直流电机PWM调速电路实习报告.docx

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直流电机PWM调速电路实习报告

《电子技术》课程设计报告

课题：

班级学号

学生姓名

专业

系别

指导老师

2012年05月

一、设计目的

a）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。

b）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。

c）进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。

d）培养学生的创新能力。

二、设计任务与要求

1．设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向驱动；

2．设计PWM驱动信号发生电路；

3．设计电机转速显示电路；

4.设计电机转速调节电路；可以按键或电位器调节电机转速；

5.安装调试；

6.撰写设计报告。

三、设计思想及设计原理

图1

1．信号可以采用数字方法给定，也可以采用电位器给定。

建议采用数字方法。

2．PWM信号可以采用三角波发生器和比较器产生，也可采用数字电路及可编程器件产生。

建议采用数字方法。

3．正反转主回路可以采用双极型器件实现，也可以用MOS器件实现；

4．转速测量电路可以采用增量型光电编码器，也可采用自行制作的光电编码电路、霍尔传感器以及其它近似测速方法。

建议采用光电编码器。

5．显用数字方法显示电机转速。

采用光电编码等方法的脉冲测速方法时，可采用计数法测量电机转速；电机转速信号为模拟信号时，可采用数字表头显示转速。

建议采用数字方法。

6．（提高部分）可以采用反馈控制技术对系统进一步完善。

四、单元电路设计

4.1LM324组成的PWM直流电机产生电路

4.1.1它主要由U1（LM324）和Q1组成

图4.1中，由U1a、U1d组成振荡器电路，提供频率约为400Hz的方波/三角形波。

U1c产生6V的参考电压作为振荡器电路的虚拟地。

这是为了振荡器电路能在单电源情况下也能工作而不需要用正负双电源。

U1b这里接成比较器的形式，它的反相输入端（6脚）接入电阻R6、R7和VR1，用来提供比较器的参考电压。

这个电压与U1d的输出端（14脚）的三角形波电压进行比较。

当该波形电压高于U1b的6脚电压．U1b的7脚输出为高电平；反之，当该波形电压低于U1b的6脚电压，U1b的7脚输出为低电平。

由此我们可知，改变U1b的6脚电位使其与输入三角形波电压进行比较。

就可增加或减小输出方波的宽度，实现脉宽调制（PWM）。

电阻R6、R7用于控制VR1的结束点，保证在调节VR1时可以实现输出为全开（全速或全亮）或全关（停转或全灭），其实际的阻值可能会根据实际电路不同有所改变。

图4.1中，Q1为N沟道场效应管，这里用作功率开关管（电流放大），来驱动负载部分。

前面电路提供的不同宽度的方波信号通过栅极（G）来控制Q1的通断。

LED1的亮度变化可以用来指示电路输出的脉冲宽度。

C3可以改善电路输出波形和减轻电路的射频干扰（RFI）。

D1是用来防止电机的反电动势损坏Q1。

当使用24v的电源电压时，图1电路通过U2将24V转换成12V供控制电路使用。

而Q1可以直接在21v电源上，对于Q1来讲这与接在12v电源上没有什么区别。

参考图1，改变J1、J2的接法可使电路工作在不同电源电压（12V或24V）下。

当通过Q1的电流不超过1A时，Q1可不用散热器。

但如果Q1工作时电流超过1A时，需加装散热器。

如果需要更大的电流（大于3A），可采用IRFZ34N等替换Q1。

图2

4.1.2工作原理

脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。

它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。

一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

上述电路中，运算放大器U1A和U1B两级产生三角波，U1C为跟随器，起隔离作用。

U1B输出的三角波与从电位器RP得到的直流电压相加后输入到U1D的反相端，U1D作为脉冲宽度调制电路，其输出一定占空比的矩形脉冲，其占空比与反相端输入信号的瞬时采样值成比例，然后控制三极管Q1的导通时间，使其输出电流随输入电压的平均值大小而变化，进而控制电机的旋转速度。

调节电位器可调节占空比的大小，即可调节电机的转速。

4.2H桥式电机正反转驱动主回路

4.2.1主电路原理图

H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图4.2所示。

PWM逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容

滤波，以获得恒定的直流电压

由于电容量较大，突加电源时相当短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。

为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻R0（或电抗），合上电源以后，延时用开关将R0短路，以免在运行中造成附加损耗。

滤波电容器往往在PWM装置的体积和重量中占有不小的份额，因此电容量的选择是PWM装置设计中的重要问题。

但对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。

由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。

为了限制泵升电压，用镇流电阻Rb消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VT5。

图3

4.3霍尔元件测速电路

测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。

要测速，首先要解决是采样的问题。

在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。

使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。

只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。

下面以常见的玩具电机作为测速对象，用3144设计信号获取电路，通过电压比较器实现计数脉冲的输出，既可在单片机实验箱进行转速测量，也可直接将输出接到频率计或脉冲计数器，得到单位时间内的脉冲数，进行换算即可得电机转速。

这样可少用硬件，不需编程。

图4

图5

图6

4.4频率测量及显示电路

CC40192是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并且具有清除和置数等功能，其引脚排列如图4.6所示。

图中LD为置数端，CPu为加计数，CPd为减计数，CO为非同步进位输出端，BO为非同步借位输出端，D0、D1、D2、D3为计数器输入端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端，CR为清除端。

当清除端CR为高电平“1”时，计数器直接清零；CR置低电平则执行其它的功能。

当CR为低电平，置数端LD也为低电平时，数据直接从置数端D0、D1、D2、D3置入计数器。

当CR为低电平，置数端LD为高电平时，执行计数功能，即每来一次脉冲信号计数一次。

图7

图4.7为CC4511的引脚排列，图4.8为CC4511的功能表。

CC4511内接有上拉电阻，故只需在输出端与数码管笔端之间串入限流电阻即可工作。

图8

图9

图10

五、安装调试

1.检查线路

按照原理图完成实验电路后，检查线路是否正确，焊接点是否牢固，有无虚焊，用万用表逐个检验部分电路中接点的焊接情况。

2.通电检测电路

实行分部检验电路的方法：

（1）在电路的两端加上适当的电压，用示波器逐个检查PWM的两个输出端，观察波形是否为方波和锯齿波。

（2）将H桥电路接在电动机的输入端，调节H桥电路的输入方式，观察电路是否能实现正反转。

（3）将电动机接上电源，将霍尔元件输出端接到示波器，观察示波器是否输出方波。

（4）给计数器输入一个脉冲信号，观察显示器是否可以显示功能。

3.调试电路

根据检查电路中出现的问题，逐个排查，反复检验。

先检查电路图是否有问题，若电路图没有问题，再检查焊点和器件是否有问题，最后用示波器调试。

4.测试整个电路

加上12V的电压，看整个电路能否正常工作。

六、设计总结

脉冲宽度调制PWM，就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。

PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。

在进行设计之前，我参考了一些资料，通过对这些设计方案来开拓自己的思路。

课程设计在很大程度上实现的动手与动脑，理论与实际的相互结合，很好地实现了从书本到实际操作的一个过渡。

该系统调速精度与调速范围要求不是很高。

但与传统的晶闸管可控调整系统相比，它具有调速范围宽、快速性能好、功率因数高、结构简单等优点，使之以广泛应用于各行各业的直流调速系统中。

通过本次设计以便积累一些经验对我们以后课程设计奠定基础。

通过本次设计，使我们能够冲分的把握理论语实践的相结合。

用我们所学过的理论知识同构通过完成本设计充分发挥出来。

在本设计中我们不但要运用电机理论知识，还要充分运用电路、电力电子、交流调速等方面的知识，使我们所学过的知识进行综合的应用。

增强我们对所学知识进行综合的应用及综合应用能力，从而达到学至所用的目的，使我们明白把所学的知识能充分应用，那才是真正的学会了。

学了不会用等于白学，因而我们必须时刻注意把我们所学的知识充分应用。

不管事现在还是将来走上社会，都将是非常重要的。

我们在学校所学的理论知识都将是位我们以后走向社会作最备。

只有我们能够充分的实现学至所用的目的，我想不管事我们自己还是教会我们知识的老师都将是非常欣慰。

七、参考文献

[1]王鉴光.电气传动控制系统[M].北京:

机械工业出版社,1994.65-69.

[2]秦继荣.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].北京:

机械工业出版社,1990.38-45.

[3]章燕申.控制系统的设计与实践[M].北京:

清华大学出版社,1992.26-30.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:

机械工业出版社,2003.7