直流電機PWM調(diào)速課程設(shè)計報告

1、名 稱： 基礎(chǔ)工程設(shè)計 課程設(shè)計 題 目： 直流電機PWM調(diào)速 院 系： 電子工程與自動化學院 班 級： 502 學 號： 1200850211 學生姓名： 黎良貴 指導教師： 龍超 2014 年 9 月 24 日摘 要在社會生活和生產(chǎn)中,常常需要改變電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。通過改變電機回路中的電阻來改變電機轉(zhuǎn)速；通過改變電機接到電源的正負極來改變電機的轉(zhuǎn)向不失為一種簡單易行、成本低廉的方法。但是這種方法效率低、機械特性軟、不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。本文利用555芯片以及少量外部元件組成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器，輸出PWM信號，接到L298電機驅(qū)動芯片，來驅(qū)動直流電機。通過控制輸出信號的占空比來

2、控制電機的轉(zhuǎn)速，而電機的轉(zhuǎn)向可以通過雙刀雙擲開關(guān)控制L298芯片5和7引腳的高低電平輸入來控制。實驗表明，占空比的調(diào)節(jié)范圍為0%95%，電機轉(zhuǎn)速可以從零開始逐漸調(diào)快，轉(zhuǎn)向可通過單刀雙擲開關(guān)隨意控制，達到了預期的目標。本設(shè)計為直流電機的調(diào)速提供了一種簡易的方法，同時獲得了較寬和平滑的調(diào)速性能。關(guān)鍵詞： PWM；占空比；調(diào)速；多諧振蕩器目 錄摘 要I目 錄II第1章 緒論11.1 直流電機調(diào)速起源11.2直流電機調(diào)速發(fā)展概況11.3 研究方案1第2章 預備知識22.1 555定時器22.2 L298驅(qū)動芯片42.3理論分析6第3章 系統(tǒng)組成及工作原理73.1系統(tǒng)組成73.2工作原理7第4章 電路設(shè)

3、計方案11第5章 調(diào)試結(jié)果與分析13結(jié)論15參考文獻16附錄17第1章 緒論1.1 直流電機調(diào)速起源自從電動機發(fā)明那天起，電動機的調(diào)速問題就成為人們思考的問題。電動機被發(fā)明之后，被迅速用于人們的衣行住行當中，生產(chǎn)生活都離不開它。電動車是生活最常見的運用電動機的例子，在電動車行駛過程中，由于路況的不斷變化，經(jīng)常需要調(diào)節(jié)電動機的速度來調(diào)節(jié)電動車的速度。除此之外，醫(yī)學領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域，甚至是高新科技領(lǐng)域都離不開電動機，而且需要極其平滑細膩的調(diào)速性能，可見電動機調(diào)速是非常重要的。隨著科技的發(fā)展，人們掌握了越來越多的調(diào)速方法，方法也不斷升級優(yōu)化。研究直流電機調(diào)速的方法會給社會帶來巨大的利益，因為

4、科技的進步需要越來越精密的儀器，這就要求電機調(diào)速要達到更平滑更細膩的效果。所以電機調(diào)速的研究尤其是提高調(diào)速的寬度和平滑度是具有非常重要的意義的。1.2直流電機調(diào)速發(fā)展概況直流電動機調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動機供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行、設(shè)備制造方便、價格低廉；但缺點是效率低、機械特性軟，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合。30年代末期，發(fā)電機-電動機系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調(diào)速性能優(yōu)異的直流電動機得到廣泛應(yīng)用。這種控制方法可獲得較寬的調(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是系統(tǒng)重量大、占地多、效

5、率低及維修困難。近年來，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機調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機-電動機調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能也遠遠地超過了發(fā)電機-電動機調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的精度、動態(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)。現(xiàn)如今電動機調(diào)速技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是在速度調(diào)節(jié)的細膩度和平滑度方面還有很大的提升空間，還需要在這方面繼續(xù)深入研究以達到更高的水平。1.3 設(shè)計要求及方案本次設(shè)計要求輸出的脈沖的占空比調(diào)節(jié)范圍為0%90%，采用的方案是通過555芯片

6、以及一些外部元件組成占空比可調(diào)的多諧振蕩器，輸出可調(diào)節(jié)的脈沖信號，接到L298電機驅(qū)動芯片，然后驅(qū)動直流電機，電機的轉(zhuǎn)向由單刀雙擲開關(guān)接高低電平控制，要求電機轉(zhuǎn)速由零調(diào)到較快速度，速度變化緩慢均勻，電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向均要求開環(huán)控制。第2章 預備知識2.1 555定時器555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極型（TTL）工藝制作的稱為 555，用 互補金屬氧化物（CMOS ）工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應(yīng)的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，

7、因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內(nèi)部電路框圖如圖2-1所示，引腳排列圖如圖2-2所示。 圖2-1 555芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖2-2 555芯片引腳排列圖它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制R

8、S 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為低電平。它的各個引腳功能如表2-1所示。表2-1 引腳功能表引腳名稱功能1GND（地）接地，作為低電平（0V）2TRIG（觸發(fā)）當此引腳電壓降至1/

9、3VCC（或由控制端決定的閾值電壓）時輸出端給出高電平3OUT（輸出）輸出高電平或低電平4RST（復位）當此引腳接高電平時定時器工作，當此引腳接地時芯片復位輸出低電平5CTRL（控制）控制芯片的閾值電壓（當此引腳接空時默認兩閾值電壓為1/3VCC和2/3VCC6THR(閾值)當此引腳電壓升至2/3VCC（或由控制端決定的閾值電壓）輸出端給出低電平7DIS（放電）內(nèi)接OC門，用于給電容放電8VCC（供電）提供高電平并給芯片供電表2-2 555定時器功能表TH閾值TL觸發(fā)RD復位OUT輸出DIS放電端××LL導通>2/3VCC>1/3VCCHL導通<2/3VC

10、C>1/3VCCH原狀態(tài)（保持）原狀態(tài)（保持）×<1/3VCCHH截止（關(guān)斷）2.2 L298驅(qū)動芯片L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控

11、制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。簡要說明： 一、尺寸：80mmX45mm 二、主要芯片：L298N、光電耦合器 三、工作電壓：控制信號直流5V；電機電壓直流3V46V（建議使用36伏以下） 四、最大工作電流：2.5A 五、額定功率：25W 特點：1、具有信號指示。 2、轉(zhuǎn)速可調(diào) 3、抗干擾能力強 4、具有過電壓和過電流保護 5、可單獨控制兩臺直流電機 6、可單獨控制一臺步進電機 7、PWM脈寬平滑調(diào)速 8、可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn) 9、采用光電隔離 六、有詳細使用說明書 七、提供相關(guān)軟件 八、提供例程及其學習資料。 圖2-3 L29

12、8驅(qū)動芯片內(nèi)部電路圖圖2-4 L298驅(qū)動芯片引腳排列圖L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達25 A，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。下圖為芯片功能表。圖2-5 L298功能表2.3理論分析利用555定時器喝一些外部元件

13、可以組成占空比可調(diào)的多諧振蕩器，輸出PWM信號，輸出脈沖的占空比可由電位器控制。輸出信號接到L298驅(qū)動芯片作為L298驅(qū)動芯片的輸入信號，L298接直流電機，通過控制555輸出的可調(diào)占空比的脈沖信號的占空比可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。電機的轉(zhuǎn)向可由L298的5、7管腳接單刀雙擲開關(guān)接高的電平控制。第3章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)分兩大部分，控制部分和驅(qū)動部分，其中控制部分又分為轉(zhuǎn)速控制部分和轉(zhuǎn)向控制部分，其中轉(zhuǎn)速部控制分較復雜。轉(zhuǎn)速控制部分由555芯片和一些外部元件構(gòu)成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器組成，轉(zhuǎn)向控制部分由單刀雙擲開關(guān)接高低電平組成；驅(qū)動部分由L298驅(qū)動芯片接電機組成。3.

14、2工作原理如圖所示，555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向Ct放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在1/3VCC2/3VCC之間充放電，使其波形如圖所示，輸出信號的時間參數(shù)為： T=tPH+tPL,tPH=0.7(R1+R2)C,tPL=0.7R2C555電路要求R1與R2均應(yīng)大于或等于1K，但R1+R2應(yīng)小于或等于3.3M。外部電路的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少數(shù)的元件即可獲得精度較高的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。因此這種形式的多諧振

15、蕩器應(yīng)用較為廣泛。 圖3-1 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路及其波形圖如圖所示電路增加了一個電位器和兩個導引二極管。D1、D2來決定電容充放電電流流經(jīng)電阻的途徑（充電時D1導通，D2截止；放電時D2導通，D1截止）。占空比為： P=tPH/(tPH+tPL)0.7RAC/(0.7C(A+R)=RA/(RA+RB)可見，若取RA=RB電路即可輸出占空比為50%的方波信號。振蕩周期保持不變。 圖3-2 占空比可調(diào)的多諧振蕩器若將電路改成下圖所示電路，輸出信號占空比P=R上/R滑,當滑頭滑至最上端是，占空比為0，當滑頭滑至最下端時，占空比為100%。圖3-3 控制電路如圖所示，L298驅(qū)動芯片和一

16、個單刀雙擲開關(guān)、一個直流電機構(gòu)成了驅(qū)動電路。6管腳接555輸出的可調(diào)占空比脈沖，即可驅(qū)動直流電機，單刀雙擲開關(guān)可以控制電機的轉(zhuǎn)動方向。圖3-4 驅(qū)動電路第4章 電路設(shè)計方案方案一：控制電路用555組成占空比可調(diào)的多諧振蕩器構(gòu)成，驅(qū)動電路用若干三極管組成H橋構(gòu)成，電路圖如下：圖4-1 方案一電路設(shè)計圖方案二：控制電路是由555定時器和若干外部元件組成的多諧振蕩器構(gòu)成，驅(qū)動電路是由L298驅(qū)動芯片接直流電機構(gòu)成，L298驅(qū)動芯片的5、7管腳接單刀雙擲開關(guān)接高低電平控制電機轉(zhuǎn)動方向。調(diào)節(jié)滑動電阻來調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比來調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)動速度，電路圖如下：圖4-2方案二電路設(shè)計圖方案一、方案二都是由5

17、55定時器外接若干元件組成的占空比可調(diào)的多諧振蕩器構(gòu)成，不同的地方是驅(qū)動電路，前者由三極管組成H橋構(gòu)成驅(qū)動電路，電路較為復雜，后者的驅(qū)動電路直接由L298驅(qū)動芯片構(gòu)成，電路較為簡單，最終決定選擇方案二。第5章 調(diào)試結(jié)果與分析滑動變阻器調(diào)到最上端時，輸出脈沖信號占空比為0%，電機轉(zhuǎn)動速度為0，滑動變阻器調(diào)到最下端時占空比為98%，幾乎接近100%，電機轉(zhuǎn)動速度為205轉(zhuǎn)每秒。接近設(shè)計要求。圖5-1 占空比為0%調(diào)試圖圖5-2 占空比為98%調(diào)試圖結(jié)論本次設(shè)計通過555定時器組成占空比可調(diào)的多諧振蕩器輸出脈沖信號，將此PWM信號接到L298驅(qū)動芯片即可驅(qū)動直流電機，設(shè)計較為簡單易行，原理清晰明了，仿真結(jié)果非常喜人，達到設(shè)計要求，但是在動手做電路板的時候出現(xiàn)了許多問題，其中焊接不牢，很多地方出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，導致電機不轉(zhuǎn)。還有PCB設(shè)計不夠合理，電路不夠簡潔，布線不科學導致后來焊