H桥PWM数字直流调速系统设计毕业设计.docx
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H桥PWM数字直流调速系统设计毕业设计
摘要
随着现代化步伐的加快，人民生活水平的提高，对自动化的需求也越来越高。
直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，应用领域越来越大，这就对电动机的控制提出了极高的要求。
应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM脉宽调制调速方式应用最为广泛，而PWM脉宽调制中，H型PWM脉宽调制的性能尤为突出。
本文是基于H型PWM数字直流调速系统设计，对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。
它以单片机为控制核心，由双闭环（电流环和转速环）、驱动电路、电流检测、键盘输入、LED数码管显示、报警电路等几部分组成。
采用全控型大功率晶体管GTR，可方便的控制其通断，因此它组成的H型PWM调速系统除结构简单外，更具有开关频率高、主回路脉动成分小、低速运行性能好等优势。
关键词：
单片机PWM直流电动机GTR
Abstract
Withtheacceleratedpaceofmodernization,thepeople'slivingstandardsimprove,thedemandforautomationisincreasinglyhigh.DCmotorithasamoreflexible,adjustthespeed,themethodissimple,easy-tolarge-scalesmoothspeedcontrolandgoodperformancecharacteristics,applicationareasisgrowing,demandtheverybestthismotorcontrol.AppliedtotheDCmotorspeedcontrolTherearemanyways,themostwidelyusedofwhichthePWMpulsewidthmodulationspeedcontrolapplications,thePWMpulsewidthmodulation,especiallytheperformanceofH-typePWMpulsewidthmodulation.
ThisarticleisbasedontheH-typePWMdigitalDCspeedcontrolsystemdesign,thevariouspartsoftheargument,tryingtoachievethebestperformanceineachcomponentunit.MCUcontrolcore,doubleclosed-loop（currentloopandspeedloop）,thedrivecircuit,thecurrentdetection,keyboardinput,LEDdigitaldisplay,alarmcircuitcomposedofseveralparts.Full-controlledpowertransistorsGTR,thecontroloff,itiscomposedofH-typePWMspeedcontrolsystemapartfromthesimplestructure,butalsohasahighswitchingfrequency,thesmallpulsationcompositionofthemaincircuit,runningatlowspeedperformanceandotheradvantages.
Keywords:
microcontrollerPWMDCmotorGTR
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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指导教师签名：
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按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
第1章概述
1.1问题的引出
数字直流调速装置，它不仅能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，而且同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它能够和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，具有操作简便、抗干扰能力强等特点。
其方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不够完善、调试不方便、体积大等不足。
另外数字控制系统具有查找故障迅速、调速精度高、维护简单等优势，使其具备了极其广阔的应用前景。
目前国外主要的电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司和AEG公司、日本的三菱公司和东芝公司、美国的GE公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。
自从20世纪60年代我国初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统得到迅速的发展和广泛的应用。
目前，晶闸管供电的直流调速系统已经在我国国民经济各部门得到广泛的应用。
我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulsewidthmodulation,简称PWM）方向发展，但我国现在大部分数字化控制直流调速装置都依靠进口，但由于进口设备价格昂贵，因此研究数字直流调速装置成为了一件迫切而又极具意义的事情。
1.2直流电动机控制的发展史
常用的控制直流电动机的方式有以下几种:
第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，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，不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。
第二，三十年代末，出现了发电机-电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。
但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。
第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高，特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。
但是汞弧变流器仍存在一些缺点:
维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。
第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。
由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。
第五，从20世纪80年代中后期起，以大功率晶体管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。
同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。
微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。
近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG
K6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。
1.3PWM数字直流调速的特点
1.3.1PWM直流调速的特点
自从全控型电力电子器件问世，就产生了以脉冲宽度调制的高频开关控制方式，从而形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称为直流脉宽调速系统（或者直流PWM调速系统）。
直流PWM调速系统具有其他调速方式所不具备的几大特点：
1．直流PWM调速系统主电路线路简单，需用的电力电子器件少；
2.开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小；
3．低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1:
1000左右；
4．若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；
5．电力电子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；
6．当直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高；
1.3.2电动机微机控制的特点
目前，很多电动机机微机控制系统都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统是当前的发展方向。
在微机控制系统中，通常是既有模拟信号，也有数字信号；既有连续信号，也有离散信号。
由于计算机的CPU只能识别和处理数字信号，而且只能一次次离散地处理，所以计算机处理外界信息时总要有一个采样过程，因此电动机微机控制系统必然是一种采样控制系统。
电动机微机控制的主要特点：
1.硬件比较简单，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化；
2.可以分时操作；一台微机可以起多个控制器的作用，为多个控制回路服务；
也可控制多个电动机，完成较多的功能；
3.微型计算机具有记忆和判断功能，系统的控制方式由软件决定，若要改变控制规律，一般不必改变系统的硬件，只需按新的控制规律编出新的程序即可；且可在运行中随时根据不同的电动机工作状态，选择最有利的系统参数、系统结构及控制策略等；使系统具有很强的灵活性和适应性；
4.微型计算机的运算速度快，精度高。
它有丰富的逻辑判断功能和大容量的存储单元，因此有可能实现复杂的控制规律，如采样参数辨识、优化控制等现代控制理论所提供的控制算法，以达到较高的控制质量；
5.可以避免数字量的运算出时现模拟电路中所遇到的零点漂移问题，被控量可以很大，也可以很小，都较易保证足够的控制精度；
6.信息处理能力强，可以完成各种数据的处理，及时给操作人员提供有用的信息和指示；
正因为有着上述优点，电动机微机控制的理论及应用均得到了迅速的发展，新产品不断涌现和普及。
1.4本设计的主要内容
交流电通过单相桥式整流电路转换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。
检测回路包括电流和转速检测，其中电流检测通过霍耳元件检测由A/D转化通道变为数字量送给单片机，转速检测用数字测速，实时检测电流和转速的大小，并有显示电流值和转速。
通过按键确定设定值，与测量值进行比较判断。
当检测值大于设定值，出现故障时，报警装置启动，以便人工处理。
当检测值小于等于设定值时，通过改变PWM值调节转速。
键盘及显示电路采用专用芯片，PWM由单片机内部定时产生。
转速环、电流环均采用闭环，由软件控制，其中电流环为内环，电压环为外环，内环的采样周期小于外环的采样周期。
由于采样值有扰动，因此采用软件滤波。
通过软件控制大功率晶体管GTR的导通及关断，从而实现单极式、双极式、受限单极式三种控制方式之间的自动切换。
第2章方案的设计及论证
2.1控制方案的选择
自动控制（automaticcontrol）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。
自动控制是相对人工控制概念而言的。
指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。
自动控制系统按照控制装置与被控对象之间的作用，可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。
开环控制是指控制装置与被控对象之间只有正向作用而没有反向联系的控制过程。
具有以下特点：
1.输出不影响输入，对输出不需要测量，通常容易实现；
2.组成系统的元、部件精度高，系统的准确度才能高；
3.系统的稳定性不是主要问题；
开环系统存在的问题：
1.要求元、部件的精度要高；
2.当存在变化规律无法预测的干扰时，系统不容易实现；
闭环控制系统是指指控制装置与被控对象之间既有正向作用又有方向联系的控制过程。
其具有以下特点：
1.输出影响输入，因此能削弱或抑制干扰；
2.低精度的元、部件可以组成高精度的系统；
3.因为可能发生超调、振荡，所以稳定性问题很重要；
根据文章的总体设计要求，选择闭环控制系统。
如图2-1所示。
图2-1闭环控制系统框图
2.2控制器及元器件的选择与设计
2.2.1控制器的选择
常用的控制器主要有：
1.单片微型计算机（MCU）：
是一种集成在电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
主要特点如下：
（1）具有较高的性价比；
（2）体积小，可靠性高；
（3）控制功能强；
（4）使用方便，容易产品化；
2.工业控制计算机（IPC）：
用于工业控制的计算机，用于工业过程测量、控制、数据采集等工作。
主要有以下特点：
（1）可靠性高，实时性好；
（2）环境适应性强，过程输入和输出配套比较好；
（3）系统扩展性好，且具有开放性；
（4）通信能力强，后备措施齐全；
3.可编程逻辑控制器（PLC）：
是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机,具有以下特点：
（1）配套齐全，功能完善，适用性强；
（2）可靠性高，抗干扰能力强；
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎；
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；
（5）体积小，重量轻，能耗低；
根据设计的要求以及产品的性价比，控制器选择单片微型计算机即可。
2.2.2晶体管的选择
晶体管选择的主要原则及注意事项：
1．在工作过程中，为防止晶体管损坏，必须使它工作在安全区，因此：
（1）当需要工作电平高时，应选
大的高反压管，尤其要注意b、e间的反向电压不要超过
。
（2）在需要输出大功率时，应选
值大的功率管，但同时注意必须满足其散热要求。
（3）在需要输出大电流时，应选
大的管子。
2．当工作信号频率高时，必须选用高频管或超高频管；如果用于开关电路，则应选择开关管。
3．由于硅管反向电流小，允许晶体管的温度高。
因此对这些参数要求较高时应选用硅管；而当要求导通电压低时可选用锗管。
4．同型号的晶体管中反向电流越小，一般性能较好，在选用晶体管时可做参考；而β值则一般选几十至一百左右，当β太大时，晶体管性能不稳定。
5．当直流电源对地为正值时，多选用NPN管组成电路；负值时多选用PNP管组成电路。
2.2.3电动机的选择
本设计要求的电动机的主要技术指标：
功率2.2KW
电压220V
电流12.5A
转速1500r/min
调速范围D≥1000
2.2.4电流调节器的设计
在设计电流调节器时，首先应该考虑把电流环校正成哪一类典型系统。
从稳态要求上看，希望电流无静差，以可以得到理想的堵转特性，采用Ⅰ型系统就够了。
再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。
因此，本设计中电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统。
2.2.5转速调节器的设计
为了实现转速无静差在负载抗扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，由于在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
按照线性系统理论数据的推算，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低，从而大道转速无超调的目标。
因此，本设计中转速调节器应该采用PI调节器。
2.2.6电动机转速的检测
电动机转速的及时准确检测,与闭环调速系统的控制精度紧密相关。
不论是直流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测,才能得到高精度的控制系统。
速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理,根据脉冲发生器发出的脉冲速率和序列,测量转速和判别其旋转方向。
电动机转速的数字检测方法很多,以下是常用的几种
方法。
在电动机转速的数字检测方法中,测速精度首先应满足指标要求。
1．测速指标
（1）分辨率
每改变一个数字脉冲所对应的转速变化量,以
表示,定义为分辨率。
值愈小愈好。
值愈小,说明测速装置对转速变化愈灵敏,即测速分辨率愈高。
设在某一定时间内,转速
变为
所发出的光电测速脉冲数为
则分辨率
的定义为
即每一个光电测速脉冲所对应的电动机转速。
（2）测速精度
测速精度用测速误差的相对值的百分数表示,记以
。
当实际转速为
转速实际值与测量值之差为
时,则测速精度为
，测速精度决定于测速部件的机械制造精度,并与测速方法有关。
用光电码盘测速总会有1个脉冲所对应的转速误差。
愈小,测量误差愈小,即测速精度愈高。
（3）检测时间
连续两次采样转速的间隔时间,
以表示。
愈短,愈有利于快速响应。
2．电动机转速的数字检测方法
（1）M/T法
M/T测速法的基本原理是:
检测周期时间由两部分组成
其中
为设定的固定不变时间;
为从
时间结束到此后出现的第一个光电脉冲为止的时间。
设旋转编码每转发出
个脉冲，在检测周期时间
内旋转编码器发出的脉冲个数是
在检测周期
内时钟脉冲计数值
则转速为
式中,
为检测周期内被测转轴的转轴角,
（
为时钟脉冲频率）,将其代入上式后得M/T法转速的计算式为：
（2）旋转编码器
光电式旋转编码器是检测转速或者转角的元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或者转角信号。
它已经广泛地应用于自动控制系统中作为检测机械传动装置的角位移、角速度、线位移、线速度等静、动态运动参量的传感元件，尤其在多关节工业机器人的电机伺服系统中，各关节均装有光电码器用于检测各关节的姿态。
光电码器有两种基本形式—绝对式光电码器与增量式光电码器。
由于增量式光电码器较绝对式光电码器结构简单、
分辨率高、价格便宜，因而应用较广泛，尤其是在高分辨率和大范围的位置测量中，增量式光电码器更具有优越性。
增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，如图2-2所示，当电动机旋转时，编码盘随之一起转动。
通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭通路，因此，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。
图2-2增量式旋转编码器示意图
上述脉冲序列能正确地反映了转速的高低，但不能鉴别转向。
为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4。
则两组脉冲序列A和B的相位差90度，如图2-3所示。
正转时A相超前B相；反转时B超前A相。
采用简单的鉴相电路就可以分辨出转向。
图2-3区分旋转方向的A，B两组脉冲序列
若码盘的光栅数为N，则转速分辨率为1/N，常用的旋转编码器光栅数有1024，2048，4096等。
再增加光栅数将大大增加旋转编码器制作成本和难度。
采用倍频电路可以有效地提高转速分辨率，而不增加旋转器的光栅数，一般多采用四倍频电路，大于四倍频则较难实现。
本系统采用6N137光电编码盘。
2.2.7电流检测
1.直流电差位计
直流电差位计是利用直流补偿原理制成的仪器。
所谓补偿法是一种比较测量法，测量结果的准确度比较高，广泛运用于精密测量领域，以及高准确度指示仪表的检定和校准。
2.霍耳元件
由于霍耳元件对磁场的敏感，结构简单体积小，频带响应宽输出电动势的变化范围大，无活动部件使用寿命长等特点。
因此，它具有广泛的应用。
为了节约设计成本，本设计选用霍耳元件。
2.2.8显示电路
常用的显示元件有LED数码管、1602液晶。
1.LED数码管显示
数码管是单片机片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。
LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白等七彩效果。
具有成本低，功耗小，无热量，耐冲击，长寿命等优点。
2.1602液晶显示
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样就可以显示出图形。
具有厚度薄，适用于大规模集成电路直接驱动，易于实现全彩显示的特点。
根据实际需要，本设计选用LED数码管显示。
2.2.9A/D转换器的选择
单片机只能接收数字信号，外部模拟量要被单片机接收，就必须在单片机和
外部模拟量之间加装A/D转换器。
A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置，它是一个模拟系统和单片机之间的接口，它在数据采集和控制系统中，得到了广泛的应用。
常用的A/D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。
前者转换时间短，但抗干扰能力差；后者转换时间长，抗干扰能力强。
在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜采用后者。
由于本设计信号变化比较快，因此采用逐次逼近型A/D转换器。
常用的逐次逼近式A/D转换器有8位分辨率的ADC0809,12位分辨率的AD574等。
A/D转换器的主要技术指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准点元的要求等。
转换时间：
指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。
分辨率：
通常用数字量的位数n来表示，如8位，12位，16位等。
线性误差：
理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此，在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。
量程：
即所能转换的输入电压范围。
对基准电源的要求：
基准电源的精度对整个系统的精度产生很大的影响。
综合以上选择的原则和要求，本设计选用8位逐次逼近式的A/D转换ADC0809。
第3章系统硬件设计
3.1控制单元电路设计
根据第2章控制器的选择，本设计选用AT89C51单片机。
3.1.1AT89C51单片机的概述
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非
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