直流電機(jī)PWM調(diào)速電路

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題： 直流電機(jī)PWM調(diào)速電路 班級(jí) 電氣1107 學(xué)號(hào) 1101205712學(xué)生姓名 海彬 專(zhuān)業(yè) 電氣信息類(lèi) 學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)小組 工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院2012年05月 直流電機(jī)PWM調(diào)速電路1） 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：1. 設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主回路，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)；2. 設(shè)計(jì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路；3. 設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示電路；4. 設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路，可以按鍵或電位器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；5. 安裝調(diào)試。二）系統(tǒng)原理及功能概述1）直流電機(jī)脈寬調(diào)速電路原理對(duì)小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機(jī)是極為便的。其法是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間

2、與通電期的比值（即占空比）來(lái)控制電機(jī)速度。這種法稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱(chēng) PWM。 改變占空比的法有 3 種：（1） 定寬調(diào)頻法，這種法是保持 t1 不變，只改變 t2 ，這樣期 T（或頻率） 也隨之改變；（2）調(diào)寬調(diào)頻法，保持 t1 不變，而改變 t2 ，這樣也使期 T（或頻率）改變；（3）定頻調(diào)寬法，這種法是使期 T（或頻率）不變，而同時(shí)改變 t2 和 t1 由 ，當(dāng)控制頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近 于前兩種法都改變了期（或頻率） 時(shí)，將會(huì)引起振蕩，用的比較少，因此本系統(tǒng)用的是定頻調(diào)寬法。在脈沖 作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加。電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸

3、減小。只要按 一定規(guī)律，改變通斷電時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。 設(shè)電機(jī)永遠(yuǎn)接通電源時(shí)，其最大轉(zhuǎn)速為 Vmax，設(shè)占空比 D t1 /T ，則電機(jī)的平均速度為 Vd，平均速度 Vd 與占空比 D 的函數(shù)曲線(xiàn)如圖 12 所示，從圖可以看出，VD 與占空比 D 并不是完全線(xiàn)性關(guān)系（圖中實(shí)線(xiàn)），當(dāng)系統(tǒng)允時(shí)，可以將其近似的看成線(xiàn)性關(guān)系（圖中虛線(xiàn)），本系統(tǒng)采用近似法。 平均速度與占空比的關(guān)系2） 比例積分控制規(guī)律 系統(tǒng)的控制算法主要采用 了 PI 控制算法。其控制算法為： 其中 Kp 為比例系數(shù)，Ti 為積分系數(shù)。若單片機(jī)的采樣期為 T，則上式可近似為：上式即為位置式 PI 控制算法。這里我們采用其增

4、量式控制算法，根據(jù)遞推原理可得： 則增量式控制算法為 ： 其中 Kp 為控制器比例系數(shù)，Ki 為積分時(shí)間常數(shù)。 由于系統(tǒng)采用了比例積分調(diào)節(jié)器 簡(jiǎn)稱(chēng) PI 調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)在擾動(dòng)的作用下，通過(guò) PI 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到靜態(tài)無(wú)差，從而實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)無(wú)差。 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)中，比例積分調(diào)節(jié)器的比例部分使動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快無(wú)滯后，積分部分使系統(tǒng)消除靜差。 3）直流電機(jī)調(diào)速原理 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為: 式中:U-電樞端電壓；I-電樞電流；R-電樞電路總電阻；-每極磁通量；K-與電機(jī)結(jié)構(gòu) 有關(guān)的常數(shù)，因此直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的控制法有三種，主要以調(diào)壓調(diào)速為主。 本控制器主要通過(guò)脈寬調(diào)制 PWM

5、來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓， 實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 調(diào)脈寬的式有三 種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。本系統(tǒng)采用了定頻調(diào)脈寬式的 PWM 控制，因?yàn)椴捎?這種式， 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定； 并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較 便。 對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制即可采用開(kāi)環(huán)控制,也可采用閉環(huán)控制。 與開(kāi)環(huán)控制相比,速度控 制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比,其性 能大大提高;理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí),閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率 （額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載 轉(zhuǎn)速之比）要小得多;當(dāng)要求的靜差率相同時(shí), 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速?lài)梢源蟠筇岣摺?轉(zhuǎn)速設(shè)定值 偏差 轉(zhuǎn)速輸出直流電機(jī)速度

6、閉環(huán)控制案三）脈寬可調(diào)波發(fā)生電路四）硬件設(shè)計(jì)與分析1）系統(tǒng)硬件組成 圖 21 為該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖。根據(jù)本系統(tǒng)要求通過(guò)軟件編程定義鍵盤(pán)各鍵的功能及顯示控制。 有關(guān)驅(qū)動(dòng)及主回路控制電路見(jiàn)下幾節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)控制過(guò)程為：鍵盤(pán)輸入控制信號(hào)、參數(shù)及速度給定值，單片機(jī)經(jīng)過(guò)速度閉環(huán)、 運(yùn)算，控制 P 口（自行定義）輸出脈沖的占空比，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并經(jīng)顯示電路顯示出來(lái)。驅(qū)動(dòng)控制電路見(jiàn)圖 23。將單片機(jī)軟件產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)經(jīng)并聯(lián)使用的施密特反相器，對(duì) IGBT 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 2） 驅(qū)動(dòng)控制電路驅(qū)動(dòng)控制電路見(jiàn)圖 23。將單片機(jī)軟件產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)經(jīng)并聯(lián)使用的施密特反相器，對(duì) IGBT 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)

7、控制電路3） 主回路控制電路主電路控制電路見(jiàn)圖 22。220 交流電壓經(jīng)過(guò)橋式整流電路的整流，再經(jīng)過(guò)電容濾波，經(jīng)過(guò) IGBT 元件的功率放大，加到直流電機(jī)的兩端控制電機(jī)。主電路控制電路4） 測(cè)速電路測(cè)速電路5） 顯示電路 顯示電路見(jiàn)圖 2-5。選用共陰 8 段數(shù)碼管，采用 MAX7219 驅(qū)動(dòng)。 MAX7219 是一種高集成化的串行輸入/輸出的共陰極 LED 顯示驅(qū)動(dòng)器。每片可驅(qū)動(dòng) 8 位 7 段加小數(shù)點(diǎn)的共陰極數(shù)碼管，可以數(shù)片級(jí)聯(lián)，而與微處理器的連接只需 3 根線(xiàn)。MAX7219 部設(shè)有掃描電路，除了更新顯示數(shù)據(jù)時(shí)從單片機(jī)接收數(shù)據(jù)外，平時(shí)獨(dú)立工作，極大地節(jié)省了 MCU 有限的運(yùn)行時(shí)間和程序資

8、源。 MAX7219 芯片上包括 BCD 譯碼器、多位掃描電路、段驅(qū)動(dòng)器、位驅(qū)動(dòng)器和用于存放每個(gè)數(shù)據(jù)位的 88 靜態(tài) RAM 以及數(shù)個(gè)工作寄存器。通過(guò)指令設(shè)置這些工作寄存器，可以使 MAX7219 進(jìn)入不同的工作狀態(tài)。MAX7219 的詳細(xì)資料請(qǐng)參考其他書(shū)籍，這里不再贅述。MAX7219 驅(qū)動(dòng)顯示電路 按鍵電路見(jiàn)圖 26。 52 單片機(jī)的 P 口在懸空時(shí)默認(rèn)是高電平，每個(gè)按鈕通過(guò)一個(gè)上拉電阻接到5V 電源，按下按鈕，則 P 口變成低電平，這樣就可以通過(guò) P 口的狀態(tài)來(lái)反映按鈕的按下情況。按鍵通過(guò)并聯(lián)電容 C 進(jìn)行防抖動(dòng)，無(wú)需通過(guò)軟件部分實(shí)現(xiàn)。五）電機(jī)測(cè)速信號(hào)調(diào)理電路主要利用 LM324 運(yùn)算放

9、大器設(shè)計(jì)的比較器，調(diào)節(jié)比較器偏置電壓使脈沖最接近于波且幅度大于 3.3V。為了提高測(cè)速的 精度，在信號(hào)后級(jí)添加比較器調(diào)理信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的波，調(diào)節(jié)比較器運(yùn)放的偏置電壓使 波信號(hào)最適合于測(cè)速。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。 PWM 波產(chǎn)生的思想是，固定 PWM 的期為 PWMT，t 時(shí)間輸出高電平，則剩下 PWMT-t 時(shí)間就輸出低電平。 通過(guò)控制定時(shí)器 T1，從而可以實(shí)現(xiàn)從 8051 的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于 PWM 信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，

10、即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為 f，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為 N 位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為:式中，Tw 定時(shí)器定時(shí)初值；N 一個(gè)機(jī)器期的時(shí)鐘數(shù)。 N 隨著機(jī)型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過(guò)設(shè)定不同的定時(shí)初值 Tw，從而改變占空比 D，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 此次實(shí)驗(yàn)采用 12MHz 晶振，計(jì)數(shù)頻率為 1MHz，即每微秒計(jì)數(shù)器加一，設(shè)置 PMW 脈沖期固定為 PWMT10000，即 0.01s。 在實(shí)際的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)的測(cè)速由測(cè)速電機(jī)完成，本次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由電機(jī)自帶的霍爾元件完成測(cè)速，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件就送出一個(gè)脈沖，我們?cè)O(shè)計(jì)的程序是將測(cè)速部分嵌套在 PWM 函數(shù)里，這樣就節(jié)省了一個(gè)定時(shí)器資源。PWM 脈沖期為 0.01s，一個(gè)期定時(shí)器 T1 中斷 2 次，設(shè)置定時(shí)器每中斷200 次，即每 1s 對(duì)電機(jī)進(jìn)行一次測(cè)速