直流电机PWM调速课程设计报告.docx
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直流电机PWM调速课程设计报告
摘要
在社会生活和生产中,常常需要改变电机的转速和转向。
通过改变电机回路中的电阻来改变电机转速；通过改变电机接到电源的正负极来改变电机的转向不失为一种简单易行、成本低廉的方法。
但是这种方法效率低、机械特性软、不能得到较宽和平滑的调速性能。
本文利用555芯片以及少量外部元件组成的占空比可调的多谐振荡器，输出PWM信号，接到L298电机驱动芯片，来驱动直流电机。
通过控制输出信号的占空比来控制电机的转速，而电机的转向可以通过双刀双掷开关控制L298芯片5和7引脚的高低电平输入来控制。
实验表明，占空比的调节范围为0%~95%，电机转速可以从零开始逐渐调快，转向可通过单刀双掷开关随意控制，达到了预期的目标。
本设计为直流电机的调速提供了一种简易的方法，同时获得了较宽和平滑的调速性能。
关键词：
PWM；占空比；调速；多谐振荡器
第1章绪论
1.1直流电机调速起源
自从电动机发明那天起，电动机的调速问题就成为人们思考的问题。
电动机被发明之后，被迅速用于人们的衣行住行当中，生产生活都离不开它。
电动车是生活最常见的运用电动机的例子，在电动车行驶过程中，由于路况的不断变化，经常需要调节电动机的速度来调节电动车的速度。
除此之外，医学领域、农业领域、工业领域，甚至是高新科技领域都离不开电动机，而且需要极其平滑细腻的调速性能，可见电动机调速是非常重要的。
随着科技的发展，人们掌握了越来越多的调速方法，方法也不断升级优化。
研究直流电机调速的方法会给社会带来巨大的利益，因为科技的进步需要越来越精密的仪器，这就要求电机调速要达到更平滑更细腻的效果。
所以电机调速的研究尤其是提高调速的宽度和平滑度是具有非常重要的意义的。
1.2直流电机调速发展概况
直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。
该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。
30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。
这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。
但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。
近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。
特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。
电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。
现如今电动机调速技术已经非常成熟，但是在速度调节的细腻度和平滑度方面还有很大的提升空间，还需要在这方面继续深入研究以达到更高的水平。
1.3设计要求及方案
本次设计要求输出的脉冲的占空比调节范围为0%~90%，采用的方案是通过555芯片以及一些外部元件组成占空比可调的多谐振荡器，输出可调节的脉冲信号，接到L298电机驱动芯片，然后驱动直流电机，电机的转向由单刀双掷开关接高低电平控制，要求电机转速由零调到较快速度，速度变化缓慢均匀，电机的转速和转向均要求开环控制。
第2章预备知识
2.1555定时器
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极型（TTL）工艺制作的称为555，用互补金属氧化物（CMOS）工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图如图2-1所示，引脚排列图如图2-2所示。
图2-1555芯片内部结构图
图2-2555芯片引脚排列图
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的反相输入端的电压为2VCC/3，C2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为低电平。
它的各个引脚功能如表2-1所示。
表2-1引脚功能表
引脚
名称
功能
1
GND（地）
接地，作为低电平（0V）
2
TRIG（触发）
当此引脚电压降至1/3VCC（或由控制端决定的阈值电压）时输出端给出高电平
3
OUT（输出）
输出高电平或低电平
4
RST（复位）
当此引脚接高电平时定时器工作，当此引脚接地时芯片复位输出低电平
5
CTRL（控制）
控制芯片的阈值电压（当此引脚接空时默认两阈值电压为1/3VCC和2/3VCC
6
THR（阈值）
当此引脚电压升至2/3VCC（或由控制端决定的阈值电压）输出端给出低电平
7
DIS（放电）
内接OC门，用于给电容放电
8
VCC（供电）
提供高电平并给芯片供电
表2-2555定时器功能表
TH
阈值
TL
触发
RD
复位
OUT
输出
DIS
放电端
×
×
L
L
导通
>2/3VCC
>1/3VCC
H
L
导通
<2/3VCC
>1/3VCC
H
原状态（保持）
原状态（保持）
×
<1/3VCC
H
H
截止（关断）
2.2L298驱动芯片
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是：
工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
简要说明：
一、尺寸：
80mmX45mm二、主要芯片：
L298N、光电耦合器三、工作电压：
控制信号直流5V；电机电压直流3V~46V（建议使用36伏以下）四、最大工作电流：
2.5A五、额定功率：
25W特点：
1、具有信号指示。
2、转速可调3、抗干扰能力强4、具有过电压和过电流保护5、可单独控制两台直流电机6、可单独控制一台步进电机7、PWM脉宽平滑调速8、可实现正反转9、采用光电隔离六、有详细使用说明书七、提供相关软件八、提供例程及其学习资料。
图2-3L298驱动芯片内部电路图
图2-4L298驱动芯片引脚排列图
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
下图为芯片功能表。
图2-5L298功能表
2.3理论分析
利用555定时器喝一些外部元件可以组成占空比可调的多谐振荡器，输出PWM信号，输出脉冲的占空比可由电位器控制。
输出信号接到L298驱动芯片作为L298驱动芯片的输入信号，L298接直流电机，通过控制555输出的可调占空比的脉冲信号的占空比可以实现对电机转速的控制。
电机的转向可由L298的5、7管脚接单刀双掷开关接高的电平控制。
第3章系统组成及工作原理
3.1系统组成
系统分两大部分，控制部分和驱动部分，其中控制部分又分为转速控制部分和转向控制部分，其中转速部控制分较复杂。
转速控制部分由555芯片和一些外部元件构成的占空比可调的多谐振荡器组成，转向控制部分由单刀双掷开关接高低电平组成；驱动部分由L298驱动芯片接电机组成。
3.2工作原理
如图所示，555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。
电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向Ct放电，使电路产生振荡。
电容C在1/3VCC~2/3VCC之间充放电，使其波形如图所示，输出信号的时间参数为：
T=tPH+tPL,tPH=0.7（R1+R2）C,tPL=0.7R2C
555电路要求R1与R2均应大于或等于1K，但R1+R2应小于或等于3.3M。
外部电路的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少数的元件即可获得精度较高的振荡频率和具有较强的功率输出能力。
因此这种形式的多谐振荡器应用较为广泛。
图3-1555定时器构成的多谐振荡器电路及其波形图
如图所示电路增加了一个电位器和两个导引二极管。
D1、D2来决定电容充放电电流流经电阻的途径（充电时D1导通，D2截止；放电时D2导通，D1截止）。
占空比为：
P=tPH/（tPH+tPL）≈0.7RAC/（0.7C（A+R））=RA/（RA+RB）
可见，若取RA=RB电路即可输出占空比为50%的方波信号。
振荡周期保持不变。
图3-2占空比可调的多谐振荡器
若将电路改成下图所示电路，输出信号占空比P=R上/R滑,当滑头滑至最上端是，占空比为0，当滑头滑至最下端时，占空比为100%。
图3-3控制电路
如图所示，L298驱动芯片和一个单刀双掷开关、一个直流电机构成了驱动电路。
6管脚接555输出的可调占空比脉冲，即可驱动直流电机，单刀双掷开关可以控制电机的转动方向。
图3-4驱动电路
第4章电路设计方案
方案一：
控制电路用555组成占空比可调的多谐振荡器构成，驱动电路用若干三极管组成H桥构成，电路图如下：
图4-1方案一电路设计图
方案二：
控制电路是由555定时器和若干外部元件组成的多谐振荡器构成，驱动电路是由L298驱动芯片接直流电机构成，L298驱动芯片的5、7管脚接单刀双掷开关接高低电平控制电机转动方向。
调节滑动电阻来调节输出脉冲的占空比来调节直流电机的转动速度，电路图如下：
图4-2方案二电路设计图
方案一、方案二都是由555定时器外接若干元件组成的占空比可调的多谐振荡器构成，不同的地方是驱动电路，前者由三极管组成H桥构成驱动电路，电路较为复杂，后者的驱动电路直接由L298驱动芯片构成，电路较为简单，最终决定选择方案二。
第5章调试结果与分析
滑动变阻器调到最上端时，输出脉冲信号占空比为0%，电机转动速度为0，滑动变阻器调到最下端时占空比为98%，几乎接近100%，电机转动速度为205转每秒。
接近设计要求。
图5-1占空比为0
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