pwm的直流電機調(diào)速課程設計

1、課程設計的主要目標任務直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多 需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來 看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。 早期直流電動機的控制均以模擬電路為 基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成， 控制系統(tǒng)的 硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻礙了直流電 動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。 隨著單片機技術的日新月異，使得許多 控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈 活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能20采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力 資

2、源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為 元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響， 并且線路復雜、通用性差，控制效 果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證， 甚至出現(xiàn)事故。目前，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?伴隨著電子技術的高度 發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變， 特別是單片機技術的應用， 使直流電機調(diào)速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的 趨勢。二、課程設計系統(tǒng)方案選取1. 直流電動機運行原理脈寬調(diào)制技術是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技

3、術，尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量，PWM控制技術的理論基礎為：沖量相 等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時， 其效果基本相同，使輸出端得 到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需 3 要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制， 既可改變逆變電路輸出電壓 的大小，也可改變輸出頻率。直流電動機的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關系可表示為圖1:直流電機原理圖式中Ua電#供U電壓Ra）;Ia電樞電流（A）；一C一勵磁磁通（Wb）;CRa 電樞回路總電阻（Q） ;CE電勢系數(shù)，p為電磁對數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導體數(shù)。由式（1）可以 看出，式中Ua、Ra、三

4、個參量都可以成為變量，只要改變其中一個參量，就 可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，所以直流電動機有三種基本調(diào)速方法：（1）改變電樞回路總電阻Ra；; （2）改變電樞供電電壓Ua； （3）改變勵磁磁通。如圖1所示：改變直流電機電樞繞組兩端電源電壓u大小就可以調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速的大小；改變直流電機電樞繞組兩端電源電壓U方向就可以改變直流電機轉(zhuǎn)速方向。方案一：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。 但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調(diào)速， 而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，

5、通過開關的切換對電動機的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結(jié)構易損壞、壽命較短、 可靠性不高。方案三：采用由三極管組成的H型PWM電路。用單片機控制三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。 這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關的速度很快， 穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設計采用方案三。2. PWM調(diào)速原理圖1為PWMf壓斬波器的原理電路及輸出電壓波形。在圖 1a中，假定晶體 管Vi先導通

6、Ti,秒(忽略V1的管壓降，這期間電源電壓 Ud全部加到電樞上)，然后關斷T2秒(這期間電樞端電壓為零)。如此反復，則電樞端電壓波形如圖 1b中 所示。電動機電樞端電壓 Ua為其平均值。圖1 PWM降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形a)原理圖b)輸出電壓波形Ua 7UdT1Ud Ud (3)T1T2 T式(3)中(4)T1工T1 T2T為一個周期T中，晶體管V1導通時間的比率，稱為負載率或占空比。 使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變的值，從而達到調(diào)壓的目的：(1) 定寬調(diào)頻法：T1保持一定，使T2在08范圍內(nèi)變化；(2) 調(diào)寬調(diào)頻法：T2保持一定，使T1在08范圍內(nèi)變化（3）定頻調(diào)寬法：T

7、1+T2=T保持一定，使T,在0T范圍內(nèi)變化。不管哪種方法，的變化范圍均為0& 01,因而電樞電壓平均值 Ua的調(diào)節(jié)范圍為0Ud,均為正值，即電動機只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào) 速。當需要電動機在正、反向兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)，即可逆調(diào)速時，就要使用圖1-2a所示的橋式（或稱H型）降壓斬波電路。3. PID調(diào)節(jié)在模擬控制裁就中.控制除常用的控制攝津是舊控制.為說明控制器的工作原超，先看 一個例子。如圉11所示是一個小功率直減電機的前速京電陶.給定速度小。）與實際轉(zhuǎn)速進行tt 較時OT，其愛值%。）或?3線過F2 控制器喝整后崎用電那控制信號以（。，孤1）經(jīng)過功 率放大后.唾動五流電動機改

8、變其莪速.%（1）+ /O 喇 ZZ一 n X ）-尸劍器 力擊中,工1-H1-1小功率直流電機雨速賽洸常規(guī)的便攜PID技制系統(tǒng)原理悵圖如圖12所示.祺素鞋由慢報P舊控制儲和被拴時糠組成: 閽中，r（l）是箝定值.是系統(tǒng)的實標，出值卜給定也叮變*世杓堀拄制偏差質(zhì)。<r>=r（f）-y（Oc式 11）亂。作為PID控制的輸人.口«）作為PID控制零的輸比利破控川奧的帕人.所以粒拔Pl控制寤的 控制規(guī)律為響=陶哨+ *）康+r竽t式1一21其中： * 擰制器的比例系故n 一一控制器的枳分時倒.也稱枳分需教Id -捍制器的睢分時間.也其微分集般2.3控制器參數(shù)整定控制舞鎏數(shù)整定

9、*指決定調(diào)超器的比例系數(shù)學.積分時間方一滿分時間而和果樣周期7i的 具體數(shù)值，接定的實城是通過改變明節(jié)器的參數(shù)，使冀特性和過程特性相匹配.以改善系統(tǒng)的動態(tài) 和靜態(tài)指標，取再戢隹的腔制他案.整定調(diào)節(jié)器&II的方法很多*幼起來可分為兩大類.即理論才算整定法和工收定法.理論 計算整定法仃時敷頻率特性法和根軌跡法等1I：程整定法有凌試法，論界比例法、經(jīng)金法、妄減曲 線法和響腳M鰻法等。工程整定法特點不需要事先如道過慳的數(shù)學模凄，直接在過腥控割系統(tǒng)中遴 行現(xiàn)場禁定方匯簡單.計算筒便，呼于事拶、PID 控制的直流電動機調(diào)速控制原理圖如下圖3:電動機調(diào)速控制原理圖基于PID的電動機調(diào)速控制程序流程圖

10、如下：（擴展功能）圖4:基于PID的電動機調(diào)速控制程序流程圖6.數(shù)據(jù)處理速度檢測一般有三種方法：M法測速、T法測速、M/T法測速。1 .M法測速：是在規(guī)定時間Tc內(nèi)12,對位置脈沖信號是個數(shù) m進行計數(shù)，從 而得到轉(zhuǎn)速的測量值，60ml n =PnTcPn是每個位置周期所含有的信號脈沖數(shù)，適用于高速運行時的測速，低速時精度較低2 .T法測速：測出相鄰兩個位置信號的間隔時間來計算轉(zhuǎn)速的一種方法，而時間的測量是借助計數(shù)器對已知頻率的時鐘脈沖計數(shù)實現(xiàn)的，設時鐘頻率f,兩個位置脈沖間的時鐘脈沖個數(shù)為 叫則電機轉(zhuǎn)子位置脈沖信號的周期 T為丁 m26060fT =- n =fTPnPNm2Pn是每個位置周

11、期所含有的信號脈沖數(shù)，適用于低速運行時的測速，高速時每個位置周期的時鐘脈沖數(shù) 出小，測得的精度較低3.M/T法綜合了以上兩種方法的優(yōu)點，既可在低速段可靠的測速，又在高速 段具備較高的分辨能力，因此在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有很好的檢測精度。即在稍 大于規(guī)定時間Tc的某一時間Td內(nèi)，分別對位置信號的脈沖個數(shù) m和高頻時鐘脈沖個數(shù)m進行計數(shù)。于是:60m1fPM由于調(diào)速關系本文采用 M/T法測速以使測速的準確性，即在100個PWMB期 內(nèi)電機所轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，n = 60m i其中 f = 100,m2 = 100,PN = 1三、系統(tǒng)硬件設計（芯片的選取、原理圖等）1 .續(xù)流二極管IN4002PLC、變頻器

12、、伺服驅(qū)動器等等設備的晶體管輸出，如果要連接感性負載（例如中間繼 電器），一定不要搞忘接一個反向的續(xù)流二極管。當輸出斷開時，繼電器線圈兩端會產(chǎn)生感 生電動勢，如果沒有續(xù)流二極管， 產(chǎn)生的電壓可能高于輸出晶體管的反向擊穿電壓。筆者實測，HH54P那樣的微型中間繼電器線圈回路斷開時產(chǎn)生的電壓大概為50V以下，不加反向續(xù)流二極管也可以， 不過原則上最好加上， 以避免損壞輸出晶體管的可能。 最大周期性方向峰值電壓：100 V最大有效值電壓：70V最大直流閉鎖電壓：100V 12 .H橋驅(qū)動電路的設計電路得名于“H橋式驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是 H中的橫

13、杠。H橋電路的“ H的意思是它實際 電路在電路圖上是一個字幕 H的樣式。如下圖：-+12”2H橋是如何控制電機的呢，舉個例子：你手里拿著一節(jié)電池，用導線將馬達 和電池兩端對接，馬達就轉(zhuǎn)動了；然后如果你把電池極性反過來會怎么樣呢？沒 有錯，馬達也反著轉(zhuǎn)了。如圖：當Q1和Q4導通時電流從左上方流過電機流向右下方， 電機的旋轉(zhuǎn)方向認為 正轉(zhuǎn)的話；當Q2和Q3同時導通時電流從右向上方流過電機流向左下方， 電機反 轉(zhuǎn)。注意：千萬不能將同一側(cè)的兩個三極管同時導通，否則會燒壞電路 如果你將兩個高位電路或者兩個低位電路制動。這是因為當沒有電源供給時，馬達在自由轉(zhuǎn)動的情況下是處于發(fā)電狀態(tài)， 同位的電路接通，相當

14、于將馬達的兩端“短接”，那么馬達會因為短路而相當與 接了一個無限大功率的電爐即一個很大的負載，所以馬達就會產(chǎn)生“電”制動； 當你把馬達兩端懸空后，它就恢復自由了。為了以避免馬達的反電動勢的危害，我們?nèi)匀恍枰诰w管兩端接二極管，因為馬達線圈在電路開閉瞬間產(chǎn)生的反向電動勢通過會高過電源，這樣對晶體管和電路會有很大的影響甚至燒毀零件。如圖在兩端接入二極管后+ 12+ 12L298內(nèi)置兩個H橋，每個橋提供1A的額定工作電流，和最大3A的峰值電流。它能驅(qū)動的馬達不超過可樂罐大小圖3-8 H橋驅(qū)動電路的設計3 .脈沖信號的獲得霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于開關 信號采集的有 CS302O CS3

15、040 OH314有，這種傳 感器是一個3端器件，外形與三極管相似，只要接 上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路（O。 門輸出，工作電壓范圍寬，使用非常方便。如圖 1 所示是CS3144的外形圖，將有字面對準自己，三根 引腳從左向右分別是Vcc,地，輸出。圖3-14 3144實物圖使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，具機械結(jié)構也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn) 軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時， 就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出11 o如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一 周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之 前可以先手動接近一下傳感

16、器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。這種 傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場應用廣泛2VSS2n3Z OLTJ ovnEKA om 工由 WTWEEEZ i： AGNP 口海斗電機驅(qū)動電路-n司二寸JEJ -二營Mq 一芯帽用、 I 方一號.ai-t-LZ-IT 3一三.4二-p顯示電路四、系統(tǒng)軟件設計（程序流程圖的設計）定時中斷中斷 0定 時 01ms.外部中斷0.上升沿有效五、系統(tǒng)仿真結(jié)果仿真軟件選擇Proteus ,在Proteus中畫出系統(tǒng)電路圖，當程序在 Keil C中調(diào) 試通過后，會生成以hex為擴展名的文件，這就是使系統(tǒng)能夠在 Proeus中成功 進行仿真的文件。將些文件加載

17、到單片機仿真系統(tǒng)中，驗證是否能完成對直流電 機的速度調(diào)節(jié)。若不成功，則重新回到軟件調(diào)試步驟，進行軟件調(diào)試。找出錯誤 所在，更正后重新運行系統(tǒng)。硬件仿真電路的設計完全按照論文設計方案進行。在仿真的過程中也遇到了很多問題，比如元件選擇、電路設計等，在元件選擇方面，有的芯片是我以前學習的時候所沒有遇到過的，所以在尋找和使用的過程中也遇到很多麻煩，但經(jīng)過自己的努力，并借鑒從互聯(lián)網(wǎng)上找到的資料，我逐漸掌 握這些元件的使用方法和原理，為系統(tǒng)設計和仿真提供了良出的基礎。 另外，在 進行仿真的時候，也經(jīng)常出現(xiàn)程序沒有錯誤了，但是仿真通不過的情況，這些大 部分原因是在管腳定義上，很多系統(tǒng)仿真的問題都出在這。經(jīng)過

18、這段時間的努力， 使我對仿真軟件以及系統(tǒng)設計電路有了更深一步的認識， 也為系統(tǒng)的成功奠定了 基礎六、系統(tǒng)實物調(diào)試雖說在protues上仿真時能正常運行了，硬件的制作完成后，結(jié)合硬件又發(fā) 現(xiàn)了很多問題。(1)因為單片機的問題，使復位電路上的電容燒壞，單片機運行出錯。(2)因為程序算法問題，在電機轉(zhuǎn)動時，出現(xiàn)顯示跳動情況。(采取多次 取值濾波)(3)按鍵問題(用吸管換下好的按鍵)(4)PCB®子銅線虛斷。(用焊錫在銅線上覆蓋一遍。)(5) PCEK子有飛線直接連接不方便(為了方便，硬件板與板這件用杜邦線相連)七、結(jié)論從原理圖的設計，電路板的焊接到寫課程設計論文，在這個過程中我們也 遇到了

19、很多的困難，如成員問分工不明確，程序大家都不熟悉等。這次課程設計 給我最大的體會就是有很多東西如果不是自己親自動手，只在書本上是學不到 的，設計初期要考慮周到，否則后期會帶來很多不必要的麻煩。 雖然可能會多花 一些時間，但這比空想要有效的多。做事情一定要細心，更要耐心，遇到問題要 慢慢去檢查，然后仔細分析后再解決；除此之外，還要有合作精神，注重團隊合 作，和合作者一起做，相互鼓勵，互相彌補不足之處，很多難點的突破都來自于與同學的交流，交流使自己獲得更多信息，開拓了思路，這樣很多事情就成了。本次設計把理論應用到了實踐中，同時通過設計，也加深了自己對理論知識的理解和掌握，在解決困難的過程中，獲得了

20、許多專業(yè)方面的知識，拓展了視野。提高了理論水平和實際的動手能力，學會了解決問題的方法，激發(fā)了我們的 探索精神。這樣的課程設計是很好的鍛煉機會，通過實驗設計使我深入了解到課 程設計在大學學習的重要性，課程設計增強了我們的實踐動手能力， 也為大四后 學期的畢業(yè)設計提供了寶貴的經(jīng)驗。參考文獻7.1 主要書目：電路與電子技術基礎一一數(shù)字電子技術基礎浙江科學技術出版社李青總主編電路電子實驗指導書中國計量學院電工電子實驗中心機電工程訓練教程一一電子技術實訓清華大學出版社朱朝霞主編楊其華主審7.2 另外從互聯(lián)網(wǎng)下載了部分圖片及資料單片機原理.接口技術及應用（含C51） 主編 楊學昭 王云東西安電子科技大學出

21、版社電子技術基礎（模擬部分）主編康華光 高等教育出版社。-戰(zhàn).爵XN回囚一E058 35D1 53 口 FD5 0$3 ubuf P2LW8 WW U2£J .2*二 u2£2 U2S13 三.二一 UN253號XD 92。3VQSM-SS PI7RDT1 TOHIT記VCC12 3 4 5 4 左7:”>:7:上11日日日日«總?cè)f 45£, o 1 4 3 4 5 6 MNKKkKkKHMKkkKKkI 二餐”;二七1:、0VI725TT 匕本 TIN T20CTX0 V.ILOCT «.ILK C2.TICCT C：.GXD V- v

22、eu 41XA1NBCO：二一:CVT3OU74SSX A oxx> aD： >41VCCS 丁GOO I ij#include<reg52.h>#include<intrins.h> #define NOP() _nop_();#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit key1=P2A0;sbit key2=P2A1;sbit key3=P2A2;sbit key4=P2A3;sbit IN1=P1A0;sbit IN2=P1A1;sbit EN=P1A2;uint huonum,hu

23、onum1;uint start,fanxiang;uint timenum1,timenum2,timenum3,A1,A2,A3,A4;uint speed=100;int SetPoint;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;* void delay(uchar z) / 延時 MSuchar a,b;for(a=z;a>0;a-)for(b=100;b>0;b-);*void initEA()中斷初始化TMOD|=0X

24、11;TH0=(65535-100)/256;TL0=(65535-100)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;IT0=1;EX0=1;P1=0;P0=0xff;IN1=1;IN2=0;)*void display1(uchar C1,uchar C2,uchar C3,uchar C4)/ 顯示速度 (if(timenum3=10)(P0=0xff;P2=0xef;P0=tableC1;/ delay(5);)if(timenum3=20)(P0=0xff;P2=0xdf;P0=tableC2;/ delay(5);)if(timenum3=30)(P0=0xff;P2=0xbf;P0=tableC3;/ delay(5);)if(timenum3=40)(P0=0xff;P2=0x7f;P0=tableC4;timenum3=0;)/*void keyscan() / 鍵盤掃描(if(key1=0)(delay(5);if(key1=0)(start+;if(start>1)start=0;)while(!key1);)if(key2=0)(delay(5);if(key2=0)(if(speed<=180)speed=speed+10;)while(!key2);)if(key3=0)(delay(5);