数字式直流电机开环控制系统设计课程设计报告.docx
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数字式直流电机开环控制系统设计课程设计报告
《电力拖动自动控制系统》
课程设计报告
题目：
数字式直流电机开环控制系统设计
院（系）：
机电与自动化学院
专业班级：
电气0902
学生姓名：
学号：
指导教师：
2012年02月13日至2012年02月24日
《电力拖动自动控制系统》课程设计任务书
一、设计（调查报告/论文）题目
数字式直流电机开环控制系统设计
二、设计（调查报告/论文）主要内容
（1）控制对象为12V或24V,50W以内小型直流电机；
（2）主电路采用双极性PWM变换电路实现；
（3）控制电路采用单片机实现；
（4）驱动电路采用IR2110或IR2130驱动芯片实现；
（5）设计并制作控制系统，实现电机的启停、正转或反转。
三、原始资料
1系统结构
2主电路结构及原理
3隔离芯片引脚图
4驱动电路—IR2130芯片引脚图
四、要求的设计（调查/论文）成果
1实际制作并调试成功的小系统一套；
2符合规范要求的设计报告电子档、纸质档各一份。
五、进程安排
第一周安排：
（上午：
8:
30-11:
30；下午：
14:
00-17:
00）
周一~~~周二上午：
分组、理解课题、查找资料、确定控制系统的具体电路结构；
周二下午：
审核并修订设计方案（4号教学楼创新实验室集中）；
周三~~~周四：
软件设计（4号教学楼单片机实验室集中）
周五上午：
检验程序流程及运行结果（4号教学楼单片机实验室集中）
周五下午：
调试光耦隔离电路（4号教学楼单片机实验室或创新实验室集中）
第二周安排：
（上午：
8:
30-11:
30；下午：
14:
00-17:
00）
周一~~~周二上午：
驱动电路调试（4号教学楼单片机实验室或创新实验室集中）
周二下午~~~周三下午：
系统联调（4号教学楼单片机实验室或创新实验室集中）
周四~~~周五：
按规范撰写设计报告并提交、验收
备注：
第二周周四下午、周五上午审核设计报告电子档，通过后方可打印，于周五17:
00之前上交。
六、主要参考资料
[1]陈伯时.自动控制系统及电力拖动控制.北京：
机械工业出版社，2003：
57-63.
[2]李荣生.电气传动控制系统设计指导.北京：
机械工业出版社，2003：
104-110.
[3]李正军．电动跑步机PWM直流调速系统设计．微电机．2007，40（10）：
87-88，92．
[4]吴守箴，戚英杰.电气传的脉宽调制控制技术.北京：
机械工业出版社，2010．
[5]Hava．PerformanceAnalysisofReducedCommon-ModeVoltagePWMMethodsandComparisonWithStandard:
PWMMethodsforThree-PhaseVoltage-SourceInverters．IEEETransactionsonPowerElectronics2009，24
（1）：
241-252．
指导教师（签名）：
20年月
1.设计题目与要求
1.1设计题目
数字式直流电机开环控制系统
1.2设计要求
（1）控制对象：
12V,50W小型直流电机
（2）主电路：
双极性PWM变换电路
（3）控制电路：
单片机
（4）驱动电路：
采用IR2130
（5）实现电机的启动、正转和反转
2.设计系统总体方案
2.1系统组成结构
按设计的题目及要求，本课程设计利用MCU-51单片机产生由键盘控制调节的PWM信号，产生的PWM信号经TLP521-4构成的隔离电路，产生四路信号来驱动电力电子器件MOSFET管的导通，从而使可逆PWM主电路闭合接通，直流电机工作。
本系统组成结构框图如图1所示
图1数字式直流电机开环控制系统组成框图
3.系统各模块组成电路
3.1PWM信号的产生
本次课程设计PWM信号由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，再由键盘电路来控制电机的启动、正转、反转和停止，键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。
3.1.1PWM的基本原理
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速
如图2所示：
图2时序图
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。
由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。
许多微控制器内部都包含有PWM控制器。
占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。
执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：
1、设置提供调制方波的片定时器/计数器的周期
2、在PWM控制寄存器中设置接通时间
3、设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚
4、启动定时器
5、使能PWM控制器
3.1.28051单片机简介
8051单片机由CPU、内部RAM、内部ROM、特殊功能寄存器、串行口、并行I/O口、中断控制系统、定时器和振荡电路8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。
其基本组成框图及引脚图分别
如图3和图4所示：
图38051单片机组成框图
图48051单片机引脚图
其中P1.0和P1.1为PWM信号输出端，Vss：
接地端，Vcc:
电源端，接+5V。
3.2信号隔离电路
本隔离电路是由TLP52l-4组成的一种典型光耦隔离器件，通过对其输入端的控制，可使光耦按工作需要打开或关闭。
当在输入控制端加高电平时，光耦正常工作。
隔离可确保电路安全性，减小干扰。
TLP52l-4内部单元结构图如图5所示，其引脚图如图6所示。
图5TLP52l-4内部单元结构图
图6TLP52l-4引脚图
TLP52l-4单独的电气特性参数（Ta=25℃）
参数
符号
测试条件
最小
典型
最大
单位
LED
正向电压
VF
IF=10mA
1.0
1.15
1.3
V
反向电流
IR
VR=5V
—
—
10
μA
电容
CT
V=0,f=1MHz
—
30
—
pF
接收侧
集电极发射极击穿电压
V（BR）CEO
IC=0.5mA
55
—
—
V
发射极集电极击穿电压
V（BR）ECO
IE=0.1mA
7
—
—
V
集电极暗电流
ICEO
VCE=24V
—
10
100
nA
VCE=24V,Ta=85℃
—
2
50
μA
电容（集电极到发射极）
CCE
V=0,f=1MHz
—
10
—
pF
根据使用TLP52l-4时的电气特性参数，运用模拟电子技术和电路理论的知识可计算出与之串联的隔离电阻值R1=200Ω，R2=4.7KΩ。
引脚2、6与通过P1.0相连，引脚4、8与P1.1相连，引脚1、3、5、7通过200Ω与+3.3V相连，引脚10，12，14，16带上拉4.7KΩ与+5V相连并输出，引脚9，11，13，15接地。
3.3驱动电路
本系统采用IR2130驱动器作为驱动电路，IR2130可直接驱动中小容量的功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）和场效应控制晶闸管（MCT）等。
这IR2130具有6路输入信号和6路输出信号，其中6路输出信号中的3路具有电平转换功能因而它既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件。
选用其中的4路输入分别与隔离电路的4路输出相连，来驱动4个MOSFET管，他们分为2组（1与4一组，2与3一组），交替工作。
MOSFET管的关断和导通状态使电机设计要求运行。
3.3.1IR2130驱动器的内部结构及工作原理
IR2130的内部电路结构如图7所示，从图显见在它的内部集成有一个电流比较器C.C，一个电流放大器C.A，一个自身工作电源欠压检测器U.V.D，一个故障逻辑处理单元F.L及一个封锁逻辑C.L，除上述外，它的内部还集成有3个信号处理器I.S.G，3个脉冲处理和3个移位器P.G.L.S，3个高压侧驱动信号锁存器L.T，3个高压侧驱动信号与欠压检测器U.V.D.R及6个低阻抗输出驱动器D.R和一个或门电路O.R。
图7IR2130驱动器的内部结构图
IR2130的工作原理简析如下：
正常工作时，当外部电路不发生过电流、直通故障且IR2130的工作电源Vcc不欠压以及脉冲处理和电平移位器P.G.L.S输出的高压侧门极驱动信号不发生欠压情况时，封锁逻辑C.L、故障逻辑处理单元F.L、欠压检测器U.V.D和U.V.D.R的输出封锁信号均无效从脉冲形成部分来的6路脉冲信号经3个输入信号处理器，按一定的真值表处理后变为6路输出脉冲，其对应的驱动3路低压侧MOS门功率管的信号经3路输出驱动器功放后，直接送往被驱动MOS门功率器件的门射极。
而另外的3路高压侧驱动信号H1、H2、H3先经集成于IR2130内部的3个脉冲处理和3个电平移位器P.G.L.S中的自举电路进行电位变换，变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲欠压与否检验之后，送到输出驱动器进行功放，最后才加到被驱动的MOS功率器件的门射极，一旦外电流发生过流或直通，电流检测单元送出的信号高于0.5V时，则IR2130内部的比较器C.C迅速翻转，促使故障逻辑处理单元F.L输出低电平，一则封锁3路输入脉冲处理器I.S.G的输出使IR2130的输出全为低电平，保证6个被驱动MOS门功率器件的门射极迅速反偏全部截止，保护功率管；另一方面经IR2130的脚8输出信号，封锁脉冲形成部分的输出或给出声光报警。
若发生IR2130的工作电源欠压，则欠压检测器U.V.D迅速翻转，同上的的分析所得到，被驱动MOS门功率器件全部截止而得到的可靠保护，并从脚8端得到故障信号的结果。
再有当IR2130因某种原因驱动高压侧功率管的某路自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器U.V.D.R迅速动作，封锁该路的输出，保护该路所驱动的MOS门功率器件不应驱动信号幅值的不足而损坏。
还有当用户脉冲形成环节输出发生故障，IR2130接收到变流器同一臂桥上、下主开关功率器件的门射驱动信号都为高电平时，则内部的巧妙设计可保证该通道实际输出的两路门极驱动信号都为高电平，从而有效的保护该桥臂上的两个MOS门功率器件，防止驱动信号有误引起的直通现象发生。
3.3.2IR2130的引脚图及引脚功能
IR2130的引脚图如图8所示：
图8IR2130的引脚图
引脚说明：
Vcc为输入电源，H1N1、H1N2、H1N3、LIN1、LIN2、LIN3为输入端，FALUT为故障输出端，ITRIP为电流比较器输入端，CAO为电流放大器输出端，CA为电流反向放大器输入端，Vss为电源地，Vsd为驱动地，L01、L02、L03为3路低侧输出，Vb1、Vb2、Vb3为3路高侧电源端，HO1、VS1，HO2、VS2，HO3、VS3为3路高侧输出端。
IR2123的引脚功能：
IR2130的内部结构如图8所示,引脚排列所示,VCC为输入电源,HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3为输入端,FALUT为故障输出端,ITRIP为电流比较器输入端,CAO为电流放大器输出端,CA-为电流放大器反向输入端,VSS为电源地,VSD为驱动地,L01,L02,L03为三路低侧输出,VB1、VB2、VB3为三路高侧电源端,HO1、VS1,HO2、VS2、HO3、VS3为三路高侧输出端。
3.4可逆PWM主电路
3.4.1主电路结构及原理
根据设计要求，要实现电机的启动、停止、正转和反转则需要改变PWM变换器输出电压UAB的正、负极性，使得直流电动机可以在四象限中运行，同时要在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，因此主电路采用双极式控制的桥式可逆PWM变换器。
PWM变换器主电路如图9所示，工作时，双极式控制的桥式可逆PWM变换器的驱动电压和输出电压波形如图10所示。
图9桥式可逆PWM变换器
图10桥式可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形
他们的关系是Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。
在一个开关周期内，当0≤t≤ton时，晶体管VT1、VT4饱和导通而VT3、VT2截止，这时UAB=Us。
当ton≤t≤T时，VT1、VT4截止，但VT3、VT2不能立即导通，电枢电流id经VT3、VT2续流，这时UAB=-Us。
UAB在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。
当正脉冲较宽时，ton≥T/2,则UAB的平均值为正，电动机正转；当正脉冲较窄时，则反转：
如果正负脉冲相等，即ton=T/2，平均输出电压为零，则电动机停止。
4.调试、分析及解决问题
4.1常见问题
（1）用单片机产生PWM波，编译程序时出错。
（2）用示波器来对输出波形检测得到的是正玄波而不是正负相间的PWM波。
（3）整体电路组建好后电机不转或不具备某些功能，如不能反转。
4.2解决方案
重新审阅程序，然后小组讨论逐次编译程序知道无误，检查示波器是否坏掉，重新接线，再次检测得到PWM波，对各个模块进行逐一检查，芯片的引脚是否正确，引脚焊接是否到位，在进行多次试验，最终达到要求。
5.总结
通过此次课程设计，对所学的只是有了比较全面的了解和应用，真正尝试到了理论联系实际的趣味，明白了“说是说、做是做、说和做是两码事儿”的古语。
此次设计巩固了理论基础知识，加强了对各种设备的使用，学会了在实验中应注意什么，怎么样保护元件，怎样才能最准最快的查出错误。
通过连接和调试电路使理论更接近于实际，同时也发现了自己知识的不足，特别是动手能力的缺乏，对以后的学习和时间有了比较强的知道意义。
同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。
某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。
实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。
团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。
而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。
在设计过程中，我们大家一起查阅有关资料，与同学交流经验和自学等方式，是自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获也是巨大的。
在整个设计中我懂得了许多的东西，也培养了我们工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，是我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
虽然这个设计做的不是很好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，是我终生受益。
参考文献
【1】陈伯时.自动控制系统及电力拖动控制.北京：
机械工业出版社，2003：
57-63.
【2】李荣生.电气传动控制系统设计指导.北京：
机械工业出版社，2003：
104-110.
【3】李正军．电动跑步机PWM直流调速系统设计．微电机．2007，40（10）：
87-88，
【4】吴守箴，戚英杰.电气传的脉宽调制控制技术.北京：
机械工业出版社，2010．
【5】李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术.北京：
电子工业出版社，2011.
【6】阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：
机械工业出版社，2009.
单片机产生PWM波程序
#include
#defineuintunsignedint//自定义变量
#defineucharunsignedchar
ucharj;//定时次数，每次20ms
ucharf=5;//计数的次数
sbitP10=P1^0;//PWM输出波形1
sbitP11=P1^1;//PWM输出波形2
sbitP12=P1^2;//正反转
sbitP13=P1^3;//加速
sbitP14=P1^4;//减速
sbitP15=P1^5;//停止
sbitP16=P1^6;//启动
uchark;
uchart;//脉冲加减
delays（）;//延时函数
key（）;
main（void）
{
TMOD=0x51;//T0方式1定时计数T1方式1计数
TH0=0xb1;//装入初值20MS
TL0=0xe0;
TH1=0x00;//计数567
TL1=0x00;
TR0=1;//启动t0
TR1=1;//启动t1
while
（1）//无限循环
{
key（）;
}
}
delays（）
{
uchari;
for（i=5000;i>0;i--）;
}
voidt0（）interrupt1using2
{
TH0=0xb1;//重装t0
TL0=0xe0;
f--;
if（k==0）
{
if（fP10=1;
else
P10=0;
P11=0;
}
else
{
if（fP11=1;
else
P11=0;
P10=0;
}
if（f==0）
{
f=5;
}
j++;
if（j==50）
{
j=0;
TH1=0x00;
TL1=0x00;
}
}
key（）
{
if（P12==0）//如果按下，
{
while（!
P12）//去抖动
k=~k;
}
if（P16==0）//启动
{
while（P16==0）;
IE=0x8a;
}
if（P13==0）//加速
{
while（P13==0）;
t++;
}
if（t>=5）
t=5;
if（P14==0）//减速
{
while（P14==0）;
t--;
}
if（t<1）
t=1;
if（P15==0）//停止
{
while（P15==0）;
EA=0;
P10=0;
P11=0;
}
}
数字式直流电机开环控制系统总图
课程设计成绩评定表
成
绩
评
定
项目
比例
得分
平时成绩（百分制记分）
30%
业务考核成绩（百分制记分）
70%
总评成绩（百分制记分）
100%
评定等级
优良中及格不及格
指导教师（签名）：
20年月日
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