直流電機PWM調速電路

1、電子技術課程設計報告課題：直流電機PWM調速電路班級 電氣工程1101學號1101205304學生姓名 xxx專業(yè)電氣信息類系別電子與電氣工程學院指導老師電子技術課程設計指導小組xxxxx電子與電氣工程學院2012年5月一、設計目的a）培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的正確設計思想，訓練綜合運用已經學過的理論和生產實際 知識去分析和解決工程實際問題的能力。b）學習較復雜的電子系統(tǒng)設計的一般方法，了解和掌握模擬、數字電路等知識解 決電子信息方面常見實際問題的能力，由學生自行設計、自行制作和自行調試。c）進行基本技術技能訓練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識別、測量、 熟練運用的能力，掌握設計資料、手冊、標準

2、和規(guī)范以及使用仿真軟件、實驗設備進 行調試和數據處理等。d）培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。二、設計任務與要求1 設計電機驅動主回路，實現直流電機的正反向驅動；2 設計PW驅動信號發(fā)生電路；3. 設計電機轉速顯示電路；4. 設計電機轉速調節(jié)電路；可以按鍵或電位器調節(jié)電機轉速;5. 安裝調試；6. 撰寫設計報告。三、設計思想及設計原理1信號可以采用數字方法給定，也可以采用電位器給定。建議采用數字方法。2. PWM信號可以采用三角波發(fā)生器和比較器產生，也可采用數字電路及可編程器 件產生。建議采用數字方法。3正反轉主回路可以采用雙極型器件實現，也可以用MOS器件實現；4. 轉速測量電路可以采用增量型光電編碼器，

3、也可采用自行制作的光電編碼電 路、霍爾傳感器以及其它近似測速方法。建議采用光電編碼器。5. 顯用數字方法顯示電機轉速。采用光電編碼等方法的脈沖測速方法時，可采 用計數法測量電機轉速；電機轉速信號為模擬信號時，可采用數字表頭顯示轉速。建 議采用數字方法。6. （提高部分 ）可以采用反饋控制技術對系統(tǒng)進一步完善。四、單元電路設計4.1 LM324組成的PW直流電機產生電路4.1.1 它主要由U1（ LM324和Q1組成圖4.1中，由U1a U1d組成振蕩器電路，提供頻率約為 400Hz的方波/三角形波。 U1c產生6V的參考電壓作為振蕩器電路的虛擬地。這是為了振蕩器電路能在單電源情 況下也能工作而

4、不需要用正負雙電源。 U1b 這里接成比較器的形式，它的反相輸入端 （6腳）接入電阻R6 R7和VR1,用來提供比較器的參考電壓。這個電壓與 U1d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 U1b的6腳電壓.U1b的7腳 輸出為高電平；反之，當該波形電壓低于 U1b的6腳電壓，U1b的7腳輸出為低電平。 由此我們可知，改變U1b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，實現脈寬調制（PWM）電阻R6 R7用于控制VR1的結束點，保 證在調節(jié)VR1時可以實現輸出為全開（全速或全亮）或全關（停轉或全滅），其實際的阻 值可能會根據實際電路不同有所改

5、變。圖4.1中，Q1為N溝道場效應管，這里用作功率開關管（電流放大），來驅動 負載部分。前面電路提供的不同寬度的方波信號通過柵極 （G）來控制Q1的通斷。LED1 的亮度變化可以用來指示電路輸出的脈沖寬度。C3可以改善電路輸出波形和減輕電路 的射頻干擾 （RFI） 。 D1 是用來防止電機的反電動勢損壞 Q1。當使用24v的電源電壓時，圖1電路通過U2將24V轉換成12V供控制電路使 用。而Q1可以直接在21v電源上，對于Q1來講這與接在12v電源上沒有什么區(qū)別。 參考圖1,改變J1、J2的接法可使電路工作在不同電源電壓（12V或24V）下。當通過 Q1的電流不超過1A時，Q1可不用散熱器。但

6、如果 Q1工作時電流超過1A時，需加裝 散熱器。如果需要更大的電流（大于 3A）,可采用IRFZ34N等替換Q1。圖4.1 LM324組成的PWM直流電機產生原理圖4.1.2 工作原理脈沖寬度調制（PWM是英文“ Pulse Width Modulation ”的縮寫，簡稱脈寬調制。 它是利用微處理器的數字輸出來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，通信，功率控制與變換等許多領域。一種模擬控制方式，根據相應載荷的 變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通 時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。上述電路中，運算放大器

7、 U1A和U1B兩級產生三角波，U1C為跟隨器，起隔離作 用。U1B俞出的三角波與從電位器 RP得到的直流電壓相加后輸入到 U1D勺反相端，U1D 作為脈沖寬度調制電路，其輸出一定占空比的矩形脈沖，其占空比與反相端輸入信號 的瞬時采樣值成比例，然后控制三極管 Q1的導通時間，使其輸出電流隨輸入電壓的平 均值大小而變化，進而控制電機的旋轉速度。調節(jié)電位器可調節(jié)占空比的大小，即可 調節(jié)電機的轉速。4.2 H 橋式電機正反轉驅動主回路4.2.1 主電路原理圖H橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)主電路的如圖 4.2所示。PW逆變器的直流電源由交 流電網經不控的二極管整流器產生，并采用大電容C0濾波，以獲得恒定的

8、直流電壓Us由于電容量較大，突加電源時相當短路，勢必產生很大的充電電流，容易損壞整流 二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流電阻R0 （或電抗），合上電源以后，延時用開關將 R0短路，以免在運行中造成附加損耗。濾波電容器往往在PWM裝置的體積和重量中占有不小的份額，因此電容量的選擇 是PWM裝置設計中的重要問題。但對于 PWM換器中的濾波電容，其作用除濾波外， 還有當電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不 可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻 Rb消耗掉這些能量，在泵升

9、電壓達到 允許值時接通 VT5。圖 4.2 橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)主電路的原理圖4.3 光電編碼器測速電路4.3.1 光電編碼器的工作原理 光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器， 光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝 置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與 電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發(fā)光二極管等電子元件組 成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖 1 所示；通過計算每秒光電 編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還 可提

10、供相位相差90o的兩路脈沖信號。根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法 及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。圖 2 光電編碼器狀態(tài)圖圖3光電編碼器測速原理圖4.4 頻率測量及顯示電路圖4.4.1系統(tǒng)原理圖各部分模塊的功能： 光電編碼器：采集光電信號. 放大、整形電路：對傳感器送過來的信號進行放大和整形，在送入單片機進行 數據的處理轉換。 單片機：對處理過的信號進行轉換成轉速的實際值，送入LED LED顯示：用來對所測量到的轉速進行顯示。4.4.1 AT89C51單片機簡介單片機我們采用AT89C51其引腳圖如圖3-1 )，相較于INTEL公司的8

11、051它本身 帶有一定的優(yōu)點。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory )的低電壓，高性 能CMOS位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEI高密度非易失存儲器制造技術 制造，與工業(yè)標準的MCS-51旨令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位CPI和閃爍 存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器，AT89C單片機為 很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖4.4.2 AY89C51 引腳圖(1) VCC供電電壓，(2) GN

12、D 接地。(3) P0 口： P0 口為一個8位漏級開路雙向I/O 口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1 口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它 可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。(4) P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外 部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1 口作為第八位地址

13、接收。(5) P2 口： P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收， 輸出4個TTL門電流，當P2 口被寫“ T時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸 入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的 緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸 出地址的高八位。在給出地址“ T時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗 時接收高八位地址信號和控制信號。（6） P3 口： P3 口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O 口

14、，可接收輸出4個TTL 門電流。當P3 口寫入“ 1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL ）這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口。P3 口管腳備選功能：（7）P3.0 RXD （串行輸入口）（8）P3.1 TXD （串行輸出口）（9）P3.2 /INT0 （外部中斷 0）（10）P3.3 /INT1 （外部中斷 1）（11）P3.4 T0 （記時器0外部輸入）（12）P3.5 T1 （記時器 1外部輸入）（13）P3.6 /WR （外部數據存儲器寫選通）（14）P3.7 /RD （外部數據存儲器讀選

15、通）（15）P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。（16） ?RST:復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電 平時間。（17）ALE/PROG當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的 地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的 脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE脈沖。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行 MOV，MOV指令是ALE才起作用。另外，

16、該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí) 行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。（18）PSEN ：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個 機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不 出現。（19）EA/VPP ： 當 /EA 保 持 低 電 平 時 ， 則 在 此 期 間 外 部 程 序 存 儲 器（0000H-FFFFH，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASHS程期間，此引腳 也用于施加12V編程電源（VPP。（20）XTAL1 ：反向振蕩放大器的

17、輸入及內部時鐘工作電路的輸入。（21）XTAL2 ：來自反向振蕩器的輸出。圖 4.4.3 計數顯示電路五、安裝調試1. 檢查線路按照原理圖完成實驗電路后，檢查線路是否正確，焊接點是否牢固，有無虛焊， 用萬用表逐個檢驗部分電路中接點的焊接情況。2. 通電檢測電路實行分部檢驗電路的方法：（ 1）在電路的兩端加上適當的電壓，用示波器逐個檢 查PW啲兩個輸出端，觀察波形是否為方波和鋸齒波。（2）將H橋電路接在電動機的 輸入端，調節(jié)H橋電路的輸入方式，觀察電路是否能實現正反轉。（3）將電動機接上 電源，將霍爾元件輸出端連接到示波器，觀察示波器是否輸出方波。（4）給計數器輸入一個脈沖信號，觀察顯示器是否可

18、以顯示功能。3. 調試電路根據檢查電路中出現的問題，逐個排查，反復檢驗。先檢查電路圖是否有問題， 若電路圖沒有問題，再檢查焊點和器件是否有問題，最后用示波器調試。4. 測試整個電路加上12V的電壓，看整個電路能否正常工作。六、設計總結通過這次課程設計，我對直流電機 PW調速電路和光電編碼器有了一定的了解。 脈沖寬度調制 （PWM，） 是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管柵 極或基極的偏置，來實現開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方 式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字輸出來對 模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出 軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器， 光電編碼器