可逆直流PWM調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真與設計

1、摘要直流電機具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，它的特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范 圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。本文設計的直流電機調(diào)速系統(tǒng)，主要用proteus仿真，實現(xiàn)電機的加減速和正反轉(zhuǎn) 以及控制超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差等要求。采用L298N芯片來設計電機驅(qū)動電路。用LM331來 實現(xiàn)電壓頻率轉(zhuǎn)換。在仿真中加上PI調(diào)節(jié)和三角波比較環(huán)節(jié)來進行直流PWM調(diào)速控制 系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：直流電機；調(diào)速控制系統(tǒng)；驅(qū)動電路。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 摘要I目錄II HYPERLINK l bookmark10 o

2、 Current Document 1前言12設計基本內(nèi)容12.1設計題目1 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 2.2主要內(nèi)容1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.3具體要求13電路設計 23.1設計基本框圖2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.2電機正反轉(zhuǎn)模塊2 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 3.3電機加減速模塊33.4驅(qū)動電路模塊33.5頻電轉(zhuǎn)換模塊5 HYPERLINK l bo

3、okmark39 o Current Document 3.6PI調(diào)節(jié)及三角波比較模塊7 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 4仿真結(jié)果7 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 5總結(jié)體會9 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 參考文獻10 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 致謝11仿真原理圖121 前言電動機作為最主要的動力源和運動源之一，在生產(chǎn)和生活中占有十分重要的地位。 電動機的調(diào)速控制方法過去多用

4、模擬法，隨著單片機的產(chǎn)生和發(fā)展以及新型自關(guān)斷元器 件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制也發(fā)生了深刻的變化。直流電動機控制技術(shù)是一項以直流電動機作為機械本體，融入了電力電子技術(shù)、微 電子技術(shù)、單片機控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的多學科交叉機電一體化技術(shù)。單片機在電動 機控制中的應用使調(diào)速系統(tǒng)具有了數(shù)值運算、邏輯判斷及信息處理的功能。自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬 調(diào)制的控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系 統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：主電路線路非常 簡單，需要用到的功率器件比較少；開關(guān)頻率比較高，電機損耗

5、及發(fā)熱都比較少，電流 很容易連續(xù)，并且諧波少；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗比較小，裝置效率 比較高；低速性能比較好，調(diào)速范圍比較寬，穩(wěn)速精度比較高；若與快速響應的電動機 配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應比較快，動態(tài)抗干擾能力強；直流電源采用不控整流時， 電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由于有上述優(yōu)點，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應用日益廣泛，特別是在中、小容量的高 動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng)，這是我們選取它作為研究對象的重要 原因。2設計基本內(nèi)容2.1設計題目可逆直流PWM調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真與設計（電源采用直流電源L298N）2.2主要內(nèi)容控制算法采用PI,完成滿足一定性能指標的直流P

6、WM調(diào)速控制系統(tǒng)的方案設計。 在此基礎(chǔ)上，應用集成開發(fā)工具proteus并結(jié)合電學知識完成相應調(diào)速控制與功放系統(tǒng) 的電路原理設計與仿真。2.3具體要求利用protus完成控制系統(tǒng)與功放系統(tǒng)的電路原理設計，并用protus仿真：（1）單位階躍響應的超調(diào)量小于20%；（2）穩(wěn)態(tài)誤差為0；利用proteus完成控制系統(tǒng)與功放系統(tǒng)的電路原理設計，并利用proteus仿 真；仿真能實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，加減速。3 .電路設計3.1設計基本框圖總體流程圖電路圖中驅(qū)動電路模塊中采用L298N芯片，頻電轉(zhuǎn)換電路中采用LM331芯片。PI調(diào)節(jié) 器用來調(diào)節(jié)誤差。3.2電機正反轉(zhuǎn)模塊在圖中SW2為正轉(zhuǎn)按鍵，SW3為反轉(zhuǎn)

7、按鍵。將SW2和SW3分別接在來L298N的 輸入端1（IN1）和輸入端2（IN2）分別控制電機的正反轉(zhuǎn)。3.3電機加減速模塊L298是SGS（通標標準技術(shù)服務有限公司） 封裝的L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動 即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。CUHKLNl StMSlMGBOUTPUT OUTPUTSINFUT4LNAL1LL 日INPUTSLOGIC SUPPLY VOLTAGE vbSGMDihipin- 2LNABLL AINPUT JSUPPLY VQLTAOt VsXJTPUT2CftJWT 1CUFURLNT

8、 SEtMSHNG A散熱片與8腳連通L298N的引腳排列圖L298N的引腳9為LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss，即邏輯供應電壓。引腳4為SUPPLY VOLTAGE Vs，即驅(qū)動部分輸入電壓。Vss電壓要求輸入最小電壓為4.5V，最大可達36V； Vs電壓最大值也是36V，但經(jīng)過我的實驗，Vs電壓應該比Vss電壓高，否則有時會出 現(xiàn)失控現(xiàn)象。它的引腳2, 3，13，14為L298N芯片輸入到電動機的輸出端，其中引腳 2和3能控制兩相電機，對于直流電動機，即可控制一個電動機。同理，引腳13和14 也可控制一個直流電動機。引腳6和11腳為電動機的使能接線腳。引腳5, 7, 10，

9、12 為單片機輸入到L298N芯片的輸入引腳。EN A （B）IN1 （IN3）IN2 （IN4）電機運行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同 IN2CIN4）同 INKIN3）快速停止LXX停止L298N使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系表控制使能引腳ENA或者ENB就可以實現(xiàn)PWM脈寬速度調(diào)整。1腳和15腳可單獨引 出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，也可以直接接地。在可設計中就將它們直 接接地。L298N是內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器可驅(qū)動46v,2A以下電 機,1和15腳可單獨引出接電流采樣電阻器,形成電流傳感信號.接錯無法控制電機.引腳8 為芯片的接地引腳，它與L298N芯片

10、的散熱片連接在一起。由于本芯片的工作電流比 較大，發(fā)熱量也比較大，所以在本芯片的散熱片上又連接了一塊鋁合金，以增大它的散 熱面積。根據(jù)L298N工作原理及管腳特性可以連接電機的驅(qū)動電路如下圖：3.5頻電轉(zhuǎn)換電路LM331是美國NS公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成 芯片，可用作精密頻率電 壓轉(zhuǎn)換器、A/ D轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時間積分器及其他相關(guān)器件。 LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V 電源電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達100dB ;線性度好，最 大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性；變換精度高,

11、數(shù) 字分辨率可達12位；外接電路簡單,只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F或 F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。2引腳號引腳名功能OIRREST | 叫腳72-明1Current Output電流輸出韭FE心毛2CUKKEHT喚陽yi OUTPUT2_ COMPARATOR2Ref Current基準電流:LJ331IKPin3Frequency Output頻率輸出tHESffilJO&4-GND接地_5RJC接RC定時電路掀LM招1南楷髀圖/ -6Thresholod闞值nDJ331器件管腳囹07Comparator Input比粒輸入8VS電源nLM331管腳器件管腳圖及管腳功能

12、電路中的電頻轉(zhuǎn)換圖在這一部分將電機輸出的轉(zhuǎn)速也就是電流頻率通過電頻轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓，在送回到 PI調(diào)節(jié)中，與給定值電壓相比較。3.6 PI調(diào)節(jié)及三角波比較模塊在這部分中，PID調(diào)節(jié)中，設置參數(shù)P=10，I=5,D=0。三角波發(fā)生器中頻率調(diào)節(jié)為60， 幅值調(diào)節(jié)為5.1。4仿真結(jié)果在給定輸入值為1的情況下，仿真結(jié)果如下圖：5總結(jié)體會本次是對可逆直流PWM調(diào)速控制系統(tǒng)設計與仿真，要求能實現(xiàn)控制電機的正反 轉(zhuǎn)和加減速，以及單位階躍響應的超調(diào)量小于20%和穩(wěn)態(tài)誤差為0等要求。通過本次設計，使我能夠充分的把握理論與實踐的結(jié)合。在這次設計中，我了 解了 L298N芯片及其驅(qū)動電路，LM331及其電壓頻率轉(zhuǎn)

13、換電路的知識。在本設計中 我們不但要運用電機理論知識，還要充分運用proteus、電路、電力電子等方面的 知識，使我們所學過的知識進行綜合的應用。增強了我對所學知識進行綜合應用的 能力，從而達到學以致用的目的。通過這次設計我擴展了知識面，各門課程綜合應用，收益頗多，使我對直流調(diào) 速系統(tǒng)的控制有了更深的認識。但由于理論水平有限，仍有許多不足之處有待解決。 總之，在設計過程中，我不僅在知識上有了進一步的鞏固，而且學會了獨立的去發(fā) 現(xiàn)、面對、分析、解決新問題的能力，在學到了知識的同時，又鍛煉了自己的能力， 使我受益匪淺。參考文獻黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計算及仿真M.北京：國防工業(yè)出版社，2004R.C.多爾夫.現(xiàn)代控制系統(tǒng)（英文版 第十版）M.北京：科學出版社，2005董景新.控制工程基礎(chǔ)M.北京：清華大學出版社，2003張世銘，王振和.直流調(diào)速系統(tǒng)M.武漢:華中理工大學出版社.2008馮清秀，鄧星鐘.機電傳動控制（第五版）.武漢：華中科技大學出版社.2012陳伯石.電力拖動自動控制系統(tǒng)M.北京：機械工業(yè)出版社，2003.張靖武.單片機系統(tǒng)的PROTEUS設計與仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，