论文PWM脉宽调制直流电动机控制器

电子产品创作设计课程项目设计论文 题目 直流电机调速控制器 院系: 电子工程学院电子信息工程班级: 作者：西安电子科技大学1直流电动机控制器摘要：当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。直流电动机应用范围如此之广，主要在于其采用了PWM脉宽调制电路来控制直流电动机的调速。本系统介绍了PWM脉宽产生的电路。该电路应用模拟电子电路基础知识完成，利用产生的方波信号带动散热风扇的转动。本设计原理简单，易于理解。电路实现简单。我们先分别介绍了电路中所用的电路模块，然后整体给出电路图。 关键词:直流电机，PWM，速度控制Abstract Nowadays，automatic control systems have been widely used and developed in Every aspect of life. A direct motor scope of application is, in their adopted the mixed pwm wide to a direct motor machinery velocity modulation control. the system introduced the pulse of pwm wide circuit. the circuit used to simulate electronic circuit basic knowledge, the use of the ventilation fans katanami signal a turn. this design principle is simple, easy to understand. the simplest circuits. we were first introduced in the circuit is given, then the circuit diagrams.Keywords DC Motor ; PWM， Speeds Control 1目录 一背景3二基础知识31直流电动机的调速方式42PWM介绍5三设计思想6四单元模块81.电压跟随器，比较器，震荡器8集成运算放大器8比较器9驰张振荡器10LM324112.功率放大12IRF530123.电源电路12整流电路13滤波电路13稳压电路13五 总电路图141.工作电路142.工作原理14六.总结16七参考文献：16一背景 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用 ，无论是在工农业生产、交通运输、国防、航天航空、医疗卫生、商务与办公设备、还是在日常生活中的家用电器都大量使用着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求:如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制:为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速。电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电机调速系统。三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流电动机的调速更是大家所关注的。 二基础知识1直流电动机的调速方式 直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 (1)式中 Ua电枢供电电压（V）； Ia电枢电流（A）； 励磁磁通（Wb）； Ra电枢回路总电阻（）； CE电势系数，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。由式1可以看出，式中Ua、Ra、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通。在本次电路设计中我们采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法，即设计PWM电路产生脉宽信号，在利用IRF521功率放大器来带动电机。2PWM介绍 脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。 脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。PWM调速方案的优越性自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器直流电机调速系统，国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。优越性的如下： 1.电源的能量能得到充分利用，电路的效率高。例如：当输出为50的方波时，脉宽调制(PWM)电路消耗的电源能量也为50，即几乎所有的能量都转换为负载功率输出。而采用常见的电阻降压调速时，要使负载获得电源最大输出功率50的功率，电源必须提供71以上的输出功率，这其中21消耗在电阻的压降及热耗上。有时电路的转换效率是非常重要的。 2.采用脉宽调制(PWM)方式可以使负载在工作时得到满电源电压，这样有利于克服电机内在的线圈电阻而使电机产生更大的力矩。 3.主电路线路简单，需用的功率器件少。 4.开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。 5.低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1:20000左右。 6.若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。 7.功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。三设计思想本系统由电压跟随器，振荡器，比较器，电源电路，功率开关，负载组成。框图如下：电源电路电压跟随器 振荡器 负载功率放大器 比较器四单元模块1.电压跟随器，比较器，震荡器集成运算放大器 集成运算放大器与不同的外接电路连接，采用不同结构反网络，不同的反馈元件和反馈方式可以构成功能和特性各异多种应用电路。在分析众多的应用电路时，通上是把集成运放作理想运放，把反馈元件看作理想元件。本文主要讨论集成运放大器的比例运算电路。集成运算放大器实际上是一种各项性指标都比较理想的放大器。理想运放的等效模型 从反馈角度看,运算放大器有两类基本工作状态,一类是以负反馈工作状态,另一类是开环或正反馈工作状态。当集成运放处于深度负反馈时，输出电压与输入电压成正比，即运放工作在线性区。当集成运放处于开环或正反馈时，输出电压只有两种状态，不是正饱和电压就是负饱和电压，即运放工作在非线性区。比例运算电路中的集成运放是工作在线性区的，根据理想运放条，处于深度负反馈工作状态的运放。可以采用图所示的理想运放等效模型来代替。理想运放等效模型的输入端采用“零子”符号来表示。“零子设计指两个输入端的差模电压Ud为零，流入输入端的电流id也为零。 理想运放输入差模电压为零。然而输出电压和输出电流为任意值，等效模型的输出端用任意子符号来表示 。所谓任意子是指理想运放提供给外部电路的对地输出电压和电流均为任意值。任意值的含义就在于它有能力提供任意输出电压和输出电流 然而任意者非随意。理想运放的输出电压和输出电流将由外部网络的条件所决定，其值与外部连接的网络结构元件特性和参数值 输入信号大小输出端负载等密切相关 外部网络条件确定后 理想运放的输出电压和输出电流将为确定值。将集成运放看作理想运放 并用等效模型来代替，可以很快导出运放电路的理想传输特性。虚短虚断虚地的概念 由于理想运放的差模电压增益为无穷大，输出电压在有限值之间变化。这就意味着输入端的差模电压为零，UdU+ - U- 0,则U+ = U-说明同相端和反相端电压几乎相等，所以称虚假短路，简称虚短 。若同相端接地，则反相端也为地电位，但并不是直接接地，称之为虚地。由于运放输入电阻为无穷大,i+i-0,流入 集成于运放同相端和反相端的电流几乎为零，所以成为虚断。 利用集成运放的虚断和虚短，可以有多种应用，如：同相比例放大器，反相比例放大器，积分器，微分器等等。比较器 输出量数值与规定的参比值相比较，以产生一个差值信号(误差信号)的器件。它是对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。 能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。 工作原理 电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)： 当”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平。此时虚短不在适用。其原理如图所示： 利用比较器可以有多种应用，如过零比较器，脉宽调制器，迟滞比较器等。UO限幅区限幅区线性放大区UOL= -UOH UOH Ud=U+ - U- 集成运放的电压输出特性如上图所示，放大器与比较器的区别在于：放大器工作在线性放大区，比较器工作在限幅区，即非线性区。驰张振荡器振荡器的功能是产生一个稳定的周期随时间改变的输出波形起到信号或对信号定时的作用,这样的电路叫振荡器.交流输出信号可以从振荡器得到各种各样的波形中的一种,如:正弦波 ,三角波 , 方波 , 脉冲序列波 , 指数波形. 定时电路 状态记忆电路驰张振荡器框图驰张震荡器即方波-三角波产生器。其状态有时维持不变，而有时则发出突跳。为区别于正弦振荡器，称其为驰张震荡器。驰张震荡器必须是一个正反馈电路。它由两部分组成，一部分是状态记忆电路，另一部分是定时电路，定时电路是用来控制状态转换时间的电路。如图所示，一般用迟滞比较器作为状态记忆电路，而用积分器作为定时电路。在本电路中，我们使用双运放构成的驰张振荡器。如图所示：其原理为：A1运放工作在电压比较器的状态，正反馈网络中的电阻 R2、R1对输出电压uo分压后，作为同相输入端的基准电压 u+，反相输入端的电压u一接地。R、C组成的积分电路c两 端，U一与u+进行比较，决定着输出电压Uo电平的高低。由于C不断在正反两个方向充电和放电，使U一电压不断地高u+和低于u+，输出电压Uo也随之在低 、高电平之间翻转 输出端就会得到一定周期和频率的方波信号。该振荡器的 特点是：频率稳定度高、温漂小，振荡频率仅与R3、c有关，而与所用运放特性无关；输出幅度较大、电源电压范围宽在本系统中，电压跟随器，比较器，驰张震荡器的实现都是由LM324实现。LM324LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图。2.功率放大为了驱动负载，我们采用了功率开关管实现电流放大。只要器件为IRF530。IRF530IRF530是功率VMOS，特点大电流、高功率、开关速度较快，一般可用于功率开关或直流变换器。使用时要注意驱动电路的设计，理论上说MOS管的珊级是绝缘的，属于电压驱动，不需要电流，但实际上由于结电容的存在，工作于高频开关状态时，需要较大的驱动电流，否则会由于不完全导通而使管子烧毁。IRF530参数 电压 电流 功率 100V 14A 79W3.电源电路本系统采用直流稳压电源。直流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分，它的基本任务是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压。其工作过程通常为：首先由电源变压器将220V交流电压变换为所需的交流电压值，然后利用二极管单向导电性将交流电压整流为单向脉动的直流电压，在通过电容或电感等储能元件组成的滤波电路来减小其脉动成分，从而得到较平滑的电流电压。同时，由于其易受电网波动及负载变化的影响，必须加稳压电路，利用负反馈来维持输出直流电压的稳定。其基本组成框图如图所示：UO220V50Hz稳压器滤波电路整流电路电源变压器整流电路该部分由2W30完成。2W30 内部如图所示，电路中的4只二极管都是作为开关运用。当正半周时，二极管D1,D3导通（D2,D4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时，二极管D2,D4导通（D3D1截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。滤波电路滤波电路采用电容滤波。稳压电路稳压部分采用LM7812LM7812是指三段稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。 电源整体电路如图所示5 总电路图1. 工作电路2.工作原理 由U1a、U1d组成振荡器电路，提供频率约为400Hz的方波/三角形波。U1c生6V的参考电压作为振荡器电路的虚拟地。这是为了振荡器电路能在单电源情况下也能工作而不需要用正负双电源。U1b这里接成比较器的形式，它的反相输入端(6脚)接入电阻R6、R7和VR1，用来提供比较器的参考电压。这个电压与U1d的输出端(14脚)的三角形波电压进行比较。当该波形电压高于U1b的6脚电压U1b的7脚输出为高电平；反之，当该波形电压低于U1b的6脚电压，U1b的7脚输出为低电平。由此我们可知，改变U1b的6脚电位使其与输入三角形波电压进行比较。就可增加或减小输出方波的宽度，实现脉宽调制(PWM)。电阻R6、R7用于控制VR1的结束点，保证在调节VR1时可以实现输出为全开(全速或全亮)或全关(停转或全灭)，其实际的阻值可能会根据实际电路不同有所改变。 图中，Q1为N沟道场效应管，这里用作功率开关管(电流放大)，来驱动负载部分。前面电路提供的不同宽度的方波信号通过栅极(G)来控制Q1的通断。LED1的亮度变化可以用来指示电路输出的脉冲宽度。C3可以改善电路输出波形和减轻电路的射频干扰(RFI)。D1是用来防止电机的反电动势损坏Q1。当使用24v的电源电压时，图1电路通过U2将24V转换成12V供控制电路使用。而Q1可以直接在21v电源上，对于Q1来讲这与接在12v电源上没有什么区别。参考图1，改变J1、J2的接法可使电路工作在不同电源电压(12V或24V)下。当通过Q1的电流不超过1A时，Q1可不用散热器。但如果Q1工作时电流超过1A时，需加装散热器。如果需要更大的电流（大于3A），可采用IRFZ34N等替换Q1。六.总结在当今社会的资源利用要求越来越高，效率也要修更高。采用PWM控速比温控、DC直接调压减速都来得更直接，更节能，变速更迅速，满足社会需求，前景很广阔。七参考文献： 常用集成电路参考手册 模拟电子电路及技术基础 孙肖子 张企民 赵建勋 朱天桥 顾伟舟 （第二版） 西安电子科技出版社