电机与拖动课程设计.doc

电机与拖动课 程 设 计直流电机pwm脉宽调速系统设计目 录1.设计任务12.直流电机pwm调速控制原理13.方案选择与论证13.1pwm调制电路的选择13.2驱动电路的选择与论证24.硬件电路设计24.1按键输入电路24.2单片机控制电路34.3电机驱动电路45.软件程序设计56.心得体会67. 小组分工6参考文献71. 设计任务直流电机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。直流电机的调速有单象限，二象限和四象限三种工作形式。本设计对直流电机进行四象限调速。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。实现电机的pwm调速以及正反转功能。2. 直流电机pwm调速控制原理脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其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，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 对于直流电动机，其转速n可用下式表示：；其中u为电枢端电压，i为电枢电流，r为电枢电路总电阻，为每极磁通量。直流电机转速控制有电枢回路串电阻，调整电枢电压，调整励磁电压等方法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用调整电枢电压的方法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制( pwm) 便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值( 即占空比) 来调整直流电机的电枢电压u，从而控制电机速度，实现二象限或四象限调速。3. 方案选择与论证本设计主要有输入控制部分、pwm调制电路以及电机驱动电路等组成。输入控制部分采用按键输入，pwm调制电路以及电机驱动电路的选择如下。3.1 pwm调制电路的选择方案一：采用tl494等集成脉冲宽度调制电路产生pwm波形优点：集成度高，只需要较少的元件即可实现pwm波形的输出，有反馈输入端，调制精度高。缺点：要额外增加输入控制的功能，只能通过改变电阻调整占空比，同时，采用集成电路调试困难。要求电路的抗干扰能力较强。方案二：采用单片机通过编程实现pwm波形输出优点：具有输入控制功能，可以通过编程改变电路的功能，控制灵活，调试方便，对模拟电路要求不高，不易受电压和电流冲击的影响。缺点：数字式输出pwm，无法连续调节，调制出来的pwm波形的频率受单片机的额定工作频率的限制。鉴于本设计对pwm波形的频率要求不高，要求有较高的稳定性和灵活性，故采用方案二实现。3.2 驱动电路的选择与论证方案一：采用分立元件驱动场效应管优点：采用分立元件灵活性强，能获取不同的驱动电流和驱动电压，可简单控制时序。缺点：布线复杂，可靠性较低，元件较多，调试不方便，要考虑各个元件的共地问题。方案二：采用集成驱动电路ir2111优点：该电路芯片体积小，集成度高(可驱动同一桥臂两路)，响应快，偏值电压达600v，驱动能力强，是大功率mofet和igbt专用驱动集成电路，内设欠压封锁功能,，成本低, 易于调试，并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电，使得驱动电源路数目较其他ic 驱动大大减小。对于全桥电路，采用2片ir 2111驱动2个桥臂，仅需要一路10-20v电源，从而大大减小了控制变压器的体积和电源数目，降低了产品成本, 提高了系统的可靠性。缺点：控制的灵活性不高。鉴于简便性和可靠性的要求，本设计采用方案二。4. 硬件电路设计4.1 按键输入电路如图4.1所示为为无消抖的按键电路。按键没有按下时，输出y为高电平，按下时应为低电平。但由于按键的机械特性和人手指的不稳定性等综合因素，导致按键按下的瞬间产生抖动，结果输出y在这一瞬间产生多个窄脉冲的干扰，这些脉冲信号的宽度一般可达毫秒，这些在脉冲对于数字电路由较大的影响。例如在计数器中，这些抖动会产生不必要的计数，而且按键在释放的时候也会产生这样的一些抖动。图4.1 没有采用消抖的按键电路及波形为了能够进行有效的消抖，在输出端y加上rc滤波器，我们知道c有滤除交流的作用，当按键断开时，a、b点均为高电平，c充满电荷；当按键按下时，a点为0v，c通过r2对地放电，b电电位缓慢下降，当出现抖动时，b点也不会立刻上升为电源电压，而是缓慢上升，由于放电时间比充电时间长，最终降为0v。按键释放时同理，进过rc电路后，波形有毛刺。波形图如图4.2所示。图4.2带rc消抖的按键电路及波形4.2 单片机控制电路单片机控制电路如图4.4所示，c1、r3构成了上电复位电路，x1，c2、c3构成了震荡电路，为单片机的正常工作提供时序信号。本设计采用stc89c52单片机，选用x1=12mhz晶振，指令周期为1us。采用外部中断0（int0）和外部中断1（int1）作为按键信号输入输入。输出信号为p2口，其中p2.0口和p2.2口为电机转向控制口，p2.1为pwm调制信号输出口，通过74hc08与门组成两个驱动信号，控制下级电机驱动电路。图4.3h桥电机驱动电路原理4.3 电机驱动电路电机驱动电路如图4.3所示。本设计采用h桥驱动电机的正反转，当q1和q4导通时，电流经a路径驱动电机旋转，当q2和q3导通时，电流经b路径驱动电机旋转，由于a和b的电流方向相反，因而电机的旋转方向也相反。图4.4单片机控制电路完整的驱动电路如图4.5所示。ir2111 是功率mosfet 和igbt 专用栅极驱动集成电路，可用来驱动工作在母线电压高达600v 的电路中的n沟道功率mos 器件。采用一片ir 2111 可完成两个功率元件的驱动任务，其内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源；可实现对功率mosfet和igbt 的最优驱动，还具有完善的保护功能。图4.5 完整的电机驱动电路单片机输出信号为0-5v的pwm波，ir2111的工作电压为10-20v，in端输入电压高电平时电压要达到10v以上，如果直接用单片机io口驱动ir2111将无法使其正常工作，为了电平之间的兼容，增加74hc08与门电路。实践证明，74hc08与门的工作电压在12v时，输入端输入0-5v的电平，输出端能产生0-12v的同向电平信号，可直接驱动ir2111。因而本设计不采用光耦隔离，简化电路设计。采用74hc08与门之后，单片机输出端、pwm信号、电机转向之间的逻辑关系如表4.1所示。表4.1 输出逻辑关系p2.0p2.2p2.1driver1dirver2q1q2q3q4转向0000截止导通截止导通停止010截止导通正转100截止导通反转5. 软件程序设计本设计由stc89c52单片机通过定时器中断产生pwm波形，由于受单片机额定工作频率的限制，当采用定时器1工作方式2（8位自动重载定时器）时，最高频率为5khz，为了能输出一个占空比可调节的pwm波形，本设计输出为1.78khz的波形，通过对定时器溢出进行计数，达到设定值则反转io引脚的电平，输出pwm波形。具体算法流程如图5.1所示。图5.1 程序流程图调试过程中，我们小组发现单片机输出的pwm波形并不稳定，而且不可调，初步估计是由于焊接失误，因为单片机在其他小组的电路中还是正常工作的，这样导致了我们没法进行下一步的数据测量。6. 心得体会通过这次的电机课程设计与上一次的电力电子技术课程设计的比较，我们小组掌握了除了tl494之外的另一种pwm波产生和控制电流，认为单片机控制脉宽更为方便和实用。本次设计用到ir2111芯片，我们也是第一次接触，做设计之前参考了一些资料，对我们的帮助也非常大。虽然这次我们小组的实物没有做成功，只能产生一个基本的pwm波，但我们还是在此次的课程设计中学习和收获到很多东西，我们以后会继续努力，克服缺点，提高各个方面的能力。在观察其他小组的调试与测量过程中，也让我们了解了调试上的一些细节要求，还有明白了在设计过程中必须考虑进去的电机的过流和过压的保护措施的重要性。该系统调速精度与调速范围要求不是很高。但与传统的晶闸管可控调整系统相比，它具有调速范围宽、快速性能好、功率因数高、结构简单等优点，使之以广泛应用于各行各业的直流调速系统中。通过本次设计以便积累一些经验对我们以后课程设计奠定基础。最后