大功率直流电机PWM调速系统设计.docx

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大功率直流电机PWM调速系统设计

直流电机PWM调速系统设计

1绪论

在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。

直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。

研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。

不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。

直流电机它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求。

但对于直流电动机，采用传统的调速系统主要有以下缺陷：

模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

伴随着电力电子技术的不断发展，开关速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成为主流，PWM表现出了越大的优越性：

主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:

10000左右；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

本设计采用PWM技术来对直流电机进行调速，与一般直流调速相比，既减少了对电源的污染，而且使控制过程更简单方便，减少了对人力资源的使用，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的维护、维修变得更加简单了，但动、静态性能却提高了。

1.1直流电机PWM调速系统原理图

同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。

在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。

因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。

如图，通过单片机控制器产生PWM矩形波，PWM矩形波经过驱动电路的放大对直流电机进行PWM控制，由速度传感器对电机进行测速，并将测得的速度反馈到输入端即让反馈信号与给定量进行比较。

从而达到对直流电机的较为精确的控制。

图1直流电机PWM调速系统原理图

1.2系统设计方框图

图2直流电机PWM调速系统设计方框图

1.3系统设计原理

脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需

要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

如下图，令周期T一定，改变

的大小的控制方式称为PWM控制。

图3PWM控制方式输出波形

直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为

式中Ua——电枢供电电压（V）；

Ia——电枢电流（A）；

Ф——励磁磁通（Wb）；

Ra——电枢回路总电阻（Ω）；

CE——电势系数，，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。

由式

（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：

（1）改变电枢回路总电阻Ra；；

（2）改变电枢供电电压Ua；（3）改变励磁磁通Ф。

在本设计中因为Ф和Ra一定，故只能改变电枢供电电压来控制直流电机的转速。

而通过PWM方式，通过控制其占空比（

），而

（

），即可控制电枢供电电压。

从而改变转速n。

2方案论证

2.1PWM信号发生电路设计方案

（1）、分立电子元件组成的PWM信号发生器

这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。

它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。

（2）、软件模拟法

利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。

采用单片机软件编程生成PWM信号，具有两个定时器T0和T1。

并通过对定时器T0和T1的设置，可输出不同占空比的脉冲波形。

其控制简单，价格便宜，且控制功能多。

（3）、专用PWM集成电路

从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。

这些芯片除了由PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。

但是其对软件编程的要求不太高，无法让所学软件知识得到利用，起不到锻炼作用，且成本太高。

考虑以上三种方案，选择

（2）即利用单片机进行软件模拟方法产生PWM信号。

2.2驱动电路设计方案

图4所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。

要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。

根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

图4H桥驱动电路

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。

例如，如图5所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。

按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）

图5H桥驱动电机顺时针转动

图6所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。

当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

图6H桥驱动电机逆时针转动

所以H桥驱动电路对于此设计中实现直流电机的正反转等是一个不很好的选择。

2.3转速检测、反馈电路设计方案

集成霍尔开关只对一定强度的磁场起作用,抗干扰能力强,因而应用广泛。

当霍尔开关所在位置的磁场尚未达到工作点之前,器件以高电平输出,当磁场增强到工作点B时,霍尔片输出的电压U经差分放大器放大后,送至施密特触发器,使之翻转导通,从而使门电路输出端由高电平变为低电平,称此为“开”状态。

反之,当磁场减小到释放点B时,门电路输出端截止,则由低电平变为高电平,称为“关”状态。

A44E是典型的集成霍尔开关在计数、转数和转速的测量中应用广泛。

由于A44E灵敏度较高,抗干扰能力强,因而大量用于计数、转数和转速的测量中,本设计测速的方法为:

将小磁钢粘在霍尔开关背面,一起靠近转动的齿轮,由于齿轮的凹与凸,使霍尔开关的磁感应强度呈明显变化,霍尔开关同样输出脉冲

3系统硬件设计

3.1单片机控制单元

单片机控制单元如图所示，它要完成功能键控制、LCD显示的控制、PWM矩形波的生成这几项功能，由于控制功能多，选用AT89S52系统。

显示部分用了1602LCD显示器，利用AT89S52的P0口来完成显示控制，显示电机的转速。

键盘接口电路，采用了5个按钮开关作为控制。

5个按钮开关分别控制直流电机的开始、停止、转向、加速、减速的5个状态；当按下open键时，电机开始工作。

若需要加快电机的转速，则按下add_speed键，直到电机转速适中；相反，需要减慢电机的转速时，则按下sub_speed键，待转速满意后，放开按键。

当然，在某种特定的环境下，还需改变电机的转速，此时，你可以按一下swap键，以达到改变电机转向的目的。

当电机不工作时，则按下close键。

如下图，键盘控制电路用单片机的P2口来完成。

图7AT89S52单片机控制单元

3.2电源电路

78XX,XX就代表它所输出的电压值，能降低电压4-5V

电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。

故名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24,用来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100mA，78M系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为1.5A。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

电源电路采用78系列芯片产生+5V、+15V。

电路图如图8：

图878系列的电源电路

3.3H桥驱动电路

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。

直流电机控制使用H桥驱动电路（图9），当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。

图9H桥的电机驱动电路

3.4转速检测、反馈电路

霍尔效应：

在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。

该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。

工作原理：

霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。

信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。

单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT。

本设计选用霍尔传器进行转速的检测与反馈。

图10霍尔传感器的测速电路

3.5LCD显示模块

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A’。

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地

第2脚：

VDD接5V电源正极

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

如下图所示，为LCD显示电路

图11LCD显示电路

4系统软件设计

4.1软件电机控制的方框图

通过控制总中断使能EA控制电机的开关，同时使能对霍尔传感器输出的方波在单位时间内脉冲个数的计数。

其中定时器T0,T1分别对脉冲的宽度、霍尔元件输出的脉冲数对应的时间定时。

对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长度。

通过软件控制电机的启动，加速，减速，转向，和停止。

图12软件电机控制的方框图

4.2测速软件设计

若直流电机启动后，让定时器T1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。

程序流程图如下所示。

图13软件测速的方框图

5心得体会

这一次的课程设计让我学到了不少的东西，由于有前几次的经验，这次课程设计应该来说还是比较顺利的，由于我们做课程设计过程中正在实习，平时比较忙，所以对于软件设计里面的编程只将流程图等编程的架构思想写出来了，没有给出具体的程序。

从方案的确定，原理图的设计，具体绘制到写课程设计论文，在这个过程中我也遇到了很多的困难，因为没有选修过单片机那门课程，让我在做课设的时候感觉很头疼，不得不去图书馆借了有关单片机的书来学习。

对于在protel99se中绘图有些元件找不到不得不自己动手绘制等。

这次课程设计给我最大的体会就是有很多东西如果不是自己亲自动手，只在书本上是学不到的，设计初期要考虑周到，否则后期会带来很多不必要的麻烦。

虽然可能会多花一些时间，但这比空想要有效的多。

做事情一定要细心，更要耐心，遇到问题要慢慢去检查，然后仔细分析后再解决；除此之外，还要有合作精神，注重团队合作，和合作者一起做，相互鼓励，互相弥补不足之处，很多难点的突破都来自于与同学的交流，交流使自己获得更多信息，开拓了思路，这样很多事情就成了。

本次设计把理论应用到了实践中，同时通过设计，也加深了自己对理论知识的理解和掌握，在解决困难的过程中，获得了许多专业方面的知识,拓展了视野。

提高了理论水平和实际的动手能力，学会了解决问题的方法，激发了我们的探索精神。

这样的课程设计是很好的锻炼机会,通过实验设计使我深入了解到课程设计在大学学习的重要性，课程设计增强了我们的实践动手能力，也为大四后学期的毕业设计提供了宝贵的经验。

参考文献

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机械工业出版社.，2007

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机械工业出版社，2007

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北京水利电力出版社，2003

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清华大学出版社，2008

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机械工业出版社,2007