小容量直流電機雙極性PWM調速說明書

1、小容量直流電機PWM調速臺州第一技師學院維修電工高級課題（xxxx屆）課題題目 小容量直流電雙極性PWM調速 班級 xxxxxx班 姓名 xxx 指導教師 xxxx 職稱或等級 xxxx 完成日期 xxxx年xx月xx日 小容量直流電雙極性PWM調速姓名：xx（臺州第一技師學院）2013年9月30日摘要直流電機具有良好的啟動和調速性能，被廣泛的應用對啟動和調速有較高要求的拖動系統(tǒng)。本設計介紹了用PWM實現(xiàn)直流電機調速的基本方法，直流電機調速的相關知識，PWM調整的基本原理和實現(xiàn)方法。（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制。它是利用微處理器數(shù)字輸出來

2、對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量、通訊、功率控制與變換等許多領域。硬件系統(tǒng)主要包括：直流雙電源電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、PWM調制信號產生電路、脈沖整形放大電路、H型雙極性驅動電路。關鍵字：PWM；直流電機；雙極性；目 錄目錄1引言52課題研究的意義63直流調速及PWM控制原理64總體設計85硬件設計95.1電源電路95.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路95.3雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路105.4 PWM調制信號產生電路105.5H型雙極性驅動電路116制版126.1打印電路板126.2裁剪覆銅板12 6.3預處理覆銅板126.4轉印電路板126.5腐蝕線路板126.6線路板鉆孔126.

3、7焊接電子元件127課題小結138致謝139附錄149.1、元器件清單149.2、集成塊介紹149.3、電路圖149.4、實物圖1610參考文獻161 引言PWM控制技術一直是變頻技術的核心技術之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把這項通訊技術應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面。從最初采用模擬電路完成三角調制波和參考正弦波比較，產生正弦脈寬調制SPWM信號以控制功率器件的開關開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應用場合仍在主導地位，并一直是人們研究的熱點。由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻

4、變壓反抑制諧波的特點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應用。PWM控制技術大致可以為為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種PWM方案，多重PWM也應歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢（如ABB  ACS1000系列和美ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標。 在70年代開始至80年代初，由于當時大

5、功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5kHz，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。為求得改善，隨機PWM方法應運而生。其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機PWM技術提供了一個分析、解決問題的全新思路。2 課題研究的

6、意義直流電動機是最早出現(xiàn)的電動機，也是最早實現(xiàn)調速的電動機。長期以來，直流電機一直占據著調速控制的的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調速特征，簡單的控制性能，高效益優(yōu)異的動態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調速控制電動機的最佳選擇。因此研究直流電流的書的控制，有著非常重要的意義。還有利用脈寬調制方式實現(xiàn)調速能使電源的能量得到充分利用，電路的效率高。例如：當輸出為50%的方波時，脈寬調制電路消耗的電源能量也為50%，即幾乎所有的能量轉換為負載功率輸出。而采用常見的電阻降壓調速時，要使負載獲得電源最大輸出功率50%的功率電源必須提供71%的輸出功率，這其中21%消耗在電阻的壓降及熱耗上，有時電路的轉換效率是肥腸

7、重要的。此外采用脈寬調制方式可以市使負載工作時得到滿電源電壓，這樣有利于克服電機內在的線圈電阻，而使電機產生更大的力拒。3 直流調速及PWM控制原理3.1 直流電機調速原理 直流電動機根據勵磁方式不同，直流電動機分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電動機機械特性曲線有所不同。但是對于直流電動機的轉速有以下公式：  其中：U電壓；R內勵磁繞組本身的電阻;每極磁通(Wb)；Cc電勢常數(shù)；Cr轉矩常量。由上式可知，直流電機的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場控制法。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火

8、花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。所以在工業(yè)生產過程中常用的方法是電樞控制法.電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機的電樞上，以控制電機的轉速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻，通過調節(jié)電阻改變電樞電壓，達到調速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經濟效益低，而且轉速越慢，能耗越大。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進行相控調壓；脈寬調制(PWM)調壓等等。調壓調速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點。在工業(yè)生產中廣泛使用其中脈寬調制(PWM)應用更

9、為廣泛。 3.2  PWM脈寬調制原理PWM脈沖寬度調制技術就是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術。下式是占空比計算公式：   式中t1表示一個周期內開關管導通的時間，T表示一個周期的時間。 占空比D表示了在一個周期里，開關管導通的時間與周期的比值，變化范圍為0D1。由上式可知，當電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值為Vd=Vmax×D，因此改變占空比D就可以改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的，這就是PWM調速原理。 在PWM調速時，占空比是一個重要參數(shù)。以下是三

10、種可改變占空比的方法： （1）定寬調頻法:保持脈寬不變，改變周期（或頻率）。 （2）定頻調寬法：保持頻率不變，改變脈寬。 （3）調頻調寬法：同時改變周期（或頻率）和脈寬。第1、3兩種方法由于在調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此應用較少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用第2種方法。 定頻調寬法是利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速，因此，PWM又被稱為“開關驅

11、動裝置”。4 總體設計本直流電機調速系統(tǒng)根據PWM調速的基本原理，以直流電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速為依據，實現(xiàn)直流電機的平滑調速。圖1-1 直流電機PWM調速系統(tǒng)框圖5 硬件設計5.1電源電路本設計的電源都是12V雙電源供電，電源電路是由一15V變壓器，橋式整流電路，7812、7912芯片，電容所組成(如圖1-2所示)。由變壓器變壓得到15V的交流電經過橋式整流然后C1、C2濾波得到比較平滑的直流電，再經過三端穩(wěn)壓器7812，7912變成±12V電，然后再次使用電容C3、C4、C5、C6濾波，輸出平滑的±12V直流電。圖1-2 直流電機

12、PWM調速電源電路5.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 本設計的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路是三極管單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。電源接通時，一個三極管始終保持截止狀態(tài)不變，另一個三極管始終保持飽和狀態(tài)不變。當有外來信號觸發(fā)時，原來截止的變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，原來飽和的變?yōu)榻刂範顟B(tài)。但經過一段時間，兩個三極管又恢復到原來的狀態(tài)不變，具有一種穩(wěn)定狀態(tài)。圖1-3 直流電機PWM調速單穩(wěn)態(tài)電路5.3雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路本設計的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路是三極管單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。在沒有外來信號時，三極管始終保持原來的截止或飽和狀態(tài)不變，當有外來信號觸發(fā)時，原來截止的變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)并保持不變，原來飽和的變?yōu)榻刂範顟B(tài)也保持不變，具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。圖1-4 直流電機PWM調速雙穩(wěn)

13、態(tài)電路5.4 PWM調制信號產生電路由U3C、U3D組成振蕩器電路，提供頻率約為400Hz的方波/三角形波。U3A產生6V的參考電壓作為振蕩器電路的虛擬地。U3B這里接成比較器的形式，它的輸入端(5腳)接入電阻R15，用來提供比較器的參考電壓。這個電壓與U3D的輸出端(14腳)的三角形波電壓進行比較。當該波形電壓高于U3B的6腳電壓U3B的7腳輸出為高電平；反之，當該波形電壓低于U3B的6腳電壓，U3B的7腳輸出為低電平。由此改變U3B的6腳電位使其與輸入三角形波電壓進行比較。就可增加或減小輸出方波的寬度，實現(xiàn)脈寬調制(PWM)。 圖1-5 直流電機PWM調速PWM調制信號產生電路5.5H型雙

14、極性驅動電路要使電機運轉，必須對角線上的一對三極管導通，當Q11、Q10導通時，電流經Q11從左至右穿過電機在經過Q10形成回路。該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管Q12、Q9導通時，電流將從右至左流過電機從而驅動電機沿另一個方向運動。圖1-6 直流電機PWM調速H型雙極性驅動電路6 制板6.1、打印電路板將繪制好的電路板用轉印紙打印出來，有油墨的一面面向自己，一般打印兩張電路板，即一張紙上面打印兩張電路板。在其中選擇打印效果最好的制作線路板。 6.2、裁剪覆銅板 覆銅板，也就是一面覆有銅模的線路板。把覆有銅膜的板裁成電路板的大小，不要過大節(jié)約材料。 6.3、預處理

15、覆銅板用細砂紙把覆銅板表面的氧化層打磨掉，以保證在轉印電路板時，熱轉印紙上的碳粉能牢固的印在覆銅板上，打磨好的標準是板面光亮，沒有明顯污漬。 6.4、轉印電路板將打印好的電路板裁剪成合適大小，把印有電路板的一面貼在覆銅板上，對齊好后把覆銅板放入熱轉印機，放入時一定要保證轉印紙沒有錯位。一般來說經過2-3次轉印，電路板就能很牢固的轉印在覆銅板上。熱轉印機事先就經過預熱，溫度設定在160-200攝氏度。6.5、腐蝕線路板先檢查一下電路板是否轉印完整，若有少數(shù)沒有轉印好的地方可以用黑色油性筆修補。然后就可以腐蝕了，等線路板上暴露的銅膜完全被腐蝕掉時，將線路板從腐蝕液中取出清洗干凈，這樣一塊

16、線路板就腐蝕好了。腐蝕液成分為三氯化鐵、水，比例為1：80，在配置腐蝕液時先放水，在加三氯化鐵。6.6、線路板鉆孔線路板上是要插入電子元件的，所以就要對線路板鉆孔了。依據電子元件管腳的粗細選擇不同的鉆針，在使用鉆機鉆孔時線路板一定要按穩(wěn)，速度不能太快。 6.7、焊接電子元件 鉆完孔后，用細砂紙把覆在線路板上面的墨粉打磨掉，用清水把線路板清洗干凈。然后焊接完板上的電子元件，焊接時要注意先低后高，即先焊接比較低的元件，在焊接比較高的。7 .課題小結通過這次小容量直流電機雙極性PWM調速的課程設計，我們才把學到的東西與實踐相結合。從中對我們學的知識有了更進一步的理解，而且更進一步地熟悉了芯

17、片的結構及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關資料來解決問題的習慣。雖然這只是一次簡單的課程設計，但通過這次課程設計我們了解了課程設計的一般步驟，和設計中應注意的問題。設計本身并不是有很重要的意義，而是同學們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。各個芯片能夠完成什么樣的功能，使用芯片時應該注意那些要點。同一個電路可以用那些芯片實現(xiàn)，各個芯片實現(xiàn)同一個功能的區(qū)別。另外，我還更加熟練的使用了DXP2004等軟件，讓我體會到了期中的樂趣，還在電腦制作文檔的過程中，使我對辦公軟件有了更進一步的了解和掌握。8 .致 謝 在整個設計過程中，

18、我得到了老師的耐心指導和幫助，在此，表示衷心的感謝！在設計的整體思路、方案確立、主要元器件的選擇上給予了我很大幫助，同時提供了很多有價值的資料。 經過這次畢業(yè)設計我感受頗多，在正式進行設計之前，我參考了一些網上的資料，通過對這些設計方案來開拓自己的思路，最后終于有了自己的思路。 此次課題設計不僅是對前面所學電力電子技術的一種檢驗，更是對所學知識大融合，站在新的高度看待新的問題，而且也是對自己運用所學知識的能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學習的東西還太多。以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。 由于自己的水平有限，設計中難免有一些錯誤和遺漏之處，懇請各位老師批評指正，謝謝！9 附錄9.1、元器件清單名稱大小/型號數(shù)量名稱大小/型號數(shù)量電阻1K11二極管1N400783K11N414834