直流电机PWM调速电路

.Word资料《电子技术》课程设计报告课题：直流电机PWM调速电路班级电气1107学号1101205712学生姓名海彬专业电气信息类学院电子与电气工程学院指导教师电子技术课程设计指导小组工学院电子与电气工程学院2012年05月班级：电气1107姓名：王海彬学号：12课题直流电机PWM调速电路2直流电机PWM调速电路一）设计任务与要求：1.设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动；2.设计PWM驱动信号发生电路；3.设计电机转速显示电路；4.设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速；5.安装调试。二）系统原理及功能概述1）直流电机脉宽调速电路原理对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为便的。其法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种法称为脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。改变占空比的法有3种：（1）定宽调频法，这种法是保持t1不变，只改变t2，这样期T（或频率）也随之改变；（2）调宽调频法，保持t1不变，而改变t2，这样也使期T（或频率）改变；（3）定频调宽法，这种法是使期T（或频率）不变，而同时改变t2和t1由，当控制频率与系统的固有频率接近于前两种法都改变了期（或频率）时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。设电机永远接通电源时，其最大转速为Vmax，设占空比D＝t1/T，则电机的平均速度为Vd，平均速度Vd与占空比D的函数曲线如图1－2所示，从图可以看出，VD与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），当系统允时，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。班级：电气1107姓名：王海彬学号：12课题直流电机PWM调速电路3平均速度与占空比的关系2）比例积分控制规律系统的控制算法主要采用了PI控制算法。其控制算法为：其中Kp为比例系数，Ti为积分系数。若单片机的采样期为T，则上式可近似为：上式即为位置式PI控制算法。这里我们采用其增量式控制算法，根据递推原理可得：则增量式控制算法为：其中Kp为控制器比例系数，Ki为积分时间常数。由于系统采用了比例积分调节器简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快无滞后，积分部分使系统消除静差。3）直流电机调速原理班级：电气1107姓名：王海彬学号：12课题直流电机PWM调速电路4直流电机转速n的表达式为:式中:U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢电路总电阻；Φ-每极磁通量；K-与电机结构有关的常数，因此直流电机转速n的控制法有三种，主要以调压调速为主。本控制器主要通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。调脉宽的式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本系统采用了定频调脉宽式的PWM控制，因为采用这种式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较便。对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时,闭环调速系统的调速围可以大大提高。转速设定值偏差转速输出直流电机速度闭环控制案三）脉宽可调波发生电路班级：电气1107姓名：王海彬学号：12课题直流电机PWM调速电路5四）硬件设计与分析1）系统硬件组成图2－1为该系统硬件电路设计框图。根据本系统要求通过软件编程定义键盘各键的功能及显示控制。有关驱动及主回路控制电路见下几节。整个系统控制过程为：键盘输入控制信号、参数及速度给定值，单片机经过速度闭环、运算，控制P口（自行定义）输出脉冲的占空比，从而控制电机的转速，并经显示电路显示出来。班级：电气1107姓名：王海彬学号：12课题直流电机PWM调速电路6驱动控制电路见图2－3。将单片机软件产生的PWM信号经并联使用的施密特反相器，对IGBT进行驱动。2）驱动控制电路驱动控制电路见图2－3。将单片机软件产生的PWM信号经并联使用的施密特反相器，对IGBT进行驱动。驱动控制电路3）主回路控制电路主电路控制电路见图2－2。220交流电压经过桥式整流电路的整流，再经过电容滤波，经过IGBT元件的功率放大，加到直流电机的两端控制电机。班级：电气1107姓名：王海彬学号：12课题直流电机PWM调速电路7主电路控制电路4）测速电路测速电路5）显示电路显示电路见图2-5。选用共阴8段数码管，采用MAX7219驱动。MAX7219是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器。每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管，可以数片级联，而与微处理器的连接只需3根线。MAX7219部设有扫描电路，除了更新显示数据时从单片机接收数据外，平时独立工作，极大地节省了MCU有限的运行时间和程序资源。MAX7219芯片上包括BCD译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的8×8静态RAM以及数个工作寄存器。通过指令设置这些工作寄存器，可以使MAX7219进入不同的工作状态。MAX7219的详细资料请参考其他书籍，这里不再赘述。班级：电气1107姓名：王海彬学号：12课题直流电机PWM调速电路8MAX7219驱动显示电路按键电路见图2－6。52单片机的P口在悬空时默认是高电平，每个按钮通过一个上拉电阻接到＋5V电源，按下按钮，则P口变成低电平，这样就可以通过P口的状态来反映按钮的按下情况。按键通过并联电容C进行防抖动，无需通过软件部分实现。五）电机测速信号调理电路主要利用LM324运算放大器设计的比较器，调节比较器偏置电压使脉冲最接近于波且幅度大于3.3V。为了提高测速的精度，在信号后级添班级：电气1107姓名：王海彬学号：12课题直流电机PWM调速电路9加比较器调理信号为标准的波，调节比较器运放的偏置电压使波信号最适合于测速。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。PWM波产生的思想是，固定PWM的期为PWMT，t时间输出高电平，则剩下PWMT-t时间就输出低电平。通过控制定时器T1，从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为:式中，Tw—定时器定时初值；N—一个机器期的时钟数。N随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值Tw，从而改变占空比D，进而达到控制电机转速的目的。此次实验采用12MHz晶振，计数频率为1MHz，即每微秒计数器加一，设置PMW脉冲期固定为PWMT10000，即0.01s。在实际的直流电机调速系统中，电机的测速由测速电机完成，本次实验系统，由电机自带的霍尔元件完成测速，电机每转一圈，霍尔元件就送出一个脉冲，我们设计的程序是将测速部分嵌套在PWM函数里，这样就节省了一个定时器资源。PWM脉冲期为0.01s，一个期定时器T1中断2次，设置定时器每中断200次，即每1s对电机进行一次测速，测速完毕后计数器T0归零，重新对霍尔脉冲计数。班级：电气1107姓名：王海彬学号：12课题直流电机PWM调速电路10参考文献童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006欧阳昌华.电机及电力拖动系统实验指导书(综合部分).北京：高等教育出版社，2005廖力清.微机测控保护装置与电站.北京：人民出版社，2003康华光.电子技术基础（数字部分).北京：高等教育出版社，2005