PWM 四象运行与调速.docx
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PWM四象运行与调速
《电机与拖动》课程设计
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设计提交日期
年月
设计答辩日期
年月
摘要
本设计以IR2111与h桥组成的电机驱动模块为核心，采用STC89C52单片机来进行PWM的产生以及调控，并用TIL113光耦隔离模块进行信号的隔离。
实验调试后证明，该方法接线容易，可行性较其它方案的高而且在最后验收中成功实现电机的四象运行与调速。
关键字：
IR2111STC89C52单片机PWM四象运行与调速
目录
摘要
1设计简述…………………………………………………………4
1.1设计题目……………………………………………………………………4
1.2设计任务与要求……………………………………………………………4
1.3设计原理……………………………………………………………………4
2方案论证…………………………………………………………4
2.1脉宽调制电路的选择……………………………………………………4
2.2驱动电路的选择…………………………………………………………5
2.2驱动电路的选择…………………………………………………………5
3.系统的组成………………………………………………………5
3.1系统的硬件组成………………………………………………………5
3.2系统的软件……………………………………………………………10
3.2.1系统电机状态控制程序……………………………………………10
3.2.2系统的测速功能程序………………………………………………10
3.2.3具体程序……………………………………………………………12
3.3系统的调试……………………………………………………………17
4问题与解决………………………………………………………17
5心得………………………………………………………………18
6参考文献
7附录
1设计简述
1.1设计题目
直流电机PWM脉宽调速系统设计
1.2设计任务与要求
1直流电机的调速有单象限，二象限和四象限三种工作形式。
要求学生选择后两种工作形式的任意一种进行设计。
2选用额定电压为220V，额定电流为1.2A的它励直流电动机（即把实验室的并励直流电动机做它励接法）作为调速对象。
要求带一发电机负载进行调速实验。
1.3设计原理：
脉宽调制即PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列的脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需波形。
PWM驱动是利用大功率管的开关特性，按固定频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通“与“断开“时间的长短，通过改变无刷直流电动机定子绕组上电压脉冲的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
图2.8即为无刷直流电动机单相绕组PWM驱动电路的原理框图。
由于PWM控制器的主电路元件工作在开关状态，因此控制器的损耗小、效率高。
2方案论证
2.1脉宽调制电路的选择
方案1：
采用STC89C52单片机来进行PWM的产生以及调控。
方案2：
采用TL494脉宽调制芯片
选择：
方案1的接线较为简单，而且实现起来比较容易。
2.2驱动电路的选择
方案1：
使用多个功率放大器件例如三极管以及相关功率管等，通过不同的放大驱动电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大要求以及相应的控制时序，但由于控制的是半桥驱动电路，需要考虑到独立电源的问题，电路制作比较复杂。
方案2：
采用专用驱动集成芯片IR2111来驱动半桥，IR2111是功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路，可用来驱动工作在母线电压高达600V的电路中的N沟道功率MOS器件。
采用一片IR2111可完成两个功率元件的驱动任务，其内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源；可实现对功率MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有完善的保护功能。
选择：
方案2有较大优势，而且外围电路制作简单，控制方便，采用方案二。
在IR2111后接上H桥电机驱动模块便可以控制电机励磁绕组的电流正反向。
2.3信号隔离电路的选择
光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。
当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。
对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。
若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。
这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。
3.系统的组成
3.1系统的硬件组成
1.稳压电源
电源输入到固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。
此直流电压经过LM7805的稳压和右侧的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压
图3.15v稳压电源
2.IR2111及h桥电机驱动模块
采用一片IR211l可完成两个功率元件的驱动任务，其内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源；可实现对功率MOS—FET和IGBT的最优驱动，还具有完善的保护功能。
基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。
图3.2电机驱动模块
3.TIL113光耦隔离模块
在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的I／O输出，而I／O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。
如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。
图3.3TIL113光耦隔离模块
4.按键控制模块
通过按键实现电机不同状态下的工作
图3.4按键控制模块
5.单片机最小系统及占空比显示模块
电机的控制，测速功能实现的主要模块
单片机晶振电路，采用12M的晶振
图3.5单片机晶振电路
单片机复位电路
图3.6单片机复位电路
单片机最小系统及占空比显示模块
图3.7单片机最小系统及占空比显示模
3.2系统的软件
3.2.1系统电机状态控制程序
通过控制PWM1PWM2的输出影响励磁绕组的电流正反向来实现电机四象限运行功能。
通过对单片机输入电平计算就可以实现测速功能。
程序框图
初始化
查询等待
启动不同象限的选择电机加速/减速
计时PWM1PWM2的输出
矩形波励磁绕组的电流正反向控制增大/减少占空比
3.2.2系统的测速功能程序
若直流电机启动后，让定时器T0开始计时，对单位时间内产生的方波计数为N，根据公式可求出单位时间内的速度V＝NT。
测速部分的设计框Z
3.2.3具体程序
电机控制及测速程序：
bitPWM1=P2^7;//定义两路PWM脉冲波输出IO
sbitPWM2=P2^6;
sbitSMG1=P1^2;//定义数码管位选
sbitSMG2=P1^5;
sbitONE=P2^4;//定义四象限按键控制IO
sbitTWO=P2^5;
sbitTHREE=P3^6;
sbitFOUR=P3^7;
sbitpwm_rate_crease=P3^5;//定义占空比改变按键控制IO
sbitpwm_rate_decrease=P3^4;
unsignedcharcodenumtab[10]={0x18,0xFC,0x52,0x54,0xB4,0x15,0x11,0xDC,0x10,0x14};
//声明数码管数字数组
uchari=1;
ucharcount=0;
uintpwm_rate=75;//初始化占空比
voidDelayMS（uintx）//延时程序
{
uchart;
while（x--）
{
for（t=0;t<35;t++）;
}
}
voidOUT_PWM_PULSE（）//占空比输出函数
{
if（i%2==1）
{
if（count==1）
{
PWM1=0;
PWM2=1;
}
if（count==2）
{
PWM1=0;
PWM2=0;
}
if（count==3）
{
PWM1=1;
PWM2=0;
}
if（count==4）
{
PWM1=0;
PWM2=0;
}
}
if（i%2==0）
{
PWM1=0;
PWM2=0;
}
}
voidmain（）//主函数
{
P2=0xff;//初始化IO口
P0=0Xff;
TMOD=0x01;//初始化定时器0，设定PWM脉冲波的频率为10khz
TH0=（65535-pwm_rate）/16;
TL0=（65535-pwm_rate）%16;
IE=0x82;//开启定时器中断
TR0=1;
while
（1）
{
if（pwm_rate_crease==0||pwm_rate_decrease==0）//按键去抖动
{
DelayMS（10）;
if（pwm_rate_crease==0||pwm_rate_decrease==0）//按键处理
{
if（pwm_rate_crease==0）pwm_rate=pwm_rate+1;
if（pwm_rate_decrease==0）pwm_rate=pwm_rate-1;
if（pwm_rate>100）pwm_rate=0;
if（pwm_rate<0）pwm_rate=25;
while（pwm_rate_crease==0||pwm_rate_decrease==0）DelayMS（5）;
}
}
if（ONE==0||TWO==0||THREE==0||FOUR==0）
{
DelayMS（10）;
if（ONE==0||TWO==0||THREE==0||FOUR==0）
{
TR0=0;
if（ONE==0）
{
pwm_rate=75;
count=1;
}
if（TWO==0）
{
count=2;
}
if（THREE==0）
{
pwm_rate=75;
count=3;
}
if（FOUR==0）
{
count=4;
}
while（ONE==0||TWO==0||THREE==0||FOUR==0）DelayMS（5）;
TR0=1;
}
}
P1=0XFB;//数码管显示
P0=numtab[pwm_rate%10];
DelayMS（6）;
P1=0XDF;
P0=numtab[pwm_rate/10];
DelayMS（6）;
}
}
voidpwm（）interrupt1//定时器0中断处理程序
{
OUT_PWM_PULSE（）;
if（i%2==1）
{
TH0=（65535-pwm_rate）/16;
TL0=（65535-pwm_rate）%16;
}
if（i%2==0）
{
TH0=（65435+pwm_rate）/16;
TL0=（65435+pwm_rate）%16;
}
i=i+1;
if（i>=2）i=0;
}
3.3系统的调试
电机控制系统经调试后实验数据：
励磁电压为244v
电枢电流为1.2A，电枢电压恒定在218v下改变占空比，测得相应电机转速如下：
占空比（%）
40
50
60
75
80
电机转速（r/min）
727.2
764.4
837.1
874.9
904.2
表3.3电机转速
4问题与解决
在设计过程中遇到的问题及解决：
1.电机调试过程中，改变电机的占空比，发现电机的转速变化范围较小，且输出转矩偏小？
解决：
经过分析，电机的调速方式为双极式PWM调速，双极性工作造成低电流启动。
通过软件改变电机的调速方式为单极式后，电机运行正常。
2.调试过程中出现当增加场效应管组成的H桥驱动电路的上管电压至140v以上时，场效应管击穿损坏？
解决：
经过分析，原因可能有三个方面：
一是电机运行在双极式工作条件下，H桥的4个晶体管均处于开关状态，因此开关损耗大，而且上、下两管容易发生桥臂直通，降低了可靠性。
二是选用的场效应管参数不匹配，内置的续流二极管没有达到续流的要求。
三是IR2111驱动电路部分的自举电容和二极管选型不匹配。
针对以上三个方面，对PWM控制器进行改进，使得直流电机运行在了较为理想的状态。
3.调试过程中出现电机总是一个方向的运行？
解决：
基本上锁定在程序错误和硬件电路芯片损坏两个方面。
程序错误的可能性不大，用下载器重新下载了程序后，故障仍然存在，排除了程序错误的可能性。
将驱动电路部分的两片IR2111调换位置后发现电机的转向相应改变。
通过测试，其中的一片IR2111芯片失效，原因可能是调试电机过程中场效应管击穿，过流通过VS线损坏IR2111。
重新换上IR2111后，电机控制正常。
4.开始调试过程中，通上电源后电机仍然不转？
解决：
经过检查发现，IR2111芯片的com引脚与场效应MOS管的上所加电压的地未连接在一起，用鳄鱼夹连接后，电机控制正常。
5.控制电机低速运行过程中，电机有较大的颤动声，平稳性较差？
解决：
仔细分析程序后发现电机的PWM频率设置在了1khz。
由理论分析表明，PWM变换器的开关频率越高，则电枢电流脉动越小，而且也容易连续，从而能提高调速系统的低速平稳性。
同时兼顾晶体管的动态开关损耗，经过不断的调试，发现10Khz的PWM频率比较符合要求，电机达到了理想的运行状态。
5心得
参考文献
1电子技术基础，康华光主编
2电力电子技术，王兆安等编
3电机与拖动，刘锦波等编
4单片机接口技术及其在工业控制中的应用，李秉操等编
5电力拖动自动控制系统或运动控制系统
附录A
附录B
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