直流电机驱动控制装置(H桥驱动)的设计与制作论文.doc
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四川理工学院毕业设计（论文）
直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作
学生：
兰明亮
学号：
0801103A170
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
机电2008.4
指导教师：
何庆中
四川理工学院机械工程学院
二O一二年六月
四川理工学院
毕业设计（论文）任务书（六）
设计（论文）题目：
直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作
系：
机械工程学院专业：
机械设计制造及其自动化班级：
机自（机电方向）08级04班
学生：
兰明亮学号：
0801103A170指导教师：
何庆中
接受任务时间2012.02.28完成任务时间2012.06.01
教研室主任（签名） 系主任（签名）
1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求
在指定用直流电机的基础上，进行直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作。
（1）直流电机驱动控制装置电器原理图设计（含实验调试用控制信号发生器设计）。
（2）直流电机驱动控制装置电器原理图制作（含实验调试用控制信号发生器设计）。
（3）用PLC可编程控制器编程实现对直流电机的驱动运转控制。
（4）演示调试直流电机运转和调速工作特性。
预计工作量：
完成直流电机驱动控制装置电器控制设计原理图1张A2；制作直流电机驱动控制装置1套；编写毕业设计说明书。
原始数据：
指定直流电机的性能参数；毕业设计专用指导文献；提供相关专用硬件芯片清单；提供制作试验调试仪器等。
2．指定查阅的主要参考文献及说明
（1）机器人创意与制作——机器人设计与控制
（2）电子电工技术。
（3）模拟电路与数字电路。
（4）PLC可编程控制器。
3．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
收集、准备参考资料，查阅文献，最后完成开题报告
2012.02.28~2012.03.16
2
完成所有设计的总体结构设计和计算任务
2012.03.17~2012.04.25
3
完成所有毕业设计的图纸和相关毕业论文的撰写。
2012.04.26~2012.05.20
4
完成所有设计说明书的撰写
2012.05.21~2012.06.01
5
毕业设计（论文）的修改、答辩的准备工作及毕业答辩
2012.06.01~2012.06.24
注：
本表在学生接受任务时下达
四川理工学院毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）名称
直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作
设计（论文）类型
B
指导教师
何庆中
学生
姓名
兰明亮
学号
0801103A170
院、专业、班级
机械工程学院机械设计制造及其自动化机电08级04班
一、选题依据（简述研究现状或生产需求情况，说明该设计（论文）目的意义）
直流电机因具有优良的调速性能，在很多需要调速的场合如：
数控机床、实验设备、机器人、电动汽车等领域有大量应用。
特别是现代能源匮乏，电动汽车以直流电机作为汽车动力，这就对直流电机的调速和驱动装置提出了要求。
需要直流电机具有良好的启动、制动、反转、加速、减速等性能，而这些性能必须依靠驱动控制装置实现，因此对直流电机调速系统来讲，驱动控制装置有着重要地位。
鉴于以上原因，本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作具有一定实用价值，对国家提出的节能减排也具有积极意义。
二、设计（论文研究）思路及工作方法
1、对直流电机调速系统进行研究
2、指定直流电机性能参数
3、根据电机参数和工作特性设计制作H桥驱动放大电路
4、设计或选用电机控制所需PWM信号发生器
5、编制PLC程序实现对电机启动、制动、反转、加速、减速的控制
6、调试检测直流电机运转和调速特性
7、完成设计说明书和其他事项
三、设计（论文研究）任务完成的阶段内容及时间安排
1、收集、准备参考资料，查阅文献，最后完成开题报告2012.02.28~2012.03.16
2、完成所有设计的总体结构设计和计算任务2012.03.17~2012.04.25
3、完成所有毕业设计的图纸和相关毕业论文的撰写2012.04.26~2012.05.20
4、完成所有设计说明书的撰写2012.05.21~2012.06.01
5、毕业设计（论文）的修改、答辩的准备工作及毕业答辩2012.06.01~2012.06.24
指导教师意见
指导教师签字：
年月日
教研室毕业设计（论文）工作组审核意见
难度
分量
综合训练程度
教研室主任：
年月日
设计（论文）类型：
A—理论研究；B—应用研究；C—软件设计；D-其它等。
四川理工学院毕业设计（论文）
摘要
直流电动机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；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。
本文介绍了直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，系统采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，信号与H桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运转控制由PLC可编程逻辑控制器实现。
关键词：
直流电动机；H桥驱动；PWM；PLC可编程逻辑控制器
III
ABSTRACT
ABSTRACT
DCMotorSpeedControlhasexcellentcharacteristics,speedsmoothandeasy,andspeedawiderangeofShock,abletowithstandtheimpactoffrequentloadcanbeachievedwithoutfrequentfast-starting,brakingandreverse;meettheproductionprocessautomationsystemsvariousspecialoperatingrequirements.
ThisprojectdescribesthedesignandproductionoftheDCmotordrivecontroldevice（H-bridgedriver）,ThedeviceusingdiscretecomponentstobuildtheH-bridgedrivercircuits,ThePWMspeedcontrolsignalprovidedbythemicrocontroller,UsingopticalcouplerisolationbetweenthesignalandtheH-bridgedrivercircuits,ThemotordrivenoperationwascontrolledbyPLC.
Keywords:
DCMotor;H-bridgedriver;PWM;ProgrammableLogicController
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目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章绪论 1
1.1概述 1
1.2国内外发展现状 1
1.3本设计目的和思路 2
第二章直流电机驱动控制概述 4
2.1直流电机的工作原理 4
2.2直流电机的调速特性 5
2.3直流电机的几种调速方法 5
2.4直流电机调速PWM信号形成原理 8
2.5直流电机H桥驱动原理 11
第三章驱动控制方案论证和选择 14
3.1稳压电源的选择 14
3.2直流电机驱动模块的选择 14
3.3PWM调速实现方式 15
3.4PLC实现电机控制 16
第四章直流电机驱动控制系统总体硬件电路设计 17
4.1稳压电源电路设计 17
4.2H桥驱动电路设计 19
4.3PLC可编程控制器电路设计 21
4.4PWM信号发生器设计 25
第五章直流电机驱动控制系统软件设计 26
5.1PLC梯形图程序设计 26
5.2PWM信号发生器软件设计 28
第六章直流电机驱动控制装置制作与演示 29
6.1稳压电源的设计制作 29
6.2H桥驱动电路设计制作 30
6.3可编程控制器安装接线 31
6.4直流电机驱动控制装置演示 34
第七章结论 36
参考文献 37
致谢 38
附录1直流电机H桥驱动硬件原理总图 39
附录2PWM发生器程序清单 40
附录3PLC可编程控制器梯形图程序 45
附录4元器件清单 46
附录5直流电机驱动控制装置PLC控制操作使用说明书 49
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第一章绪论
1.1概述
19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。
以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。
在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。
电动机负荷约占总发电量的70％，成为用电量最多的电气设备。
对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。
简单控制对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。
这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。
复杂控制是对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。
以前对电动机的简单控制应用较多，但是，随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机的复杂控制变成主流，其应用领域极其广泛。
电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。
正是这些技术的进步，使电动机控制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。
其中电动机控制部分已由模拟控制让位给以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并向全数字控制系统的方向快速发展。
电动机驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFE和TIGBT成为主流。
功率器件控制条件的变化和微电子技术的应用也使新型的电动机控制方法能够得以实现。
脉宽调制控制方法（PWM和SPWM），变频技术在直流调速和交流调速中获得了广泛的应用。
永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机，开关磁阻电动机、超声波电动机、专为变频调速设计的交流电动机等。
直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。
与交流电机相比，直流电动机因结构复杂、维护困难、价格较贵等去诶按制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。
但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍再有一席之地。
1.2国内外发展现状
电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。
近30年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。
驱动电动机的控制方案有三种：
工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。
在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。
到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。
利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。
后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替，明显地扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。
直流电机脉冲宽度调制（PulseWidthModulation-简称PWM）调速系统产生于70年代中期。
最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。
近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。
在国外，PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。
它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。
近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。
如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。
随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。
进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。
1.3本设计目的和思路
直流电机因具有优良的调速性能，在很多需要调速的场合如：
数控机床、实验设备、机器人、电动汽车等领域有大量应用。
特别是现代能源匮乏，电动汽车以直流电机作为汽车动力，这就对直流电机的调速和驱动装置提出了要求。
需要直流电机具有良好的启动、制动、反转、加速、减速等性能，而这些性能必须依靠驱动控制装置实现，因此对直流电机调速系统来讲，驱动控制装置有着重要地位。
鉴于以上原因，本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作具有一定实用价值，对国家提出的节能减排也具有积极意义。
本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，信号与H桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运转控制由PLC编程实现。
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第二章直流电机驱动控制概述
直流电机调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。
电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。
由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。
所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。
在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。
而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
2.1直流电机的工作原理
根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。
如果导体在磁场中的长度，其中流过的电流为，导体所在处的磁通密度为B，那末导体受到的电磁力的值为式（2-1）
（2-1）
如图2-1中N、S极下各根导体所受电磁力的方向，如图中箭头所示。
电磁力对转轴形成顺时针方向的转矩，驱动转子而使其旋转。
由于每个磁极下元件中电流方向不变，故此转矩方向恒定，称为直流电动机的电磁转矩。
如果直流电动机轴上带有负载，它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能够转化成机械能的电气装置。
直流电动机是可逆的，他根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。
当外力作用使其旋转，驶入机械能时，电机处于发电机状态，输出电能；当在电刷两端施加电压输入电能时，电机处于电动机状态，带动负载旋转输出机械能。
图2-1直流电动机工作原理图
2.2直流电机的调速特性
根据直流电机的结构分析可得到等效的模型，包括电枢绕组及其等效的电阻等。
直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表示：
（2-2）
（2-2）式中：
UN是电枢电压，IN是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电势常数，Φ是励磁磁通。
（2-3）
（2-3）式中：
p-磁极对数，N是导体数，a是电枢支路数。
（2-4）
（2-4）式中：
当电机型号确定后，CeΦ为常数，故式式（2-1）改为
（2-5）
在中小功率直流电机中，电枢回路电阻非常小，式（2-5）中INRa项可省略不计，由此可见，当改变电枢电压时，转速n随之改变，达到直流电机的调速的目的。
改变直流电机电枢电压，可通过PWM控制的降压斩波器进行斩波调压。
2.3直流电机的几种调速方法
根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：
（1）调节电枢供电电压U。
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。
变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。
（2）改变电动机主磁通。
改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。
变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
（3）改变电枢回路电阻。
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。
但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。
弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。
调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：
（1）旋转变流机组。
用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止可控整流器（简称V-M系统）。
用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。
（3）直流斩波器（脉宽调制变换器）。
用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后，因此搁置不用。
2.3.1静止可控整流器（简称V-M系统）
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。
最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
图2-2晶闸管－电动机调速系统原理框图（V-M系统）
直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器。
它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。
图2-3为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中VT代表开关器件。
当开关VT接通时，电源电压U。
加到电动机上；当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。
如此反复，得电枢端电压波形如图2-3（b）所示。
图2-3直流斩波器原理电路及输出电压波型
（a）原理图（b）电压波型
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。
脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
2.3.2PWM调速系统的优点
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：
（1）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以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：
10000左右。
由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。
目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。
2.4直流电机调速PWM信号形成原理
PWM信号是由脉宽调制器（一个电压——脉冲变换装置）生成的，常用的脉宽调制器有以下几种：
用锯齿波或三角波作调制信号的脉宽调制器；用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器；数字式脉宽调制器。
这里简要介绍一下用三角波作调制信号的脉宽调制器生成PWM波的方法。
脉宽调制器由恒频率波形发生器和脉冲宽度调制电路组成。
恒频率波形发生器的作用就是产生频率恒定的振荡源作为比较的基准，如三角波。
脉冲宽度调制电路，实际上就是电压/脉宽转换电路（简称V/W电路），是PWM信号的形成电路。
调制产生PWM信号的工作原理如图2-4（a）所示。
图2-4调制产生PWM信号的工作原理
图2-4（a）是电压比较器，输入信号为图2-4（b）中的。
在电压比较器的两个输入端输入控制信号和三角波信号，则比较器的输出将按以下规律变化：
>时，输出正的电压；时，输出负的电压。
由此即可产生PWM脉冲信号。
2.4.1直流电机电枢的PWM调压调速原理
直流电机转速n的表达式为式（2-6）：
（2-6）
式中：
U——电枢端电压；
I——电枢电流；
R——电枢电路总电阻；
——每极磁通量；
K——电动
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