直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課題名稱直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí) 電氣班學(xué)生姓名 夏禹學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 吳生彪一：設(shè)計(jì)原理 1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量，PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)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(shí)，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要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為 （1）式

2、中 Ua電樞供電電壓（V）； Ia 電樞電流（A）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； Ra電樞回路總電阻（）； CE電勢(shì)系數(shù)， ，p為電磁對(duì)數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)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(lì)磁磁通AT89C51直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)AT89C51直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)80C51直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)加速控制端減速控制端正轉(zhuǎn)控制端反轉(zhuǎn)控制端停止控制端LCD液晶顯示P0口P2口P1口單片機(jī)下圖為PMW直流電機(jī)設(shè)

3、計(jì)框圖 2.PWM基本原理 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。簡而言之，就是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速

4、度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。 3.直流電機(jī)PWM調(diào)速基本原理 PWM方式是在大功率開關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間t，改變占空比，達(dá)到控制目的。圖1是直流PWM系統(tǒng)原理框圖。這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。在此系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器?？刂撇糠植捎肧G1525（脈寬調(diào)制芯片SG1525具有欠壓鎖定、故障關(guān)閉和軟起動(dòng)等功能

5、,因而在中小功率電源和電機(jī)調(diào)速等方面應(yīng)用較廣泛。SG1525是電壓型控制芯片,利用電壓反饋的方法控制PWM信號(hào)的占空比,整個(gè)電路成為雙極點(diǎn)系統(tǒng)的控制問題,簡化了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。）集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，能達(dá)到比較理想的檢測(cè)效果。圖1 直流電動(dòng)機(jī)PWM系統(tǒng)原理圖二：方案選擇及論證 1 方案選擇1.1 改變電樞回路電阻調(diào)速可以通過改變電樞回路電

6、阻來調(diào)速，此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為 n=U-【I(R+Rw)】/Ke （2）式中Rw為電樞回路中的外接電阻（）。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻Rw的增大，電樞回路總電阻R=(Ra+Rw)增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就降低。Rw的改變可用接觸器或主令開關(guān)切換來實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方法為有級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在這種調(diào)速方法已極少采用，本次設(shè)計(jì)不采用。1.2 改變勵(lì)磁電流調(diào)速當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由式1-1可看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通（也就是勵(lì)磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速n升高；反之，則n降低。與此同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te是磁通和電樞電流Ia的乘積（

7、即Te=CTIa），電樞電流不變時(shí)，隨著磁通的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動(dòng)機(jī)磁通的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動(dòng)機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才采用這種調(diào)速方法。本次設(shè)計(jì)不采用。1.3 采用PWM控制的調(diào)速方法圖2為PWM降壓斬波器的原理電路及輸出電壓波形。在圖2a中，假定晶體管V1先導(dǎo)通T1，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(guān)斷T2秒(這期間電樞端電壓為零)。如此反復(fù)，則電樞端電壓波形

8、如圖1b中所示。電動(dòng)機(jī)電樞端電壓Ua為其平均值。圖2 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 (3)式(3)中 （4） 為一個(gè)周期T中，晶體管V1導(dǎo)通時(shí)間的比率，稱為負(fù)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(dá)到調(diào)壓的目的： (1)定寬調(diào)頻法：T1保持一定，使T2在0范圍內(nèi)變化； (2)調(diào)寬調(diào)頻法：T2保持一定，使T1在0范圍內(nèi)變化 (3)定頻調(diào)寬法：T1+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0l，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(dòng)機(jī)只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)

9、在正、反向兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，即可逆調(diào)速時(shí)，就要使用圖13a所示的橋式(或稱H型)降壓斬波電路。 在圖3a中，晶體管V1、V4是同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷的，V2、V3也是同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷的，但V1與V2、V3與V4都不允許同時(shí)導(dǎo)通，否則電源Ud直通短路。設(shè)V1、V4先同時(shí)導(dǎo)通T1秒后同時(shí)關(guān)斷，間隔一定時(shí)間(為避免電源直通短路。該間隔時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)問)之后，再使V2、V3同時(shí)導(dǎo)通T2秒后同時(shí)關(guān)斷，如此反復(fù)，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓波形如圖2b所示。圖3 橋式PWM降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形a)原理圖 b)輸出電壓波形電動(dòng)機(jī)電樞端電壓的平均值為 (4)由于01，Ua值的范圍是 -Ud+Ud，因而電動(dòng)機(jī)可以在

10、正、反兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖4給出了兩種PWM斬波電路的電樞電壓平均值的特性曲線。圖4兩種斬波器的輸出電壓特性2 元器件的選擇比較2.1 基于IGBT和 MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的比較IGBT驅(qū)動(dòng)電路能驅(qū)動(dòng)大型的功率設(shè)備，但價(jià)格高。MOSFET能驅(qū)動(dòng)較大的功率設(shè)備，價(jià)格比IGBT低很多。本課程設(shè)計(jì)是驅(qū)動(dòng)小功率直流電動(dòng)機(jī)，可以用IGBT和 MOSFET功率管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。但電動(dòng)機(jī)功率僅為100W，所以本課程設(shè)計(jì)采用MOSFET管來進(jìn)行控制。功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)與雙極型功率相比具有如下特點(diǎn)：1場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)是電壓控制型器件(雙極型是電流控制型器件)，因此在驅(qū)動(dòng)大電流時(shí)無

11、需推動(dòng)級(jí)，電路較簡單；2輸入阻抗高，可達(dá)108以上；3工作頻率范圍寬，開關(guān)速度高(開關(guān)時(shí)間為幾十納秒到幾百納秒)，開關(guān)損耗小；4有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作Hi-Fi音響；5功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)可以多個(gè)并聯(lián)使用，增加輸出電流而無需均流電阻。2.2 80C51單片機(jī)51單片機(jī)價(jià)格便宜，使用簡單、方便，功能較齊全，能夠達(dá)到控制本電路的要求。所本本課程設(shè)計(jì)采用80C51單片機(jī)。2.3 光耦隔離開關(guān)光耦隔離開關(guān)是一種把發(fā)光元件和光敏元件封裝在同一殼體內(nèi)，中間通過電光電的轉(zhuǎn)換來傳輸電信號(hào)的半導(dǎo)體光

12、電子器件。光耦以光信號(hào)為媒介來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的耦合與傳遞，輸入與輸出在電氣上完全隔離，具有抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。采用光耦隔離可以很好地實(shí)現(xiàn)弱電和強(qiáng)電的隔離，達(dá)到抗干擾目的。2.4 7805穩(wěn)壓管7805能使輸入電壓（正常條件7-25伏）轉(zhuǎn)化為5伏左右輸出，供光耦隔離開關(guān)發(fā)光部分及單片機(jī)等供電。價(jià)格便宜，使用方便。2.5 IRF740 MOSFET功率管1管腳（G）接輸入信號(hào)，2管腳（s）接地，3管腳（D）接電壓源。 圖5 IRF740示意圖 圖6 IRF740主要參數(shù)2.6 直流電機(jī)參數(shù)額定轉(zhuǎn)速1600r/min，額定電壓220V。三：系統(tǒng)電路總設(shè)計(jì)1 總體電路模塊2 單片機(jī)最小系統(tǒng)部分本次設(shè)計(jì)中主

13、要應(yīng)用了8051單片機(jī)，由最小單片機(jī)系統(tǒng)組成，并將單片機(jī)的P2.6口作為輸出口，輸出占空比不同的矩形波，供給后續(xù)驅(qū)動(dòng)電路部分，在單片機(jī)的外圍擴(kuò)展了兩個(gè)按鍵，K1作為加速按鍵，K2作為減速按鍵，進(jìn)行調(diào)速控制。3 驅(qū)動(dòng)電路部分驅(qū)動(dòng)部分主要由用的光電耦合器和MOSFET組成，由單片機(jī)的P2.6口提供的信號(hào)，P26當(dāng)為高電平時(shí)，發(fā)光管導(dǎo)通，光電耦合器輸出低電平，MOSFET關(guān)閉，回路關(guān)閉。當(dāng)P26口為低電平時(shí)，發(fā)光管關(guān)閉，光電耦合器輸出為高電平，MOSFET打開，回路導(dǎo)通。4 電源部分電源部分采用的是三端穩(wěn)壓器7805，輸入由AC-DC變壓器提供+9V直流電，經(jīng)7805穩(wěn)壓，由電容濾波，輸出+5V電壓

14、，為單片機(jī)提供工作電四： 程序1 程序設(shè)計(jì)思想當(dāng)按key1鍵時(shí)，電壓升高，轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)按key2鍵時(shí)，電壓下降，轉(zhuǎn)速下降;定時(shí)器1中斷用來產(chǎn)生周期為1ms的脈寬信號(hào)，定時(shí)器每次中斷后改變下一次的定時(shí)設(shè)置，設(shè)置值由按鍵決定，按key1，高脈寬定時(shí)時(shí)間加大，按key2，低脈寬定時(shí)時(shí)間增大，每次變化10uS。2 程序框圖 N初始化，周期T=20ms，高電平T0=10ms判斷是否有按鍵按下開始T0增加或減少1ms，改變占空比Y3 程序代碼ORG0000HAJMPMAINORG001BHAJMPINTT1ORG0100HMAIN:MOV60H,#0FEH/存放高電平的脈寬時(shí)間，定時(shí)500usMOV61H

15、,#0CHMOV62H,#0FEHMOV63H,#0CH/存放低電平的脈寬時(shí)間，定時(shí)500us，剛開始時(shí)，高低電平各為50，此時(shí)電壓為輸入電壓的一半，電機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)速為最低。調(diào)速設(shè)定為向上調(diào)節(jié)，即按加鍵時(shí)轉(zhuǎn)速上升，此時(shí)按減鍵，轉(zhuǎn)速不變。CLRP2.0MOVTMOD,#10H/定時(shí)器1用來產(chǎn)生脈寬，周期固定為1mS，MOVTH1,60HMOVTL1,61HSETBEASETBET1SETBPT1SETBTR1SETBP2.6READKEY:SETBP1.2CLRP1.0JNBP1.2,DELAYJNBP1.3,DELAYAJMPREADKEYDELAY:LCALLDL10MS;去抖SETBP1.2

16、CLRP1.0JNBP1.2,HAVEKEY1 /假設(shè)電路板接兩個(gè)鍵，分別為key1和key2，key1為脈寬增加，key2為脈寬減小JNBP1.3,HAVEKEY2AJMPREADKEYHAVEKEY1:MOVA,61H/是加鍵，60H61H值減小，高電平脈寬增加，62H63H值增大，低電平時(shí)間減小CLRCSUBBA,#0AHMOV61H,AMOVA,60HSUBBA,#00HMOV60H,ACLRCMOVA,63HADDA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HADDCA,#00HMOV62H,AMOVR2,60HMOVR3,61HMOVR6,#0FCHMOVR7,#18HLCALLNS

17、UB1JNCCONTINUMOV60H,#0FCH/超出調(diào)速范圍，即高脈寬大于1ms溢出了，則保持此數(shù)值MOV61H,#18HMOV62H,#0FFHMOV63H,#0FBHCONTINU:AJMPNOTXSHAVEKEY2:MOVA,63H/是減鍵，60H61H值增加，高電平脈寬減小，62H63H值減小，低電平時(shí)間增大CLRCSUBBA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HSUBBA,#00HMOV62H,ACLRCMOVA,61HADDA,#0AHMOV61H,AMOVA,60HADDCA,#00HMOV60H,AMOVR2,62HMOVR3,63HMOVR6,#0FDH;#0FCH

18、/考慮到低電平過多，電壓很低，電機(jī)無法運(yùn)行，所以設(shè)定低電平最長保持700us，高電平最少300usMOVR7,#44H;#18H /0FC18是低電平保持1ms，高電平幾乎為0的情況，這種情況輸出電壓幾乎為0，電機(jī)停止LCALLNSUB1JNCNOTXSMOV60H,#0FEH/高電平最少保持300us，低電平最大700usMOV61H,#0D4HMOV62H,#0FDHMOV63H,#44HNOTXS:LJMPREADKEYRET /雙字節(jié)減法子程序，功能：（R2R3)-(R6R7)->R4R5NSUB1:MOVA,R3CLRCSUBBA,R7MOVR5,AMOVA,R2SUBBA,R6MOVR4,ARET /定時(shí)器1中斷，總周期20ms，其中高電平時(shí)間由6061h決定，低電平時(shí)間