pwm的直流電機(jī)調(diào)速課程設(shè)計(jì)

1、1、 課程設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)任務(wù)直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)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(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能2。采用單片機(jī)構(gòu)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(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線路復(fù)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(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。二、課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案選取1. 直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，

3、可大大節(jié)省能量，PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)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(shí)，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(lái)代替正弦波或其他所需 3 要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為 圖1：直流電機(jī)原理圖 式中 Ua電樞供電電壓（V）； Ia 電樞電流（A）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； Ra電樞回路總電阻（）； CE電勢(shì)系數(shù)， ，p為電磁對(duì)數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一

4、個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)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(lì)磁磁通。如圖1所示：改變直流電機(jī)電樞繞組兩端電源電壓U大小就可以調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的大??；改變直流電機(jī)電樞繞組兩端電源電壓U方向就可以改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方向。方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開關(guān)的切換對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整

5、。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)控制三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。 兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案三。2. PWM調(diào)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(dǎo)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(guān)斷T2秒(這期間電樞端電壓為零)。如此反復(fù)，則電樞端電壓波形如圖1b中所示。電動(dòng)機(jī)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(gè)周期T中，晶體管V1導(dǎo)通時(shí)間的比率，稱為負(fù)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(dá)到調(diào)壓的目的： (1)定寬調(diào)頻法：T1保持一定，使T2在0范圍內(nèi)變化； (2)調(diào)寬調(diào)頻法：T2保持一定，使T1在0范圍內(nèi)變化(3)定頻調(diào)寬法：T1+T2=T保持一定，使T，在0T范圍內(nèi)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(diào)節(jié)范圍為0Ud，均為正值，即電動(dòng)機(jī)只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)在正、反向兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，即可逆調(diào)速時(shí)，就要使用圖12a所示的橋式(或稱H型)降壓斬波電路。3.  PID調(diào)節(jié) PID控制的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制原理圖如下：圖3：電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制原理圖基于PID的電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制程序流程圖如下：（擴(kuò)展功能）圖4：基于PID的電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制程序流程圖6. 數(shù)據(jù)處理速度檢測(cè)一般有三種方法：M法測(cè)速、T法測(cè)速、M/T法測(cè)速。1.M法測(cè)速：是在規(guī)定時(shí)間Tc內(nèi)12，對(duì)位置脈沖信號(hào)是個(gè)數(shù)m1進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到轉(zhuǎn)速的測(cè)量值，n =PN是每個(gè)位置周期所含有的信號(hào)脈沖數(shù)

8、，適用于高速運(yùn)行時(shí)的測(cè)速，低速時(shí)精度較低2.T法測(cè)速：測(cè)出相鄰兩個(gè)位置信號(hào)的間隔時(shí)間來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速的一種方法，而時(shí)間的測(cè)量是借助計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)時(shí)鐘頻率f，兩個(gè)位置脈沖間的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為m2,則電機(jī)轉(zhuǎn)子位置脈沖信號(hào)的周期T為T = n = = PN是每個(gè)位置周期所含有的信號(hào)脈沖數(shù)，適用于低速運(yùn)行時(shí)的測(cè)速，高速時(shí)每個(gè)位置周期的時(shí)鐘脈沖數(shù)m2小，測(cè)得的精度較低3.M/T法綜合了以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，既可在低速段可靠的測(cè)速，又在高速段具備較高的分辨能力，因此在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有很好的檢測(cè)精度。即在稍大于規(guī)定時(shí)間Tc的某一時(shí)間Td內(nèi)，分別對(duì)位置信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)m1和高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m

9、2進(jìn)行計(jì)數(shù)。于是：n = 由于調(diào)速關(guān)系本文采用M/T法測(cè)速以使測(cè)速的準(zhǔn)確性，即在100個(gè)PWM周期內(nèi)電機(jī)所轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，n = 60m1其中f = 100,m2 = 100,PN = 13、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（芯片的選取、原理圖等）1. 續(xù)流二極管IN4002PLC、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等等設(shè)備的晶體管輸出，如果要連接感性負(fù)載（例如中間繼電器），一定不要搞忘接一個(gè)反向的續(xù)流二極管。當(dāng)輸出斷開時(shí)，繼電器線圈兩端會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，如果沒(méi)有續(xù)流二極管，產(chǎn)生的電壓可能高于輸出晶體管的反向擊穿電壓。筆者實(shí)測(cè)，HH54P那樣的微型中間繼電器線圈回路斷開時(shí)產(chǎn)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(guò)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(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)電路得名于“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。H橋電路的“H”的意思是它實(shí)際電路在電路圖上是一個(gè)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(jī)的呢,舉個(gè)例子：你手里拿著一節(jié)電池，用導(dǎo)線將馬達(dá)和電池兩端對(duì)接，馬達(dá)就轉(zhuǎn)動(dòng)了；然后如果你把電池極性反過(guò)來(lái)會(huì)怎么樣呢？沒(méi)有錯(cuò)，馬達(dá)也反著轉(zhuǎn)了。如圖：圖3-6 電機(jī)反轉(zhuǎn)圖3-5電機(jī)正轉(zhuǎn)當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)電流從左上方流過(guò)電機(jī)流向右下

11、方，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向認(rèn)為正轉(zhuǎn)的話；當(dāng)Q2和Q3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)電流從右向上方流過(guò)電機(jī)流向左下方，電機(jī)反轉(zhuǎn)。注意：千萬(wàn)不能將同一側(cè)的兩個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)燒壞電路。如果你將兩個(gè)高位電路或者兩個(gè)低位電路同時(shí)接通，你的馬達(dá)會(huì)自動(dòng)制動(dòng)。這是因?yàn)楫?dāng)沒(méi)有電源供給時(shí)，馬達(dá)在自由轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下是處于發(fā)電狀態(tài)，同位的電路接通，相當(dāng)于將馬達(dá)的兩端“短接”，那么馬達(dá)會(huì)因?yàn)槎搪范喈?dāng)與接了一個(gè)無(wú)限大功率的電爐即一個(gè)很大的負(fù)載，所以馬達(dá)就會(huì)產(chǎn)生“電”制動(dòng)；當(dāng)你把馬達(dá)兩端懸空后，它就恢復(fù)自由了。圖3-7 加入二極管的H橋?yàn)榱艘员苊怦R達(dá)的反電動(dòng)勢(shì)的危害，我們?nèi)匀恍枰诰w管兩端接二極管，因?yàn)轳R達(dá)線圈在電路開閉瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)

12、通過(guò)會(huì)高過(guò)電源，這樣對(duì)晶體管和電路會(huì)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(nèi)置兩個(gè)H橋，每個(gè)橋提供1A的額定工作電流，和最大3A的峰值電流。它能驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)不超過(guò)可樂(lè)罐大小。 圖3-8 H橋驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)3.脈沖信號(hào)的獲得圖3-14 3144實(shí)物圖霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于開關(guān)信號(hào)采集的有CS3020、CS3040、OH3144等，這種傳感器是一個(gè)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(duì)準(zhǔn)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(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出11。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路顯示電路4、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（程序流程圖的設(shè)計(jì)）中斷初始化外部中斷0.上升沿有效定時(shí)中斷中斷0定時(shí)01ms.霍爾測(cè)速產(chǎn)生pwm波顯示速度電機(jī)控制5、 系統(tǒng)仿真結(jié)果仿真軟件選擇Proteus ，在Proteus

14、中畫出系統(tǒng)電路圖，當(dāng)程序在Keil C中調(diào)試通過(guò)后，會(huì)生成以hex為擴(kuò)展名的文件，這就是使系統(tǒng)能夠在Proeus中成功進(jìn)行仿真的文件。將些文件加載到單片機(jī)仿真系統(tǒng)中，驗(yàn)證是否能完成對(duì)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)。若不成功，則重新回到軟件調(diào)試步驟，進(jìn)行軟件調(diào)試。找出錯(cuò)誤所在，更正后重新運(yùn)行系統(tǒng)。硬件仿真電路的設(shè)計(jì)完全按照論文設(shè)計(jì)方案進(jìn)行。在仿真的過(guò)程中也遇到了很多問(wèn)題，比如元件選擇、電路設(shè)計(jì)等，在元件選擇方面，有的芯片是我以前學(xué)習(xí)的時(shí)候所沒(méi)有遇到過(guò)的，所以在尋找和使用的過(guò)程中也遇到很多麻煩，但經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)和仿真提供了良出的基礎(chǔ)。

15、另外，在進(jìn)行仿真的時(shí)候，也經(jīng)常出現(xiàn)程序沒(méi)有錯(cuò)誤了，但是仿真通不過(guò)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(wèn)題都出在這。經(jīng)過(guò)這段時(shí)間的努力，使我對(duì)仿真軟件以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路有了更深一步的認(rèn)識(shí)，也為系統(tǒng)的成功奠定了基礎(chǔ)6、 系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試雖說(shuō)在protues上仿真時(shí)能正常運(yùn)行了，硬件的制作完成后，結(jié)合硬件又發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題。(1) 因?yàn)閱纹瑱C(jī)的問(wèn)題，使復(fù)位電路上的電容燒壞，單片機(jī)運(yùn)行出錯(cuò)。(2) 因?yàn)槌绦蛩惴▎?wèn)題，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)顯示跳動(dòng)情況。（采取多次取值濾波）(3) 按鍵問(wèn)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(jié)論從原理圖的設(shè)計(jì)，電路板的焊接到寫課程設(shè)計(jì)論文，在這個(gè)過(guò)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(shè)計(jì)給我最大的體會(huì)就是有很多東西如果不是自己親自動(dòng)手，只在書本上是學(xué)不到的，設(shè)計(jì)初期要考慮周到，否則后期會(huì)帶來(lái)很多不必要的麻煩。雖然可能會(huì)多花一些時(shí)間，但這比空想要有效的多。做事情一定要細(xì)心，更要耐心，遇到問(wèn)題要慢慢去檢查，然后仔細(xì)分析后再解決；除此之外，還要有合作精神，注重團(tuán)隊(duì)合作，和合作者一起做，相互鼓勵(lì)，互相彌補(bǔ)不足之處，很多難點(diǎn)的突破都來(lái)自于與同學(xué)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(shè)計(jì)把理論應(yīng)用到了實(shí)踐中，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)，也加深了自己對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，在解決困難的過(guò)程中，獲得了許多專業(yè)方面的知識(shí),拓展了視野。提高了理論水平和實(shí)際的動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)了解決問(wèn)題的方法，激發(fā)了我們的探索精神。這樣的課程設(shè)計(jì)是很好的鍛煉機(jī)會(huì),通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使我深入了解到課程設(shè)計(jì)在大學(xué)學(xué)習(xí)的重要性，課程設(shè)計(jì)增強(qiáng)了我們的實(shí)踐動(dòng)手能力，也為大四后學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)7.1主要書目：電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 浙江科學(xué)技術(shù)出版社 李青 總主編電路電子實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 中國(guó)計(jì)量學(xué)院電工電子實(shí)驗(yàn)中心機(jī)電工程訓(xùn)練教程電子技術(shù)實(shí)訓(xùn) 清華大學(xué)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(jī)原理.接口技術(shù)及應(yīng)用（含C51） 主編 楊學(xué)昭 王云東西安電子科技大學(xué)出版社電子技術(shù)基礎(chǔ)（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(shí)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(!