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1、直流电机 PWM 脉宽调速系统设计基于 51 系列单片机的直流电机PWM 调速系统设计目录1 课程设计内容 . 12 课程设计目的 . 13 直流电动机调速概述 . 23.1 直流电机调速原理 . 23. 2 直流调速系统实现方式 . 33. 方案选择 . 35 硬件电路设计 . 45.1 主电路 . 45.2 直流电动机驱动. 55.3 控制电路 . 65.4 PWM 波形的程序实现 . 75.5 仿真电路图. 76 实验结果与分析 . 86.1 调试结果 . 86.2 调试分析 . 86.3 出现问题及分析. 97 收获与体会 . 98 小组分工 . 10参考文献 . 11附录 .121
2、课程设计内容1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。2 对直流电机进行四象限调速，实现直流电机的加速、减速和反转功能。3 使用 PWM 技术实现直流电机的调速，通过改变触发脉冲的占空比来实现调 速控制。4由于电机工作在 220V 直流电压下，所以电路分为高压和低压两部分，低压 电路控制高压电路实行电机调速。2 课程设计目的电机与拖动时一门要求实践性很强的课程，具有极其广泛的工程应用价值若。 要深入地掌握理论知识，就必须在加强理论学习的基础上，注重加强工程实践操 作技能的系统训练。
3、不仅通过实验论证一些理论问题，而且还要通过工程设计、工程 实践等环节，掌握该课程在实践工程应用、故障分析等方面的综合实践技使能学，生 树立工程意识、提高工程实践能力。本课程设计旨在通过学生独立完成小型电动 机的设计达到对学生综合性训练。具体设计目的如下：1. 进一步加深对直流电机机构的认识，更好地理解电机的工作原理，对直流电机四象限运行有全面的理解。2. 熟悉对装备性能检验测定方法和步骤，进一步提高分析实验现象和实验结果的能力，提高发现问题，分析问题，解决问题，总结出一般规律的 能力。3. 加深对电机的工作原理和工作过程的认识，方便大家在以后的工程实践中更好地应用电机，改进电机，利用电机完成要
4、求的任务。4. 进一步掌握和巩固与电机与拖动相关的理论知识，通过课程实践的观察、动手操作、实验现象和分析结果，加深对电机的理解。5.直流电机 PWM 脉宽调速电路由于其节能，先进，灵活等特点在工业控制中得到了广泛应用，因此训练自动化专业的学生进行直流电机 PWM 调 速 电路的课程设计是有意义的。6. 掌握工程分析、工程设计、工程实践的方法和步骤，为学生以后开展科学研究或生产研究提供科学的指导和方法的帮助。7.培养学生理论联系实际，理论应用实践，时间完善理论的能力，从实践18.中学会思考，学到只是，提高综合性能力和素质。电机与拖动的课程设计需要所有组员的共同努力才能完成，通过这次实 习，有效的
5、培养了学生的团队合作精神和高度的责任感。3 直流电动机调速概述3.1 直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同 励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以 下公式： n=U/C -TR /C C 其中： U电压； R 励磁绕组本身的电阻； c 内 r c 内每极磁通(Wb)；C 电势常数；C 转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控c r制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功 率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构 强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较
6、差。所以在工业生产过程 中常用的方法是电枢控制法。图 1 直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上以， 控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制 (PWM) 应用更为广泛。 脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内 “接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改 变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此， PWM 又被称为“开关驱动 装 置”。2VtV =V *D图 2 电枢电压占空比和平均电压的关系图根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为 max，占空比为D= 1/T，则电
7、机的平均速度为：D max ，可见只要改变占空比 D，就可以得 到不同的电机速度，从而达到调速的目的。3.2 直流调速系统实现方式 PWM 为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来 实现 PWM，在 PWM 调速系统中占空比 D 是一个重要参数在电源电压 U 不变的情况下，电枢端电压的平均值d取决于占空比 D 的大小，改变 D 的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速 的目的。改变占空比 D 的值有三种方法：A、定宽调频法：保持 t 不变，只改变 t，这样使周期(或频率)也随之改变。1B、调宽调频法：保持 t 不变，只改变 t ，这样使周期(或频率)也随之改变。1C、定频调宽法：保持周期
8、T(或频率)不变，同时改变 t 和 t。前两种方法在1调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空 比 从而改变直流电动机电枢两端电压。4. 方案选择直流电机的 PWM 脉宽调速系统，一般可以把系统分为三部分，控制电路、 电 力器件驱动电路和主电路，控制电路为低压侧，发出控制信号控制驱动电路， 主电路为高压部分，一般以电力电子器件为主的 H 桥式电路，驱动部分则作为 驱动 电力电子器件工作提供条件，连通高压部分和低压部分，做隔离作用。如 下图所示：3控制PWM 触控制电路信号驱动电路发信号主电路图 3 直流电机调速系
9、统原理图一般情况下，主电路使用全控型器件，如 IGBT 和 MOSFETM，也可以使用半 控 型器件，不过需要加强关断电路，对半控型器件实现强制关断，由于电压源为 220V 的直流电压，以此我们使用全控型器件 MOSFET。功率 MOSFET 在中小功率的 电路中得到广泛的应用。驱动电路为了简化电路，一般使用驱动芯片，这里我们 使用了 IR2112 驱动功率 MOSFET 工作。对于不同的电路设计方案，驱动电路和主电路一般都是大同小异，区别在于 控制部分，控制部分需要产生控制信号和 PWM 信号来控制驱动部分，以便驱动 电 路产生电力电子器件的触发脉冲。现在控制电路有以下两种方案：A、使用单片
10、机产生控制信号和 PWM 信号 B、使用 555 定时器产生时钟信号， 使用组合逻辑电路实现控制和产生 PWM 信号功能在这里我们选择了方案一作为控制电路。选择单片机作为控制，一方面减少 了电路的复杂性，另一方面利用单片机作为控制部分，还可以轻松地实现电路的 延展性和重用性，有些时候在电路设计后发现错误，利用逻辑芯片搭建的电路更 改起来比较复杂，一般情况下都是全局性的修改，而单片机一般把逻辑部分使用 软件编程实现，一旦修改，只需修改程序的逻辑就行了。5 硬件电路设计5.1 主电路图 4 具有四象限运行的 H 桥电路4由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管 两端产生很
11、高的电压，损坏器件。我们在此电路中应用的是逆导型器件IRF460， IRF460 相当于 MOSFET 反向并联一个电力二极管，二极管起续流作用，因此 IRF460 不能承受方向电压。电路的工作原理： 使 Q1、Q4 导通，Q2、Q3 截止，则电机正转；当 Q2、Q3 导通，Q1、Q4 截止。电机反转；通过改变触发信号的占空比来调节电机两端的电枢电压实现调速。 5.2 直流电动机驱动在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用 IGBT 作为主开关元件 ,对 中 小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件。另外还可以采用集成电 路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路 IR2112 来驱动电机。
12、图 5IR2112 内部结构和功能引脚图IR2112 浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，工作频率可达 到 500kHz，其内部结构如图 1 所示。它由三个部分组成：逻辑输入，电平平移 及输 出保护。IR2112 采用 CMOS 工艺制作，逻辑电源电压范围为5V-20V，适应 TTL、CMOS 逻辑信号输入，具有独立的高端和低端 2 个输出通道,两路通道均带 有滞后欠压 锁定功能。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上， 容许逻辑电路参考地(Vss)与功率电路参考地(COM)之间有+5V 的偏移量，并且 能屏蔽小于 50ns 的脉冲，有较理想的抗噪声效果。IR2112
13、的自举电路特别适合于各种桥式驱动电路，其典型应用如图 2 所示。 引脚 3(V )和 6(V )分别是低端电源电压和高端浮置电源电压，引脚 2(COM)是低CC B端电源公共端，引脚 5(Vs)是高端浮置电源公共端，引脚 9(V )是逻辑电路电源DD电压，引脚 13(Vss)是逻辑电路接地端,引脚 11(SD)是输入信号关闭端。V 为CC10V20V 功率管门极驱动电源，由于 V 可与 COM 连接，则 V 与 V 可共用同一个SS CC DD典 型值为+15V 电源。5图 6 基于 IR2112 的驱动电路5.3 控制电路图 7 基于单片机的控制电路65.4PWM 波形的程序实现随计算机技术
14、及电力电子技术的发展， PWM 波形采用软件方法实现显得非 常 灵活和实用以 89C51 单片机为控制核心 , 晶振频率为 12MHz 定时计数器 TO,T1 作定 时器使用，工作在方式 1，定时时间为 0.1ms，若 PWM 波形的频率 为 50 Hz，占空 比为 1：1，则和 R0 载入 30H 和 31H 单元的值初始 100，若在程 序中利用按键产生中 断调用来改变 30H 和 31H 单元的值就可以改变占空比，系 统流程图如图所示：图 8 单片机程序框图5.5 仿真电路图图 9 直流电机调试系统原理图76 实验结果与分析6.1 调试结果在实验的调试过程中，我们从最初的电路错误不断地调
15、试，检查，改错和改 进到最后的成功运行。在实验中，调试现象结果如下：根据示波器的观察，按动电路板上的 K1 按钮，占空比增大，直流电机的转 速增大；按动 K2 按钮，占空比减小，直流电机的转速减小；按动 K3 按钮，直流 电机的转速先降下来再反方向加速；按动 K4 按钮，占空比为 50%，转速转变为 某一恒 速转动。然后再调节供给直流电机的电源，在不同的电源下，利用示波器和万用表测 出直流电机的占空比、电枢电压和转速的变化，得出的数据如下：直流电源为 50V 时占空比（%） 电枢电压（V） 转速（rmin）28.618.1116.243.633.6212.456.739.6254.469.34
16、3.2277.581.945.1292.093.646.7302.5直流电源为 100V 时占空比（%） 电枢电压（V） 转速（rmin）24.447.9312.647.381.8538.561.689.2587.278.693.9615.491.795.7629.9直流电源为 150V 时占空比（%） 电枢电压（V） 转速（rmin）21.370.8468.533.4113.2753.441.5124.2826.753.6133.9892.867.0139.7930.080.8144.3955.4直流电源为 220V 时占空比（%） 电枢电压（V） 转速（rmin）13.871478.525
17、.6151101831.9174117040.9189127347.4197132658.1204137067.0208140076.721114196.2 调试分析根据上面所测得的数据，可以看出当直流电机的电源电压恒定时，随着占空 比的增大，电枢电压增大，而转速也随之增大；而当占空比恒定时，电源电压越 大，电枢电压增大，而转速也随之增大。当电源电压为 220V 时，分别做出其占 空比与电枢电压、占空比与转速的曲线，如下：8电枢电压（ V ）250200150100500电枢电压（ V ）0.01500100020.0 40.0 60.0 80.0 100.0图 10 占空比与电枢电压曲线图
18、转速（ rmin ）转速（ rmin ）50000.020.0 40.0 60.0 80.0 100.0图 11 占空比与转速曲线图从上面的曲线图可以看出电枢电压、转速都随着占空比的增大而增大，而且 增长得越来越缓慢。6.3 出现问题及分析在调试过程中，主要出现了两个问题。第一个问题是我们自己制作了一个 5V 的稳压电源给单片机供电，但是在启动电机时不能正常启动。经过使用万用 表的测量发现，单片机只有 2.5V 的电压供给。所以我们断定是自己制造的稳压 电源出了问题，所以改用实验室的 5V 稳压电源，果然电机可以正常启动，按动 电路板上的按钮，均能实现功能。第二个问题是在我们测量数据的途中，突
19、然电 机慢慢停下来，不工作。于是，我们再次用万用表来检验，经过一番检查，发现 其中一个 IR2112 芯片有异常，我们怀疑是可能烧坏了。因此，我们换取一个 IR2112 芯片再重新启动，果然可以正常启动，接着完成了数据的测量。7 收获与体会通过这两周时间的课程设计，我们对电机与拖动这门课程的从认知到深 入了解，并且带给我们全新的体会。经过两周的奋战，课程设计完成了，在没有做课程设计之前觉得课程设计只 是对这个学科的总结。但是通过这次课程设计发现我们的看法是片面的。课程设 计不仅是对所学知识的一种检验，更是要求我们能灵活运用所学知识。通过课程9设计，让我们更加明白学习是一个长期的积累过程，今后的
20、工作、生活中应该不 断地学习，努力提高知识和综合能力。设计过程中，我们查阅了大量资料，并且互相交流讨论，学到了不少，例如 电机的各象限工作、 PWN 的工作等等，更好地理解电机的工作原理，对电机工 作 的全过程有一个全面的理解。我们更加熟悉对设备性能检验测定方法和步骤， 进一步提高分析实验现象和实验结果的能力，提高发现问题，分析问题，解决问题， 总结出一般规律的能力。加深了对电机的工作过程的认识，进一步掌握和巩固与 电机与拖动相关的理论知识，通过课程实践的观察、动手操作、实验现象和分析 结果，加深对电机的理解。但同时我们也经历了不少艰辛，在这个过程中，我们 深深体会到分工合作，互相帮忙，团结一
21、致的团队精神，这对我们将来工作十分 有帮助。与此同时，我们各自的独立思考能力也得到了相应的提高。通过这次课程设计，我对电机与拖动这么课有了进一步的了解，并且发现原 来我们看上去这么容易的电机控制起来是有这么复杂的，同时是这么有趣的。这 次设计加深了我对专业知识的兴趣，同时也培养了我们动手能力。在设计过程我中， 发现了细心和耐心是必不可少的，如果没有细心，我们很难找到问题所在，如果 没有耐心，我们很难走到最后。课程设计也让我感受到了团队合作的重要性只，要 大家齐心协力，就能把问题解决！建议希望以后多办这类型的课程，让我们更好 的将书本上的知识运用到实际上来！但是要保证时间。最后，从这次课程设计中
22、，我们真正接触了实践，让我们对未来充满信心促， 使自己努力学习更多的知识，为今后的工作奠定基础，同时，在实习的过程中我 们也得到了指导老师和其他同学的帮助，在此我们还是要感谢大家！8 小组分工黎志伟：资料查阅、电路调试、论文撰写 李志强：电路调试、购买器件林宇星：资料查阅、电路调试罗毓斌：电路焊接、购买器件、电路调试 丘捷丞：论文撰写、电路调试10参考文献1 康华光主编，电子技术基础数字部分（第五版），高等教育出版2006社， 2 王兆安等，电力电子技术（第五版），机械工业出版社2009，3 刘锦波等，电机与拖动，清华大学出版社，20064 王卫星主编，单片机原理与应用开发技术，中国水利水电出
23、版社2009， 5 李朝青，单片机原理及接口技术，北京航空航天大学出版社，1998 6 李广弟，单片机基础，北京航空航天大学出版社，19947 阎石，数字电子技术基础（第三版），高等教育出版社1989，11附录单片机程序代码 #include#define uchar unsignedchar#define uint unsignedintsbitup=P14;/ 加速按钮 sbitdowm=P15;/减速按钮 sbitside=P16;/ 换向按钮 sbitbiao=P17;/中间速度sbit zheng = P20;/pwm 控制信号 sbitfan =P22;sbitSD1sbitSD2
24、=P21;=P23;uint cycle=256; /定义周期uintpwm=128;/定义 pwm 高电平时间uintcount=0,i;intflag=1;/方向标志uinta=0,b=0;/*/*延时函数*/*/void delayus(uintz)while(z-);/*/*定时器中断函数*/*/void timer0() interrupt1count+;if(count=pwm)zheng=a;fan=b;if(count =cycle)count=0;zheng=0;fan=0;/*/*数据初始化*/*/voidinit()12zheng=0;fan=0;SD1=0;SD2=1;
25、a =1;b =0;TMOD=0x02;TH0=0xFD;TL0=0xFD;EA=1;ET0=1;TR0=0;delayus(50000);TR0=1;/*/*主函数*/*/voidmain()init();while(1)if(up=0)/加速delayus(100);if(up=0)TR0=0;if(pwm=2)pwm=2;elsepwm-=2;TR0=1;if(dowm=0)/减速delayus(100);if(dowm=0)TR0=0;if(pwm=256)pwm=256;elsepwm+=2;TR0=1;if(biao=0)/中间速TR0=0;pwm=128;TR0=1;if(side=0)/换向13TR0=0;flag=-flag;zheng=0;fan=0;for(i=0;i7;i+)delayus(50000);if(flag=1)a =1;b =0;SD1=0;SD2=1;if(flag=-1)a =0;b =1;SD1=1;SD2=0;TR0=1;14