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pwm调速系统

摘要

本论文主要介绍了PWM波直流调速系统的设计过程,介绍了直流伺服系统的发展及趋势。

本调速系统是包括硬件和软件部分，由转速调节器和电流调节器构成双闭环调速系统。

基于8031单片机的控制，使电路简单可靠。

关键词PWM单片机集成芯片

PWMD.C.SpeedRegulationSystem

Abstract

ThethesismostlyintroduceknowclearlyPWMD.C.speedregulationsystem’sdesignprocess.

ThethesisincorporationactualityintroduceknowD.C.ServoSystem’sdevelopandtrend.Thecontentsincludeshardwarepartsandsoftwareparts.Thespeedregulationsystemadoption8031Microprocessor.Itmakessystemsimpleanddependable.

KeywordsPWMmicroprocessorintegratedchip

目录

摘要1

第一章绪论4

1.1国外发展概况4

1.2国内发展概况4

第二章方案论证6

2.1技术指标6

2.2方案论证6

第三章系统设计7

3.1系统框图7

3.2PWM技术原理7

3.3硬件设计7

3.3.1硬件组成7

3.3.2最小应用系统8

3.3.3脉冲发生电路16

3.3.4功率放大电路18

3.3.5测速电路20

本节小结21

3.4数学模型22

第四章软件设计24

结论33

谢辞34

参考文献35

第一章绪论

1.1国外发展概况

国外于60年代已开始注意PWM伺服控制技术，起初用于飞行器中小功率伺服系统，70年代后期，在中等功率的直流伺服系统上较为广泛地使用PWM驱动装置，到80年代，PWM驱动在直流伺服系统中的应用已经普及。

最近从国外引进的高精度伺服系统大都采用PWM伺服控制，现在各工业先进国家竞相发展PWM伺服机构，如美国公司Kollmorgen公司Inland电机部为本公司所生产的直流伺服电机研制了各种HRB-ANDPWM驱动装置，日本的“安川电机”为数控机床研制了CPCR-MR-N型晶体管PWM驱动装置，其YASNACB系列新的数控装置都采用CPCR-MR-NPWM驱动；德国AEG公司为坦克火炮稳定器、舰载平台、雷达天线、自行火炮等伺服系统研制GEADRIVE系列晶体管PWM驱动装置，对于近20t重的大惯量坦克武器，其低速平稳跟踪速度优于0.2mrad/s,0.785rad/s,打破了长期以来电液驱动垄断大功率武器伺服系统的局面。

当然，其他国外生产制造直流PWM驱动装置的厂家还很多，美国的GE、哥德、盖梯司公司，日本的三菱电机、东荣电机、FANUC、TOSNUC公司，意大利的奥利维蒂公司，德国的西门子公司，瑞士的BBC公司，英国的LUCAS公司，法国的CEM公司等都有他们自己的系列产品，其中大部分用于机床数控伺服系统和机器人驱动系统，目前国外公司达到的制造水平是输出电压320V，电流300A，调制频率1～10kHz,调速范围达1：

104，输出转矩150N·m。

1.2国内发展概况

国内有些高校，研究所和工厂在70年代末期相继开展了PWM系统的研究，就PWM控制电路、驱动电路、功率转换电路以及系统的分析和设计作了不少工作，取得了一些研究成果，在一定的范围内达到了工业推广水平。

1986年5月中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会召开了一次全国性的“直流PWM控制技术学术交流会”，为推动我国PWM技术的发展做出了贡献。

由于目前受能制造出的大功率晶体管的电压及电流等级的限制，以它为功率转换元件的PWM系统，在国内仅能做到几十瓦到十几千瓦，电压达到220V，应用于数控机床、精密机床、仿型机床、重型机床的进给，机器人驱动装置及精密速度控制中，也用于军用雷达天线驱动、天文望远镜驱动火炮和导弹发射架驱动等快速跟踪高精度伺服系统中。

直流斩波调速在电气车辆上也得到较广泛的应用，所用元件多是晶闸管系列，功率可做得较大，但调制频率低。

近一二年来，巨型功率晶体管的电压与电流等级日益提高，制造出的PWM驱动装置的容量也越来越大，应用范围日益广泛。

在一定功率范围内，由它取代晶闸管驱动装置，已成为明显趋势。

尽管目前对交流伺服系统的研究比较“热门”，但是其控制性能还达不到直流PWM系统的要求。

控制工程师切不可强调一面，而忽视了另一面，直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力还是相当大的。

直流PWM技术不但可应用于新机械设备的传动装置上，还可应用于原有设备的技术改造上，特别在机电一体化设备上大有用武之地。

如我国许多大型机械制造厂的重型镗床的进给系统，多使用交磁电机扩大机、交磁电机扩大机加电子管放大器或早期的晶闸管系统，它们长期存在低速不能稳定运行的故障，致使进给的低速区无法使用，如使用PWM技术进行技术改造，就可以把镗床进给的低速区运用起来，将会大大提高机床的加工能力，为工厂多创造财富。

在国防工业上，现装备武器的伺服系统大多数为电液驱动和交磁电机扩大机驱动，无论技术性能和战术使用要求，都不能适应现代武器装备的要求，各工业发达国家都在用直流PWM伺服技术来改造现有武器装备的伺服系统，使旧武器焕发青春，这已成为旧式装备改造的潮流。

总而言之，直流PWM伺服技术是一个正在发展中的新领域，具有很好的发展前景。

第二章方案论证

2.1技术指标

1.电机功率10kw

2.调速范围D=1∶10

3.调速精度δ=5%

4.负载性质：

恒功率

5.硬件电路设计（采用单片机）

6.软件部分设计

2.2方案论证

直流电力传动系统使用PWM控制方法，与晶闸管可控整流方法比较，性能上有以下特点。

（1）由于开关频率高，所以系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰性能强。

新开发的MOSFET开关频率可达到几十kHz,IGBT开关频率也可达到30kHz。

（2）由于开关频率高，电枢电流仅依赖于电动机本身的电感就能连续，不需要增加饱和电抗器，减少了电动机损耗。

（3）电动机低速时电流脉动小，即转矩脉动小，稳速精度高，调速范围大。

特别是双极式PWM变换器，最大调速比可达1∶20000。

（4）主电路结构简单，MOSFET与IGBT都开发有多种驱动集成模块；并且由于功率器件工作在开关状态，而使功率电路功耗小，其功率可达到90%以上。

第三章系统设计

3.1系统框图

本论文设计的系统是一个双闭环的自动控制系统。

调速系统的两个闭环分别由电流调节器和速度调节器调节。

这种结构对负载变化和电网电压波动等扰动引起的转速变化起抑制作用。

在上图中，速度给定由单片机产生，在全数字式系统中控制主回路的速度调节器也由单片机充当，而电流调节器则由PWM功放电路完成。

至于反馈环节，目前一般采用霍尔电流传感器对电枢电流采样实现电流反馈，在PWM电路中完成电流控制，采用光电编码器反馈元件实现速度反馈。

3.2PWM技术原理

PWM控制系统是通过改变直流电机电枢上脉动直流电的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。

电枢电压的平均值为：

Umg=ρVcc,ρ称为占空比，其值由固定频率调节脉冲宽度的方法来调节。

3.3硬件设计

3.3.1硬件组成

系统的硬件基本上分为四个部分：

即最小应用系统、脉冲发生电路、功率放大电路和测速电路组成。

3.3.2最小应用系统

单片机是整个仪器系统的核心部分，其性能直接决定了整个系统的性能。

由于Intel公司MCS－51系列芯片是目前在国内应用最广泛、技术最成熟，且功能较完善的产品，故我们选用其中的PP8031芯片作为仪器的CPU。

PP8031芯片是一种无片内ROM型的单片机，它具有128字节的片内RAM，5个中断源（含2个优先级），2个16位定时／计数器，32条I／O总线，其最高时钟频率为12MHz。

　　P8031的优点在于其速度快、功能强大。

而更为重要的在于其性能稳定，且和多种芯片兼容（如P8051）易于替换。

对于整个系统来讲，这一点尤为重要。

单片机最小应用系统是指单片机能够工作所必需的外部电路。

这部分设计具体包括8031单片计算机、8279管理的键盘和显示器，外接一片EPROM2732和一片RAM6116，用于存放应用控制软件及管理程序。

1.时钟电路

MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和

XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或搪瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。

利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体（或陶瓷）振荡器和两个电容就构成了一个稳定的自激振荡器。

晶体振荡频率可在1.2MHz～12MHz之间选

择。

电容值无严格要求，但其取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2可在20pF～100pF之间取值。

一般当外接晶体时，电容选为30pF±10pF；外接陶瓷振荡器时选40pF±10pF。

2.存储器扩展

虽然PP8031具有较强的功能，但仍然有美中不足之处。

由于该芯片片内无集成程序存储器，且片内RAM亦只有128字节，存储容量非常小，因此，必须对P8031进行存储容量的扩展。

在其外围配置的设计上我们采用了Intel公司的UVEPROM（紫外线擦除）存储器芯片2764（可存放65536个二进制八位程序代码）及静态RAM存储器芯片6264（可存放65536个二进制八位实时数据）。

   我们注意到，由于P8031内外数据存储器都是单独计算地址，不免造成一定的重复区，而在其指令集中提供了MOV和MOVX两种不同的命令（MOV用于内部数据RAM传送，MOVX用于外部RAM数据传送），因此在编程的时候特别注意不将其混淆。

（1）.程序存储器2732扩展

2732为4K×8位容量的紫外线擦除可编程只读存储器，其一+5V供电，最大静态工作电流为100mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns。

为24线双列直插式封装，其管脚配置如下图所示。

1）.引脚排列图

2）.芯片功能

A11～A0地址线，A0为低位，A11为高位

D7～DO数据线，DO为低位，D7为高位

/VPP输出允许/编程电源

片选线

VCC+5V电源

GND接地

2732有五种工作方式，如下表所示。

/VPP

VCC

D7～D0

读

0

0

5V

DOUT

维持

1

×

5V

高阻

编程

0

21V

5V

DIN

编程校验

0

0

5V

DOUT

编程禁止

1

21V

5V

高阻

3）.8031和2732的连接图

（2）.数据存储器6116扩展

1）.引脚排列图

如下图所示是2K×8位静态CMOSRAM6116的引脚排列图。

A0～A10是地址码输入端，D0～D7是数据输出端，

是选片端，

是输出使能端，

是写入控制端。

2）.芯片工作方式和控制信号之间的关系

下表所列是6116的工作方式与控制信号之间的关系，读出和写入线是分开的，而且写入优先。

静态RAM6116工作方式与控制信号之间的关系

工作状态

1×××高阻态低功耗维持

001稳定输出读

0×0稳定输入写

3）.8031和6116的连接图

3.8279管理的键盘和显示器

8279是双列直插式40管脚芯片，其管脚和引线如下图所示。

（1）.引脚排列图

（2）.芯片功能

1）D0～D7：

双向三态总线，和系统数据线相连，用于CPU和8279之间的命令、状态和数据的传送。

LK：

时钟输入端。

3）RESET：

复位输入，当RESET=1时，8279复位，复位状态为：

·16字符显示；

·编码扫描键盘——双键锁定；

·时钟分频系数N=31。

4）

：

片选输入端。

5）A0：

当A0=1时，CPU写入8279的为命令字，读出为状态字；当A0=0时，CPU读写的内容为数据。

6）

、

：

CPU对8279的读、写信号线。

7）IRQ：

中断请求输出线，高电平有效。

读FIFO存储器/传感器RAM的操作，使IRQ复位一次，直至FIFO被读空后，IRQ保持在低电平。

8）SL0～SL3：

扫描输出线，用来扫描键盘的行或列和扫描显示块的位。

它的可编程为编码方式（16中选一）或译码输出方式（4中选1）。

9）RL0～RL7：

回复数据线。

它们是键盘矩阵或传感器矩阵列（或行）检测信号

输入线。

10）SHIFT：

移位控制信号输入线，高电平有效。

在键盘工作方式，SHIFT常用扩充键功能，用于作上、下档功能键的切换。

传感器方式和选通方式时SHIFT无效。

11）CNTL/STB：

控制/选通控制线，高电平有效，在键盘工作方式，CNTL用来扩充键的控制功能，作为控制功能键。

在选通输入方式时，STB上升沿将RL0～RL7上的数据打入FIFORAM中。

在传感器方式下，该信号无效。

12）OUA0～OUTA3：

A组显示信号输出线。

13）OUB0～OUTB3：

B组显示信号输出线。

这两组信号可以独立使用或合并使用。

输出显示字符的段选码，SL0～SL3同步输出位选码。

14）

：

显示消隐输出线。

低电平有效。

该信号在数字切换显示或作用消隐命令时，将显示消隐。

（3）.8031和8279的接口

4.A/DC0809与8031芯片接口设计

ADC0809是8位A/D转换芯片，由单一+5V电源供电。

片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可以对8路0～5V的模拟输入电压信号分时进行转换，转换时间为100μs左右；片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、高阻抗斩波稳定比较器、256R电阻T型网络和网状电子开关以及逐次逼近寄存器，采用逐次逼近技术实现A/D转换；其内部无时钟电路，时钟fCLK须由外部提供，典型时钟频率为640kHZ；输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接与单片机数据总线相连。

此外，通过适当的外接电路，ADC0809可以对0～±5V的双极性模拟信号进行转换。

（1）.引脚排列图

ADC0809为28脚标准封装直插式芯片,其引脚图如下图所示。

（2）.各引脚功能如下:

N0～IN7：

八路模拟量输入端。

2）C、B、A：

三根地址译码输入线，根据C、B、A的组合值，控制多路转换开关，对8路模拟输入通道IN0～IN7进行切换。

C为最高位，A为最低位。

例如当CBA为111时，则接通IN7。

E：

地址锁存控制端，高电平有效。

在ALE的上升沿将C、B、A通路地址锁存到内部的地址锁存器中，并将相应的模拟量输入通道接入A/D转换器。

OE：

数字量输出允许信号输入端，高电平有效。

当该端被选中时，允许从A/D转换器的输出锁存器中读取数字量。

START：

启动信号输入端，下降沿启动A/D进行新的一次转换。

EOC：

A/D转换结束标志，可作为转换结束中断请求信号。

CLOCK：

时钟输入端。

D7～D0：

数字量输出线。

VCC：

电源输入端，接+5V。

GND：

接地端。

VREF（+）、VREF（-）：

参考电源输入端，用来提供D/A转换器权电阻的标准电平。

一般VREF（+）接+5V，VREF（-）接0V。

（3）.8031和ADC0809的接口

3.3.3脉冲发生电路

外围脉冲发生器由专用运动控制芯片LM629充当。

LM629结合使用增量编码器作为速度反馈信号可以方便地与各种直流或无刷直流伺服电机构成精度较高的伺服系统。

1.引脚排列图

2.引脚功能介绍

1～3：

增量式编码器输入信号

、A、B；

4～11：

数据口D0～D7；

12、13、15：

分别是控制线

、

、

；

16：

PS，

=1时读写数据，

=0时读状态和写命令；

17：

HI，若HI=1，向CPU申请中断；

18：

PWMSIGN，控制电机方向；

19：

PWMMAG，PWM信号的输出端，控制电机速度；

26、27：

分别为CLK和

端，低电平复位；

14、28：

分别为电源端GND、VDD。

其余引脚一般不用。

在由单片机及LMD18245构成的数字伺服系统中，单片机仅完成PID算法和反馈采样处理。

至于电机运动轨迹规划这样较为复杂的运算任务，一般不交给MCS-51系列单片机，而是选用功能更强大、速度更快的微处理器或多个处理器协同工作，当然其代价是系统成本的上升和系统的复杂程度加剧。

事实上还有另外的系统构成方安，即购入专门集成运动控制芯片担当运动控制的大部分运算工作，构成伺服系统，结果显然可使系统结构大为简化。

美国国家半导体公司的产品LM628/629就是这种集成芯片，它专用于全数字式伺服系统的运动控制。

LM628输出8位或12位D/A数据，LM629直接输出PWM信号。

因此，采用一片8031单片机、一片LM629、一片LM18245和一台带增量光电编码器的直流电机就能构成一个伺服系统。

3.3.4功率放大电路

LMD18245是为中小型直流电机及两相步进电机设计的功率放大集成电路。

NS公司在该种芯片的制造过程中应用了多种技术以达到在单个芯片上同时集成双极性逻辑电路、CMOS逻辑电路以及DMOS功率开关电路的目的，从而使芯片内部不仅包含了DMOS开关功率放大电路，还包含了直流电机和步进电机驱动及控制所需的所有电路模块，如四位D/A转换器、电机电流传感放大器、比较器、单稳电路、输入及控制逻辑、过流保护、欠压保护、过热保护等。

在负载电流的测量上，针对在电机回路中串入传感电阻测量电机电流，将导致较大功率损耗的缺陷，NS公司采用了一种基本上无功率损耗的新型电流传感技术，使低成本下的无功率损耗电流测量成为可能。

由于采用了固定切断时间的斩波放大器（FixedOff-timeChopper）及内置四位D/A转换器，该芯片可以很容易完成电机电流的数字控制，实现步进电机的微步驱动。

另外，LMD18245中的全DOMSH－桥功率开关低导通电阻特性，使其具有很高的功放效率。

1.主要性能参数及引脚定义

1.1LMD18245的主要性能参数

工作温度范围：

－４０℃～＋１２５℃

电机电源电压范围：

＋１２Ｖ～＋５５Ｖ

最大逻辑电压：

＋１２Ｖ

最大输出持续电流：

３Ａ

最大输出峰值电流：

６Ａ

最小输入脉冲宽度：

２μｓ

电流传感器最大线性误差（０．５Ａ～３Ａ）：

±９％

1.2LMD18245引脚定义

LMD18245采用１５脚TO－２２０封装，引脚排列如下图所示。

各引脚功能如下：

ＯＵＴ１，ＯＵＴ２:

ＤＭＯＳＨ－桥功放输出,接负载电机。

ＣＯＭＰＯＵＴ:

比较器输出。

当电流传感器引脚ＣＳＯＵＴ的电压超过Ｄ／Ａ转换器给定电压时，比较器翻转，触发单稳电路工作，切断电机供电电路。

ＲＣ:

单稳电路时间参数引脚。

在该引脚与地之间连接一并联ＲＣ网络，可以将单稳脉冲的宽度设置为１．１ＲＣ秒。

ＰＧＮＤ:

电机电源地。

Ｍ４,Ｍ３,Ｍ２,Ｍ１:

Ｄ／Ａ转换器的二进制数字输入，其中Ｍ４为最高位。

ＶＣＣ:

电机电源端。

ＢＲＡＫＥ:

急停引脚。

当该引脚为逻辑高电平输入时，Ｈ－桥的两个输入开关迅速将负载短路，从而使负载电流迅速衰减到零，达到″紧急刹车″的效果。

其真值表见表１。

ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ:

方向逻辑输入引脚，逻辑电平与负载方向的关系见表１。

ＳＧＮＤ:

逻辑电源地。

ＣＳＯＵＴ:

电流传感放大器输出，电流传感器的典型值为每安培负载电流输出２５０μＡ。

ＤＡＣＲＥＦ:

Ｄ／Ａ转换器参考电压输入，Ｄ／Ａ转换器的输出电压为ＶＤＡＣＲＥＦ×Ｄ／１６。

2.接口电路

双极性输出方式驱动直流电机

Ｈ－桥结构的电机功放电路通常有双极性输出和单极性输出两种控制方式，各有各的特点。

利用ＬＭＤ１８２４５实现直流电机的双极性输出的电路结构如上图所示，其固定斩波时间设定为：

ｔｏｆｆ－ｔｉｍｅ＝１．１ＲＣ＝１．１×２０×１０３×２．２×１０－９＝４８．４（μｓ）

芯片的各控制端连接微控制器，与驱动步进电机电路不同的是，芯片的ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ端连接微控制器的ＰＷＭ输出。

通过改变ＰＷＭ脉冲的占空比，可以改变电机的转速和转向。

微控制器还可以通过Ｍ４～Ｍ１端改变电机的最大电流阀值，控制电机的力矩大小，从而方便地实现电机控制。

但这种连接方式也有电机电流波动较大的缺点。

3.3.5测速电路

测速装置属于反馈环节，反馈通道是指光电编码器输出到单片机之间的信号处理及接口电路部分，转速检测的精度直接影响系统稳态控制精度。

本系统用光电编码器测速，采用每转600线的脉冲发生器作为转速传感器。

1.原理介绍

为了纠正电机转速的偏差，采用600线/转的光电编码器作反馈元件，与电机同轴安装，就可以准确测出电机的转速。

因为光电编码器是由激光照射光珊发出脉冲的，而光珊安装在光电编码器的转轴上，转轴每转一周（3600）编码器就产生600个脉冲，该脉冲只与转轴速度有关，而与温度无关。

因此，只要准确测出光电编码器的脉冲个数，就可确切知道电机的转速。

  例如，当电机的转速ND=1000转/分，则每秒钟光电编码器的脉冲个数应为

            n光=1000*600/60

              =10000（个脉冲）

若

            ND=1转/分

            n光=1*600/60 =10（个）

如果实际测量值与上述理论计算值有偏差，则可以通过调节D/A输出电压调整电机的转速，最终使

            Δn=ND测-ND理

这样就可以将电机的转速控制在所希望的误差范围内。

2.元器件选择

光电编码器每转输出600个脉冲，五线制。

其中两根为电源线，三根为脉冲线（A、B、Z）。

电源的工作电压为 +5～+24V直流电源。

3.工作原理:

当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出,A、B两相脉冲相差90 0相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。

如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转.Z线为零脉冲线,光电编码器每转一圈产生一个脉冲.主要用作计数。

A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向.

本节小结

微处理机发出的控制指令送至LM629电机控制芯片，LM629产生的控制信号驱动LM18245集成功放芯片驱动电机工作。

安装在电机轴上的光电脉冲发生器产生的信号反馈给LM629，产生的转速反馈信号送至单片机，由电流传感器反馈的电流信号送至LM18245，完成电流调节，从而构成微处理机控制的模块化直流电机转速系统。

3.4数学模型

对于计算机控制的多闭环调速系统，同样可以使用串极控制结构。

在系统设计中，同样可以使用连续域的工程设计方法，然后将调节器离散化得到差分方程形式，再进行计算机软件编程。

双闭环系统的采样周期

在计算机控制的多闭环串级控制系统中，不同的调节器可以使用同一采样周期，即计算机对所有的反馈信号使用相同的采样频