直流电机驱动控制装置(H桥驱动)的设计与制作论文.doc

四川理工学院毕业设计（论文）直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作学 生：兰明亮学 号：0801103A170专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机电2008.4指导教师：何庆中四川理工学院机械工程学院二O一二年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书（六）设计（论文）题目： 直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作 系：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 机自（机电方向）08级04班 学 生： 兰 明 亮 学 号： 0801103A170 指导教师： 何 庆 中 接受任务时间 2012.02.28 完成任务时间 2012.06.01 教研室主任 （签名）系主任 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求在指定用直流电机的基础上，进行直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作。（1）直流电机驱动控制装置电器原理图设计（含实验调试用控制信号发生器设计）。（2）直流电机驱动控制装置电器原理图制作（含实验调试用控制信号发生器设计）。（3）用PLC可编程控制器编程实现对直流电机的驱动运转控制。（4）演示调试直流电机运转和调速工作特性。预计工作量：完成直流电机驱动控制装置电器控制设计原理图1张A2；制作直流电机驱动控制装置1套；编写毕业设计说明书。原始数据：指定直流电机的性能参数；毕业设计专用指导文献；提供相关专用硬件芯片清单；提供制作试验调试仪器等。2指定查阅的主要参考文献及说明（1）机器人创意与制作机器人设计与控制（2）电子电工技术。（3）模拟电路与数字电路。（4）PLC可编程控制器。3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1收集、准备参考资料，查阅文献，最后完成开题报告2012.02.282012.03.162完成所有设计的总体结构设计和计算任务2012.03.172012.04.253完成所有毕业设计的图纸和相关毕业论文的撰写。2012.04.262012.05.204完成所有设计说明书的撰写2012.05.212012.06.015毕业设计（论文）的修改、答辩的准备工作及毕业答辩2012.06.012012.06.24注：本表在学生接受任务时下达四川理工学院毕业设计（论文）开题报告设计（论文）名称直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作设计（论文）类型B指导教师何庆中学生姓名兰明亮学号0801103A170院、专业、班级机械工程学院机械设计制造及其自动化 机电08级04班一、选题依据（简述研究现状或生产需求情况，说明该设计（论文）目的意义）直流电机因具有优良的调速性能，在很多需要调速的场合如：数控机床、实验设备、机器人、电动汽车等领域有大量应用。特别是现代能源匮乏，电动汽车以直流电机作为汽车动力，这就对直流电机的调速和驱动装置提出了要求。 需要直流电机具有良好的启动、制动、反转、加速、减速等性能，而这些性能必须依靠驱动控制装置实现，因此对直流电机调速系统来讲，驱动控制装置有着重要地位。鉴于以上原因，本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作具有一定实用价值，对国家提出的节能减排也具有积极意义。二、设计（论文研究）思路及工作方法1、对直流电机调速系统进行研究2、指定直流电机性能参数3、根据电机参数和工作特性设计制作H桥驱动放大电路4、设计或选用电机控制所需PWM信号发生器5、编制PLC程序实现对电机启动、制动、反转、加速、减速的控制6、调试检测直流电机运转和调速特性7、完成设计说明书和其他事项三、设计（论文研究）任务完成的阶段内容及时间安排1、收集、准备参考资料，查阅文献，最后完成开题报告 2012.02.282012.03.162、完成所有设计的总体结构设计和计算任务 2012.03.172012.04.253、完成所有毕业设计的图纸和相关毕业论文的撰写 2012.04.262012.05.204、完成所有设计说明书的撰写 2012.05.212012.06.015、毕业设计（论文）的修改、答辩的准备工作及毕业答辩 2012.06.012012.06.24指导教师意见指导教师签字： 年 月 日教研室毕业设计（论文）工作组审核意见难度分量综合训练程度教研室主任： 年 月 日设计（论文）类型：A理论研究；B应用研究；C软件设计；D-其它等。四川理工学院毕业设计（论文）摘 要直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。本文介绍了直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，系统采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，信号与H桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运转控制由PLC可编程逻辑控制器实现。关键词：直流电动机；H桥驱动；PWM；PLC可编程逻辑控制器IIIABSTRACTABSTRACTDC Motor Speed Control has excellent characteristics, speed smooth and easy, and speed a wide range of Shock, able to withstand the impact of frequent load can be achieved without frequent fast-starting, braking and reverse; meet the production process automation systems various special operating requirements.This project describes the design and production of the DC motor drive control device ( H- bridge driver ), The device using discrete components to build the H-bridge driver circuits, The PWM speed control signal provided by the microcontroller, Using optical coupler isolation between the signal and the H-bridge driver circuits, The motor driven operation was controlled by PLC.Keywords: DC Motor; H- bridge driver; PWM; Programmable Logic Controller四川理工学院毕业设计（论文）目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1概 述11.2国内外发展现状11.3本设计目的和思路2第二章 直流电机驱动控制概述42.1直流电机的工作原理42.2直流电机的调速特性52.3直流电机的几种调速方法52.4直流电机调速PWM信号形成原理82.5直流电机H桥驱动原理11第三章 驱动控制方案论证和选择143.1稳压电源的选择143.2直流电机驱动模块的选择143.3 PWM调速实现方式153.4 PLC实现电机控制16第四章 直流电机驱动控制系统总体硬件电路设计174.1稳压电源电路设计174.2 H桥驱动电路设计194.3 PLC可编程控制器电路设计214.4 PWM信号发生器设计25第五章 直流电机驱动控制系统软件设计265.1 PLC梯形图程序设计265.2 PWM 信号发生器软件设计28第六章 直流电机驱动控制装置制作与演示296.1稳压电源的设计制作296.2 H桥驱动电路设计制作306.3可编程控制器安装接线316.4直流电机驱动控制装置演示34第七章 结 论36参考文献37致 谢38附录1直流电机H桥驱动硬件原理总图39附录2 PWM发生器程序清单40附录3 PLC可编程控制器梯形图程序45附录4元器件清单46附录5直流电机驱动控制装置PLC控制操作使用说明书49四川理工学院毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1概 述19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的70，成为用电量最多的电气设备。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。简单控制对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对电动机的简单控制应用较多，但是，随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机的复杂控制变成主流，其应用领域极其广泛。电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步，使电动机控制技术在近二十多年内发生了翻天覆地的变化。其中电动机控制部分已由模拟控制让位给以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并向全数字控制系统的方向快速发展。电动机驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFE和TIGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的应用也使新型的电动机控制方法能够得以实现。脉宽调制控制方法（PWM和SPWM），变频技术在直流调速和交流调速中获得了广泛的应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机，开关磁阻电动机、超声波电动机、专为变频调速设计的交流电动机等。直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电动机因结构复杂、维护困难、价格较贵等去诶按制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍再有一席之地。1.2国内外发展现状电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近30年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替，明显地扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称PWM)调速系统产生于70年代中期。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等 。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。在国外，PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。1.3本设计目的和思路直流电机因具有优良的调速性能，在很多需要调速的场合如：数控机床、实验设备、机器人、电动汽车等领域有大量应用。特别是现代能源匮乏，电动汽车以直流电机作为汽车动力，这就对直流电机的调速和驱动装置提出了要求。需要直流电机具有良好的启动、制动、反转、加速、减速等性能，而这些性能必须依靠驱动控制装置实现，因此对直流电机调速系统来讲，驱动控制装置有着重要地位。鉴于以上原因，本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作具有一定实用价值，对国家提出的节能减排也具有积极意义。本文对直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，信号与H桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运转控制由PLC编程实现。49四川理工学院毕业设计（论文）第二章 直流电机驱动控制概述直流电机调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。2.1直流电机的工作原理根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度，其中流过的电流为，导体所在处的磁通密度为B，那末导体受到的电磁力的值为式（2-1） (2-1)如图2-1中N、S极下各根导体所受电磁力的方向，如图中箭头所示。电磁力对转轴形成顺时针方向的转矩，驱动转子而使其旋转。由于每个磁极下元件中电流方向不变，故此转矩方向恒定，称为直流电动机的电磁转矩。如果直流电动机轴上带有负载，它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能够转化成机械能的电气装置。直流电动机是可逆的，他根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。当外力作用使其旋转，驶入机械能时，电机处于发电机状态，输出电能；当在电刷两端施加电压输入电能时，电机处于电动机状态，带动负载旋转输出机械能。图2-1 直流电动机工作原理图2.2直流电机的调速特性根据直流电机的结构分析可得到等效的模型，包括电枢绕组及其等效的电阻等。直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表示： (2-2)(2-2)式中：UN是电枢电压，IN是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电势常数，是励磁磁通。 (2-3)(2-3)式中：p-磁极对数，N是导体数，a是电枢支路数。 (2-4)(2-4)式中：当电机型号确定后，Ce为常数，故式式(2-1)改为 (2-5)在中小功率直流电机中，电枢回路电阻非常小，式(2-5)中INRa项可省略不计，由此可见，当改变电枢电压时，转速n随之改变，达到直流电机的调速的目的。改变直流电机电枢电压，可通过PWM控制的降压斩波器进行斩波调压。2.3直流电机的几种调速方法根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。（3）改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器（简称V-M系统）。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器（脉宽调制变换器）。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。2.3.1 静止可控整流器（简称V-M系统）V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。图2-2 晶闸管电动机调速系统原理框图（V-M系统）直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。图2-3为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中VT代表开关器件。当开关VT接通时，电源电压U。加到电动机上；当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。如此反复，得电枢端电压波形如图2-3（b）所示。图2-3 直流斩波器原理电路及输出电压波型（a）原理图 （b）电压波型采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。2.3.2 PWM调速系统的优点与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。2.4直流电机调速PWM信号形成原理PWM信号是由脉宽调制器（一个电压脉冲变换装置）生成的，常用的脉宽调制器有以下几种：用锯齿波或三角波作调制信号的脉宽调制器；用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器；数字式脉宽调制器。这里简要介绍一下用三角波作调制信号的脉宽调制器生成PWM波的方法。脉宽调制器由恒频率波形发生器和脉冲宽度调制电路组成。恒频率波形发生器的作用就是产生频率恒定的振荡源作为比较的基准，如三角波。脉冲宽度调制电路，实际上就是电压/脉宽转换电路(简称V/W电路)，是PWM信号的形成电路。调制产生PWM信号的工作原理如图2-4(a)所示。图2-4 调制产生PWM信号的工作原理图2-4(a)是电压比较器，输入信号为图2-4(b)中的。在电压比较器的两个输入端输入控制信号和三角波信号，则比较器的输出将按以下规律变化：时，输出正的电压；时，输出负的电压。由此即可产生PWM脉冲信号。2.4.1 直流电机电枢的PWM调压调速原理直流电机转速n的表达式为式（2-6）： (2-6)式中：U电枢端电压；I电枢电流；R电枢电路总电阻；每极磁通量；K电动机结构参数。本设计采用电枢控制方法。对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用可分为两种方式：线形放大驱动方式和开关驱动方式。实际生活中，绝大多数直流电动机采用开关驱动方式/开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。2.4.2 脉宽调制占空比调节脉宽调制即PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列的脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需波形。图2-5是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图和输入输出电压波形。在图2-5(a)中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压。秒后，栅极变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应者输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-5(b)所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值为式（2-7）： （2-7）式中：占空比，。图2-5 PWM调速控制原理和电压波形图占空比表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为。可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变的值就可以改变电枢两端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速时，占空比是一个重要的参数，以下三种方法都可以改变占空比的值。（1）定宽调频法。这种方法是保持不变，只改变，这样使周期T(或频率)也随之改变。（2）调宽调频法。这种方法是保持不变，而改变，这样使周期T(或频率)也随之改变。（3）定频调宽法。这种方法是使周期T(或频率)保持不变，而同时改变和。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法很少用。目前，在直流电动机控制中，主要使用定频调宽法。2.4.3 PWM控制信号产生的方法（1）分立电子元件组成的PWM信号电路。它是最早期的方法，现在已被淘汰了。（2）软件模拟法。利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其它工作，因此也逐渐被淘汰。（3）专用PWM集成电路。从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多中。这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机中，使用专用的 PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工作可靠。（4）单片机的PWM。新一代单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比是CPU才进行干预。根据直流电动机的转矩（电流）与转速的关系，可以做一个图来表示电动机运行状态，如图2-6所示。从图中可以看出，第一象限是电动机正转运行状态；第三象限是电动机反转运行状态；第二和第四象限分别是电动机反转和正转时再生制动运行状态。电动机能在几个象限内工作与控制方式和电路结构有关。如果电动机在4个象限上都能运行，说明电动机的控制功能比较强。图2-6 电动机4个运行象限2.5直流电机H桥驱动原理常用的直流电机驱动方式是H桥驱动方式，在直流电机功率较小时也用三极管或场效应管放大作放大器驱动。但目前应用最成熟和广泛的还是由三极管，场效应管，晶闸管等这些器件组成的H桥，成本低，效果好，能提供较大的驱动电压和电流，还可以控制电机转向。采用PWM进行直流电机调速，其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用端，因此有必要对电机驱动电路进行介绍。图2-7 H桥式电机驱动电路图2-7所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（上图及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图）。电路中，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图2-8 H桥式驱动电机顺时针转动如图2-8所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图2-9 H桥式驱动电机逆时针转动驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。在高位的晶体管必须是PNP型三极管或者P沟道场效应管；低位的晶体管必须是NPN型三极管或者N沟道型场效应管。因为高位晶体管可以是PNP管或者P沟道场效应管，条件是驱动电压必须高于它们的集电极电压（0.6V）或者漏极电压（Vp，即开启电压），否则上臂开关管会因为存在压降而降低效率。同样，下位晶体管也可以用NPN管或者N沟道管，条件是驱动电压必须低于地电位。四川理工学院毕业设计（论文）第三章 驱动控制方案论证和选择本次设计选用直流电机主要技术参数：额定功率Pn：2W额定电压Ue：9V额定电流Ie：0.16A额定转速n：4800r/min3.1稳压电源的选择根据设计要求，通过比较论证来确定具体方案。方案一：采用模拟的分立元件，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出+5V、+12V电压。如图3-1所示。 但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响很大，因此所设计的指标不高，而且使用的器件较多，连接复杂，体积较大，供耗也大，给焊接带来了麻烦，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度也受到影响。变压器整流电路滤波电路稳压电路输入22012345+12VV+5V变压器整流电路滤波电路稳压电路输入22012345+12VV+5V图3-1 直流稳压电源基本组成框图方案二：采用三端集成稳压电源7805、7812，电路简单，输出电压固定。输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。因此本设计采用简单稳定的方案二。3.2直流电机驱动模块的选择方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电动机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由三极管组成的H桥型PWM驱动电路。用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。3.3 PWM调速实现方式（1）PWM调速工作方式方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。（2）PWM调脉宽方式调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。（3）PWM软件实现方式方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。故采用方案一。3.4 PLC实现电机控制可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置，是电机实现自动化、智能化控制的核心控制元件。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，采用模块式组合设计，具有控制功能强，可靠性高、使用灵活方便，易于扩展而且PLC系统开发简单、编程容易、抗干扰能力强、适合在工业环境下工作，故而只要合理设计，降低成本，它将会受到现场技术人员的欢迎。在很多控制系统等重要设备上得到了广泛应用。在本设计直流电机驱动控制系统设计中，采用PLC作为系统的主控器件。之所以选择用PLC来实现系统的控制思想，是因为PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点。除上述优点外，PLC具有超强的稳定性和长时间连续工作的能力，因而，PLC是为工业生产过程控制化专业设计的控制装置，具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低。四川理工学院毕业设计（论文）第四章 直流电机驱动控制系统总体硬件电路设计系统的总体结构如图4-1所示。包括系统的基本组成电路和各部分之间的主要关系，箭头表示信息的流向。从系统框图可知，本系统基本由四部分组成，分别是PLC可编程控制器部分、PWM信号发生器部分、H桥电机驱动电路部分、光电隔离电路部分，下面分别加以说明。可编程控制器光电隔离保护电路路PWM信号发生器直流电机H桥驱动电路稳压电源电路控制按钮图4-1 驱动控制系统总体结构框图4.1稳压电源电路设计稳压电源电路设计过程，首先根据控制要求进行参数计算、然后进行元器件选择最后进行原理图绘制。4.1.1 稳压电源电路参数（1）整流电路参数输出电压平均值：Uo(AV)=2输出电流平均值：Io(AV)=平均整流电流：ID(AV)=最大反向电压：URM=整流二极管的选择（考虑电网）：（2）滤波电路参数滤波电容选择：RLC=(35)一般选几十至几千微法的电解电容，耐压4.1.2 元器件选择（1）要使7812正常工作，必须保证输入与输出之间维持大于2V的压降，因此7812输入端直流电压必须保证14V以上。7812输入端的电流是对变压器副边输出电压U（t）整流、滤波后得到的。假设整流电路内阻为0，负载电流为0，7812输入端有最大电压U=1.414Uef，Uef是U（t）有效值。由于滤波电容不可能无限大，所以U1.414Uef，根据经验可知U=1.2Uef，可知Uef=14.4V，考虑到整流桥经过两个二极管约有1.4V的压降，得变压器可取15V。（3）变压器选择：变压器选择220V/15V变压，考虑到电流不需要太大，最大电流为2A，实际选择变压器输出功率为10W，可以很好的满足要求。（4）整流桥：考虑到电路中会出现冲击电流，整流桥的额定电流是工作电流的23倍。选取IN4007搭接整流桥符合设计要求。（5）滤波电容：考虑到对纹波电压要求比较高，故选择1000F耐压值的电解电容去除低频干扰稳定电压。（6）去耦电容：去耦电容的选择是7812及7805芯片要求的，查手册可知分别为0.33F 、0.1F，用来滤除高频分量防止产生自激。至此，所有元件的参数都已经确定。4.1.3 绘制稳压电路原理图原理图绘制采用EDA设计软件Protel99SE，该软件采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作。图4-2 12V、5V稳压电路原理图4.2 H桥驱动电路设计4.2.1 H桥驱动芯片的选择常用的直流电机H桥驱动方案有：三极管H桥、MOS管H桥、集成电路H桥等，具体选择哪一种方案还要看实际需要。下面就分析一下几种电路的性能差异。三极管H桥：驱动效率高，驱动电路消耗能量少，桥臂导通压降小，电路简单便宜。MOS管H桥：MOS管效率高但比较脆弱，使用时候需要非常注意，例如导通切换的时候要仔细研究时序，否则容易造成桥直通，烧毁MOS管；大功率的MOS管门极需要比较高的驱动电压，否则不能正常导通。集成电路H桥：芯片简单便宜，而且很容易买到，如常用的L298N，一个芯片里面就集成了2路的H桥电路，还带PWM控制和电流采集。但是它也有严重的缺点，如手册要求电机驱动电压要比控制逻辑电压高2.5V而且芯片在H桥电路上的损耗大效率低。综合考虑本次设计采用三极管H桥电路，四个晶体三极管B772、D882以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管4148在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。4.2.2光电隔离电路由于PWM控制信号发生器信号电压为5V，H桥驱动电压为12V，为了使二者电压得到匹配，在PWM控制信号发生器与H桥驱动电路之间采用光电耦合器，即实现了电压匹配又将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来，有效得防止了干扰和保护了电路。其中光电隔离电路采用光电耦合器TLP521-1，其引脚定义如图4-3所示。图4-3 TLP521-1光电耦合器引脚定义4.2.3绘制H桥驱动电路原理图H桥驱动电路原理图如图4-4所示。图中两个光电耦合器TLP521-1第1引脚接R6、R7限流电阻保护光耦发光二极管端不被烧坏，2脚接PWM信号发生器P2.0、P2.7，3脚接下拉电阻R11、R12，4脚接上拉电阻R8、R9提供光耦三极管端导通电压。R10、R14为初级放大三极管8050提供基极电流，R13、R15为8050提供导通电压的同时为H桥B772、D882提供基极电流。图4-4 H桥驱动电路原理图4.3 PLC可编程控制器电路设计目前，PLC的类型很多，功能和指令系统也都各不相同，但是都以微处理器为核心用作工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理多大致相同，硬件结构和微机相似。可编程序控制器的特点：通用性强、功能强、可靠性高、体积小、耗电少、价格便宜、编程和接线可同步进行、扩展灵活、维修方便。PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与微型计算机基本相同，由中央处理单元、存储器、输入输出接口电路和其他一些电路组成。按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式。4.3.1 PLC中央处理器CPUCPU一般是控制电路、运算器和寄存器组成。它是整个PLC的核心部分，起着总指挥的作用，是PLC的运算和控制中心。PLC的基本结构图如图4-5所示。它主要完成以下功能：（1）诊断电源、PLC内部电路的故障及编制过程中程序的错误。（2）采集现场的状态或数据，并送入PLC的存储器中存储起来。（3）按存放的先后顺序逐条读取用户指令，进行编译解释后，按指令规定的任务成各种运算和操作，将处理结果送至输出端。（4）相应各种外围设备的工作要求。图4-5 PLC的基本结构图4.3.2 PLC的存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC制造商用相应CPU的指令系统编写的，并固化到ROM中。用户程序存储器用来存放由编程器输入的用户程序。用户程序是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序，可通过编程序修改或增删。系统存储器：存放系统管理程序，用只读存储器（ROM）实现。用户存储器：存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中。4.3.3 PLC的I/O接口模块I/O接口是PLC与外围设备传递信息的窗口。如图4-6所示，PLC通过输入接口电路将各种主令电器、检测元件输出的开关量或模拟量通过滤波、光电隔离以及电平转换等处理转换成CPU能接收和处理的信号。输出接口电路是将CPU送出的弱电控制信号通过光电隔离、功率放大等处理转换成现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备。PLC对I/O接口的要求主要有两点:一是要有较强的抗干扰能力，二是能够满足现场各种信号的匹配要求。图4-6 PLC的I/O接口模块图4.3.4 PLC的电源与编程工具PLC电源指将外部的交流电经过整流、滤波及稳压转换成满足PLC中CPU、存储器、输入与输出接口等内部电路工作所需要的直流电源或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，它不仅可以提供多路独立的电压供电路内部使用，而且还可以为输入设备提供标准电源。编程工具是PLC最重要的外围设备，它实现了人与PLC的联系对话。用户利用编程工具不但可以输入、检查、修改和调试用户程序，还可以监视PLC的工作状态、修改内部系统寄存器的设置参数以及显示错误代码等。编程工具有两种，我们经常使用的是带有PLC专用工具软件的计算机，它通过RS-232C通信口与PLC连接。4.3.5 PLC设计步骤（1）根据控制系统的要求，首先应确定系统用PLC单机控制，还是用PLC形成网络。（2）根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或晶闸管输出。不同的负载应选用不同的输出方式，这对系统的稳定运行是很重要的。（3）确定PLC输入、输出的点数。并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量（10%）。（4）根据确定的PLC输入、输出点数及系统控制要求，选择可编程控制器的型号。（5）根据确定PLC机型的输入、输出点数，制定出PLC I/O分配表。（6）根据PLC I/O分配表，绘制出PLC外部输入、输出接线图。（7）根据PLC I/O分配表及系