直流电动机脉宽调速控制系统的设计.docx
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直流电动机脉宽调速控制系统的设计
一：
设计原理1
二：
方案选择及论证3
三：
系统电路总设计6
一：
设计原理
1.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
下图为PMW直流电机设计框图
2.PWM基本原理
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
简而言之，就是用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。
只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。
3.直流电机PWM调速基本原理
PWM方式是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉冲宽度可调的方波电压，控制开关管的导通时间t，改变占空比，达到控制目的。
图1是直流PWM系统原理框图。
这是一个双闭环系统，有电流环和速度环。
在此系统中有两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。
核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。
控制部分采用SG1525（脉宽调制芯片SG1525具有欠压锁定、故障关闭和软起动等功能,因而在中小功率电源和电机调速等方面应用较广泛。
SG1525是电压型控制芯片,利用电压反馈的方法控制PWM信号的占空比,整个电路成为双极点系统的控制问题,简化了补偿网络的设计。
）集成控制器产生两路互补的PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。
为了获得良好的动、静态品质，调节器采用PI调节器并对系统进行了校正。
检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，能达到比较理想的检测效果。
图1直流电动机PWM系统原理图
二：
方案选择及论证
1方案选择
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。
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。
1.3采用PWM控制的调速方法
图2为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。
在图2a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2PWM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—3a所示的桥式（或称H型）降压斩波电路。
在图3a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3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4给出了两种PWM斩波电路的电枢电压平均值的特性曲线
。
图4两种斩波器的输出电压特性
2元器件的选择比较
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。
2.280C51单片机
51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80C51单片机。
2.3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。
2.47805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。
2.5IRF740MOSFET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5IRF740示意图图6IRF740主要参数
2.6直流电机参数
额定转速1600r/min，额定电压220V。
三：
系统电路总设计
1总体电路模块
2单片机最小系统部分
本次设计中主要应用了8051单片机，由最小单片机系统组成，并将单片机的P2.6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。
3驱动电路部分
驱动部分主要由用的光电耦合器和MOSFET组成，由单片机的P2.6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。
4电源部分
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
四：
程序
1程序设计思想
当按key1键时，电压升高，转速上升，当按key2键时，电压下降，转速下降;定时器1中断用来产生周期为1ms的脉宽信号，定时器每次中断后改变下一次的定时设置，设置值由按键决定，按key1，高脉宽定时时间加大，按key2，低脉宽定时时间增大，每次变化10uS。
2程序框图
3程序代码
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG001BH
AJMPINTT1
ORG0100H
MAIN:
MOV60H,#0FEH//存放高电平的脉宽时间，定时500us
MOV61H,#0CH
MOV62H,#0FEH
MOV63H,#0CH//存放低电平的脉宽时间，定时500us，刚开始时，高低电平各为50％，此时电压为输入电压的一半，电机此时的转速为最低。
调速设定为向上调节，即按加键时转速上升，此时按减键，转速不变。
CLRP2.0
MOVTMOD,#10H//定时器1用来产生脉宽，周期固定为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//假设电路板接两个键，分别为key1和key2，key1为脉宽增加，key2为脉宽减小
JNBP1.3,HAVEKEY2
AJMPREADKEY
HAVEKEY1:
MOVA,61H//是加键，60H61H值减小，高电平脉宽增加，62H63H值增大，低电平时间减小
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//超出调速范围，即高脉宽大于1ms溢出了，则保持此数值
MOV61H,#18H
MOV62H,#0FFH
MOV63H,#0FBH
CONTINU:
AJMPNOTXS
HAVEKEY2:
MOVA,63H//是减键，60H61H值增加，高电平脉宽减小，62H63H值减小，低电平时间增大
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//考虑到低电平过多，电压很低，电机无法运行，所以设定低电平最长保持700us，高电平最少300us
MOVR7,#44H;#18H//0FC18是低电平保持1ms，高电平几乎为0的情况，这种情况输出电压几乎为0，电机停止
LCALLNSUB1
JNCNOTXS
MOV60H,#0FEH//高电平最少保持300us，低电平最大700us
MOV61H,#0D4H
MOV62H,#0FDH
MOV63H,#44H
NOTXS:
LJMPREADKEY
RET//双字节减法子程序，功能：
（R2R3）-（R6R7）---->R4R5
NSUB1:
MOVA,R3
CLRC
SUBBA,R7
MOVR5,A
MOVA,R2
SUBBA,R6
MOVR4,A
RET//定时器1中断，总周期20ms，其中高电平时间由6061h决定，低电平时间由6263h确定。
定时的时间由键盘设定，按加键60H61H每次设定减小500uS的时间，使高电平时间增加，按减键62H63H每次设定减少500uS的时间，高电平时间减小
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
参考文献
计算机控制技术-------机械工业出版社于海生等编著
单片机原理及应用-------清华大学出版社李权利仲伟峰徐军编著
电路原理图与电路板设计教程Protell99SE------北京希望电子出版社夏路易石宗义编著
另外也从网上及图书馆查阅了大量的资料
附件:
元件清单如下所示
R1
10k
R12
100
P1
12M
J1
CON2
R2
200
R13
100
80C51
C26
J2
CON2
R3
1k
R14
1k
KEY1
SW-PB
J4
CON2
R4
1k
C1
30pF
KEY2
SW-PB
J3
CON8
R5
1k
C2
30pF
RESET
SW-PB
E1
10uF
R11
1k
Q
MOSFET
U
OPOISO1
E2
10uF
U10
VOLTREG
升级会员 