PWM控制的直流电动机调速系统设计Word下载.docx

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过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;

需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。

采用传统的调速系统主要有以下缺陷：

模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。

另外，由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；

同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;

开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。

PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。

2、设计要求及组内分工

2.1设计要求

（1）根据电机与拖动实验室提供的直流电动机，设计基于PWM的电动机调速方案。

（2）选用合适的功率器件，设计电动机的驱动电路。

（3）设计PWM波形发生电路，使能通过按键对电机转速进行调节，要求至少有两个速度控制按键，其中一个为加速键（每按一次，使电机转速增加）；

另一个为减速键，功能与加速键相反。

（4）撰写课程设计报告。

2.2组内分工

（1）负责直流电动机调速控制硬件设计及电路焊接：

主要由胡佳春和叶秋平完成

（2）负责调速控制软件编写及调试：

主要由朱健和叶秋平完成

（3）撰写报告：

主要由胡佳春和朱健完成

3、系统设计原理

脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需

要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为

（1）

式中Ua——电枢供电电压（V）；

Ia——电枢电流（A）；

Ф——励磁磁通（Wb）；

Ra——电枢回路总电阻（Ω）；

CE——电势系数，，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。

由式

（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：

（1）改变电枢回路总电阻Ra；

；

（2）改变电枢供电电压Ua；

（3）改变励磁磁通Ф。

4、方案选择及论证

4.1、方案选择

4.1.1、改变电枢回路电阻调速

可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为

n=U-【I（R+Rw）】/KeФ

（2）

式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。

当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=（Ra+Rw）增大，电动机转速就降低。

Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。

这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在这种调速方法已极少采用，本次设计不采用。

4.1.2、改变励磁电流调速

当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。

由式1-1可看出，电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；

反之，则n降低。

与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积（即Te=CTФIa），电枢电流不变时，随着磁通Ф的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。

所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通Ф的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。

在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。

为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才

采用这种调速方法。

本次设计不采用。

4.1.3、采用PWM控制的调速方法

图1为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。

在图1a中，假定晶体

管V1先导通T1，秒（忽略V1的管压降，这期间电源电压Ud全部加到电枢上），然后关断T2秒（这期间电枢端电压为零）。

如此反复，则电枢端电压波形如图1b中所示。

电动机电枢端电压Ua为其平均值。

图1PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形

a）原理图b）输出电压波形

（3）

式（3）中

（4）

为一个周期T中，晶体管V1导通时间的比率，称为负载率或占空比。

使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变

的值，从而达到调压的目的：

（1）定宽调频法：

T1保持一定，使T2在0～∞范围内变化；

（2）调宽调频法：

T2保持一定，使T1在0～∞范围内变化

（3）定频调宽法：

T1+T2=T保持一定，使T，在0～T范围内变化。

不管哪种方法，

的变化范围均为0≤

≤l，因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0～Ud，均为正值，即电动机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。

当需要电动机在正、反向两个方向调速运转，即可逆调速时，就要使用图1—2a所示的桥式（或称H型）降压斩波电路。

在图2a中，晶体管V1、V4是同时导通同时关断的，V2、V3也是同时导通同时关断的，但V1与V2、V3与V4都不允许同时导通，否则电源Ud直通短路。

设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间（为避免电源直通短路。

该间隔时间称为死区时问）之后，再使V2、V3同时导通T2秒后同时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图2b所示。

图2桥式PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形

a）原理图b）输出电压波形

电动机电枢端电压的平均值为

由于0≤

≤1，Ua值的范围是-Ud～+Ud，因而电动机可以在正、反两个方向调速运转。

图3给出了两种PWM斩波电路的电枢电压平均值的特性曲线

。

图3两种斩波器的输出电压特性

4.2、元器件的选择比较

4.2.1、基于IGBT和MOSFET功率管的驱动电路设计的比较

IGBT驱动电路能驱动大型的功率设备，但价格高。

MOSFET能驱动较大的功率设备，价格比IGBT低很多。

本课程设计是驱动小功率直流电动机，可以用IGBT和MOSFET功率管的驱动电路设计。

但电动机功率仅为100W，所以本课程设计采用MOSFET管来进行控制。

功率场效应管（MOSFET）与双极型功率相比具有如下特点：

　　1．场效应管（MOSFET）是电压控制型器件（双极型是电流控制型器件），因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；

　　2．输入阻抗高，可达108Ω以上；

　　3．工作频率范围宽，开关速度高（开关时间为几十纳秒到几百纳秒），开关损耗小；

　　4．有较优良的线性区，并且场效应管（MOSFET）的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；

噪声也小，最合适制作Hi-Fi音响；

　　5．功率场效应管（MOSFET）可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。

4.2.2、89S52单片机

52单片机价格便宜，使用简单、方便，功能较齐全，能够达到控制本电路的要求。

所本本课程设计采用89S52单片机。

4.2.2、光耦隔离开关

光耦隔离开关是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。

光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。

采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。

4.2.3、7805稳压管

7805能使输入电压（正常条件7-25伏）转化为5伏左右输出，供光耦隔离开关发光部分及单片机等供电。

价格便宜，使用方便。

4.2.4IRF740MOSFET功率管

1管脚（G）接输入信号，2管脚（s）接地，3管脚（D）接电压源。

图4IRF740示意图图5IRF740主要参数

4.2.5、直流电机参数

额定转速1600r/min，额定电压220V。

5、系统电路总设计

图6总体电路原理图

本次课程设计采用定频调宽法：

T1+T2保持一定，使T1在0～T范围内变化来改变a的值从而达到调压的目的。

以89S51单片机系统和7805稳压电源系统以及光电耦合MOSFET部分组成。

由键盘K1和K2发出指令，单片机处理后经P26口发出矩形波，通过占空比的调节达到电机调速的目的。

当按下key1按键时，IRF740MOSFET功率管1脚的高电平占空比增大，电枢电压增大，电机转速增大；

当按下key2按键时，IRF740MOSFET功率管1脚的高电平占空比减小，电枢电压减小，电机转速减小。

从而通过单片机达到简单调速的目的。

5.1、单片机最小系统部分

图7最小单片机系统

本次设计中主要应用了89S51单片机，由最小单片机系统组成，并将单片机的P26口作为输出口，输出占空比不同的矩形波，供给后续驱动电路部分，在单片机的外围扩展了两个按键，K1作为加速按键，K2作为减速按键，进行调速控制。

5.2、驱动电路部分

图8驱动电路

驱动部分主要由用的光电耦合器和MOSFET组成，由单片机的P26口提供的信号，P26当为高电平时，发光管导通，光电耦合器输出低电平，MOSFET关闭，回路关闭。

当P26口为低电平时，发光管关闭，光电耦合器输出为高电平，MOSFET打开，回路导通。

5.3、电源部分

图9电源电路

电源部分采用的是三端稳压器7805，输入由AC-DC变压器提供+9V直流电，经7805稳压，由电容滤波，输出+5V电压，为单片机提供工作电源。

实验数据记录

答辩时得知数据有偏差，但确实为实验实测数据。

附录有图。

转速和电压的关系

序号

1

2

3

4

转速（VPM）

1193

1073

906

717

电压（V）

169

152.3

129.1

102.4

6、硬件调试过程

由于我在实习的缘故，调试过程主要由叶秋平完成，调试的过程中得到了杨成安同学的大力帮助，调试工程中出现了一个问题：

电机转速快，不能调速。

经过大家商量，大致的调试步骤如下：

用示波器检测检查电路

1.使用按键，示波器检测MOSFET功率管1脚，发现其占空比能改变。

2.检测P2.6，光耦隔离开关发射端A脚，接受端C脚，波形正常。

然后检测MOSFET功率管1脚的波形，发现其低电平为1v左右,高电平为13v左右。

3.最后猜想可能是1V的电平也可能使MOSFET功率管导通，于是减小MOSFET功率管3脚的电压，把其改为5V。

用示波器测量1脚电压，显示方波的低电平为0.2v左右,高电平5v左右。

最后按下按键能控制电机转速。

原因分析：

MOSFET功率管3脚的输入电压过高时,在前面电路的影响下其低电平电压会偏高，从而导通IRF740MOSFET功率管。

解决方法：

降低MOSFET功率管3脚的输入电压，可降至5V

7、设计总结体会