控制的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計duiqng

1、設(shè)計題目：PWM控制的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1、前言近年來，隨著科技的進步，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機得到了越來越廣泛的應(yīng)用。直流它具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣;過載能力大,能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn);需要能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，從而對直流電機的調(diào)速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠遠不能滿足要求，這時通過PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法應(yīng)運而生。采用傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下缺陷：模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了PWM技術(shù)后，避免了以

2、上的缺陷，實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流,低速特性好；同樣,由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動態(tài)抗干擾能力強,可以獲得很寬的頻帶;開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗小,裝置效率高。PWM 具有很強的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟等特點。2、系統(tǒng)設(shè)計原理脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，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，其效果基本相同，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度

3、不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(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。直流電動機的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為（1）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(dǎo)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，只要改變其中一個參量，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，所以直流電動機有三種基本調(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)改變勵磁磁通。4、方案選擇及論證 4.1、

4、方案選擇4.1.1、改變電樞回路電阻調(diào)速可以通過改變電樞回路電阻來調(diào)速，此時轉(zhuǎn)速特性公式為n=U-【I(R+Rw)】/Ke（2）式中Rw為電樞回路中的外接電阻（）。當(dāng)負(fù)載一定時，隨著串入的外接電阻Rw的增大，電樞回路總電阻R=(Ra+Rw)增大，電動機轉(zhuǎn)速就降低。Rw的改變可用接觸器或主令開關(guān)切換來實現(xiàn)。這種調(diào)速方法為有級調(diào)速，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在這種調(diào)速方法已極少采用，本次設(shè)計不采用。4.1.2、改變勵磁電流調(diào)速當(dāng)電樞電壓恒定時，改變電動機的勵磁電流也能實現(xiàn)調(diào)速。由式1-1可看出，電動機的轉(zhuǎn)速與磁通（也就是勵磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時，轉(zhuǎn)速n升高；反之，則n降

5、低。與此同時，由于電動機的轉(zhuǎn)矩Te是磁通和電樞電流Ia的乘積（即Te=CTIa），電樞電流不變時，隨著磁通的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動機磁通的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時，電動機始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動機的容量能得到充分利用，通常只是在電動機基速以上調(diào)速時才采用這種調(diào)速方法。本次設(shè)計不采用。4.1.3、采用PWM控制的調(diào)速方法圖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的管壓降，這期間電源電壓Ud全部加到電樞上)，

6、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(dǎo)通時間的比率，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，因而電樞電壓平均值Ua的調(diào)節(jié)范圍為0Ud，均為正

7、值，即電動機只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。當(dāng)需要電動機在正、反向兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)，即可逆調(diào)速時，就要使用圖12a所示的橋式(或稱H型)降壓斬波電路。 在圖2a中，晶體管V1、V4是同時導(dǎo)通同時關(guān)斷的，V2、V3也是同時導(dǎo)通同時關(guān)斷的，但V1與V2、V3與V4都不允許同時導(dǎo)通，否則電源Ud直通短路。設(shè)V1、V4先同時導(dǎo)通T1秒后同時關(guān)斷，間隔一定時間(為避免電源直通短路。該間隔時間稱為死區(qū)時問)之后，再使V2、V3同時導(dǎo)通T2秒后同時關(guān)斷，如此反復(fù)，則電動機電樞端電壓波形如圖2b所示。圖2 橋式PWM降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形a)原理圖 b)輸出電壓波形電動機電樞端電壓的平均值為 (

8、4)由于01，Ua值的范圍是 -Ud+Ud，因而電動機可以在正、反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。 圖3給出了兩種PWM斬波電路的電樞電壓平均值的特性曲線。圖3兩種斬波器的輸出電壓特性4.2、元器件的選擇比較、基于IGBT和 MOSFET功率管的驅(qū)動電路設(shè)計的比較IGBT驅(qū)動電路能驅(qū)動大型的功率設(shè)備，但價格高。MOSFET能驅(qū)動較大的功率設(shè)備，價格比IGBT低很多。本課程設(shè)計是驅(qū)動小功率直流電動機，可以用IGBT和 MOSFET功率管的驅(qū)動電路設(shè)計。但電動機功率僅為100W，所以本課程設(shè)計采用MOSFET管來進行控制。功率場效應(yīng)管(MOSFET)與雙極型功率相比具有如下特點：1場效應(yīng)管(MOSFET)是電壓

9、控制型器件(雙極型是電流控制型器件)，因此在驅(qū)動大電流時無需推動級，電路較簡單；2輸入阻抗高，可達108以上；3工作頻率范圍寬，開關(guān)速度高(開關(guān)時間為幾十納秒到幾百納秒)，開關(guān)損耗?。?有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且場效應(yīng)管(MOSFET)的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作Hi-Fi音響；5功率場效應(yīng)管(MOSFET)可以多個并聯(lián)使用，增加輸出電流而無需均流電阻。、 89S52單片機52單片機價格便宜，使用簡單、方便，功能較齊全，能夠達到控制本電路的要求。所本本課程設(shè)計采用89S52單片機。、光耦隔離開關(guān)光耦隔離開關(guān)是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼

10、體內(nèi)，中間通過電光電的轉(zhuǎn)換來傳輸電信號的半導(dǎo)體光電子器件。光耦以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強的特點。采用光耦隔離可以很好地實現(xiàn)弱電和強電的隔離，達到抗干擾目的。、 7805穩(wěn)壓管7805能使輸入電壓（正常條件7-25伏）轉(zhuǎn)化為5伏左右輸出，供光耦隔離開關(guān)發(fā)光部分及單片機等供電。價格便宜，使用方便。IRF740MOSFET功率管1管腳（G）接輸入信號，2管腳（s）接地，3管腳（D）接電壓源。圖4 IRF740示意圖圖5 IRF740主要參數(shù)、 直流電機參數(shù)額定轉(zhuǎn)速1600r/min，額定電壓220V。5、系統(tǒng)電路總設(shè)計圖6總體電路原理圖本次課

11、程設(shè)計采用定頻調(diào)寬法：T1+T2保持一定，使T1在0T范圍內(nèi)變化來改變a的值從而達到調(diào)壓的目的。以89S51單片機系統(tǒng)和7805穩(wěn)壓電源系統(tǒng)以及光電耦合MOSFET部分組成。由鍵盤K1和K2發(fā)出指令，單片機處理后經(jīng)P26口發(fā)出矩形波，通過占空比的調(diào)節(jié)達到電機調(diào)速的目的。當(dāng)按下key1按鍵時，IRF740MOSFET功率管1腳的高電平占空比增大，電樞電壓增大，電機轉(zhuǎn)速增大；當(dāng)按下key2按鍵時，IRF740MOSFET功率管1腳的高電平占空比減小，電樞電壓減小，電機轉(zhuǎn)速減小。從而通過單片機達到簡單調(diào)速的目的。5.1、單片機最小系統(tǒng)部分圖7 最小單片機系統(tǒng)本次設(shè)計中主要應(yīng)用了89S51單片機，由最

12、小單片機系統(tǒng)組成，并將單片機的P26口作為輸出口，輸出占空比不同的矩形波，供給后續(xù)驅(qū)動電路部分，在單片機的外圍擴展了兩個按鍵，K1作為加速按鍵，K2作為減速按鍵，進行調(diào)速控制。5.2、驅(qū)動電路部分圖8驅(qū)動電路驅(qū)動部分主要由用的光電耦合器和MOSFET組成，由單片機的P26口提供的信號，P26當(dāng)為高電平時，發(fā)光管導(dǎo)通，光電耦合器輸出低電平，MOSFET關(guān)閉，回路關(guān)閉。當(dāng)P26口為低電平時，發(fā)光管關(guān)閉，光電耦合器輸出為高電平，MOSFET打開，回路導(dǎo)通。5.3、電源部分圖9電源電路電源部分采用的是三端穩(wěn)壓器7805，輸入由AC-DC變壓器提供+9V直流電，經(jīng)7805穩(wěn)壓，由電容濾波，輸出+5V電壓

13、，為單片機提供工作電源。實驗數(shù)據(jù)記錄 答辯時得知數(shù)據(jù)有偏差，但確實為實驗實測數(shù)據(jù)。附錄有圖。轉(zhuǎn)速和電壓的關(guān)系序號1234轉(zhuǎn)速（VPM）11931073906717電壓（V）169152.3129.1102.46、硬件調(diào)試過程由于我在實習(xí)的緣故，調(diào)試過程主要由葉秋平完成，調(diào)試的過程中得到了楊成安同學(xué)的大力幫助，調(diào)試工程中出現(xiàn)了一個問題：電機轉(zhuǎn)速快，不能調(diào)速。經(jīng)過大家商量，大致的調(diào)試步驟如下：用示波器檢測檢查電路1.使用按鍵，示波器檢測MOSFET功率管1腳，發(fā)現(xiàn)其占空比能改變。2.檢測P2.6，光耦隔離開關(guān)發(fā)射端A腳，接受端C腳，波形正常。然后檢測MOSFET功率管1腳的波形，發(fā)現(xiàn)其低電平為1v

14、左右,高電平為13v左右。3.最后猜想可能是1V的電平也可能使MOSFET功率管導(dǎo)通，于是減小MOSFET功率管3腳的電壓，把其改為5V。用示波器測量1腳電壓，顯示方波的低電平為0.2v左右,高電平5v左右。最后按下按鍵能控制電機轉(zhuǎn)速。原因分析：MOSFET功率管3腳的輸入電壓過高時,在前面電路的影響下其低電平電壓會偏高，從而導(dǎo)通IRF740MOSFET功率管。解決方法：降低MOSFET功率管3腳的輸入電壓，可降至5V7、設(shè)計總結(jié)體會這一次的課程設(shè)計讓我學(xué)到了不少的東西，由于有前幾次的經(jīng)驗，這次課程設(shè)計應(yīng)該來說還是比較順利的，由于我和胡佳春在實習(xí)，平時比較忙，許多準(zhǔn)備工作都是*在做，自己對課程

15、設(shè)計所花時間不多，以至于給后面的答辯和論文寫作方面帶來了很多的麻煩。從原理圖的設(shè)計，電路板的焊接到寫課程設(shè)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(shè)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(xué)不到的，設(shè)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(xì)心，更要耐心，遇到問題要慢慢去檢查，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(xué)的交流，交流使自己獲得更多信息，開拓了思路，

16、這樣很多事情就成了。本次設(shè)計把理論應(yīng)用到了實踐中，同時通過設(shè)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(xué)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(shè)計是很好的鍛煉機會,通過實驗設(shè)計使我深入了解到課程設(shè)計在大學(xué)學(xué)習(xí)的重要性，課程設(shè)計增強了我們的實踐動手能力，也為大四后學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。8、參考文獻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 總主編電路電子實驗指導(dǎo)書 中國計量學(xué)院電工電子實驗中心機電工程訓(xùn)練教程電子技術(shù)實訓(xùn) 清華大學(xué)出版社朱朝霞 主編 楊

17、其華 主審7.2另外從互聯(lián)網(wǎng)下載了部分圖片及資料9、程序9.1、程序設(shè)計思想當(dāng)按key1鍵時，電壓升高，轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)按key2鍵時，電壓下降，轉(zhuǎn)速下降;定時器1中斷用來產(chǎn)生周期為1ms的脈寬信號，定時器每次中斷后改變下一次的定時設(shè)置，設(shè)置值由按鍵決定，按key1，高脈寬定時時間加大，按key2，低脈寬定時時間增大，每次變化10uS。9.2、程序框圖N初始化，周期T=20ms，高電平T0=10ms判斷是否有按鍵按下開始T0增加或減少1ms，改變占空比Y9.3、程序代碼ORG0000HAJMPMAINORG001BHAJMPINTT1ORG0100HMAIN:MOV60H,#0FEH/存放高電平的

18、脈寬時間，定時500usMOV61H,#0CHMOV62H,#0FEHMOV63H,#0CH/存放低電平的脈寬時間，定時500us，剛開始時，高低電平各為50，此時電壓為輸入電壓的一半，電機此時的轉(zhuǎn)速為最低。調(diào)速設(shè)定為向上調(diào)節(jié)，即按加鍵時轉(zhuǎn)速上升，此時按減鍵，轉(zhuǎn)速不變。CLRP2.0MOVTMOD,#10H/定時器1用來產(chǎn)生脈寬，周期固定為1mS，MOVTH1,60HMOVTL1,61HSETBEASETBET1SETBPT1SETBTR1SETBP2.6READKEY:SETBP1.2CLRP1.0JNBP1.2,DELAYJNBP1.3,DELAYAJMPREADKEYDELAY:LCAL

19、LDL10MS;去抖SETBP1.2CLRP1.0JNBP1.2,HAVEKEY1 /假設(shè)電路板接兩個鍵，分別為key1和key2，key1為脈寬增加，key2為脈寬減小JNBP1.3,HAVEKEY2AJMPREADKEYHAVEKEY1:MOVA,61H/是加鍵，60H61H值減小，高電平脈寬增加，62H63H值增大，低電平時間減小CLRCSUBBA,#0AHMOV61H,AMOVA,60HSUBBA,#00HMOV60H,ACLRCMOVA,63HADDA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HADDCA,#00HMOV62H,AMOVR2,60HMOVR3,61HMOVR6,#0FC

20、HMOVR7,#18HLCALLNSUB1JNCCONTINUMOV60H,#0FCH/超出調(diào)速范圍，即高脈寬大于1ms溢出了，則保持此數(shù)值MOV61H,#18HMOV62H,#0FFHMOV63H,#0FBHCONTINU:AJMPNOTXSHAVEKEY2:MOVA,63H/是減鍵，60H61H值增加，高電平脈寬減小，62H63H值減小，低電平時間增大CLRCSUBBA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HSUBBA,#00HMOV62H,ACLRCMOVA,61HADDA,#0AHMOV61H,AMOVA,60HADDCA,#00HMOV60H,AMOVR2,62HMOVR3,63HMOVR6,#0FDH;#0FCH /考慮到低電平過多，電壓很低，電機無法運行，所以設(shè)定低電平最長保持70