pwm的直流電機調速課程設計

1、1、 課程設計的主要目標任務直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能2。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本

2、，從而有效的提高工作效率。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。目前，直流電動機調速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向實用化，伴隨著電子技術的高度發(fā)展，促使直流電機調速逐步從模擬化向數(shù)字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電機調速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。二、課程設計系統(tǒng)方案選取1. 直流電動機運行原理脈寬調制技術是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其是在對電機的轉速控制方面，

3、可大大節(jié)省能量，PWM控制技術的理論基礎為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需 3 要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 直流電動機的轉速n和其他參量的關系可表示為 圖1：直流電機原理圖 式中 Ua電樞供電電壓（V）； Ia 電樞電流（A）； 勵磁磁通（Wb）； Ra電樞回路總電阻（）； CE電勢系數(shù)， ，p為電磁對數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導體數(shù)。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、三個參量都可以成為變量，只要改變其中一

4、個參量，就可以改變電動機的轉速，所以直流電動機有三種基本調速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra；(2)改變電樞供電電壓Ua；(3)改變勵磁磁通。如圖1所示：改變直流電機電樞繞組兩端電源電壓U大小就可以調節(jié)直流電機轉速的大??；改變直流電機電樞繞組兩端電源電壓U方向就可以改變直流電機轉速方向。方案一：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調整電動機的分壓，從而達到調速的目的。但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。 方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對電動機的速度進行調整

5、。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案三：采用由三極管組成的H型PWM電路。用單片機控制三極管使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)，精確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調速技術。 兼于方案三調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，因此本設計采用方案三。2. PWM調速原理圖1為PWM降壓斬波器的原理電路及輸出電壓波形。在圖1a中，假定晶體管V1先導通T1，秒(忽略V1的管壓

6、降，這期間電源電壓Ud全部加到電樞上)，然后關斷T2秒(這期間電樞端電壓為零)。如此反復，則電樞端電壓波形如圖1b中所示。電動機電樞端電壓Ua為其平均值。圖1 PWM降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形a) 原理圖 b)輸出電壓波形 (3)式(3)中 （4） 為一個周期T中，晶體管V1導通時間的比率，稱為負載率或占空比。使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變的值，從而達到調壓的目的： (1)定寬調頻法：T1保持一定，使T2在0范圍內變化； (2)調寬調頻法：T2保持一定，使T1在0范圍內變化(3)定頻調寬法：T1+T2=T保持一定，使T，在0T范圍內變化。 不管哪種方法，的變化范圍均為0l，因而

7、電樞電壓平均值Ua的調節(jié)范圍為0Ud，均為正值，即電動機只能在某一方向調速，稱為不可逆調速。當需要電動機在正、反向兩個方向調速運轉，即可逆調速時，就要使用圖12a所示的橋式(或稱H型)降壓斬波電路。3.  PID調節(jié) PID控制的直流電動機調速控制原理圖如下：圖3：電動機調速控制原理圖基于PID的電動機調速控制程序流程圖如下：（擴展功能）圖4：基于PID的電動機調速控制程序流程圖6. 數(shù)據(jù)處理速度檢測一般有三種方法：M法測速、T法測速、M/T法測速。1.M法測速：是在規(guī)定時間Tc內12，對位置脈沖信號是個數(shù)m1進行計數(shù)，從而得到轉速的測量值，n =PN是每個位置周期所含有的信號脈沖數(shù)

8、，適用于高速運行時的測速，低速時精度較低2.T法測速：測出相鄰兩個位置信號的間隔時間來計算轉速的一種方法，而時間的測量是借助計數(shù)器對已知頻率的時鐘脈沖計數(shù)實現(xiàn)的，設時鐘頻率f，兩個位置脈沖間的時鐘脈沖個數(shù)為m2,則電機轉子位置脈沖信號的周期T為T = n = = PN是每個位置周期所含有的信號脈沖數(shù)，適用于低速運行時的測速，高速時每個位置周期的時鐘脈沖數(shù)m2小，測得的精度較低3.M/T法綜合了以上兩種方法的優(yōu)點，既可在低速段可靠的測速，又在高速段具備較高的分辨能力，因此在較寬的轉速范圍內都有很好的檢測精度。即在稍大于規(guī)定時間Tc的某一時間Td內，分別對位置信號的脈沖個數(shù)m1和高頻時鐘脈沖個數(shù)m

9、2進行計數(shù)。于是：n = 由于調速關系本文采用M/T法測速以使測速的準確性，即在100個PWM周期內電機所轉的轉數(shù)，n = 60m1其中f = 100,m2 = 100,PN = 13、 系統(tǒng)硬件設計（芯片的選取、原理圖等）1. 續(xù)流二極管IN4002PLC、變頻器、伺服驅動器等等設備的晶體管輸出，如果要連接感性負載（例如中間繼電器），一定不要搞忘接一個反向的續(xù)流二極管。當輸出斷開時，繼電器線圈兩端會產生感生電動勢，如果沒有續(xù)流二極管，產生的電壓可能高于輸出晶體管的反向擊穿電壓。筆者實測，HH54P那樣的微型中間繼電器線圈回路斷開時產生的電壓大概為50V以下，不加反向續(xù)流二極管也可以，不過原則

10、上最好加上，以避免損壞輸出晶體管的可能。最大周期性方向峰值電壓：100V最大有效值電壓：70V最大直流閉鎖電壓：100V1 2.H橋驅動電路的設計電路得名于“H橋式驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠。H橋電路的“H”的意思是它實際電路在電路圖上是一個字幕H的樣式。如下圖: 圖3-4 H橋電路圖H橋是如何控制電機的呢,舉個例子：你手里拿著一節(jié)電池，用導線將馬達和電池兩端對接，馬達就轉動了；然后如果你把電池極性反過來會怎么樣呢？沒有錯，馬達也反著轉了。如圖：圖3-6 電機反轉圖3-5電機正轉當Q1和Q4導通時電流從左上方流過電機流向右下

11、方，電機的旋轉方向認為正轉的話；當Q2和Q3同時導通時電流從右向上方流過電機流向左下方，電機反轉。注意：千萬不能將同一側的兩個三極管同時導通，否則會燒壞電路。如果你將兩個高位電路或者兩個低位電路同時接通，你的馬達會自動制動。這是因為當沒有電源供給時，馬達在自由轉動的情況下是處于發(fā)電狀態(tài)，同位的電路接通，相當于將馬達的兩端“短接”，那么馬達會因為短路而相當與接了一個無限大功率的電爐即一個很大的負載，所以馬達就會產生“電”制動；當你把馬達兩端懸空后，它就恢復自由了。圖3-7 加入二極管的H橋為了以避免馬達的反電動勢的危害，我們仍然需要在晶體管兩端接二極管，因為馬達線圈在電路開閉瞬間產生的反向電動勢

12、通過會高過電源，這樣對晶體管和電路會有很大的影響甚至燒毀零件。如圖在兩端接入二極管后L298內置兩個H橋，每個橋提供1A的額定工作電流，和最大3A的峰值電流。它能驅動的馬達不超過可樂罐大小。 圖3-8 H橋驅動電路的設計3.脈沖信號的獲得圖3-14 3144實物圖霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于開關信號采集的有CS3020、CS3040、OH3144等，這種傳感器是一個3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（OC）門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖1所示是CS3144的外形圖，將有字面對準自己，三根引腳從左向右分別是Vcc，地，輸出。使用霍爾

13、傳感器獲得脈沖信號，其機械結構也可以做得較為簡單，只要在轉軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉軸旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出11。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現(xiàn)旋轉一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應用廣泛。電機驅動電路顯示電路4、 系統(tǒng)軟件設計（程序流程圖的設計）中斷初始化外部中斷0.上升沿有效定時中斷中斷0定時01ms.霍爾測速產生pwm波顯示速度電機控制5、 系統(tǒng)仿真結果仿真軟件選擇Proteus ，在Proteus

14、中畫出系統(tǒng)電路圖，當程序在Keil C中調試通過后，會生成以hex為擴展名的文件，這就是使系統(tǒng)能夠在Proeus中成功進行仿真的文件。將些文件加載到單片機仿真系統(tǒng)中，驗證是否能完成對直流電機的速度調節(jié)。若不成功，則重新回到軟件調試步驟，進行軟件調試。找出錯誤所在，更正后重新運行系統(tǒng)。硬件仿真電路的設計完全按照論文設計方案進行。在仿真的過程中也遇到了很多問題，比如元件選擇、電路設計等，在元件選擇方面，有的芯片是我以前學習的時候所沒有遇到過的，所以在尋找和使用的過程中也遇到很多麻煩，但經(jīng)過自己的努力，并借鑒從互聯(lián)網(wǎng)上找到的資料，我逐漸掌握這些元件的使用方法和原理，為系統(tǒng)設計和仿真提供了良出的基礎。

15、另外，在進行仿真的時候，也經(jīng)常出現(xiàn)程序沒有錯誤了，但是仿真通不過的情況，這些大部分原因是在管腳定義上，很多系統(tǒng)仿真的問題都出在這。經(jīng)過這段時間的努力，使我對仿真軟件以及系統(tǒng)設計電路有了更深一步的認識，也為系統(tǒng)的成功奠定了基礎6、 系統(tǒng)實物調試雖說在protues上仿真時能正常運行了，硬件的制作完成后，結合硬件又發(fā)現(xiàn)了很多問題。(1) 因為單片機的問題，使復位電路上的電容燒壞，單片機運行出錯。(2) 因為程序算法問題，在電機轉動時，出現(xiàn)顯示跳動情況。（采取多次取值濾波）(3) 按鍵問題（用吸管換下好的按鍵）（4）PCB板子銅線虛斷。（用焊錫在銅線上覆蓋一遍。）（5）PCB板子有飛線直接連接不方便

16、（為了方便，硬件板與板這件用杜邦線相連）七、結論從原理圖的設計，電路板的焊接到寫課程設計論文，在這個過程中我們也遇到了很多的困難，如成員間分工不明確，程序大家都不熟悉等。這次課程設計給我最大的體會就是有很多東西如果不是自己親自動手，只在書本上是學不到的，設計初期要考慮周到，否則后期會帶來很多不必要的麻煩。雖然可能會多花一些時間，但這比空想要有效的多。做事情一定要細心，更要耐心，遇到問題要慢慢去檢查，然后仔細分析后再解決；除此之外，還要有合作精神，注重團隊合作，和合作者一起做，相互鼓勵，互相彌補不足之處，很多難點的突破都來自于與同學的交流，交流使自己獲得更多信息，開拓了思路，這樣很多事情就成了。

17、本次設計把理論應用到了實踐中，同時通過設計，也加深了自己對理論知識的理解和掌握，在解決困難的過程中，獲得了許多專業(yè)方面的知識,拓展了視野。提高了理論水平和實際的動手能力，學會了解決問題的方法，激發(fā)了我們的探索精神。這樣的課程設計是很好的鍛煉機會,通過實驗設計使我深入了解到課程設計在大學學習的重要性，課程設計增強了我們的實踐動手能力，也為大四后學期的畢業(yè)設計提供了寶貴的經(jīng)驗。參考文獻7.1主要書目：電路與電子技術基礎數(shù)字電子技術基礎 浙江科學技術出版社 李青 總主編電路電子實驗指導書 中國計量學院電工電子實驗中心機電工程訓練教程電子技術實訓 清華大學出版社朱朝霞 主編 楊其華 主審7.2另外從互

18、聯(lián)網(wǎng)下載了部分圖片及資料單片機原理.接口技術及應用（含C51） 主編 楊學昭 王云東西安電子科技大學出版社電子技術基礎（模擬部分） 主編 康華光 高等教育出版社#include<reg52.h>#include<intrins.h>#define NOP() _nop_();#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit key1=P20;sbit key2=P21;sbit key3=P22;sbit key4=P23;sbit IN1=P10;sbit IN2=P11;sbit EN=P12;uint

19、 huonum,huonum1;uint start,fanxiang;uint timenum1,timenum2,timenum3,A1,A2,A3,A4;uint speed=100;int SetPoint;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90,0x88,0x83, 0xc6,0xa1,0x86,0x8e;/*void delay(uchar z) /延時MSuchar a,b;for(a=z;a>0;a-)for(b=100;b>0;b-);/*void initEA() /

20、中斷初始化TMOD|=0X11;TH0=(65535-100)/256;TL0=(65535-100)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;IT0=1;EX0=1;P1=0;P0=0xff;IN1=1;IN2=0;/*void display1(uchar C1,uchar C2,uchar C3,uchar C4)/顯示速度if(timenum3=10)P0=0xff;P2=0xef;P0=tableC1;/delay(5);if(timenum3=20)P0=0xff;P2=0xdf;P0=tableC2;/delay(5);if(timenum3=30)P0=0xff;P2=0xb

21、f;P0=tableC3;/delay(5);if(timenum3=40)P0=0xff;P2=0x7f;P0=tableC4;timenum3=0;/*void keyscan()/鍵盤掃描if(key1=0)delay(5);if(key1=0)start+;if(start>1)start=0;while(!key1);if(key2=0)delay(5);if(key2=0)if(speed<=180)speed=speed+10;while(!key2);if(key3=0)delay(5);if(key3=0)if(speed>=20)speed=speed-10;while(!key3);if(key4=0)delay(5);if(key4=0)fanxiang+;while(!