电机与拖动课程设计PWM脉宽调速系统设计报告.docx

1、电机与拖动课程设计PWM脉宽调速系统设计报告电机与拖动课 程 设 计直流电机PWM脉宽调速系统设计目录.1一、课程设计内容.2二、设计原理.22.1系统设计原理.22.2 PWM基本原理.32.3 PWM调速基本原理.3三、方案设计与选择.43.1脉宽调制电路的选择.43.2驱动电路的选择.4四、方案具体实现.54.1 设计方案.54.2直流电机驱动控制总流程图.54.3矩形波信号产生器.54.4驱动电路.74.5总电路图.94.6调试数据及波形.10 4.6.1调试数据.10 4.6.2调试波形.10五、调试过程中遇到的问题及解决方案.11六、心得体会.12七、元件清单.121八、小组分工.

2、12一 、设计内容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。二、设计原理2.1.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

3、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。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1）式中 Ua电枢供电电压（V）； Ia 电枢电流（A）； 励磁磁通（Wb）； Ra电枢回路总电阻（）； 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。2由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、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)改变励磁磁通下图为PMW直流电机设计框图22.PWM基本原理 脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进

4、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。简而言之，就是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即

5、可使电机的速度达到并保持一稳定值。2.3.直流电机PWM调速基本原理众所周知，直流电动机转速公式为：n = （U - IR）/ K3其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，为每极磁通量，K 为电动机结构参数。直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制( PWM) 便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。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) 来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。三、方案设计与选择3.1脉宽调制电

6、路的选择方案1：采用51单片机来进行PWM的产生以及调控。方案2：采用TL494脉宽调制芯片鉴于TL494芯片价格较低而且外围电路比较容易搭建，调控方便，故选用了方案2来进行PWM的产生。3.2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MO

7、S 器件。采用一片IR 2111 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。 很明显采用方案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。4四、方案具体实现4.1 设计方案主电路采用两个MOSFET管与电机连接成半桥电路，通过控制MOSFET的开通与关断来实现对电工作状态的控制，从而实现调节电机转速的功能。因此，主电路比较简单。而设计的最关键环节应该是MOSFET 的驱动电路的设计，在这里，我们可以采用TL494结合IR2111来驱动MOSFET管。4.2直流

8、电机驱动控制总流程图直流电机驱动控制电路分为控制信号电路、脉宽调制电路、IR2111信号驱动电路、单臂功率驱动电路等部分，控制总流程如图 1所示。图 1 控制总流程由图 1可以看出先调节滑动电阻，然后由TL494进行脉宽调制，其PWM输出信号经IR2111芯片产生两路互补PWM信号进而驱动半桥，控制直流电机运行。4.3矩形波信号产生器5我们的方波信号产生器采用专用芯片TL494构成。如图2所示是TL494的内部结构图。根据这个内部结构图，只要在12脚加上工作电压，我们就可以在14脚得到5V的基准电压输出。同时，我们可以通过改变5脚或者6脚的CT、RT得知来改变振荡1器的频率大小，从而改变在9脚

9、输出的矩形波的频率大小，其频率大小与CT、RT的关系如下f= 同时，通过控制1脚的输入电压的大小，就可以方便控制输出矩形波的占空比。从而，可以设计出如图3所示的矩形波信号产生器。6图2 TL494内部结构图图3 TL494接线图4.4驱动电路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IR 2111 可完成两个功率元件的驱动任务，选用IR2111芯片能对前面送进的PWM波分成两路反相的讯号，从而进行后面元件的驱动。7IR2111内部结构图如图4，引脚图见图5图4 IR2111内部结构图图5

10、 IR2111引脚图引脚介绍：1脚：Vcc 是给IR2111 供电的电源, 一般为15V2脚：IN 是控制信号的输入端, 输入等效电阻很高, 可直接连接来自前面触发电路的PWM波3脚: COM是接地端4,7脚：HO、LO 分别是上、下管控制逻辑输出端6脚：Vs 是高压侧悬浮地88脚：Vb 是为高压侧悬浮电源端基于IR2111的驱动放大电路见图5图5 基于IR2111的驱动放大电路4.5总电路图经过汇总得到的总电路图如图5所示。图7 系统总图94.6调试数据及波形4.6.1调试数据占空比（%）908070605040302010转速/n464429.2378.5344.3/电流/A0.90.73

11、0.560.46（在实验数据中，后面的空白是因为在测量过程经过一半时，想让老师验收后再继续测量数据，结果在验收过程中，电流在调至1.0A左右时MOS管击穿。而时值课程设计即将结束，从而导致无法继续测量数据）4.6.2调试波形10五、调试过程中遇到的问题及解决方案1）第一次调试时TL494芯片九脚无输出，后来经反复检查，发现是芯片坏了。解决方案：换芯片。2）在电路设计图及焊板无误的情况下，发现TL494芯片经常烧坏。可能原因：经过老师检查后，有可能是所购买的MOS管型号不对，导致MOS管在电流稍大（但此时电流大小还没到达实验的要求）的情况下击穿，从而导致TL494容易被烧坏。解决方案：重新购买MOS管，但由于课程设计已结束，无法验证。（在实验数据中，后面的空白是因为在测量过程经过一半时，想让老师验收后再继续测量数据，结果在验收过程中，电流在调至1.0A左右时MOS管击穿。而时值课程设计即将结束，从而导致无法继续测量数据）11六、心得体会在做实验时一定要细心遇事勿慌，勿手忙脚乱，冷静下来，一点一点排查错误七、元件清单元件名数目备注TL4941IR2111110K电阻3100K电位器2排针若干0.1uf电容3八、小组分工组员分工高浩斌（组长）搜集资料、焊板、调试电路邓毅搜集资料、焊板、调试电路郭剑桥搜集资料、调试电路、撰写报告12