PWM控制的直流电动机调速系统设计.docx
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PWM控制的直流电动机调速系统设计
课程设计设计报告书
题目:
PWM控制的直流电
动机调速系统设计
专业电气自动化
姓名
学号
同组同学姓名
设计题目:
PWM控制的直流电动机调速系统设计
1、前言
近年来,随着科技的进步,电力电子技术得到了迅速的发展,直流电机得到了越来越广泛的应用。
直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求,从而对直流电机的调速提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速,改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求,这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。
采用传统的调速系统主要有以下缺陷:
模拟电路容易随时间漂移,会产生一些不必要的热损耗,以及对噪声敏感等。
而在用了PWM技术后,避免了以上的缺陷,实现了用数字方式来控制模拟信号,可以大幅度降低成本和功耗。
另外,由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好;同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。
PWM具有很强的抗噪性,且有节约空间、比较经济等特点。
2、设计要求及组内分工
2.1设计要求
(1)根据电机与拖动实验室提供的直流电动机,设计基于PWM的电动机调速方案。
(2)选用合适的功率器件,设计电动机的驱动电路。
(3)设计PWM波形发生电路,使能通过按键对电机转速进行调节,要求至少有两个速度控制按键,其中一个为加速键(每按一次,使电机转速增加);另一个为减速键,功能与加速键相反。
(4)撰写课程设计报告。
2.2组内分工
(1)负责直流电动机调速控制硬件设计及电路焊接:
主要由胡佳春和叶秋平完成
(2)负责调速控制软件编写及调试:
主要由朱健和叶秋平完成
(3)撰写报告:
主要由胡佳春和朱健完成
3、系统设计原理
脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术,尤其是在对电机的转速控制方面,可大大节省能量,PWM控制技术的理论基础为:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需
要的波形。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为
(1)
式中Ua——电枢供电电压(V);
Ia——电枢电流(A);
Ф——励磁磁通(Wb);
Ra——电枢回路总电阻(Ω);
CE——电势系数,,p为电磁对数,a为电枢并联支路数,N为导体数。
由式
(1)可以看出,式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量,只要改变其中一个参量,就可以改变电动机的转速,所以直流电动机有三种基本调速方法:
(1)改变电枢回路总电阻Ra;;
(2)改变电枢供电电压Ua;(3)改变励磁磁通Ф。
4、方案选择及论证
4.1、方案选择
4.1.1、改变电枢回路电阻调速
可以通过改变电枢回路电阻来调速,此时转速特性公式为
n=U-【I(R+Rw)】/KeФ
(2)
式中Rw为电枢回路中的外接电阻(Ω)。
当负载一定时,随着串入的外接电阻Rw的增大,电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大,电动机转速就降低。
Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。
这种调速方法为有级调速,转速变化率大,轻载下很难得到低速,效率低,故现在这种调速方法已极少采用,本次设计不采用。
4.1.2、改变励磁电流调速
当电枢电压恒定时,改变电动机的励磁电流也能实现调速。
由式1-1可看出,电动机的转速与磁通Ф(也就是励磁电流)成反比,即当磁通减小时,转速n升高;反之,则n降低。
与此同时,由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积(即Te=CTФIa),电枢电流不变时,随着磁通Ф的减小,其转速升高,转矩也会相应地减小。
所以,在这种调速方法中,随着电动机磁通Ф的减小,其转矩升高,转矩也会相应地降低。
在额定电压和额定电流下,不同转速时,电动机始终可以输出额定功率,因此这种调速方法称为恒功率调速。
为了使电动机的容量能得到充分利用,通常只是在电动机基速以上调速时才
采用这种调速方法。
本次设计不采用。
4.1.3、采用PWM控制的调速方法
图1为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。
在图1a中,假定晶体
管V1先导通T1,秒(忽略V1的管压降,这期间电源电压Ud全部加到电枢上),然后关断T2秒(这期间电枢端电压为零)。
如此反复,则电枢端电压波形如图1b中所示。
电动机电枢端电压Ua为其平均值。
图1PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形
a)原理图b)输出电压波形
(3)
式(3)中
(4)
为一个周期T中,晶体管V1导通时间的比率,称为负载率或占空比。
使用下面三种方法中的任何一种,都可以改变
的值,从而达到调压的目的:
(1)定宽调频法:
T1保持一定,使T2在0~∞范围内变化;
(2)调宽调频法:
T2保持一定,使T1在0~∞范围内变化
(3)定频调宽法:
T1+T2=T保持一定,使T,在0~T范围内变化。
不管哪种方法,
的变化范围均为0≤
≤l,因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0~Ud,均为正值,即电动机只能在某一方向调速,称为不可逆调速。
当需要电动机在正、反向两个方向调速运转,即可逆调速时,就要使用图1—2a所示的桥式(或称H型)降压斩波电路。
在图2a中,晶体管V1、V4是同时导通同时关断的,V2、V3也是同时导通同时关断的,但V1与V2、V3与V4都不允许同时导通,否则电源Ud直通短路。
设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断,间隔一定时间(为避免电源直通短路。
该间隔时间称为死区时问)之后,再使V2、V3同时导通T2秒后同时关断,如此反复,则电动机电枢端电压波形如图2b所示。
图2桥式PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形
a)原理图b)输出电压波形
电动机电枢端电压的平均值为
(4)
由于0≤
≤1,Ua值的范围是-Ud~+Ud,因而电动机可以在正、反两个方向调速运转。
图3给出了两种PWM斩波电路的电枢电压平均值的特性曲线
。
图3两种斩波器的输出电压特性
4.2、元器件的选择比较
4.2.1、基于IGBT和MOSFET功率管的驱动电路设计的比较
IGBT驱动电路能驱动大型的功率设备,但价格高。
MOSFET能驱动较大的功率设备,价格比IGBT低很多。
本课程设计是驱动小功率直流电动机,可以用IGBT和MOSFET功率管的驱动电路设计。
但电动机功率仅为100W,所以本课程设计采用MOSFET管来进行控制。
功率场效应管(MOSFET)与双极型功率相比具有如下特点:
1.场效应管(MOSFET)是电压控制型器件(双极型是电流控制型器件),因此在驱动大电流时无需推动级,电路较简单;
2.输入阻抗高,可达108Ω以上;
3.工作频率范围宽,开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒),开关损耗小;
4.有较优良的线性区,并且场效应管(MOSFET)的输入电容比双极型的输入电容小得多,所以它的交流输入阻抗极高;噪声也小,最合适制作Hi-Fi音响;
5.功率场效应管(MOSFET)可以多个并联使用,增加输出电流而无需均流电阻。
4.2.2、89S52单片机
52单片机价格便宜,使用简单、方便,功能较齐全,能够达到控制本电路的要求。
所本本课程设计采用89S52单片机。
4.2.2、光耦隔离开关
光耦隔离开关是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内,中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。
光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递,输入与输出在电气上完全隔离,具有抗干扰性能强的特点。
采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离,达到抗干扰目的。
4.2.3、7805稳压管
7805能使输入电压(正常条件7-25伏)转化为5伏左右输出,供光耦隔离开关发光部分及单片机等供电。
价格便宜,使用方便。
4.2.4IRF740MOSFET功率管
1管脚(G)接输入信号,2管脚(s)接地,3管脚(D)接电压源。
图4IRF740示意图图5IRF740主要参数
4.2.5、直流电机参数
额定转速1600r/min,额定电压220V。
5、系统电路总设计
图6总体电路原理图
本次课程设计采用定频调宽法:
T1+T2保持一定,使T1在0~T范围内变化来改变a的值从而达到调压的目的。
以89S51单片机系统和7805稳压电源系统以及光电耦合MOSFET部分组成。
由键盘K1和K2发出指令,单片机处理后经P26口发出矩形波,通过占空比的调节达到电机调速的目的。
当按下key1按键时,IRF740MOSFET功率管1脚的高电平占空比增大,电枢电压增大,电机转速增大;当按下key2按键时,IRF740MOSFET功率管1脚的高电平占空比减小,电枢电压减小,电机转速减小。
从而通过单片机达到简单调速的目的。
5.1、单片机最小系统部分
图7最小单片机系统
本次设计中主要应用了89S51单片机,由最小单片机系统组成,并将单片机的P26口作为输出口,输出占空比不同的矩形波,供给后续驱动电路部分,在单片机的外围扩展了两个按键,K1作为加速按键,K2作为减速按键,进行调速控制。
5.2、驱动电路部分
图8驱动电路
驱动部分主要由用的光电耦合器和MOSFET组成,由单片机的P26口提供的信号,P26当为高电平时,发光管导通,光电耦合器输出低电平,MOSFET关闭,回路关闭。
当P26口为低电平时,发光管关闭,光电耦合器输出为高电平,MOSFET打开,回路导通。
5.3、电源部分
图9电源电路
电源部分采用的是三端稳压器7805,输入由AC-DC变压器提供+9V直流电,经7805稳压,由电容滤波,输出+5V电压,为单片机提供工作电源。
实验数据记录
答辩时得知数据有偏差,但确实为实验实测数据。
附录有图。
转速和电压的关系
序号
1
2
3
4
转速(VPM)
1193
1073
906
717
电压(V)
169
152.3
129.1
102.4
6、硬件调试过程
由于我在实习的缘故,调试过程主要由叶秋平完成,调试的过程中得到了杨成安同学的大力帮助,调试工程中出现了一个问题:
电机转速快,不能调速。
经过大家商量,大致的调试步骤如下:
用示波器检测检查电路
1.使用按键,示波器检测MOSFET功率管1脚,发现其占空比能改变。
2.检测P2.6,光耦隔离开关发射端A脚,接受端C脚,波形正常。
然后检测MOSFET功率管1脚的波形,发现其低电平为1v左右,高电平为13v左右。
3.最后猜想可能是1V的电平也可能使MOSFET功率管导通,于是减小MOSFET功率管3脚的电压,把其改为5V。
用示波器测量1脚电压,显示方波的低电平为0.2v左右,高电平5v左右。
最后按下按键能控制电机转速。
原因分析:
MOSFET功率管3脚的输入电压过高时,在前面电路的影响下其低电平电压会偏高,从而导通IRF740MOSFET功率管。
解决方法:
降低MOSFET功率管3脚的输入电压,可降至5V
7、设计总结体会
这一次的课程设计让我学到了不少的东西,由于有前几次的经验,这次课程设计应该来说还是比较顺利的,由于我和胡佳春在实习,平时比较忙,许多准备工作都是******在做,自己对课程设计所花时间不多,以至于给后面的答辩和论文写作方面带来了很多的麻烦。
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