直流電機PWM調速電路

1、電子技術課程設計報告課題： 直流電機PWM調速電路 班級 電氣1107 學號 1101205712學生姓名 海彬 專業(yè) 電氣信息類 學院 電子與電氣工程學院 指導教師 電子技術課程設計指導小組 工學院電子與電氣工程學院2012年05月 直流電機PWM調速電路1） 設計任務與要求：1. 設計電機驅動主回路，實現直流電機的正反向轉動；2. 設計PWM驅動信號發(fā)生電路；3. 設計電機轉速顯示電路；4. 設計電機轉速調節(jié)電路，可以按鍵或電位器調節(jié)電機轉速；5. 安裝調試。二）系統(tǒng)原理及功能概述1）直流電機脈寬調速電路原理對小功率直流電機調速系統(tǒng)，使用單片機是極為便的。其法是通過改變電機電樞電壓接通時間

2、與通電期的比值（即占空比）來控制電機速度。這種法稱為脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation），簡稱 PWM。 改變占空比的法有 3 種：（1） 定寬調頻法，這種法是保持 t1 不變，只改變 t2 ，這樣期 T（或頻率） 也隨之改變；（2）調寬調頻法，保持 t1 不變，而改變 t2 ，這樣也使期 T（或頻率）改變；（3）定頻調寬法，這種法是使期 T（或頻率）不變，而同時改變 t2 和 t1 由 ，當控制頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近 于前兩種法都改變了期（或頻率） 時，將會引起振蕩，用的比較少，因此本系統(tǒng)用的是定頻調寬法。在脈沖 作用下，當電機通電時，速度增加。電機斷電時，速度逐漸

3、減小。只要按 一定規(guī)律，改變通斷電時間，即可實現對電機的轉速控制。 設電機永遠接通電源時，其最大轉速為 Vmax，設占空比 D t1 /T ，則電機的平均速度為 Vd，平均速度 Vd 與占空比 D 的函數曲線如圖 12 所示，從圖可以看出，VD 與占空比 D 并不是完全線性關系（圖中實線），當系統(tǒng)允時，可以將其近似的看成線性關系（圖中虛線），本系統(tǒng)采用近似法。 平均速度與占空比的關系2） 比例積分控制規(guī)律 系統(tǒng)的控制算法主要采用 了 PI 控制算法。其控制算法為： 其中 Kp 為比例系數，Ti 為積分系數。若單片機的采樣期為 T，則上式可近似為：上式即為位置式 PI 控制算法。這里我們采用其增

4、量式控制算法，根據遞推原理可得： 則增量式控制算法為 ： 其中 Kp 為控制器比例系數，Ki 為積分時間常數。 由于系統(tǒng)采用了比例積分調節(jié)器 簡稱 PI 調節(jié)器，使系統(tǒng)在擾動的作用下，通過 PI 調節(jié)器的調節(jié)作用使電動機的轉速達到靜態(tài)無差，從而實現了靜態(tài)無差。 無靜差調速系統(tǒng)中，比例積分調節(jié)器的比例部分使動態(tài)響應比較快無滯后，積分部分使系統(tǒng)消除靜差。 3）直流電機調速原理 直流電機轉速 n 的表達式為: 式中:U-電樞端電壓；I-電樞電流；R-電樞電路總電阻；-每極磁通量；K-與電機結構 有關的常數，因此直流電機轉速 n 的控制法有三種，主要以調壓調速為主。 本控制器主要通過脈寬調制 PWM

5、來控制電動機電樞電壓， 實現調速。 調脈寬的式有三 種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。本系統(tǒng)采用了定頻調脈寬式的 PWM 控制，因為采用 這種式， 電動機在運轉時比較穩(wěn)定； 并且在采用單片機產生 PWM 脈沖的軟件實現上比較 便。 對直流電機轉速的控制即可采用開環(huán)控制,也可采用閉環(huán)控制。 與開環(huán)控制相比,速度控 制閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性相比,其性 能大大提高;理想空載轉速相同時,閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率 （額定負載時電機轉速降落與理想空載 轉速之比）要小得多;當要求的靜差率相同時, 閉環(huán)調速系統(tǒng)的調速圍可以大大提高。 轉速設定值 偏差 轉速輸出直流電機速度

6、閉環(huán)控制案三）脈寬可調波發(fā)生電路四）硬件設計與分析1）系統(tǒng)硬件組成 圖 21 為該系統(tǒng)硬件電路設計框圖。根據本系統(tǒng)要求通過軟件編程定義鍵盤各鍵的功能及顯示控制。 有關驅動及主回路控制電路見下幾節(jié)。整個系統(tǒng)控制過程為：鍵盤輸入控制信號、參數及速度給定值，單片機經過速度閉環(huán)、 運算，控制 P 口（自行定義）輸出脈沖的占空比，從而控制電機的轉速，并經顯示電路顯示出來。驅動控制電路見圖 23。將單片機軟件產生的 PWM 信號經并聯使用的施密特反相器，對 IGBT 進行驅動。 2） 驅動控制電路驅動控制電路見圖 23。將單片機軟件產生的 PWM 信號經并聯使用的施密特反相器，對 IGBT 進行驅動。驅動

7、控制電路3） 主回路控制電路主電路控制電路見圖 22。220 交流電壓經過橋式整流電路的整流，再經過電容濾波，經過 IGBT 元件的功率放大，加到直流電機的兩端控制電機。主電路控制電路4） 測速電路測速電路5） 顯示電路 顯示電路見圖 2-5。選用共陰 8 段數碼管，采用 MAX7219 驅動。 MAX7219 是一種高集成化的串行輸入/輸出的共陰極 LED 顯示驅動器。每片可驅動 8 位 7 段加小數點的共陰極數碼管，可以數片級聯，而與微處理器的連接只需 3 根線。MAX7219 部設有掃描電路，除了更新顯示數據時從單片機接收數據外，平時獨立工作，極大地節(jié)省了 MCU 有限的運行時間和程序資

8、源。 MAX7219 芯片上包括 BCD 譯碼器、多位掃描電路、段驅動器、位驅動器和用于存放每個數據位的 88 靜態(tài) RAM 以及數個工作寄存器。通過指令設置這些工作寄存器，可以使 MAX7219 進入不同的工作狀態(tài)。MAX7219 的詳細資料請參考其他書籍，這里不再贅述。MAX7219 驅動顯示電路 按鍵電路見圖 26。 52 單片機的 P 口在懸空時默認是高電平，每個按鈕通過一個上拉電阻接到5V 電源，按下按鈕，則 P 口變成低電平，這樣就可以通過 P 口的狀態(tài)來反映按鈕的按下情況。按鍵通過并聯電容 C 進行防抖動，無需通過軟件部分實現。五）電機測速信號調理電路主要利用 LM324 運算放

9、大器設計的比較器，調節(jié)比較器偏置電壓使脈沖最接近于波且幅度大于 3.3V。為了提高測速的 精度，在信號后級添加比較器調理信號為標準的波，調節(jié)比較器運放的偏置電壓使 波信號最適合于測速。在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律改變通、斷電的時間，即可讓電機轉速得到控制。 PWM 波產生的思想是，固定 PWM 的期為 PWMT，t 時間輸出高電平，則剩下 PWMT-t 時間就輸出低電平。 通過控制定時器 T1，從而可以實現從 8051 的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于 PWM 信號軟件實現的核心是單片機部的定時器，而不同單片機的定時器具有不同的特點，

10、即使是同一臺單片機由于選用的晶振不同，選擇的定時器工作式不同，其定時器的定時初值與定時時間的關系也不同。因此，首先必須明確定時器的定時初值與定時時間的關系。如果單片機的時鐘頻率為 f，定時器/計數器為 N 位，則定時器初值與定時時間的關系為:式中，Tw 定時器定時初值；N 一個機器期的時鐘數。 N 隨著機型的不同而不同。在應用中，應根據具體的機型給出相應的值。這樣，我們可以通過設定不同的定時初值 Tw，從而改變占空比 D，進而達到控制電機轉速的目的。 此次實驗采用 12MHz 晶振，計數頻率為 1MHz，即每微秒計數器加一，設置 PMW 脈沖期固定為 PWMT10000，即 0.01s。 在實際的直流電機調速系統(tǒng)中，電機的測速由測速電機完成，本次實驗系統(tǒng)，由電機自帶的霍爾元件完成測速，電機每轉一圈，霍爾元件就送出一個脈沖，我們設計的程序是將測速部分嵌套在 PWM 函數里，這樣就節(jié)省了一個定時器資源。PWM 脈沖期為 0.01s，一個期定時器 T1 中斷 2 次，設置定時器每中斷200 次，即每 1s 對電機進行一次測速