直流电动机脉宽调速控制系统的设计Word文档格式.docx
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前言............................................................4
五：
摘要............................................................4
六：
设计意义........................................................4
七：
设计原理.......................................................5
1.系统设计原理...................................................5
2．PWM基本原理...................................................6
3.直流电机PWM调速基本原理.......................................7
八：
方案选择及论证..................................................8
1．方案选择.......................................................8
1.1改变电枢回路电阻调速......................................8
1.2改变励磁电流调速.........................................8
1.3采用PWM控制的调速方法...................................8
2．元器件的选择比较..............................................10
2.1基于IGBT和MOSFET功率管的驱动电路设计的比较............10
2.280C51单片机.............................................10
2.3光耦隔离开关.............................................10
2.47805稳压管..............................................11
2.5直流电机参数............................................11
九：
系统电路设计...................................................11
1.总体电路模块.................................................11
2.单片机最小系统部分...........................................13
3.驱动电路部分.................................................14
4.电源部分.....................................................14
十：
硬件电路图.....................................................15
十一：
程序.........................................................15
1.程序设计思想.................................................15
2.程序框图.....................................................15
3.程序代码.....................................................16
十二：
设计心得和体会...............................................20
十三：
参考文献.....................................................21
附件.............................................................21
课程设计目的
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。
这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现。
本课程设计旨在使学生在学习了《微型计算机控制技术》这门课程后，掌握微型计算机控制系统的组成原理,运用微型计算机控制技术进行系统设计,掌握用基本的微型计算机控制系统的软硬件设计方法，熟悉各种控制算法技术,通过对具体应用的课程设计使学生对所学知识有进一步的加深和了解，培养和提高学生的动手能力和实际应用能力。
设计任务和要求
1、课题目的
（1）掌握脉宽调速控制系统的设计方法。
（2）设计一个直流电动机脉宽调速控制系统。
2、设计说明
（1）具有控制直流电动机转动方向功能。
（2）具有光电隔离单元。
（3）具有停/起功能键、正/反向控制键。
3、设计要求
（1）方案论证
按系统功能实现要求，决定控制系统的实现方案，选择芯片，做出系统框图。
（2）硬件电路设计
根据设计内容设计出硬件电路图并作详细的设计说明，并绘制出电路图。
（3）系统程序设计
采用模块化设计方法，画出程序流程框图，用汇编语言或C语言编写相应的控制程序。
4、总结报告
写出完成整个设计的详细步骤和系统性能分析。
前言
与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。
摘要
脉冲宽度调制PWM（PulseWidthModulation）,就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。
PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。
本文利用SG1525集成PWM控制器设计了一个基于PWM控制的直流调速系统，本系统采用了电流转速双闭环控制，并且设计了完善的保护措施，既保障了系统的可靠运行，又使系统具有较高的动、静态性能。
关键词：
单片机直流电机转速控制PWM
设计意义
在当今的社会生活中，电子科学技术的运用越来越深入到了各行各业之中，并得到了长足的发展和进步，自动化控制系统更是的到了广泛的应用，其中一项重要的应用就是——自动调速系统。
相较于交流电动机，直流电动机结构复杂、价格昂贵、制造困难且不容易维护，但由于直流电动机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强，适宜在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自调速系统中的重要形式。
而伴随着电力电子技术的不断发展，开关速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成为主流，PWM
表现出了越大的优越性：
主电路线路简单，需用的功率器件少；
开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；
低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:
10000左右；
若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；
功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；
直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
本设计采用PWM技术来对直流电机进行调速，与一般直流调速相比，既减少了对电源的污染，而且使控制过程更简单方便，减少了对人力资源的使用，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的维护、维修变得更加简单了，但动、静态性能却提高了。
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
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
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
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。
系统电路总设计
1总体电路模块
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8051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P2.6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。
如下图所示为总体电路原理图
图7总体电路原理图
2单片机最小系统部分
图8最小单片机模块
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
图9驱动电路模块
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
图9电源模块
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。
硬件电路图
如下所示
图10硬件电路
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
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
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
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
CLR
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