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

中國計量學院

課程設計設計報告書

題目：

PWM控制的直流電

動機調速系統設計

二級學院現代科技學院

專業電氣工程及自動化

班級電氣062

姓名*****

學號**********

同組同學姓名*************

同組同學學********************

2009年12月23日

設計題目：

PWM控制的直流電動機調速系統設計

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展，直流電機得到了越來越廣泛的應用。

直流它具有優良的調速特性,調速平滑、方便,調速範圍廣;超載能力大,能承受頻繁的衝擊負載,可實現頻繁的無級快速起動、制動和反轉;需要能滿足生產過程自動化系統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。

採用傳統的調速系統主要有以下缺陷：

模擬電路容易隨時間漂移，會產生一些不必要的熱損耗，以及對雜訊敏感等。

而在用了PWM技術後，避免了以上的缺陷，實現了用數字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。

另外，由於PWM調速系統的開關頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩的直流電流,低速特性好；同樣,由於開關頻率高,快速回應特性好,動態抗干擾能力強,可以獲得很寬的頻帶;開關器件只工作在開關狀態,主電路損耗小,裝置效率高。

PWM具有很強的抗噪性，且有節約空間、比較經濟等特點。

2、設計要求及組內分工

2.1設計要求

（1）根據電機與拖動實驗室提供的直流電動機，設計基於PWM的電動機調速方案。

（2）選用合適的功率器件，設計電動機的驅動電路。

（3）設計PWM波形發生電路，使能通過按鍵對電機轉速進行調節，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體設計及電路焊接：

主要由胡佳春和葉秋平完成

（2）負責調速控制軟體編寫及調試：

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、系統設計原理

脈寬調製技術是利用數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，可大大節省能量，PWM控制技術的理論基礎為：

衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時，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衝，用這些脈衝來代替正弦波或其他所需

要的波形。

按一定的規則對各脈衝的寬度進行調製，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和其他參量的關係可表示為

（1）

式中Ua——電樞供電電壓（V）；

Ia——電樞電流（A）；

Ф——勵磁磁通（Wb）；

Ra——電樞回路總電阻（Ω）；

CE——電勢係數，，p為電磁對數，a為電樞並聯支路數，N為導體數。

由式

（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三個參量都可以成為變數，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；；

（2）改變電樞供電電壓Ua；（3）改變勵磁磁通Ф。

4、方案選擇及論證

4.1、方案選擇

4.1.1、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-【I（R+Rw）】/KeФ

（2）

式中Rw為電樞回路中的外接電阻（Ω）。

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。

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，故現在這種調速方法已極少採用，本次設計不採用。

4.1.2、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調速。

由式1-1可看出，電動機的轉速與磁通Ф（也就是勵磁電流）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，由於電動機的轉矩Te是磁通Ф和電樞電流Ia的乘積（即Te=CTФIa），電樞電流不變時，隨著磁通Ф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Ф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

採用這種調速方法。

本次設計不採用。

4.1.3、採用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，假定晶體

管V1先導通T1，秒（忽略V1的管壓降，這期間電源電壓Ud全部加到電樞上），然後關斷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中所示。

電動機電樞端電壓Ua為其平均值。

圖1PWM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

（3）

式（3）中

（4）

為一個週期T中，電晶體V1導通時間的比率，稱為負載率或占空比。

使用下麵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～∞範圍內變化；

（2）調寬調頻法：

T2保持一定，使T1在0～∞範圍內變化

（3）定頻調寬法：

T1+T2=T保持一定，使T，在0～T範圍內變化。

不管哪種方法，

的變化範圍均為0≤

≤l，因而電樞電壓平均值Ua的調節範圍為0～Ud，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，電晶體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秒後同時關斷，間隔一定時間（為避免電源直通短路。

該間隔時間稱為死區時問）之後，再使V2、V3同時導通T2秒後同時關斷，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）輸出電壓波形

電動機電樞端電壓的平均值為

（4）

由於0≤

≤1，Ua值的範圍是-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

。

圖3兩種斬波器的輸出電壓特性

4.2、元器件的選擇比較

4.2.1、基於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，所以本課程設計採用MOSFET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108Ω以上；

　　3．工作頻率範圍寬，開關速度高（開關時間為幾十納秒到幾百納秒），開關損耗小；

　　4．有較優良的線性區，並且場效應管（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；雜訊也小，最合適製作Hi-Fi音響；

　　5．功率場效應管（MOSFET）可以多個並聯使用，增加輸出電流而無需均流電阻。

4.2.2、89S52單片機

52單片機價格便宜，使用簡單、方便，功能較齊全，能夠達到控制本電路的要求。

所本本課程設計採用89S52單片機。

4.2.2、光耦隔離開關

光耦隔離開關是一種把發光元件和光敏元件封裝在同一殼體內，中間通過電→光→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。

採用光耦隔離可以很好地實現弱電和強電的隔離，達到抗干擾目的。

4.2.3、7805穩壓管

7805能使輸入電壓（正常條件7-25伏）轉化為5伏左右輸出，供光耦隔離開關發光部分及單片機等供電。

價格便宜，使用方便。

4.2.4IRF740MOSFET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4IRF740示意圖圖5IRF740主要參數

4.2.5、直流電機參數

額定轉速1600r/min，額定電壓220V。

5、系統電路總設計

圖6總體電路原理圖

本次課程設計採用定頻調寬法：

T1+T2保持一定，使T1在0～T範圍內變化來改變a的值從而達到調壓的目的。

以89S51單片機系統和7805穩壓電源系統以及光電耦合MOSFET部分組成。

由鍵盤K1和K2發出指令，單片機處理後經P26口發出矩形波，通過占空比的調節達到電機調速的目的。

當按下key1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；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、單片機最小系統部分

圖7最小單片機系統

本次設計中主要應用了89S51單片機，由最小單片機系統組成，並將單片機的P26口作為輸出口，輸出占空比不同的矩形波，供給後續驅動電路部分，在單片機的週邊擴展了兩個按鍵，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

圖8驅動電路

驅動部分主要由用的光電耦合器和MOSFET組成，由單片機的P26口提供的信號，P26當為高電平時，發光管導通，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

圖9電源電路

電源部分採用的是三端穩壓器7805，輸入由AC-DC變壓器提供+9V直流電，經7805穩壓，由電容濾波，輸出+5V電壓，為單片機提供工作電源。

實驗數據記錄

答辯時得知數據有偏差，但確實為實驗實測數據。

附錄有圖。

轉速和電壓的關係

序號

1

2

3

4

轉速（VPM）

1193

1073

906

717

電壓（V）

169

152.3

129.1

102.4

6、硬體調試過程

由於我在實習的緣故，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，調試工程中出現了一個問題：

電機轉速快，不能調速。

經過大家商量，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，發現其占空比能改變。

2.檢測P2.6，光耦隔離開關發射端A腳，接受端C腳，波形正常。

然後檢測MOSFET功率管1腳的波形，發現其低電平為1v左右,高電平為13v左右。

3.最後猜想可能是1V的電平也可能使MOSFET功率管導通，於是減小MOSFET功率管3腳的電壓，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。

最後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5V

7、設計總結體會

這一次的課程設計讓我學到了不少的東西，由於有前幾次的經驗，這次課程設計應該來說還是比較順利的，由於我和胡佳春在實習，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，以至於給後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，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，程式大家都不熟悉等。

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，否則後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，然後仔細分析後再解決；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於與同學的交流，交流使自己獲得更多資訊，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，在解決困難的過程中，獲得了許多專業方面的知識,拓展了視野。

提高了理論水準和實際的動手能力，學會瞭解決問題的方法，激發了我們的探索精神。

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瞭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，也為大四後學期的畢業設計提供了寶貴的經驗。

8、參考文獻

7.1主要書目：

電路與電子技術基礎——數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另外從互聯網下載了部分圖片及資料

9、程式

9.1、程式設計思想

當按key1鍵時，電壓升高，轉速上升，當按key2鍵時，電壓下降，轉速下降;定時器1中斷用來產生週期為1ms的脈寬信號，定時器每次中斷後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、程式框圖

9.3、程式代碼

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG001BH

AJMPINTT1

ORG0100H

MAIN:

MOV60H,#0FEH//存放高電平的脈寬時間，定時500us

MOV61H,#0CH

MOV62H,#0FEH

MOV63H,#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，電機此時的轉速為最低。

調速設定為向上調節，即按加鍵時轉速上升，此時按減鍵，轉速不變。

CLRP2.0

MOVTMOD,#10H//定時器1用來產生脈寬，週期固定為1mS，

MOVTH1,60H

MOVTL1,61H

SETBEA

SETBET1

SETBPT1

SETBTR1

SETBP2.6

READKEY:

SETBP1.2

CLRP1.0

JNBP1.2,DELAY

JNBP1.3,DELAY

AJMPREADKEY

DELAY:

LCALLDL10MS;去抖

SETBP1.2

CLRP1.0

JNBP1.2,HAVEKEY1//假設電路板接兩個鍵，分別為key1和key2，key1為脈寬增加，key2為脈寬減小

JNBP1.3,HAVEKEY2

AJMPREADKEY

HAVEKEY1:

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

CLRC

SUBBA,#0AH

MOV61H,A

MOVA,60H

SUBBA,#00H

MOV60H,A

CLRC

MOVA,63H

ADDA,#0AH

MOV63H,A

MOVA,62H

ADDCA,#00H

MOV62H,A

MOVR2,60H

MOVR3,61H

MOVR6,#0FCH

MOVR7,#18H

LCALLNSUB1

JNCCONTINU

MOV60H,#0FCH//超出調速範圍，即高脈寬大於1ms溢出了，則保持此數值

MOV61H,#18H

MOV62H,#0FFH

MOV63H,#0FBH

CONTINU:

AJMPNOTXS

HAVEKEY2:

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

CLRC

SUBBA,#0AH

MOV63H,A

MOVA,62H

SUBBA,#00H

MOV62H,A

CLRC

MOVA,61H

ADDA,#0AH

MOV61H,A

MOVA,60H

ADDCA,#00H

MOV60H,A

MOVR2,62H

MOVR3,63H

MOVR6,#0FDH;#0FCH//考慮到低電平過多，電壓很低，電機無法運行，所以設定低電平最長保持700us，高電平最少300us

MOVR7,#44H;#18H//0FC18是低電平保持1ms，高電平幾乎為0的情況，這種情況輸出電壓幾乎為0，電機停止

LCALLNSUB1

JNCNOTXS

MOV60H,#0FEH//高電平最少保持300us，低電平最大700us

MOV61H,#0D4H

MOV62H,#0FDH

MOV63H,#44H

NOTXS:

LJMPREADKEY

RET//雙位元組減法副程式，功能：

（R2R3）-（R6R7）---->R4R5

NSUB1:

MOVA,R3

CLRC

SUBBA,R7

MOVR5,A

MOVA,R2

SUBBA,R6

MOVR4,A

RET//定時器1中斷，總週期20ms，其中高電平時間由6061h決定，低電平時間由6263h確定。

定時的時間由鍵盤設定，按加鍵60H61H每次設定減小500uS的時間，使高電平時間增加，按減鍵62H63H每次設定減少500uS的時間，高電平時間減小

INTT1:

PUSHPSW

PUSHACC

SETBRS0

CLRRS1

JNB20H,XGTHTL

CLR20H

MOVTH1,62H

MOVTL1,63H

SETBP2.6

AJMPRETIEND

XGTHTL:

SETB20H

MOVTH1,60H

MOVTL1,61H

CLRP2.6

RETIEND:

POPACC

POPPSW

RETI

DL10MS:

MOVR6,#30

DDCWM:

MOVR7,#0FAH

DCWM:

DJNZR7,DCWM

DJNZR6,DDCWM

RET

END

10、附錄

圖10整體電路圖

圖11MOSFET功率管第一腳的波形

圖12電機轉速圖

圖13電樞電壓圖