直流电效果脉宽调速控制系统的设计

电子与信息工程学院计算机控制技术课程设计报告课题名称直流电动机脉宽调速系统设计专业电子信息工程班级2班学生姓名叶贤明学号指导教师严辉、夏巍、丁刚2011年6月13日至2011年6月26日共2周一：目录2二：课程设计目的3三：设计任务和要求31. 课题目的32. 设计说明33. 设计要求34. 总结报告3四：前言4五：摘要4六：设计意义4七：设计原理51. 系统设计原理52. PWI基本原理63.直流电机PWM调速基本原理7八：方案选择及论证81. 方案选择8改变电枢回路电阻调速81.1 改变励磁电流调速81.2 采用PWM控制的调速方法82. 元器件的选择比较102.1基于IGBT和MOSFE功率管的驱动电路设计的比较102.280C51单片机102.3 光耦隔离开关107805稳压管112.5直流电机参数11九：系统电路设计111. 总体电路模块112. 单片机最小系统部分133. 驱动电路部分144. 电源部分14十：硬件电路图15十一：程序151. 程序设计思想152. 程序框图153. 程序代码16十二：设计心得和体会20十三：参考文献21附件21二：课程设计目的随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation,简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现。本课程设计旨在使学生在学习了微型计算机控制技术这门课程后，掌握微型计算机控制系统的组成原理,运用微型计算机控制技术进行系统设计,掌握用基本的微型计算机控制系统的软硬件设计方法，熟悉各种控制算法技术,通过对具体应用的课程设计使学生对所学知识有进一步的加深和了解，培养和提高学生的动手能力和实际应用能力。三：设计任务和要求1、课题目的（1）掌握脉宽调速控制系统的设计方法。（2）设计一个直流电动机脉宽调速控制系统。2、设计说明（1）具有控制直流电动机转动方向功能。（2）具有光电隔离单元。（3）具有停/起功能键、正/反向控制键。3、设计要求（1）方案论证按系统功能实现要求，决定控制系统的实现方案，选择芯片，做出系统框图。（2）硬件电路设计根据设计内容设计出硬件电路图并作详细的设计说明，并绘制出电路图。（3）系统程序设计采用模块化设计方法，画出程序流程框图，用汇编语言或C语言编写相应的控制程序。4、总结报告写出完成整个设计的详细步骤和系统性能分析。四：前言随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(PulseWidthModulation,简称PWM)已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现。与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。五：摘要脉冲宽度调制PWM(PulseWidthModulation),就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。本文利用SG1525集成PWM控制器设计了一个基于PWM控制的直流调速系统，本系统采用了电流转速双闭环控制，并且设计了完善的保护措施，既保障了系统的可靠运行，又使系统具有较高的动、静态性能。关键词：单片机直流电机转速控制PWM六：设计意义在当今的社会生活中，电子科学技术的运用越来越深入到了各行各业之中，并得到了长足的发展和进步，自动化控制系统更是的到了广泛的应用，其中一项重要的应用就是自动调速系统。相较于交流电动机，直流电动机结构复杂、价格昂贵、制造困难且不容易维护，但由于直流电动机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强，适宜在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自调速系统中的重要形式。而伴随着电力电子技术的不断发展，开关速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFE和IGBT成为主流，PWM表现出了越大的优越性：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。本设计采用PW技术来对直流电机进行调速，与一般直流调速相比，既减少了对电源的污染，而且使控制过程更简单方便，减少了对人力资源的使用，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的维护、维修变得更加简单了，但动、静态性能却提高了。七：设计原理1. 系统设计原理脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PW控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为Ua-lJRaCeUa-lJRaCe(1)式中Ua电枢供电电压（V）；la电枢电流（A）；励磁磁通（Wb；Ra电枢回路总电阻（Q）;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UaRa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)改变励磁磁通下图为PMV直流电机设计框图PMV直流电机设计框图2. PWM基本原理脉冲宽度调制(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。PWMI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PWh进行编码。简而言之，就是用改变电机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。3. 直流电机PWM调速基本原理PWM方式是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉冲宽度可调的方波电压，控制开关管的导通时间t，改变占空比，达到控制目的。图1是直流PWM系统原理框图。这是一个双闭环系统，有电流环和速度环。在此系统中有两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PW啲控制电压。核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。控制部分采用SG1525（脉宽调制芯片SG1525具有欠压锁定、故障关闭和软起动等功能，因而在中小功率电源和电机调速等方面应用较广泛。SG1525是电压型控制芯片,利用电压反馈的方法控制PWM信号的占空比，整个电路成为双极点系统的控制问题，简化了补偿网络的设计。）集成控制器产生两路互补的PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。为了获得良好的动、静态品质，调节器采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，能达到比较理想的检测效果。速度调节器电流调节器rgNNPWM调节器直流斩波器驱动电路Ufi电济反馈速度反馈电动机图1直流电动机PWM系统原理图八：方案选择及论证1方案选择1.1 改变电枢回路电阻调速可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为n=U-【l（R+Rw）】/Ke（2）式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Q）。当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=（Ra+Rw）增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在这种调速方法已极少采用，本次设计不采用。1.2 改变励磁电流调速当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1-1可看出，电动机的转速与磁通（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通和电枢电流la的乘积（即Te=Cla），电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。本次设计不采用。1.3 采用PWM控制的调速方法图2为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图2a中，假定晶体管V1先导通T1,秒（忽略V1的管压降，这期间电源电压Ud全部加到电枢上），然后关断T2秒（这期间电枢端电压为零）。如此反复，则电枢端电压波形如图1b中所示。电动机电枢端电压Ua为其平均值。i.TiJI亠Tt2T*Ta)b)图2PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形a)原理图b)输出电压波形式中TiTT2T(4)，为一个周期T中，晶体管V1导通时间的比率，称为负载率或占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变的值，从而达到调压的目的：(1)定宽调频法：T1保持一定，使T2在0范围内变化；调宽调频法：T2保持一定，使T1在0范围内变化(3)定频调宽法：T1+T2=Tft持一定，使T,在0T范围内变化。不管哪种方法，:的变化范围均为0Wl，因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0Ud,均为正值，即电动机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。当需要电动机在正、反向两个方向调速运转，即可逆调速时，就要使用图13a所示的桥式(或称H型)降压斩波电路。b)在图3a中，晶体管V1、V4是同时导通同时关断的，V2、V3也是同时导通同时关断的，但V1与V2、V3与V4都不允许同时导通，否则电源Ud直通短路。设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间(为避免电源直通短路。该间隔时间称为死区时问)之后，再使V2、V3同时导通T2秒后同时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图2b所示。图3桥式PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形a）原理图b）输出电压波形UTTUd=(2_1)Ud=(2：1)UdT1T2T电动机电枢端电压的平均值为由于0W1,Ua值的范围是-Ud+Ud,因而电动机可以在正、反两个方向调速运转。2元器件的选择比较2.1基于IGBT和MOSFET功率管的驱动电路设计的比较IGBT驱动电路能驱动大型的功率设备，但价格高。MOSFE能驱动较大的功率设备，价格比IGBT低很多。本课程设计是驱动小功率直流电动机，可以用IGBT和MOSFET功率管的驱动电路设计。但电动机功率仅为100W所以本课程设计采用MOSFE管来进行控制。功率场效应管（MOSFET与双极型功率相比具有如下特点：1 场效应管（MOSFET是电压控制型器件（双极型是电流控制型器件）,因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；输入阻抗高，可达108Q以上；2 工作频率范围宽，开关速度高（开关时间为几十纳秒到几百纳秒），开关损耗小；有较优良的线性区，并且场效应管（MOSFET的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，最合适制作Hi-Fi音响；3 功率场效应管（MOSFET可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。2.280C51单片机51单片机价格便宜，使用简单、方便，功能较齐全，能够达到控制本电路的要求。所本本课程设计采用80C51单片机。2.3光耦隔离开关光耦隔离开关是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电一光一电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。2.4 7805稳压管7805能使输入电压（正常条件7-25伏）转化为5伏左右输出，供光耦隔离开关发光部分及单片机等供电。价格便宜，使用方便。2.5 IRF740MOSFET功率管1管脚（G）接输入信号,1管脚（G）接输入信号,2管脚（s）接地，3管脚（D）接电压源。DSRdS(oh)=0.55QIq=10A图5IRF740示意图图5IRF740示意图图6IRF740主要参数2.6直流电机参数额定转速1600r/min，额定电压220V）九：系统电路总设计1总体电路模块本次课程设计采用定频调宽法：T1+T2保持一定，使T1在0T范围内变化来改变a的值从而达到调压的目的。以8051单片机系统和7805稳压电源系统以及光电耦合MOSFE部分组成。由键盘K1和K2发出指令，单片机处理后经P2.6口发出矩形波，通过占空比的调节达到电机调速的目的。当按下key1按键时，IRF740MOSFE功率管1脚的高电平占空比增大，电枢电压增大，电机转速增大；当按下key2按键时，IRF740MOSFE功率管1脚的高电平占空比减小，电枢电压减小，电机转速减小。从而通过单片机达到简单调速的目的。如下图所示为总体电路原理图COC-TV-一一一一一L二二二二-一一一二二二匚VC丁-匕7-_*|?【SCA?CM12L0：J：CO?；：IkL.LJFm-ZuVCC4宀各二?一.电一R4R5NSUB1:MOVA,R3CLRCSUBBA,R7MOVR5,AMOVA,R2SUBBA,R6MOVR4,ARET/定时器1中断，总周期20ms其中高电平时间由6061h决定,低电平时间由6263h确定。定时的时间由键盘设定，按加键60H61H每次设定减小500uS的时间，使高电平时间增加，按减键62H63H每次设定减少500uS的时间，高电平时间减小INTT1:PUSHPSWPUSHACCSETBRS0CLRRS1JNB20H,XGTHTLCLR20HMOVTH1,62HMOVTL1,63HSETBP2.6AJMPRETIENDXGTHTL:SETB20HMOVTH1,60HMOVTL1,61HCLRP2.6RETIEND:POPACCPOPPSWRETIDL10MS:MOVR6,#30DDCWMM:OVR7,#0FAHDCWM:DJNZR7,DCWMDJNZR6,DDCWMRETEND十二：设计心得体会转眼间为期两周的计算机控制技术课程设计结束了。这次的设计虽然时限不长，但是就在这短短的两周中，我学到了很多，也感受颇多。首先，我们之前虽然学过了计算机控制技术、单片机系统、Protell99SE等课程，但是，就刚拿到选题，也不知所措，不知该选哪一课题，但是结合老师在课堂上的介绍以及课下广泛查阅资料之后，最终决定了选择课题二，即直流电动机脉宽调速控制系统的设计。在第二节课，老师向我们详细介绍了此次涉及具体的思路以及各部分功能可能实现的硬件模块。经过老师的详细介绍后，我思路瞬时清晰起来。了解到这次设计需要的几个模块。比如说需要用到电源模块、驱动模块、单片机等，当然了，中间电路的隔离效果要好，否则的话强电流直接输入到单片机的话难免造成单片机的损坏。这里可以有很多种隔离措施，比如说光电隔离、利用变压器等等，而在本次设计中，我采用了光电隔离的方法。当然还有其他元器件的选择方面，比如说单片机系统，这里我用了80C51。一方面是因为刚刚学过此种型号单片机，对此种单片机有一定的了解，另外也有了一定的编程基础；另一方面就是因为它结构简单、使用方便，价格也较便宜，功能也还较齐全吧。还有就是稳压管，这里使用了7805稳压管，其能使输入电压（正常条件7-25伏）转化为5伏左右输出，供光耦隔离开关发光部分及单片机等供电。价格便宜，使用方便。至于其他的器件这里就不再赘述了。器件选择好后，接下来的就是整体电路的规划。这就要重新翻阅书本以及查阅各方面的资料，了解各元器件各引脚功能，只有这样才能完成电路的大致模型。一切准备就绪后，下面就是利用绘图工具来绘制电路图了。因为之前学过了Protell，所以它当然是首当其选。不过，由于很久都没使用过了，有点生疏，很多细节还要重新查阅书本，中间牵涉到很多很多。比如说器件引脚的快速顺序赋值、器件的旋转、字体的大小颜色，文本、电源等的添加，器件的查找、元件库的添加在这里我很有感触的就是，在查找单片机时在MiscellaneousDevices.lib这个库中找了几遍都找不到，一开始还以为自己找漏了，但是找了几遍都没找到后，不难想象，这个库中没有单片机这类器件，于是开始从别的库开始找，但是，那么多的元件库该从何找起，找了几个后，可能运气不佳，没被我碰到。在心情极其低落之下，于是想起了互联网，于是开始在网上搜索相应信息。终于，功夫不负苦心人，我终于找到了，原来它在ProtellDOSSchematicLibraries.ddb这个库中，最终经过半天的精心绘制，本次设计的电路原理图总算是画完了。但是，其中的引脚的编号赋值、器件的摆放位置等等细节甚是繁琐，但还是在耐心的规划下圆满结束了。最后一步就是对于本次设计报告的写作了。虽然不是第一次写实验报告了，但是对于课程设计报告，写的还是比较少。而且各次报告的要求也不一样，于是通过在老师对于此次涉设计的要求以及通过网上查阅相关报告的写法之后，开始草拟报告了。而对于报告的排版等问题，甚是不好做。一方面要考虑到字数的问题，另外还有总体思路架构等等，我是一而再再而三的修改，最后才形成这份报告。写到这里，此次设计也算是结束了。但是从始至终，即从最初的选题到最后的落幕，经历了很多之后也感受颇多。本次设计主要考察我们通过已经学过的理论知识，查阅相关资料，锻炼我们独立思考的能力。同时通过设计，也加深了自己对理论知识的理解和掌握，在解决困难的过程中，获得了许多专业方面的知识，拓展了视野。也把以前的所学重新拿出来复习一下，有助于在以后的学习生涯中少走一些弯路。虽然自我感觉理论知识还行，但是，一到实践中去却总是碰壁、无从下手。经过两周的设计过程，我也明白了一些道理。那就是，第一，不管做什么事情，一定要有耐心，一定要细心，切不可浮躁，切不可麻痹大意。遇到问题要耐心的去检查，然后细心的去分析去研究，最终将会把问题给解决掉。第二,要学好理论知识，否则的话，开头将很难，你会无从下手。在理论基础勉强过关的情况下，方可进行更深一步的设计研究。另外，要广泛查阅资料，要动用一切可以利用的资源，这样才能把问题研究懂研究透。还有就是，不会的一定要去请教别人，不可感觉会丢面子而不懂装懂，这样会对整个设计的进程带来很大困难。总而言之，我个人认为这次设计很有价值，让我获益颇多，希望在大学期间能够多一些类似的课程设计，这样不经可以激发学生学习的积极性，更能增强学生的实践动手能力，那么在以后的工作岗位上，也会少些许坎坷。虽然我们已经步入大三的尾声了，类似的机会也不多了，但还是希望我们会有更多参加类似设计的机会。参考文献计算机控制技术-机械工业出版社于海生等编著单片机原理及应用清华大学出版社李权利仲伟峰徐军编著电路原理图与电路板设计教程Protell99SE-北京希望电子出版社夏路易石宗义编著另外也从网上及图书馆查阅了大量的资料附件：元件清单如下所示R110kR12100P112MJ1CON2R2厂200R13,0080C51C26J2CON2R31kR141kKEY1SW-PBJ4CON2R41kC130pFKEY2SW-PBJ3CON8R51kC230pFRESETSW-PBE110uFR111kQMOSFETUOPOISO1E210uFU10VOLTREG