電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)

1、電機(jī)與拖動(dòng)課 程 設(shè) 計(jì)直流電機(jī)pwm脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)目 錄1.設(shè)計(jì)任務(wù)12.直流電機(jī)pwm調(diào)速控制原理13.方案選擇與論證13.1pwm調(diào)制電路的選擇13.2驅(qū)動(dòng)電路的選擇與論證24.硬件電路設(shè)計(jì)24.1按鍵輸入電路24.2單片機(jī)控制電路34.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路45.軟件程序設(shè)計(jì)56.心得體會(huì)67. 小組分工6參考文獻(xiàn)71. 設(shè)計(jì)任務(wù)直流電機(jī)pwm脈寬調(diào)速電路由于其節(jié)能，先進(jìn)，靈活等特點(diǎn)在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。直流電機(jī)的調(diào)速有單象限，二象限和四象限三種工作形式。本設(shè)計(jì)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行四象限調(diào)速。選用額定電壓為220v，額定電流為1.2a的它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)（即把實(shí)驗(yàn)室的并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)做它勵(lì)接法）作

2、為調(diào)速對(duì)象。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的pwm調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)功能。2. 直流電機(jī)pwm調(diào)速控制原理脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速n可用下式表示：；其中u為電樞端電壓，i為電樞電流，r為電樞電路總電阻，為每極磁通量。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制有電樞回路串電阻，調(diào)整電樞電壓，調(diào)整勵(lì)磁電壓等方法。勵(lì)磁控制法用得很少，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用調(diào)整電樞電壓的方法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞

3、電壓可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中脈沖寬度調(diào)制( pwm) 便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。其方法是通過改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值( 即占空比) 來調(diào)整直流電機(jī)的電樞電壓u，從而控制電機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)二象限或四象限調(diào)速。3. 方案選擇與論證本設(shè)計(jì)主要有輸入控制部分、pwm調(diào)制電路以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。輸入控制部分采用按鍵輸入，pwm調(diào)制電路以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇如下。3.1 pwm調(diào)制電路的選擇方案一：采用tl494等集成脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生pwm波形優(yōu)點(diǎn)：集成度高，只需要較少的元件即可實(shí)現(xiàn)pwm波形的輸出，有反饋輸入端，調(diào)制精度高。缺點(diǎn)：要額外增加輸入控制的功能，只能通過改變電阻

4、調(diào)整占空比，同時(shí)，采用集成電路調(diào)試?yán)щy。要求電路的抗干擾能力較強(qiáng)。方案二：采用單片機(jī)通過編程實(shí)現(xiàn)pwm波形輸出優(yōu)點(diǎn)：具有輸入控制功能，可以通過編程改變電路的功能，控制靈活，調(diào)試方便，對(duì)模擬電路要求不高，不易受電壓和電流沖擊的影響。缺點(diǎn)：數(shù)字式輸出pwm，無法連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)制出來的pwm波形的頻率受單片機(jī)的額定工作頻率的限制。鑒于本設(shè)計(jì)對(duì)pwm波形的頻率要求不高，要求有較高的穩(wěn)定性和靈活性，故采用方案二實(shí)現(xiàn)。3.2 驅(qū)動(dòng)電路的選擇與論證方案一：采用分立元件驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管優(yōu)點(diǎn)：采用分立元件靈活性強(qiáng)，能獲取不同的驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)電壓，可簡(jiǎn)單控制時(shí)序。缺點(diǎn)：布線復(fù)雜，可靠性較低，元件較多，調(diào)試不方便，要考慮

5、各個(gè)元件的共地問題。方案二：采用集成驅(qū)動(dòng)電路ir2111優(yōu)點(diǎn)：該電路芯片體積小，集成度高(可驅(qū)動(dòng)同一橋臂兩路)，響應(yīng)快，偏值電壓達(dá)600v，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，是大功率mofet和igbt專用驅(qū)動(dòng)集成電路，內(nèi)設(shè)欠壓封鎖功能,，成本低, 易于調(diào)試，并設(shè)有外部保護(hù)封鎖端口。尤其是上管驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源路數(shù)目較其他ic 驅(qū)動(dòng)大大減小。對(duì)于全橋電路，采用2片ir 2111驅(qū)動(dòng)2個(gè)橋臂，僅需要一路10-20v電源，從而大大減小了控制變壓器的體積和電源數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本, 提高了系統(tǒng)的可靠性。缺點(diǎn)：控制的靈活性不高。鑒于簡(jiǎn)便性和可靠性的要求，本設(shè)計(jì)采用方案二。4. 硬件電路設(shè)計(jì)4.1 按鍵輸

6、入電路如圖4.1所示為為無消抖的按鍵電路。按鍵沒有按下時(shí)，輸出y為高電平，按下時(shí)應(yīng)為低電平。但由于按鍵的機(jī)械特性和人手指的不穩(wěn)定性等綜合因素，導(dǎo)致按鍵按下的瞬間產(chǎn)生抖動(dòng)，結(jié)果輸出y在這一瞬間產(chǎn)生多個(gè)窄脈沖的干擾，這些脈沖信號(hào)的寬度一般可達(dá)毫秒，這些在脈沖對(duì)于數(shù)字電路由較大的影響。例如在計(jì)數(shù)器中，這些抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不必要的計(jì)數(shù)，而且按鍵在釋放的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生這樣的一些抖動(dòng)。圖4.1 沒有采用消抖的按鍵電路及波形為了能夠進(jìn)行有效的消抖，在輸出端y加上rc濾波器，我們知道c有濾除交流的作用，當(dāng)按鍵斷開時(shí)，a、b點(diǎn)均為高電平，c充滿電荷；當(dāng)按鍵按下時(shí)，a點(diǎn)為0v，c通過r2對(duì)地放電，b電電位緩慢下降，當(dāng)出現(xiàn)

7、抖動(dòng)時(shí)，b點(diǎn)也不會(huì)立刻上升為電源電壓，而是緩慢上升，由于放電時(shí)間比充電時(shí)間長(zhǎng)，最終降為0v。按鍵釋放時(shí)同理，進(jìn)過rc電路后，波形有毛刺。波形圖如圖4.2所示。圖4.2帶rc消抖的按鍵電路及波形4.2 單片機(jī)控制電路單片機(jī)控制電路如圖4.4所示，c1、r3構(gòu)成了上電復(fù)位電路，x1，c2、c3構(gòu)成了震蕩電路，為單片機(jī)的正常工作提供時(shí)序信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用stc89c52單片機(jī)，選用x1=12mhz晶振，指令周期為1us。采用外部中斷0（int0）和外部中斷1（int1）作為按鍵信號(hào)輸入輸入。輸出信號(hào)為p2口，其中p2.0口和p2.2口為電機(jī)轉(zhuǎn)向控制口，p2.1為pwm調(diào)制信號(hào)輸出口，通過74hc08與

8、門組成兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制下級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。圖4.3h橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4.3所示。本設(shè)計(jì)采用h橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)q1和q4導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)a路徑驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)q2和q3導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)b路徑驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，由于a和b的電流方向相反，因而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向也相反。圖4.4單片機(jī)控制電路完整的驅(qū)動(dòng)電路如圖4.5所示。ir2111 是功率mosfet 和igbt 專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，可用來驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓高達(dá)600v 的電路中的n溝道功率mos 器件。采用一片ir 2111 可完成兩個(gè)功率元件的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動(dòng)電路僅需一個(gè)輸入級(jí)直流

9、電源；可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率mosfet和igbt 的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，還具有完善的保護(hù)功能。圖4.5 完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路單片機(jī)輸出信號(hào)為0-5v的pwm波，ir2111的工作電壓為10-20v，in端輸入電壓高電平時(shí)電壓要達(dá)到10v以上，如果直接用單片機(jī)io口驅(qū)動(dòng)ir2111將無法使其正常工作，為了電平之間的兼容，增加74hc08與門電路。實(shí)踐證明，74hc08與門的工作電壓在12v時(shí)，輸入端輸入0-5v的電平，輸出端能產(chǎn)生0-12v的同向電平信號(hào)，可直接驅(qū)動(dòng)ir2111。因而本設(shè)計(jì)不采用光耦隔離，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。采用74hc08與門之后，單片機(jī)輸出端、pwm信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)向之間的邏輯關(guān)系如表4.1所示。表4.1

10、 輸出邏輯關(guān)系p2.0p2.2p2.1driver1dirver2q1q2q3q4轉(zhuǎn)向0000截止導(dǎo)通截止導(dǎo)通停止010截止導(dǎo)通正轉(zhuǎn)100截止導(dǎo)通反轉(zhuǎn)5. 軟件程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)由stc89c52單片機(jī)通過定時(shí)器中斷產(chǎn)生pwm波形，由于受單片機(jī)額定工作頻率的限制，當(dāng)采用定時(shí)器1工作方式2（8位自動(dòng)重載定時(shí)器）時(shí)，最高頻率為5khz，為了能輸出一個(gè)占空比可調(diào)節(jié)的pwm波形，本設(shè)計(jì)輸出為1.78khz的波形，通過對(duì)定時(shí)器溢出進(jìn)行計(jì)數(shù)，達(dá)到設(shè)定值則反轉(zhuǎn)io引腳的電平，輸出pwm波形。具體算法流程如圖5.1所示。圖5.1 程序流程圖調(diào)試過程中，我們小組發(fā)現(xiàn)單片機(jī)輸出的pwm波形并不穩(wěn)定，而且不可調(diào)，初步估

11、計(jì)是由于焊接失誤，因?yàn)閱纹瑱C(jī)在其他小組的電路中還是正常工作的，這樣導(dǎo)致了我們沒法進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)測(cè)量。6. 心得體會(huì)通過這次的電機(jī)課程設(shè)計(jì)與上一次的電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的比較，我們小組掌握了除了tl494之外的另一種pwm波產(chǎn)生和控制電流，認(rèn)為單片機(jī)控制脈寬更為方便和實(shí)用。本次設(shè)計(jì)用到ir2111芯片，我們也是第一次接觸，做設(shè)計(jì)之前參考了一些資料，對(duì)我們的幫助也非常大。雖然這次我們小組的實(shí)物沒有做成功，只能產(chǎn)生一個(gè)基本的pwm波，但我們還是在此次的課程設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)和收獲到很多東西，我們以后會(huì)繼續(xù)努力，克服缺點(diǎn)，提高各個(gè)方面的能力。在觀察其他小組的調(diào)試與測(cè)量過程中，也讓我們了解了調(diào)試上的一些細(xì)節(jié)要求，還有明白了在設(shè)計(jì)過程中必須考慮進(jìn)去的電機(jī)的過流和過壓的保護(hù)措施的重要性。該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不是很高。但與傳統(tǒng)的晶閘管可控調(diào)整系統(tǒng)相比，它具有調(diào)速范圍寬、快速性能好、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使之以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的直流調(diào)速系統(tǒng)中。通過本次設(shè)計(jì)以便積累一些經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們以后課程設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。最