直流电机PWM调速电路.docx
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直流电机PWM调速电路
《电子技术》课程设计报告
课题:
直流电机PWM调速电路
班级电气1107学号1101205712
学生姓名王海彬
专业电气信息类
学院电子与电气工程学院
指导教师电子技术课程设计指导小组
淮阴工学院
电子与电气工程学院
2012年05月
直流电机PWM调速电路
1)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转动;
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。
二)系统原理及功能概述
1)直流电机脉宽调速电路原理
对小功率直流电机调速系统,使用单片机是极为方便的。
其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来控制电机速度。
这种方法称为脉冲宽度调制(PulseWidthModulation),简称PWM。
改变占空比的方法有3种:
(1)定宽调频法,这种方法是保持t1不变,只改变t2,这样周期T(或频率)也随之改变;
(2)调宽调频法,保持t1不变,而改变t2,这样也使周期T(或频率)改变;
(3)定频调宽法,这种方法是使周期T(或频率)不变,而同时改变t2和t1由,当控制频率与系统的固有频率接近于前两种方法都改变了周期(或频率)时,将会引起振荡,用的比较少,因此本系统用的是定频调宽法。
在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加。
电机断电时,速度逐渐减小。
只要按一定规律,改变通断电时间,即可实现对电机的转速控制。
设电机永远接通电源时,其最大转速为Vmax,设占空比D=t1/T,则电机的平均速度为Vd,平均速度Vd与占空比D的函数曲线如图1-2所示,从图可以看出,VD与占空比D并不是完全线性关系(图中实线),当系统允许时,可以将其近似的看成线性关系(图中虚线),本系统采用近似法。
平均速度与占空比的关系
2)比例积分控制规律
系统的控制算法主要采用了PI控制算法。
其控制算法为:
其中Kp为比例系数,Ti为积分系数。
若单片机的采样周期为T,则上式可近似为:
上式即为位置式PI控制算法。
这里我们采用其增量式控制算法,根据递推原理可得:
则增量式控制算法为:
其中Kp为控制器比例系数,Ki为积分时间常数。
由于系统采用了比例积分调节器简称PI调节器,使系统在扰动的作用下,通过PI调节器的调节作用使电动机的转速达到静态无差,从而实现了静态无差。
无静差调速系统中,比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快无滞后,积分部分使系统消除静差。
3)直流电机调速原理
直流电机转速n的表达式为:
式中:
U-电枢端电压;I-电枢电流;R-电枢电路总电阻;Φ-每极磁通量;K-与电机结构有关的常数,因此直流电机转速n的控制方法有三种,主要以调压调速为主。
本控制器主要通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压,实现调速。
调脉宽的方式有三种:
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
本系统采用了定频调脉宽方式的PWM控制,因为采用这种方式,电动机在运转时比较稳定;并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。
与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性:
闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率(额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比)要小得多;当要求的静差率相同时,闭环调速系统的调速范围可以大大提高。
转速设定值
偏差转速输出
直流电机速度闭环控制方案
三)脉宽可调方波发生电路
四)硬件设计与分析
1)系统硬件组成
图2-1为该系统硬件电路设计框图。
根据本系统要求通过软件编程定义键盘各键的功能及显示控制。
有关驱动及主回路控制电路见下几节。
整个系统控制过程为:
键盘输入控制信号、参数及速度给定值,单片机经过速度闭环、运算,控制P口(自行定义)输出脉冲的占空比,从而控制电机的转速,并经显示电路显示出来。
驱动控制电路见图2-3。
将单片机软件产生的PWM信号经并联使用的施密特反相器,对IGBT进行驱动。
2)驱动控制电路
驱动控制电路见图2-3。
将单片机软件产生的PWM信号经并联使用的施密特反相器,对IGBT进行驱动。
驱动控制电路
3)主回路控制电路
主电路控制电路见图2-2。
220交流电压经过桥式整流电路的整流,再经过电容滤波,经过IGBT元件的功率放大,加到直流电机的两端控制电机。
主电路控制电路
4)测速电路
测速电路
5)显示电路
显示电路见图2-5。
选用共阴8段数码管,采用MAX7219驱动。
MAX7219是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器。
每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管,可以数片级联,而与微处理器的连接只需3根线。
MAX7219内部设有扫描电路,除了更新显示数据时从单片机接收数据外,平时独立工作,极大地节省了MCU有限的运行时间和程序资源。
MAX7219芯片上包括BCD译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的8×8静态RAM以及数个工作寄存器。
通过指令设置这些工作寄存器,可以使MAX7219进入不同的工作状态。
MAX7219的详细资料请参考其他书籍,这里不再赘述。
MAX7219驱动显示电路
按键电路见图2-6。
52单片机的P口在悬空时默认是高电平,每个按钮通过一个上拉电阻接到+5V电源,按下按钮,则P口变成低电平,这样就可以通过P口的状态来反映按钮的按下情况。
按键通过并联电容C进行防抖动,无需通过软件部分实现。
五)电机测速
信号调理电路主要利用LM324运算放大器设计的比较器,调节比较器偏置电压使脉冲最接近于方波且幅度大于3.3V。
为了提高测速的精度,在信号后级添加比较器调理信号为标准的方波,调节比较器运放的偏置电压使方波信号最适合于测速。
在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加;电机断电时,速度逐渐减少。
只要按一定规律改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。
PWM波产生的思想是,固定PWM的周期为PWMT,t时间内输出高电平,则剩下PWMT-t时间就输出低电平。
通过控制定时器T1,从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。
由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器,而不同单片机的定时器具有不同的特点,即使是同一台单片机由于选用的晶振不同,选择的定时器工作方式不同,其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。
因此,首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。
如果单片机的时钟频率为f,定时器/计数器为N位,则定时器初值与定时时间的关系为:
式中,Tw—定时器定时初值;N—一个机器周期的时钟数。
N随着机型的不同而不同。
在应用中,应根据具体的机型给出相应的值。
这样,我们可以通过设定不同的定时初值Tw,从而改变占空比D,进而达到控制电机转速的目的。
此次实验采用12MHz晶振,计数频率为1MHz,即每微秒计数器加一,设置PMW脉冲周期固定为PWMT10000,即0.01s。
在实际的直流电机调速系统中,电机的测速由测速电机完成,本次实验系统,由电机自带的霍尔元件完成测速,电机每转一圈,霍尔元件就送出一个脉冲,我们设计的程序是将测速部分嵌套在PWM函数里,这样就节省了一个定时器资源。
PWM脉冲周期为0.01s,一个周期定时器T1中断2次,设置定时器每中断200次,即每1s对电机进行一次测速,测速完毕后计数器T0归零,重新对霍尔脉冲计数。
参考文献
童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2006
欧阳昌华.电机及电力拖动系统实验指导书(综合部分).北京:
高等教育出版社,2005
廖力清.微机测控保护装置与电站.北京:
人民出版社,2003
康华光.电子技术基础(数字部分).北京:
高等教育出版社,2005