基于51单片机的PWM直流电机调速系统设计

装订线序号（学号）： 021241235长 春 大 学毕 业 设 计（论 文）基于51单片机的PWM直流电机调速系统设计姓 名徐慧学 院电子信息工程学院专 业自动化班 级12412指导教师刘冬梅（讲师）2016年6月13日装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸基于51单片机的PWM直流电机调速系统设计 摘要 本文介绍了一种基于MCS-51单片机的直流电机调速系统，该系统以小型直流电机为控制对象，由MCS-51单片机控制输出PMW信号，经功率放大后驱动直流电机，用按键实现电动机的正向加减速、反向加减速、速度设定功能。该系统成本低廉且容易实现。本系统利用MCS-51单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。关键词 MCS-51单片机, PWM, 芯片 PWM dc motor speed control system design based on 51 single chip microcomputerAbstract In this paper, a dc motor speed control system based on MCS - 51 single chip microcomputer, the system with small dc motors as control object, by the MCS - 51 single chip microcomputer control output PWM signals, after power amplifier drive dc motor, the key is used to implement the positive deceleration of the motor, set the reverse, speed, acceleration and deceleration function. The system is low cost and easy to implement. This system by using MCS - 51 single chip microcomputer control PWM signal so as to realize the dc motor speed control method. Article adopted the special chip is made up of a PWM signal generation system, and in this paper, the principle of the PWM signal generation method and how to through the software programming of the PWM signal adjusted duty ratio, to control the input signal waveform are expounded in detail. In addition, this article is a core IR2110 is adopted as the dc motor speed regulation drive module, power amplification circuit and combining it with delay circuit completed in the main circuit of dc motor control. This system USES the tachogenerator for dc motor speed measurement, after filter circuit, the measured value to the A/D converter, and finally as A feedback input to the MCU PI arithmetic, so as to realize the control of the dc motor speed. In the aspect of software, the article introduces in detail PI algorithm, initialization program, writing ideas and specific program implementation. Key words The MCS - 51 single chip microcomputer, PWM, chip目录第一章 前言11.1课题研究的意义11.2直流电机的研究现状11.2.1直流电机的发展现状11.2.2直流电机发展现状21.3直流电动机调速概述31.3.1直流电机调速原理31.3.2直流调速系统实现方式4第二章 系统总体方案论证62.1系统方案比较与选择62.2系统方案描述6第三章 硬件电路的模块设计83.1逻辑延时电路方案论证设计83.2驱动电路方案论证设计93.2.1驱动电路方案、参数描述93.2.2 IR2110驱动电路中IGBT抗干扰设计103.2.2 IR2110功率驱动介绍113.3隔离电路方案论证设计153.3.1 TLP250光耦隔离153.3.2 PC817数据采集隔离163.4数据采集、过压反馈保护173.4.1数据采集、过压反馈方案设计173.4.2 TL431介绍183.5稳压可调电源设计18第四章 软件设计204.1 PWM实现方式方案论证204.2程序流程图204.3主要程序设计分析224.3.1定时器0中断服务函数224.3.2占空比调节函数23第五章 调试结果描述24第六章 结论25致 谢26参考文献27III长 春 大 学 毕业设计（论文）纸第一章 前言1.1课题研究的意义如今电气传动的根本重要宗旨之一是机电调速体系采纳微处理器告终数字化把持。自从上世纪80年代中后期起，世界各大电气公司如ABB、西屋、西门子等都在竞相建设数字式调速传动装置，经由二十几年的发长，如今直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采纳可控硅；控制板采纳表面安装技术；把持方法采用电源换相、相位控制1。独特的是采纳了微处理器其及他先进电力电子技术，使数字式直流调速装配在精度的准确性、控制机能的优良性和抗干扰的性能有很大的进步和成长，在国内外获得广泛的利用。数字化直流调速装配行为当前最新把制程度传动方法表现了非常优势。全数字化直流调速系统不断升级换代，为工程应用和工业生产提供了优越的条件。PWM调速体系需求的元器件少、电路布局比较简单、可能机动把持、能大范围调速、多样化的控制路子、与数字信号兼容通讯,因此在产业范畴能获得到了普遍利用,促成了工业化的成长,于是自习钻研PWM直流电机调速体系对我们之后的事情有重要意义。现阶段，我国还尚未自立的全部字化直流调速把制装配生产商，而国际先辈的控制器价格昂贵，且技术转让受限，为此钻研及更好的利用国外先进的控制器，吸取国际先辈的数字化直流电机调速装配的益处，具备首要的实际意义和庞大的经济价值。1.2直流电机的研究现状1.2.1直流电机的发展现状自20世纪70年代来，直流电机传动通过了庞大的技能、装配变化。整流器的更新换代，以晶闸管整流装配取蒂了惯用很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实现了一次大的跃进。同时，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为把制的电路的发展方向。使直流调速体系的机能目标大幅进步，利用范畴不断扩大。直流调速技能不断发展，走向老练、完美化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动范畴中仍然难以替换。初期直流传动的控制系统采纳模拟分离器件构成，因为模防器件有其固有的不足，如温漂、零漂电压，组成体系的器件较多，使得模拟直流传动体系的控制精度及可靠性较低。凭着计算机控制技能的发展，微处理器已经普遍利用于直流传动体系，完成了全部字化把持。因为微处理器以数字信号劳作，把持手法灵动方便，抗干扰本事强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。是以，直流传动把持采纳微处理器完成全数字化，使直流调速体系投入一个全新的阶段。我国在这方面相对西方国家尽管起步较晚,然而自从我国第一只晶闹管成功研究后,其快速被应用于直流电机调速装配,并获得了较好的结果,使得我国在电机调速领域取得了快速发展。近年来,PWM技术发展较快,且日渐老练,我国急速地进入到了 PWM调速范畴的研发和建造,比如我国的一些研究所、高校以及一些相关企业都在积极研发基于PWM技术的高性能调速装置。1.2.2直流电机发展现状微处理器产于上个世纪七十年代，跟随着集成电路大规模及超大规模集成电路建造工艺的迅速发展，微处理器的性价比愈来愈高。另外，因为电力电子技术的成长，建造工艺的晋升，使得大功率电子器件的性能迅速提升。为微处理器广泛用于把持机电供给了可能性，使用微处理器控制电机实现种种新奇的、高性能的控制战术，使电机的各种潜伏实力获得到充实的运用，使机电的机能更适合工业生产利用请求，还促成了机电生产商研发出种种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于把持且适用的新式电机，使电机的成长呈现了新的变化。对于单一的微处理器把持机电，只需使用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断便可达成对电机的控制。如今带微处理器的可编程控制器，已经在种种的机床配置和种种的出产流水线中普遍得到利用，经过对可编程控制器举行编程就能够实现对机电的规律化把持。关于庞大的微处理器控制机电,则要使用微处理器控制机电的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令确切劳作。经过微处理器把持，可以使机电的机能有很大的进步。当前在直流电机和交流电机之间他们各有千秋，如直流电机调速性能好，但带有机器换向器，有机械磨损及换向火花等情况；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。高性能的微处理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即数字信号处理器)的出现，为采纳新的控制理论和控制策略拥有了较好的物质基础，使机电传动的自动化水准大为进步。在优秀先进的数控机床等数控职位伺服体系，已经采纳了如DSP等的高速微处理器，其实行速率可达数百万兆以上每秒，且具备合适的矩阵运算。 1.3直流电动机调速概述1.3.1直流电机调速原理直流电动机按照励磁方法差别，直流电动机分为自励和他励两种种类。区别励磁方法的直流电动机机械特性狐线有所不同。可是关于直流电动机的转速有如下公式： 此中：U电压；励磁绕组自身的电阻；每极磁通(Wb)；Cc电势常数；Cr转矩常量。由上式可知，直流电机的速率把持既可采纳电枢控制法，也可采纳磁场控制法。磁场控制法把持磁通，其控制功率尽管较小，但低速时受到磁极整个的限制，高速时遭到换向火花和换向器布局强度的局限，并且因为励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程当中经常使用的法子是电枢把持法。 图1-1 直流电机的工作原理图电枢把持是在励磁电压稳点的状况下，把控制电压信号加到机电的电枢上，以控制机电的转速。传统转换电压方式是在电枢回路当中串联一个电阻，是以通过调节电阻来改变电枢电压，从而达到调速的能力，这种方式效率较低、平滑度较差，因为串联电阻上要损耗电功率，是以经济效益低，并且转速越慢，能耗越大。跟着电力电子的成长，呈现了很多新的电枢电压控制法子。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制(PWM)调压等等。调压调速法具有润滑度高，能耗较少，精度高等好处。在工业生产中广泛利用此中脉宽调制(PWM)利用更加广泛。脉宽调速使用一个固定的频率用来控制电源的接通或断开，并经过改动一个周期内“接通”和“断开”期间的长短，即转变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变均匀电压的大小，因此来控制电动机的转速，所有，PWM又被叫为“开关驱动装置”。 图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图按照图1，要是电机一直接通电源时，机电转速最大为，占空比为D=/T，则电机的平均速度为：，可见只有改变占空比D，就能够得到不同的电机速度，因此达到调速的目的。1.3.2直流调速系统实现方式、基于晶闸管作为主电路的调速体系晶闸管的调速体系是采纳用散开元件设计的调速体系占用的空间大，控制角很难调控，而且模拟器件的固有不足如：温漂、零漂电压等，从而使电机的调速无法达到满意的成果。由于晶闸管的单向导电性，它不可能让电流反向，给体系的可逆运行会造成困难，性能较差，自动化把持水准差，调速进程较为复杂，无益于工业生产和小功率电路中采纳。另外一问题是在晶闸管导通角很小时，体系的功率因素又很低，并发生较大的谐波电流，从而引发电网电压振动殃及同电网中的用电设备，变成“电力公害”。 、基于PWM为主控电路的调速体系 与传统的直流调速技巧相比较之下，PWM(脉宽调制技术)直流调速体系拥有较大的优越性：主电路线路单一，要求的功率元件少；开关频率较高，电流比较容易连续，谐波较少，电机消耗和发热都较小；低速性能较好，稳速精度较高，因此调速范畴较宽；系统频带宽，快速响应性能很好，动静态的抗干扰本领较强；主电路元件事情在开关状况下，导通消耗较小，装配效率较高。PWM信号的生成在通常中有两种方式:一种是软件方式；另一种是硬件方式。基于NE555，SG3525等一系列的脉宽调速体系：此种方法采纳NE555当做控制电路的核心，用于产生把持信号。NE555发生的信号要经过功率放大才能够启动后级电路8。NE555、SG3525构成的控制电路比较复杂，而且智能化、自动化水平低，在工业生产中不方便于推广和应用。基于单片机类由软件来完成PWM：在PWM调速体系中占空比D是一个紧要参数在电源电压稳定不变的状态下，电枢端电压的平均值决定于占空比D的大小，通过改变D的值的大小可以改变电枢端电压的平均值因此达到调速的目标。转变占空比D的值有三种方式：1、定宽调频法：保持不变，只变t，让周期(或频率)也从而随之改变7。（图1）2、调宽调频法：保持t不变，只改变，让周期(或频率)也从而随之改变7。（图1）3、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t7。（图1）前两种方式在调速时改动了控制脉冲的周期(或频率)，在控制脉冲的频率与体系的固有频率接近的时候，将就会引起振荡，所以经常采纳定频调宽法来改动占空比而改变直流电动机电枢两端的电压。使用单片机的定时计数器外加软件延时等方法来完成脉宽的自由调整，此种方法可简化硬件电路，操作性强等好处。第二章 系统总体方案论证2.1系统方案比较与选择计划一：采纳专用PWM集成芯片、IR2110 功率启动芯片组成整个系统的核心，如今市场上已经有许多种型号，如Tl公司的TL494芯片，东芝公司的ZSK313I芯片等。这些芯片除有PWM信号产生功能之外，还会有“死区”调度功能、过流过压的保护功能等等。这类专用PWM集成芯片能够减缓单片机的负担，工作还会更可靠，所以其价格相对较高，对于控制工业成本而言不宜采用。计划二：采纳MC51单片机、功率组成电路芯片L298构成直流调速装配。L298是双H高电压大电流功率集成电路，直接采纳TTL逻辑电平把持，可以用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其驱动电压为46V，直流电流总和是4A。该计划大体上是具备可行性，可是L298的驱动电压和电流比较小，无益于工业生产使用，没法满足工业生产实习中大电压、大电流的直流电机调速。计划三：采纳MC51单片机、IR2110功率驱动芯片构成整个体系的核心实现对直流机电的调速。MC51拥有两个定时器T0和T19。经过把持定时器初值T0和T1，因此能够达成从任意端口输出不一样占空比的脉冲波形。MC51把持简单，价格较廉价，而且使用MC51组成单片机最小应用系统，可缩小系统体积，抬高系统可靠性，下降系统成本。IR2110是特意的MOSFET管和IGBT的启动芯片，带有自举电路和远离作用，有利于和单片机联机劳作，而且IGBT的工作电流可达50A，电压能够达到1200V10，合适工业生产应用。综合上述三种方案，本设计采用计划三作为整个系统的设计思路。2.2系统方案描述本体系采纳MC51为把持中心，配以2*3键盘和四位数码管显示，经过ADC0832模数转换器对骨干启动电路进行电压采集和速度采集达到过压保护、速度表现。在次同时使用MC51发生的PWM通过逻辑延迟电路后加载到以IR2110为驱动核心，IGBT组成的H桥骨干电路上达到对直流电机的把持和调速。本体系的控制部分是5V的弱电驱动电路和负载电路达到110V以上的直流电压所以在强弱电之间、数据采集之间分别使用了带有启动功能的光耦TLP250和线性光耦PC817达成强弱电隔离，信号串扰。具体电路框图如下图2-1图2-1系统整体框图第三章 硬件电路的模块设计3.1逻辑延时电路方案论证设计逻辑延时电路是主电路IGBT开关管的控制所需。一、由于把持IGBT所需的控制信号请求对角上的两个IGBT管的控制信号要类似，而同一个桥臂上的控制信号要互异。这就要求主电路上有两路互为反向的控制信号。但是MC51发生的PWM只要一齐，这时就必须把PWM信号使用逻辑延时电路造成两路互为反向的把持信号。 二、尽管从当前的制造工艺水平能够使电力电子半导体开关器件的频率做得很高，可是器件的导通和关断的期间仍然会占用一段极短的时候，PWM把持信号消失的瞬间其实不意味着功率开关管就真实会关断11。若是一个的功率开关管的把持信号刚消散的同时给统一桥臂的另外一功率开关管加控制信号极有可能变成同一桥臂的两管子同时导通构成对电源短路11。为了防止这类表象在体系中呈现，本设计采纳了在MC51发生PWM信号后设置逻辑延时电路。图3-1中二极管、能让低电平或者可以说是PWM负信号经过，电阻、和电容、耽误了高电平信号向后传递的期间，如此就能够担保功率开关管可靠关断后再给与其统一桥臂上的功率开关管加高电平信号，就可以避免其同时导通。图3-1逻辑延时电路原理图3.2驱动电路方案论证设计3.2.1驱动电路方案、参数描述全个体系的驱动电路采纳两片的IR2110驱动四片的IGBT管（FGA25N120）组成的H桥电路。如下图3-2：图3-2 驱动主电路原理图IR2110启动IGBT组成的H桥电路的特色明显，拥有调速性能好，调速频带宽，能够劳作在1100 kHz范围内工作12。所要求的控制信号简单，只需要加入PWM信号即可。IR2110设计保护电路机能较好，安全性较高，无控制信号时，机电处于刹车状况，可用于不少产业范畴。在本设计中（图3-2），IR2110的自举电容采纳了另一个差别大小的电容并联利用。在频率为20 kHz左右大小的工作状况下，就可选1.0F和0.1F电容并联。并联高频小电容可吸收高频毛刺干扰电压。电路中为了避免Q1、Q3导通时高电压串入端损坏芯片，在设计采纳快恢复二极管FR107，其中迅速的收复时间为500ns13 可有效地隔绝高压信号串入IR2110。由于VB高于VS电压的最大值为20 V，为了避免VB过电压，电路中增加了10V稳压二极管D9、D17控制VB端电压在10V左右防止VB过压。因为密勒效应的原由，在开通与关断时，集电极与栅极间电容上的充放电电流很容易在栅极上发生不稳定14。针对这类现象，本设计中在输出启动电路中的功率管栅极限流电阻R20、R21、R25、R26的上面反向并联了二极管D7、D8、D15、D16。为改进PWM把持脉冲的先后沿陡度并防备振荡，减小IGBT集电极的电压尖脉冲，正常应该在栅极串联十几欧到几百欧的限流电阻15。在差不多的状况下，IGBT开通的时间越短，开通消耗也越小。由于在开通过程中，因为有续流二极管D7、D8、D15、D16的反向恢复电流和吸收电容的放电电流，当IGBT的开通的时间越短，IGBT所承受的峰值电流也就越大，导致IGBT或续流二极管损耗。为了避免IGBT或二极管的损坏，就必须有目的地减少栅极驱动脉冲的上升速度，就可增大栅极串联电阻的阻值大小2，控制该电流的峰值大小。尽管栅极串联电阻小，有益于使关断速度变快和让关断的损耗变少，也有利于防止关断时集射极间电压的过小造成IGBT误开通16。如是栅极串联电阻变得过小，会让集电极电流下降的变得过大，产生较大的集电极电压峰值2。综合上述因素在设计栅极串联电阻R20、R21、R25、R26时选取1K电阻为栅极串联电阻。IGBT的迅速开通和关断抬高工作频率，减小开关消耗，但因为开关过程当中主回路电流的突变，其引线电感将发生很高的尖峰电压，该电压是IGBT过压损坏的主要原因。因为IGBT的栅-集极间存在的分布电容和栅-射极间存在的分布电容会发生过大的，故其开关改动过程当中易使忽然抬高而造成C-E间误导通，从而损坏IGBT17。为了防止形成的误触发，本设计在栅-射极间加旁路保护电阻10k的R23、R24、R27、R28，有效的避免IGBT的损坏。3.2.2 IR2110驱动电路中IGBT抗干扰设计关于任何CMOS器件，让这些二极管正向导通或反向击穿都能够引发寄生的可控晶闸管(SCR)锁定，锁定的最终结果难以预料，有可能暂时错误地工作到完全损坏器件。若是“理想的自举”电路中，让一个零阻抗电源供电，并且通过一个理想的二极管给供电。负过冲电压将引起自举电容过充电。图3-3 IR2110部分寄生二极管示意图IGBT（Insulated GateBipolar Transistor）是电压启动型器件，因为是容性输入阻抗，故要求驱动电路提供一条小阻抗通路，将栅极电压限制在一定安全数字内17。如是电路的负载为感性负载，则在功率管开关瞬间、电源短路和过电流关断时，将比较大，功率管就会发生过冲电压，因此使VS端电压低于COM端。实际上，该电压是不可能低于-4V，超出该极限电压就可能引起高端通道工作的不稳定。因此在设计PCB时，要采纳下列方式以减小VS负过冲电压：a、将功率管有序的放置，并在焊接功率器件时候应该尽量的让引脚最短，从而减少PCB布线长度和引脚间寄生电感的影响，引线应采纳绞线或同轴电缆屏蔽线；b、IR2110尽量靠近功率IGBT模块安排；c、在电源线与功率管之间应增加去耦电容，一般应选0.1F或1.0F的电容。图3-4IR2110与IGBT布局图3.2.2 IR2110功率驱动介绍 IR2110是IR公司出产的高压,高速的功率MOSFET18，它采纳了高度集成的电平转换技术，很大程度上简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，此时还提高启动电路的可靠性。这样在工程上大大削减了把持变压器体积和数目减少产品成本，提高系统的可靠性。该芯片是一种双通道、栅极启动高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，在芯片中采纳了高度集成的电平装换技能，大大简化了逻辑电路对功率器件的把持请求，同时提高了驱动电路的可靠性。尤其是上管采纳外部自举电容上电，使得启动电源数目较其他IC驱动大大降低。IGBT专用启动芯片，拥有单独的高、低端输出双通道。门电压需要在1020 V范畴，悬浮通道用于启动MOSFET的高压端电压可以到达500 V18。图3-5 IR2110内部结构图图3-5中引脚10（）及引脚12 （）双列直插式封装，分离驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的输入启动信号输入端，当输入脉冲构成部分的两路输出，范围为（-0.5V）（+0.5），图6中和分别为引脚13（）及引脚9（）的电压值。引脚11（SD）端是保护电路信号输入端。在该引脚为高电平的时候，在IR2110的输出被封锁，输出端HO（7脚）、LO（1脚）一直是低电平。但当该脚是低电平时，输出跟随输入变化。用来故障（过电压、过电流）保护电路。引脚6（）及引脚3（）分别是上下通道互锁输出级电源输入端。用作接输出级电源正极，并且经过一个较高品质的电容接引脚2。引脚3还经过一个高反压快速恢复二极管与引脚6相连。在驱动电路设计当中，IR2110的自举电路是可以有效的保护IGBT。IR2110自举电路的结果原理图如图3-6所示： 图3-6 IR2110自举电路原理图图3-6中及分别为自举电容和迅速的恢复二极管，为的滤波电容。当在关断的时候，已经充满电，即=。当开通，关断的时候，通过电阻与 的栅射极间电容放电是。在关断，开通的时候，栅电荷经和迅速释放。当通过死区时间的时候，开通通过、给充电时19。这就是IR2110的自举电路原理。若是自举电容选的太大,会让关断时电容两端仍没有到达要求的电压，但当电容选择较小时则会造成电容存储的能量不能够维持栅源电压在导通的时候为一定量。在采取自举电容最佳选择非电解电容，电容应尽大概的挨近芯片。一般情况下为确保自举电容将栅源电压延续一段时间,选电容为其最小值的15倍旁边19。综合考虑在设计驱动电路时采用1uf的电容为IR2110的自举电容。H桥启动电路是一个规范的直流电机把持电路，电路得名于“H桥驱动电路”原由是它的外形酷似字母H 。H型变换器在把持方法上分为双极式、单极式和受限式三种20。本设计一样采纳用双极式H型PWM变换器。如图3-7所示，四个电力晶体管IGBT和四个续流二级管FR307构成了H桥启动电路。基极驱动电压分为两组即、同时工作其驱动电压分别为和，和同时工作其驱动电压为。在一个开关周期内，时和为正，晶体管和饱和导通；而和为负值，和停止。这时，+加在电枢AB两端，电枢电流沿回路1流通；当时，和变为负值，和停止；和变成正值，但是和并不能马上疏通，是由于在电枢电感释放储能的能力下，沿回路2经二极管、续流，在和上的压降让、集电极和发射极承受反压，这时，在一个周期中正负相互间，这就是双极式PWM变换器的特性2。图3-7 IGBT H桥驱动电路是在一个周期内拥有正负相间的脉冲波形。但机电的正反转会体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。在正脉冲较宽的时候，当电枢两端的平均电压为正的时候，在电动运行时电机正转。当平均电压为负值，则电机反转。若是正负脉冲相等的时候电枢电压为零，机电停转。双极型可逆PWM变换器电枢平均电压为3要是定义占空比为和电压系数的定义与不可逆变换器中一样，那么在双极式控制的可逆变换器中=2- 1与不可逆变换器中的不同。调速时的可调范围为01，相应的= -11。当为正，电动机正转；当为负，电动机负转；当=0，电动机停止。双极式控制的电压平衡方程式3： （） （） 电枢两端在一个周期内的平均电压都是：。其平均值方程都可写成3： 则机械特性方程3：用转矩表示3： 式中，电机在额定磁通下的转矩系数，。 理想空载转速，与电压系数成正比，。3.3隔离电路方案论证设计3.3.1 TLP250光耦隔离 阻隔是整个设计的非常的关键环节，若是隔离没有做好，将导致强弱电互相串扰，强电串到弱电的控制单元时会造成整个控制单元烧毁。要是体系的主电路电压均为高电压、大电流，而控制单元是弱电压，弱电流，那么它们之间就必须采纳光电隔离的措施，用来提高系统抗干扰方式，综合考虑决定采纳带光电隔离的MOSFET启动芯片TLP25021。图3-8 TLP内部结构图光耦TLP250是一种可直接启动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司出产，其中最大驱动能力达到1.5A21。TLP250驱动主要具有以下特征：输入阈值电流IF=5mA(max)；电源电流ICC=11mA(max)；电源电压(VCC)=1035V；输出电流IO=0.5A(min)；开关时间tpLH/tpHL=0.5s(max)。采纳TLP250光耦既包管了功率启动电路与PWM脉宽调制电路的稳定隔离，又具有了直接驱动MOSFET的能力，驱动电路简易。凭着TPL250的数据手册要求在2、3脚的电压输入必须为1.6v，5、8脚之间必修接104旁路电容使输出均匀化，降低负载需求。具体电路设计如图3-9：图3-9 TLP250光耦隔离电路3.3.2 PC817数据采集隔离在进行电流电压收集和过压保护时必须进行隔离，避免强电流干扰控制模块。由于AD采集必须是模拟信号而不是数字信号，因此在光耦选择时本设计采纳了线性光耦PC81722。图3-10 PC817内部结构图在输入端加电信号的时候，半导体二极管发出光线，照在半导体光敏晶体管上，光敏晶体管接到光线之后会导通，因而产生光电流从输出端输出，接着实现了“电-光-电”的转变。普通光电耦合器只有传输数字信号，不合适传输模拟信号。但是PC817是一种新的光电隔离器件，能传输连续变化的模拟电压或者电流信号，跟随着输入信号的强弱变换会让产生互相对应的光信号，所以使光敏晶体管的导通程度会产生不同的变化情况，输出的电压或电流也与之发生不同变化。PC817光电耦合器在电路中不仅能起到反馈作用还能起到强弱电隔离作用。图3-11 PC817集电极发射极电压V 与发光二极管正向电流If关系图3.4数据采集、过压反馈保护3.4.1数据采集、过压反馈方案设计为了实现系统的的过压保护，本设计采用三端稳压TL431和PC817线性光耦构成的过压保护装置。起先，在主电路的中IGBT的、与、之中的电压收集，接着经过TL431限压，然后经过线性光耦PC817把电压反馈到AD0832完成电压收集，收集结束后把收集到的数据给MC51处理。它工作原理：在输出电压发生波动的时候，通过分压电阻R35得到的取样电压就能和TL431中的基准电压进行上下比较，在阴极上形成误差电压，会让光耦电流发生变化，在这时候经过PC817隔离后再AD0832模数转换后给MC51处理，在主电路的电压过大的时候，MC51就会停止PWM输出或变换PWM占空比因此达到过压保护。具体设计电路图如图3-12：图3-12 数据采集、闭环反馈电路设计图3.4.2 TL431介绍 TL431的电路图形符号和基本接线如图3-13所示： 图3-13 TL431基本符号图TL431相当于一只可调式齐纳稳压管，输出电压经外部精密分压电阻来设定。其中稳压原理为：在UO上升的时候，取样电压也会随之升高，让 ，比较器输出高电平，让VT导通，UO开始下降。相反的，UO下降会导致下降，因此Cycle) Pro_Count=1; if (Pro_Count=Pro_High) 输出高电平 Pwm_Out=0; else Pwm_Out=1; TH0=Th0; 重载定时器初始值 TL0=Tl0; TR0=1;4.3.2占空比调节函数void Pwm_Set(uchar x)switch(x) case 0:break; case 1: if(Pro_High=900) Pro_High=Pro_High+100; 占空比加100 break; case 2: if(Pro_High=990) Pro_High=Pro_High+10; 占空比加10 break; case 3:if(Pro_High=100) Pro_High=Pro_High-100; 占空比减100 break; case 5:if(Pro_High=10) Pro_High=Pro_High-10; 占空比减10 break; case 6:if(Pro_High0) Pro_High-; 占空比减1 break; 第五章 调试结果描述 调试过程,接5V直流电机，在不同占空比负载电压、IGBT栅极和集电极电压输出情况和电机的转动方向如下表5-1：表5-1 5V直流电机的测试情况占空比0%10%30%40%50%60%70%80%100%8.78V6.96V6.45V5.55V3.96V2.53V1.63V0.79V0V0.15V1.77V1.67V3.12V4.42V5.89V7.78V9.27V11.5V0.17V1.71V2.09V3.32V4.23V5.03V7.47V8.19V9.28V11.20V7.47V6.96V5.87V4.23V2.83V1.5V0.82V0V-3.68V-2.63V-1.16-0.68V0.18V0.73V1.21V2.21V3.88V电机转动情况反转反转反转反转停转正转正转正转正转从上表可知：当占空比为50%电机停转，随着占空比的增加或减少电机转速也越来越快。通过改变占空比即可实现对直流电机的调速。第六章 结论由于现代电机控制的快速发展，在一方面要求提高性能、降低消耗、减少成本，在另一方面又有不断的有技术指标和其苛刻特殊应用系统要求。跟随着微电子技术、电力电子技巧和计算机技能，集成电路制作工艺的快速发展，而且还有控制理论地完善、仿真工具的日愈成熟，就给机电控制行业带来了很多机遇和发展契机。利用高性能的微电技术机解决电机控制器不断增加的计算量和速度请求，让其功能不断的强大、维修愈来的方便、适用范围变广又非常的经济。本此设计在指导老师和班级里同学的帮助下，本人经过数周毕业设计大体上完成了MC51控制单位、光耦隔离、IR2110启动电路、IGBT H桥电路、A/D数据收集单元的电路方案设计、参数的计算、制版、软件的编写、整体调试，整个系统的设计最后虽然没有完成实物和软件调试，但也基本上达到了毕业设计要求，不过离真正的工程推广和工业生产应用还有很多的工作要完成。我会在之后的路上更加的努力好好学习这方面的知识来充实自己。致 谢经过几周对毕业设计课题的学习研究、设计调试和论文撰写，本次毕业设计已经圆满结束。作为一个电子科学与技术专业的学生，我的毕业设计偏重自动控制方向的设计，由于强电和电机工作原理等方面知识、经验较为匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，幸好有导师的督促指导，以及一起学习的同学们的给予我无私的帮助，使我的毕业设计能够些许的成果呈现给大家，这几周的毕业设计我感触很多。首先，我要感谢的是毕业设计的指导老师刘冬梅老师，她给于我毕业设计选题的最大自由性和毕业设计的最大信任性。虽然她本身不是自动化专业的老师，但是她还是尽最大的努力给予我毕业设计上各个方面的指导。使我从她身上学到了认真、负责，这是我这几周毕业设计所收获的最大知识和工作的态度。其次，我一起合作过四年的自动化专业的同学，在我这几周的毕业设计期间遇到过很多我没有学过的知识，如电机工作原理、强电知识等等，他们都给予我无私的帮助，有时候甚至花一整天的时间和我一起解决遇到的问题，他们的帮助是我毕业设计能够顺利完成的关键。我在软件设计方面遇到的很多问题都是在他们的帮助下完成的，因为他们白天要上班时间比较紧张，不过他们还是经常利用晚上的时间加