為減速按鍵，進行調速控制。5.2、驅動電路部分VCCTP2.6 阻R411KU7_ 0Mflfor+隔禺迫源接I I I 14R4J100OPTOTSOl電機脈寬調速圖8驅動電路驅動部分主要由用的光電耦合器和

15、MOSFET組成，由單片機的P26 口提供的信號，P26當為高電平時，發(fā)光管導通，光電耦合器輸出低電平，MOSFET關閉，回路關閉。當P26 口為低電平時，發(fā)光管關閉，光電耦合器輸出為高電平，MOSFET打開，回路導通5.3、電源部分INPUT+1vhi+5V3VCC§El三+C3U10 UA78O5IOiiF O.liiF圖9電源電路電源部分采用的是三端穩(wěn)壓器7805 ,輸入由AC-DC變壓器提供+9V直流電, 經(jīng)7805穩(wěn)壓，由電容濾波，輸出+5V電壓，為單片機提供工作電源。實驗數(shù)據(jù)記錄答辯時得知數(shù)據(jù)有偏差，但確實為實驗實測數(shù)據(jù)。附錄有圖。6、硬轉速和電壓的關系序號1234轉速（

16、VPM）11931073906717電壓（V）169152.3129.1102.4試過程由于我在實習的緣故，調試過程主要由葉秋平完成，調試的過程中得到了楊 成安同學的大力幫助，調試工程中出現(xiàn)了一個問題：電機轉速快，不能調速。經(jīng) 過大家商量，大致的調試步驟如下：用示波器檢測檢查電路1.使用按鍵，示波器檢測 MOSFET功率管1腳，發(fā)現(xiàn)其占空比能改變。2. 檢測P2.6，光耦隔離開關發(fā)射端 A腳，接受端C腳，波形正常。然后檢測MOSFET功率管1腳的波形，發(fā)現(xiàn)其低電平為1v左右，高電平為13v左右。3. 最后猜想可能是1V的電平也可能使MOSFET功率管導通，于是減小MOSFET 功率管3腳的電壓

17、，把其改為5V。用示波器測量1腳電壓，顯示方波的低電平 為0.2v左右,高電平5v左右。最后按下按鍵能控制電機轉速。原因分析：MOSFET功率管3腳的輸入電壓過高時，在前面電路的影響下其低電 平電壓會偏高，從而導通IRF740MOSFET功率管。解決方法：降低MOSFET功率管3腳的輸入電壓，可降至5V7、設計總結體會這一次的課程設計讓我學到了不少的東西，由于有前幾次的經(jīng)驗，這次課程 設計應該來說還是比較順利的，由于我和胡佳春在實習，平時比較忙，許多準備工作都是*在做，自己對課程設計所花時間不多，以至于給后面的答辯和論 文寫作方面帶來了很多的麻煩。從原理圖的設計，電路板的焊接到寫課程設計論文，

18、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。這次課程設計給我最大的體會就是有很多東西如果不是自己親自動手，只在書本上是學不到 的，設計初期要考慮周到，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。做事情一定要細心，更要耐心，遇到問題要 慢慢去檢查，然后仔細分析后再解決；除此之外，還要有合作精神，注重團隊合 作，和合作者一起做，相互鼓勵，互相彌補不足之處，很多難點的突破都來自于 與同學的交流，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。本次設計把理論應用到了實踐中，同時通過設計，也加深了自己對理論知 識的理解和掌握

19、，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際的動手能力，學會了解決問題的方法，激發(fā)了我們的 探索精神。這樣的課程設計是很好的鍛煉機會，通過實驗設計使我深入了解到課 程設計在大學學習的重要性，課程設計增強了我們的實踐動手能力， 也為大四后 學期的畢業(yè)設計提供了寶貴的經(jīng)驗。8、參考文獻7.1主要書目：電路與電子技術基礎數(shù)字電子技術基礎浙江科學技術出版社李青總主編電路電子實驗指導書中國計量學院電工電子實驗中心機電工程訓練教程電子技術實訓清華大學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9、程序9.1、程序設計思想當按keyl鍵時，電壓升高，轉

20、速上升，當按key2鍵時，電壓下降，轉速下降;定時器1中斷用來產(chǎn)生周期為1ms的脈寬信號，定時器每次中斷后改變下 一次的定時設置，設置值由按鍵決定，按key1，高脈寬定時時間加大，按key2， 低脈寬定時時間增大，每次變化 10uS。9.2、程序框圖9.3、程序代碼ORG0000HAJMPMAINORG001BHAJMPINTT1ORG0100HMAIN: MOV 60H,#0FEH 存放高電平的脈寬時間，定時 500usMOV 61H,#0CHMOV 62H,#0FEHMOV 63H,#0CH 存放低電平的脈寬時間，定時500us，剛開始時，高低 電平各為50 %，此時電壓為輸入電壓的一半，

21、電機此時的轉速為最低。調速設 定為向上調節(jié)，即按加鍵時轉速上升，此時按減鍵，轉速不變。CLR P2.0MOV TMOD,#10H/定時器1用來產(chǎn)生脈寬，周期固定為1mS，MOVTL1,61HSETBEASETBET1SETBPT1SETBTR1SETBP2.6READKEY:SETB P1.2CLRP1.0JNBP1.2QELAYJNBP1.3QELAYAJMPREADKEYDELAY:LCALL DL10MS;去抖SETBP1.2CLRP1.0JNBP1.2,HAVEKEY1假設電路板接兩個鍵，分別為 key1和key2 ,keyl為脈寬增加，key2為脈寬減小JNBP1.3,HAVEKEY

22、2AJMPREADKEYHAVEKEY1:MOVA,61H/是加鍵，60H61H值減小，高電平脈寬增加，62H63H值增大，低電平時間減小CLRCSUBBA,#0AHMOV61H,AMOVA,60HSUBBA,#00HMOV 60H,ACLRCMOVA,63HADDA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HADDCA,#00HMOV62H,AMOVR2,60HMOVR3,61HMOVR6,#0FCHMOVR7,#18HLCALLNSUB1JNCCONTINUMOV60H,#0FCH/超出調速范圍，即高脈寬大于1ms溢出了，則保持此數(shù)值MOV61H,#18HMOV62H,#0FFHMOV63H,#0FBHCONTINU:AJMP NOTXSHAVEKEY2:MOVA,63H/是減鍵，60H61H值增加，高電平脈寬減小，62H63H值減小，低電平時間增大CLRCSUBBA,#0AHMOV63H,ASUBBA,#00HMOV62H,ACLRCMOVA,61HADDA,#0AHMOV61H,AMOVA,60HADDCA,#00HMOV60H,AMOVR2,62HMOVR3,63HMOVR6,#