小容量直流電機(jī)雙極性PWM調(diào)速說明書

1、小容量直流電機(jī)PWM調(diào)速臺州第一技師學(xué)院維修電工高級課題（xxxx屆）課題題目 小容量直流電雙極性PWM調(diào)速 班級 xxxxxx班 姓名 xxx 指導(dǎo)教師 xxxx 職稱或等級 xxxx 完成日期 xxxx年xx月xx日 小容量直流電雙極性PWM調(diào)速姓名：xx（臺州第一技師學(xué)院）2013年9月30日摘要直流電機(jī)具有良好的啟動和調(diào)速性能，被廣泛的應(yīng)用對啟動和調(diào)速有較高要求的拖動系統(tǒng)。本設(shè)計介紹了用PWM實現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的基本方法，直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識，PWM調(diào)整的基本原理和實現(xiàn)方法。（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器數(shù)字輸出來

2、對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量、通訊、功率控制與變換等許多領(lǐng)域。硬件系統(tǒng)主要包括：直流雙電源電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、PWM調(diào)制信號產(chǎn)生電路、脈沖整形放大電路、H型雙極性驅(qū)動電路。關(guān)鍵字：PWM；直流電機(jī)；雙極性；目 錄目錄1引言52課題研究的意義63直流調(diào)速及PWM控制原理64總體設(shè)計85硬件設(shè)計95.1電源電路95.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路95.3雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路105.4 PWM調(diào)制信號產(chǎn)生電路105.5H型雙極性驅(qū)動電路116制版126.1打印電路板126.2裁剪覆銅板12 6.3預(yù)處理覆銅板126.4轉(zhuǎn)印電路板126.5腐蝕線路板126.6線路板鉆孔126.

3、7焊接電子元件127課題小結(jié)138致謝139附錄149.1、元器件清單149.2、集成塊介紹149.3、電路圖149.4、實物圖1610參考文獻(xiàn)161 引言PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把這項通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻

4、變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。由此在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢（如ABB  ACS1000系列和美ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。 在70年代開始至80年代初，由于當(dāng)時大

5、功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機(jī)PWM技術(shù)提供了一個分析、解決問題的全新思路。2 課題研究的

6、意義直流電動機(jī)是最早出現(xiàn)的電動機(jī)，也是最早實現(xiàn)調(diào)速的電動機(jī)。長期以來，直流電機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特征，簡單的控制性能，高效益優(yōu)異的動態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動機(jī)的最佳選擇。因此研究直流電流的書的控制，有著非常重要的意義。還有利用脈寬調(diào)制方式實現(xiàn)調(diào)速能使電源的能量得到充分利用，電路的效率高。例如：當(dāng)輸出為50%的方波時，脈寬調(diào)制電路消耗的電源能量也為50%，即幾乎所有的能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載功率輸出。而采用常見的電阻降壓調(diào)速時，要使負(fù)載獲得電源最大輸出功率50%的功率電源必須提供71%的輸出功率，這其中21%消耗在電阻的壓降及熱耗上，有時電路的轉(zhuǎn)換效率是肥腸

7、重要的。此外采用脈寬調(diào)制方式可以市使負(fù)載工作時得到滿電源電壓，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)生更大的力拒。3 直流調(diào)速及PWM控制原理3.1 直流電機(jī)調(diào)速原理 直流電動機(jī)根據(jù)勵磁方式不同，直流電動機(jī)分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電動機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。但是對于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式：  其中：U電壓；R內(nèi)勵磁繞組本身的電阻;每極磁通(Wb)；Cc電勢常數(shù)；Cr轉(zhuǎn)矩常量。由上式可知，直流電機(jī)的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場控制法。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火

8、花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的方法是電樞控制法.電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻，通過調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟(jì)效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進(jìn)行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓等等。調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制(PWM)應(yīng)用更

9、為廣泛。 3.2  PWM脈寬調(diào)制原理PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術(shù)。下式是占空比計算公式：   式中t1表示一個周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通的時間，T表示一個周期的時間。 占空比D表示了在一個周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值，變化范圍為0D1。由上式可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值為Vd=Vmax×D，因此改變占空比D就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。 在PWM調(diào)速時，占空比是一個重要參數(shù)。以下是三

10、種可改變占空比的方法： （1）定寬調(diào)頻法:保持脈寬不變，改變周期（或頻率）。 （2）定頻調(diào)寬法：保持頻率不變，改變脈寬。 （3）調(diào)頻調(diào)寬法：同時改變周期（或頻率）和脈寬。第1、3兩種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此應(yīng)用較少。目前，在直流電動機(jī)的控制中，主要使用第2種方法。 定頻調(diào)寬法是利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)

11、動裝置”。4 總體設(shè)計本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實現(xiàn)直流電機(jī)的平滑調(diào)速。圖1-1 直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖5 硬件設(shè)計5.1電源電路本設(shè)計的電源都是12V雙電源供電，電源電路是由一15V變壓器，橋式整流電路，7812、7912芯片，電容所組成(如圖1-2所示)。由變壓器變壓得到15V的交流電經(jīng)過橋式整流然后C1、C2濾波得到比較平滑的直流電，再經(jīng)過三端穩(wěn)壓器7812，7912變成±12V電，然后再次使用電容C3、C4、C5、C6濾波，輸出平滑的±12V直流電。圖1-2 直流電機(jī)

12、PWM調(diào)速電源電路5.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 本設(shè)計的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路是三極管單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。電源接通時，一個三極管始終保持截止?fàn)顟B(tài)不變，另一個三極管始終保持飽和狀態(tài)不變。當(dāng)有外來信號觸發(fā)時，原來截止的變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，原來飽和的變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。但經(jīng)過一段時間，兩個三極管又恢復(fù)到原來的狀態(tài)不變，具有一種穩(wěn)定狀態(tài)。圖1-3 直流電機(jī)PWM調(diào)速單穩(wěn)態(tài)電路5.3雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路本設(shè)計的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路是三極管單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。在沒有外來信號時，三極管始終保持原來的截止或飽和狀態(tài)不變，當(dāng)有外來信號觸發(fā)時，原來截止的變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)并保持不變，原來飽和的變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)也保持不變，具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。圖1-4 直流電機(jī)PWM調(diào)速雙穩(wěn)

13、態(tài)電路5.4 PWM調(diào)制信號產(chǎn)生電路由U3C、U3D組成振蕩器電路，提供頻率約為400Hz的方波/三角形波。U3A產(chǎn)生6V的參考電壓作為振蕩器電路的虛擬地。U3B這里接成比較器的形式，它的輸入端(5腳)接入電阻R15，用來提供比較器的參考電壓。這個電壓與U3D的輸出端(14腳)的三角形波電壓進(jìn)行比較。當(dāng)該波形電壓高于U3B的6腳電壓U3B的7腳輸出為高電平；反之，當(dāng)該波形電壓低于U3B的6腳電壓，U3B的7腳輸出為低電平。由此改變U3B的6腳電位使其與輸入三角形波電壓進(jìn)行比較。就可增加或減小輸出方波的寬度，實現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)。 圖1-5 直流電機(jī)PWM調(diào)速PWM調(diào)制信號產(chǎn)生電路5.5H型雙

14、極性驅(qū)動電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須對角線上的一對三極管導(dǎo)通，當(dāng)Q11、Q10導(dǎo)通時，電流經(jīng)Q11從左至右穿過電機(jī)在經(jīng)過Q10形成回路。該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q12、Q9導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機(jī)從而驅(qū)動電機(jī)沿另一個方向運(yùn)動。圖1-6 直流電機(jī)PWM調(diào)速H型雙極性驅(qū)動電路6 制板6.1、打印電路板將繪制好的電路板用轉(zhuǎn)印紙打印出來，有油墨的一面面向自己，一般打印兩張電路板，即一張紙上面打印兩張電路板。在其中選擇打印效果最好的制作線路板。 6.2、裁剪覆銅板 覆銅板，也就是一面覆有銅模的線路板。把覆有銅膜的板裁成電路板的大小，不要過大節(jié)約材料。 6.3、預(yù)處理

15、覆銅板用細(xì)砂紙把覆銅板表面的氧化層打磨掉，以保證在轉(zhuǎn)印電路板時，熱轉(zhuǎn)印紙上的碳粉能牢固的印在覆銅板上，打磨好的標(biāo)準(zhǔn)是板面光亮，沒有明顯污漬。 6.4、轉(zhuǎn)印電路板將打印好的電路板裁剪成合適大小，把印有電路板的一面貼在覆銅板上，對齊好后把覆銅板放入熱轉(zhuǎn)印機(jī)，放入時一定要保證轉(zhuǎn)印紙沒有錯位。一般來說經(jīng)過2-3次轉(zhuǎn)印，電路板就能很牢固的轉(zhuǎn)印在覆銅板上。熱轉(zhuǎn)印機(jī)事先就經(jīng)過預(yù)熱，溫度設(shè)定在160-200攝氏度。6.5、腐蝕線路板先檢查一下電路板是否轉(zhuǎn)印完整，若有少數(shù)沒有轉(zhuǎn)印好的地方可以用黑色油性筆修補(bǔ)。然后就可以腐蝕了，等線路板上暴露的銅膜完全被腐蝕掉時，將線路板從腐蝕液中取出清洗干凈，這樣一塊

16、線路板就腐蝕好了。腐蝕液成分為三氯化鐵、水，比例為1：80，在配置腐蝕液時先放水，在加三氯化鐵。6.6、線路板鉆孔線路板上是要插入電子元件的，所以就要對線路板鉆孔了。依據(jù)電子元件管腳的粗細(xì)選擇不同的鉆針，在使用鉆機(jī)鉆孔時線路板一定要按穩(wěn)，速度不能太快。 6.7、焊接電子元件 鉆完孔后，用細(xì)砂紙把覆在線路板上面的墨粉打磨掉，用清水把線路板清洗干凈。然后焊接完板上的電子元件，焊接時要注意先低后高，即先焊接比較低的元件，在焊接比較高的。7 .課題小結(jié)通過這次小容量直流電機(jī)雙極性PWM調(diào)速的課程設(shè)計，我們才把學(xué)到的東西與實踐相結(jié)合。從中對我們學(xué)的知識有了更進(jìn)一步的理解，而且更進(jìn)一步地熟悉了芯

17、片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨(dú)立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計，但通過這次課程設(shè)計我們了解了課程設(shè)計的一般步驟，和設(shè)計中應(yīng)注意的問題。設(shè)計本身并不是有很重要的意義，而是同學(xué)們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。各個芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時應(yīng)該注意那些要點(diǎn)。同一個電路可以用那些芯片實現(xiàn)，各個芯片實現(xiàn)同一個功能的區(qū)別。另外，我還更加熟練的使用了DXP2004等軟件，讓我體會到了期中的樂趣，還在電腦制作文檔的過程中，使我對辦公軟件有了更進(jìn)一步的了解和掌握。8 .致 謝 在整個設(shè)計過程中，

18、我得到了老師的耐心指導(dǎo)和幫助，在此，表示衷心的感謝！在設(shè)計的整體思路、方案確立、主要元器件的選擇上給予了我很大幫助，同時提供了很多有價值的資料。 經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計我感受頗多，在正式進(jìn)行設(shè)計之前，我參考了一些網(wǎng)上的資料，通過對這些設(shè)計方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。 此次課題設(shè)計不僅是對前面所學(xué)電力電子技術(shù)的一種檢驗，更是對所學(xué)知識大融合，站在新的高度看待新的問題，而且也是對自己運(yùn)用所學(xué)知識的能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學(xué)習(xí)的東西還太多。以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過這次課程設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 由于自己的水平有限，設(shè)計中難免有一些錯誤和遺漏之處，懇請各位老師批評指正，謝謝！9 附錄9.1、元器件清單名稱大小/型號數(shù)量名稱大小/型號數(shù)量電阻1K11二極管1N400783K11N414834