PWM 四象運(yùn)行與調(diào)速

1、工程學(xué)院電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)電機(jī)與拖動(dòng)課 程 設(shè) 計(jì)（題目）（副標(biāo)題） （作者姓名） （學(xué)號(hào)） （成績(jī)）（作者姓名） （學(xué)號(hào)） （成績(jī)）（作者姓名） （學(xué)號(hào)） （成績(jī)）（作者姓名） （學(xué)號(hào)） （成績(jī)）（作者姓名） （學(xué)號(hào)） （成績(jī)）指導(dǎo)教師 （姓名 職稱）學(xué)院名稱 專業(yè)班級(jí)設(shè)計(jì)提交日期年月 設(shè)計(jì)答辯日期年月摘 要本設(shè)計(jì)以IR2111與h橋組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為核心，采用STC89C52單片機(jī)來(lái)進(jìn)行PWM的產(chǎn)生以及調(diào)控，并用TIL113光耦隔離模塊進(jìn)行信號(hào)的隔離。實(shí)驗(yàn)調(diào)試后證明，該方法接線容易，可行性較其它方案的高而且在最后驗(yàn)收中成功實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象運(yùn)行與調(diào)速。關(guān)鍵字：IR2111 STC89C

2、52單片機(jī)PWM 四象運(yùn)行與調(diào)速目 錄摘要1 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述 4 1.1 設(shè)計(jì)題目 4 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 4 1.3 設(shè)計(jì)原理 42 方案論證 4 2.1 脈寬調(diào)制電路的選擇 4 2.2 驅(qū)動(dòng)電路的選擇 5 2.2 驅(qū)動(dòng)電路的選擇 53. 系統(tǒng)的組成 5 3.1 系統(tǒng)的硬件組成 5 3.2 系統(tǒng)的軟件 10 3.2.1系統(tǒng)電機(jī)狀態(tài)控制程序 10 3.2.2系統(tǒng)的測(cè)速功能程序 10 3.2.3具體程序 12 3.3 系統(tǒng)的調(diào)試 174 問(wèn)題與解決 175 心得 186 參考文獻(xiàn)7附錄1 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述1.1 設(shè)計(jì)題目直流電機(jī)PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1 直流電機(jī)的調(diào)速有單象限，二象限

3、和四象限三種工作形式。要求學(xué)生選擇后兩種工作形式的任意一種進(jìn)行設(shè)計(jì)。2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）作為調(diào)速對(duì)象。要求帶一發(fā)電機(jī)負(fù)載進(jìn)行調(diào)速實(shí)驗(yàn)。1.3 設(shè)計(jì)原理：脈寬調(diào)制即PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需波形。PWM驅(qū)動(dòng)是利用大功率管的開(kāi)關(guān)特性，按固定頻率來(lái)接通和斷開(kāi)，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通“與“斷開(kāi)“時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組上電壓脈沖的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖2.8

4、即為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)單相繞組PWM驅(qū)動(dòng)電路的原理框圖。由于PWM控制器的主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此控制器的損耗小、效率高。2 方案論證2.1 脈寬調(diào)制電路的選擇方案1：采用STC89C52單片機(jī)來(lái)進(jìn)行PWM的產(chǎn)生以及調(diào)控。方案2：采用TL494脈寬調(diào)制芯片選擇：方案1的接線較為簡(jiǎn)單，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。2.2 驅(qū)動(dòng)電路的選擇方案1：使用多個(gè)功率放大器件例如三極管以及相關(guān)功率管等，通過(guò)不同的放大驅(qū)動(dòng)電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大要求以及相應(yīng)的控制時(shí)序，但由于控制的是半橋驅(qū)動(dòng)電路，需要考慮到獨(dú)立電源的問(wèn)題，電路制作比較復(fù)雜。方案2：采用專用驅(qū)動(dòng)集成芯片IR2111來(lái)驅(qū)動(dòng)半橋，IR21

5、11 是功率MOSFET 和IGBT 專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，可用來(lái)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。選擇：方案2有較大優(yōu)勢(shì)，而且外圍電路制作簡(jiǎn)單，控制方便，采用方案二。在IR2111后接上H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊便可以控制電機(jī)勵(lì)磁繞組的電流正反向。2.3 信號(hào)隔離電路的選擇光電偶合器件（簡(jiǎn)稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過(guò)光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電

6、光和光電的轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極體通過(guò)電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無(wú)信號(hào)，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對(duì)于數(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平“0”時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“ 0”。若基極有引出線則可滿足溫度補(bǔ)償、檢測(cè)調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)用廣泛。3. 系統(tǒng)的組成3.1 系統(tǒng)的硬件組成1.穩(wěn)壓電源電源輸入到固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生

7、變化)。此直流電壓經(jīng)過(guò)LM7805的穩(wěn)壓和右側(cè)的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓圖3.1 5v穩(wěn)壓電源2.IR2111及h橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用一片IR 211l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。基于三極管的使用機(jī)理和特性，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)中采用H橋功率驅(qū)動(dòng)電路，H橋功率驅(qū)動(dòng)電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動(dòng)永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說(shuō)繞組有時(shí)需正向電流，有時(shí)需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)

8、動(dòng)。圖3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3.TIL113光耦隔離模塊在微機(jī)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用的是開(kāi)關(guān)量的控制，這些開(kāi)關(guān)量一般經(jīng)過(guò)微機(jī)的IO輸出，而IO的驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不足以驅(qū)動(dòng)一些點(diǎn)磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動(dòng)介面電路，為避免微機(jī)受到干擾，須采取隔離措施。如可控硅所在的主電路一般是交流強(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機(jī)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機(jī)控制信號(hào)與可控硅觸發(fā)電路進(jìn)行隔離。圖3.3 TIL113光耦隔離模塊4.按鍵控制模塊通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)電機(jī)不同狀態(tài)下的工作圖3.4按鍵控制模塊5.單片機(jī)最小系統(tǒng)及占空比顯示模塊 電機(jī)的控制，測(cè)速功能實(shí)現(xiàn)的主要模塊 單片機(jī)晶振電路，采用12M的晶振圖3.5 單片機(jī)晶

9、振電路單片機(jī)復(fù)位電路圖3.6 單片機(jī)復(fù)位電路單片機(jī)最小系統(tǒng)及占空比顯示模塊圖3.7單片機(jī)最小系統(tǒng)及占空比顯示模3.2 系統(tǒng)的軟件3.2.1系統(tǒng)電機(jī)狀態(tài)控制程序通過(guò)控制PWM1 PWM2的輸出影響勵(lì)磁繞組的電流正反向來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行功能。通過(guò)對(duì)單片機(jī)輸入電平計(jì)算就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能。程序框圖開(kāi)始初始化查詢等待 啟動(dòng) 不同象限的選擇 電機(jī)加速/減速 計(jì)時(shí) PWM1PWM2的輸出矩形波 勵(lì)磁繞組的電流正反向控制 增大/減少占空比結(jié)束 3.2.2系統(tǒng)的測(cè)速功能程序若直流電機(jī)啟動(dòng)后，讓定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)，對(duì)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的方波計(jì)數(shù)為N，根據(jù)公式可求出單位時(shí)間內(nèi)的速度VNT。測(cè)速部分的設(shè)計(jì)框Z 開(kāi)始 初

10、始化 按下OPEN鍵 定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí) 對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù) N 根據(jù)公式計(jì)算出電機(jī)的速度 數(shù)碼管顯示電機(jī)速度 結(jié)束3.2.3具體程序電機(jī)控制及測(cè)速程序：bit PWM1=P27; /定義兩路PWM脈沖波輸出IOsbit PWM2=P26;sbit SMG1=P12; /定義數(shù)碼管位選sbit SMG2=P15;sbit ONE=P24; /定義四象限按鍵控制IOsbit TWO=P25;sbit THREE=P36;sbit FOUR=P37;sbit pwm_rate_crease=P35;/定義占空比改變按鍵控制IOsbit pwm_rate_decrease=P34;unsigne

11、d char code numtab10=0x18,0xFC,0x52,0x54,0xB4,0x15,0x11,0xDC,0x10,0x14; /聲明數(shù)碼管數(shù)字?jǐn)?shù)組uchar i=1;uchar count=0;uint pwm_rate=75; /初始化占空比void DelayMS(uint x) /延時(shí)程序 uchar t;while(x-) for(t=0;t<35;t+);void OUT_PWM_PULSE() /占空比輸出函數(shù)if(i%2=1)if(count=1)PWM1=0;PWM2=1;if(count=2)PWM1=0;PWM2=0;if(count=3)PWM1=

12、1;PWM2=0;if(count=4)PWM1=0;PWM2=0;if(i%2=0)PWM1=0;PWM2=0;void main()/主函數(shù) P2=0xff;/初始化IO口P0=0Xff;TMOD = 0x01;/初始化定時(shí)器0，設(shè)定PWM脈沖波的頻率為10khzTH0 = (65535-pwm_rate)/16;TL0 = (65535-pwm_rate)%16;IE = 0x82; /開(kāi)啟定時(shí)器中斷TR0 = 1;while(1)if(pwm_rate_crease=0|pwm_rate_decrease=0)/按鍵去抖動(dòng)DelayMS(10);if(pwm_rate_crease=0

13、|pwm_rate_decrease=0) /按鍵處理if(pwm_rate_crease=0)pwm_rate=pwm_rate+1; if(pwm_rate_decrease=0) pwm_rate=pwm_rate-1;if(pwm_rate>100) pwm_rate=0; if(pwm_rate<0) pwm_rate=25; while(pwm_rate_crease=0|pwm_rate_decrease=0) DelayMS(5);if(ONE=0|TWO=0|THREE=0|FOUR=0)DelayMS(10);if(ONE=0|TWO=0|THREE=0|FOU

14、R=0) TR0 = 0;if(ONE=0)pwm_rate=75;count=1;if(TWO=0) count=2; if(THREE=0) pwm_rate=75;count=3;if(FOUR=0) count=4;while(ONE=0|TWO=0|THREE=0|FOUR=0) DelayMS(5);TR0=1;P1=0XFB;/數(shù)碼管顯示P0=numtabpwm_rate%10;DelayMS(6);P1=0XDF;P0=numtabpwm_rate/10;DelayMS(6);void pwm() interrupt 1 /定時(shí)器0中斷處理程序OUT_PWM_PULSE();i

15、f(i%2=1)TH0 = (65535-pwm_rate)/16; TL0 = (65535-pwm_rate)%16;if(i%2=0)TH0 = (65435+pwm_rate)/16; TL0 = (65435+pwm_rate)%16;i=i+1;if(i>=2) i=0;3.3 系統(tǒng)的調(diào)試 電機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：勵(lì)磁電壓為244v電樞電流為1.2A，電樞電壓恒定在218v下改變占空比，測(cè)得相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速如下：占空比（%）4050607580電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）727.2764.4837.1874.9904.2表3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速4 問(wèn)題與解決在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決

16、：1.電機(jī)調(diào)試過(guò)程中，改變電機(jī)的占空比，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍較小，且輸出轉(zhuǎn)矩偏??？解決：經(jīng)過(guò)分析，電機(jī)的調(diào)速方式為雙極式PWM調(diào)速，雙極性工作造成低電流啟動(dòng)。通過(guò)軟件改變電機(jī)的調(diào)速方式為單極式后，電機(jī)運(yùn)行正常。2.調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)當(dāng)增加場(chǎng)效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路的上管電壓至140v以上時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管擊穿損壞？解決：經(jīng)過(guò)分析，原因可能有三個(gè)方面：一是電機(jī)運(yùn)行在雙極式工作條件下，H橋的4個(gè)晶體管均處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)損耗大，而且上、下兩管容易發(fā)生橋臂直通，降低了可靠性。二是選用的場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)不匹配，內(nèi)置的續(xù)流二極管沒(méi)有達(dá)到續(xù)流的要求。三是IR2111驅(qū)動(dòng)電路部分的自舉電容和二極管選型不匹配。針對(duì)以

17、上三個(gè)方面，對(duì)PWM控制器進(jìn)行改進(jìn)，使得直流電機(jī)運(yùn)行在了較為理想的狀態(tài)。3.調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)電機(jī)總是一個(gè)方向的運(yùn)行？解決：基本上鎖定在程序錯(cuò)誤和硬件電路芯片損壞兩個(gè)方面。程序錯(cuò)誤的可能性不大，用下載器重新下載了程序后，故障仍然存在，排除了程序錯(cuò)誤的可能性。將驅(qū)動(dòng)電路部分的兩片IR2111調(diào)換位置后發(fā)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向相應(yīng)改變。通過(guò)測(cè)試，其中的一片IR2111芯片失效，原因可能是調(diào)試電機(jī)過(guò)程中場(chǎng)效應(yīng)管擊穿，過(guò)流通過(guò)VS線損壞IR2111。重新?lián)Q上IR2111后，電機(jī)控制正常。4.開(kāi)始調(diào)試過(guò)程中，通上電源后電機(jī)仍然不轉(zhuǎn)？解決：經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，IR2111芯片的com引腳與場(chǎng)效應(yīng)MOS管的上所加電壓的地未連接在一起，用鱷魚(yú)夾連接后，電機(jī)控制正常。5.控制電機(jī)低速運(yùn)