基于pwm技术的直流电机控制系统

电子电路 综合实验 总结报告 题目： 基于 PWM 技术的直流电机控制系统 班级： 学号： 姓名： 成绩： 日期： 2017 年 3 月 17 日 一、 摘 要 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。 本实验是把每一脉冲宽度均相等的脉冲序列作为 PWM 波形，通过改变脉冲序列的周期可以 调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整 PWM 的周期、 PWM 的占空比，从而达到控制电机转速的目的。通常调制频率为 1kHz 到 200kHz 之间。 二、设计任务 2.1 设计选题 选题 九 基于 PWM 技术的直流电机控制系统 2.2 设计任务要求 利用数字电路产生的 PWM 脉冲，在不改变 PWM 方波周期的前提下，通过硬件电路调整 PWM 的占空比，从而控制电机的转速。 本设计所要求的通过调节由电位器组成的分压网络，从而产生不同的电压值，再由 A/D 电路模块采集、量化、编码，将 编码结果控制生成的 PWM 脉冲的占空比。 具体要求： 1、设计并调试 A/D 模块、 L298N 电路模块 2、用电位器或外部拨码开关控制 PWM 脉冲的占空比，从而控制电机的转速，要求实现以下占空比， 12.5%、 25%、 37.5%、 50%、 62.5%、 75%、 87.5%、 100%。用示波器观察 PWM 脉冲波形并记录平均电压值，误差不得大于 5%。 3、利用拨码开关来控制电机的转动方向、转速以及驱动模式的切换； 4、利用 A/D 模块实现用电位器控制电机转速，要求 A/D 精度为 8 位， A/D输入电压范围是 05V； 5、数码管显示电 机转速档位，分别用 07 表示不同的占空比，以区分转速； 6、数码管显示电机转动方向，顺时针转动不显示，逆时针转动显示“ -”； 7、数码管显示电机控制模式，按键控制模式不显示，电位器控制模式显示“ .”。 三 、 方案设计与论证 设计由拨码开关模块、门电路模块、计数器模块、数据选择器模块、电机驱动模块和数码管显示模块等几个部分组成。通过 3 位拨码开关实现电机转动速度的控制， 1 位拨码开关实现电机转动方向的控制。利用 555 构成的多谐振荡器产生一个 1KHz-10KHz 的时钟脉冲，提供给 74161 使其正常计数。 把生成的 PWM波形串行输出给电机驱动电路以控制电机的转速。同时在数码管上显示电机的转速档位、转动方向以及控制模式。另加 1位拨码开关实现电位器控制和拨码开关控制两种控制模式的切换。 图 1 系统方框图 四、电路单元参数的选定和设计实现 4.1 拨码开关模块 拨码开关模块 由 电源、开关和电阻构成 ， 根据开关拨动的不同状态来 输出 多种电压值的组合，以提供给后级电路信号进行控制 ，电路如图 2 所示。 图 2 拨码开关模块 电路 4.2、 PWM 发生模块（门电路实现） 接受模式控制模块送来的 3 位 数据，选择产生 8种不同占空比的 8位并行数据。 电路如图 3 所示。 图 3.PWM 发生模块 电路 4.3 分频器模块 利用 555 电路产生周期性的方波，将其作为 74161 计数器的时钟输入，在此基础上生成 QAQC 从 000 到 111 的周期性信号。 电路如图 4 所示。 图 3. 分频器模块电路 4.4 数据选择器模块 使用序列信号发生器将 8位并行数据转换成串行数据以产生占空比不同的 PWM 脉冲。 4.5 L298N 电机驱动模块 L298N 内部包含 4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，也可以 驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用 1 位拨码开关和 74244 来控制 L298N 的转动方向；电路简单，使用比较方便。 4.6 数码管显示模块 接受模式控制模块送来的 3 位数据，在数码管上显示 07。在数码管上显示“ -” ，以显示电机运行的正反方向。 4.7 转向控制模块 利用 74LS244 数据缓冲器和 7404 反相器使 PWM 波反向控制 L298N 使电机反转。 4.8 A/D 模块 信号： （ 1） DB7DB0：数据线，三态，输出，可直接接 总线。 （ 2）启动： WRCS 启动 ADC，同时清状态 INTR. （ 3）状态： INTR 转换结束输出低电平。 （ 4）读数据： RD CS 打开三态门读取数据，同时清状态。 五、装调测试过程 5.1 测试仪器 （ 1）示波器； TDS3502B 500MHz （ 2）电源： EM1712 DC （ 3）万用表 5.2 拨码开关 部分电路测试 拨码开关 电路加 5V 电源电压后， 打开开关万用表输出 4.5V 电压左右，闭合开关万用表显示 0V 左右。（当时并未拍摄照片，故无法显。） 5.3 PWM 发生模块电 路测试 拨动拨码开关， 根据开关从低位到高位对应的二进制数，分别输出 00000001、00000011、 00000111、 00001111、 00011111、 00111111、 01111111、 11111111八种电位状态，其中 0 表示低电平， 0V 左右， 1表示高电平， 5V 附近。 5.4 分频器模块电路测试 由 555 电路产生系统时钟，经过 74161 计数器生成二分频、四分频、八分频的时钟。根据实际电路中用到的两个 10k电阻和 103 电容，由 f=1/(R1+2R2)Cln2)公式 可计算理论的 555 时钟频率为 4.81k,二分频输出 2.41k,四分频 1.20k,八分频 0.60k。实际测得的数据如下： 图 4 系统软件程序流程图 （ 1） 555 输出时钟 测得 3.93352k,对比理论值 4.81k，计算误差为 18%。 （ 2）二分频输出 测得 1.96250k， 对比理论值 2.41k，计算误差为 18.5%。 （ 3） 四分频输出 测得 980.372，对比理论值 1.20k，计算误差为 18.3%。 (3） 八分频输出 测得 489.596，对比理论值 0.60k，计算误差为 18.4%。 5.5 数据选择器模块 电 路测试 来自 PWM 发生模块的八个输入端信号进入 74151 数据选择器后，由 74161 的三位选择信号分别输出从 D0 到 D7八个状态。从示波器上看出不同占空比的矩形波 如下： （ 1） 1 速档 理论值 12.5%，测量值 12.0%，误差 4% （ 2） 2 速档 理论值 25%，测量值 25.7%，误差 2.8% （ 3） 3 速档 理论值 37.5%，测量值 37.0%，误差 1.3% （ 4） 4 速档 理论值 50.0%，测量值 50.0%，误差 0% （ 5） 5 速档 理论值 62.5%，测量值 62.0%，误差 0.8% （ 6） 6 速档 理论值 75%，测量值 74.7%，误差 0.4% （ 7） 7 速档 理论值 87.5%，测量值 86.0%，误差 1.7% （ 8） 8 速档 理论值 100%，测量值 100%，误差 0% 5.6 数码管显示 模块电路测试 根据拨码开关的不同二进制对应的十进制数，在数码管上一次显示 0-7的数字。过程如下： 0 1 2 3 4 5 6 7 5.6 L298N 电机驱动模块电路测试 将 74151 数据选择器的输出接到 L298N 电机驱动芯片上后，输出频率一样的矩形波，只是驱动能力有所提升，得到的波形如下： 此时对应的是 5 速档 六、实验注意事项及主要可能故障分析 设计由拨码开关模块、门电路模块、计数器模块、数据选择器模块、电机驱动模块 、 数码管显示模块 、反向控制模块、 ADC 模块 几个部分组成。 本人完成了前 6 个模块，实现了以下功能： 通过 3 位拨码开关实现电机转动速度的控制，利用 555 构成的多谐振荡器产生一个 4KHz 左右 的时钟脉冲，提供给 74161 使其正常计数。把生成的 PWM 波形串行输出给电机驱动电路以控制电机的转速。同时在数码管上显示电机的转速档位 。 本人未能完成的部分是：反向控制电路以及 ADC 模块，具体情况是反向控制电路只有一个方向能 实现电机控制，而 ADC 模块由于时间问题未能进行实际验证。 分析反向控制电路不能实现的原因可能是： 1.对于芯片的参数没有弄懂，设计不能实现功能 ;2.实际焊接过程中因为短路或者短路使电路出错，从而出现问题。 实验体会： 1) 深刻体会到了数字电子技术在电子系统设计中的重要 性；提高了理论联系实际，解决实际问题的能力； 在具体的电路搭建过程中，体会到了模块化设计、模块化搭建、模块化检测的重要性，可以有更好的移植性，更加利于检测和使用 。 2) 每种仿真软件都有它各自的优缺点，要根据自己需求来使用；在电路搭建之前要进行充分的电路仿真 ，验证电路的正确性之后才能保证后续工作的效果。 七、参考文献 1 阎 石 数字 电子技术基础 高等 教育 出版社 2006年 5 月第一版 附录 1 系统电路图 因 Multisim 中未找到 adc0804 和 L298N，电路图分 Multisim 和Proteus 两部分三张图片。 （ 1） 开关、门电路、分频器、数据选择器 （ 2）转向控制、 L298N (3)ADC084 附录 2 元器件清单 Comment Designator Quantity Value 电容 C1, C2 2 103、 104 拨 码开关 S1 1 74161 U1