PWM控制的调速方法

1 设设计计报报告告书书 4 1 3 采用 采用 PWM 控制的控制的调调速方法速方法 图 1 为 PWM 降压斩波器的原理电路及输出电压波形 在图 1a 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 2 图 1 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 3 11 12 addd TT UUUU TTT 式 3 中 4 11 12 TT TTT 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 2 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 T 保持一定 使 T 在 0 T 范围内变化 不管哪种方法 的变化范围均为 0 l 因而电枢电压平均值 Ua 的调 节范围为 0 Ud 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 1 2a 所 示的桥式 或称 H 型 降压斩波电路 在图 2a 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 3 图 2 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 电动机电枢端电压的平均值为 4 121 12 21 21 addd TTT UUUU TTT 由于 0 1 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 图 3 给出了两种 PWM 斩波电路的电枢电压平均值的特性曲线 a Uf 图 3 两种斩波器的输出电压特性 4 2 元器件的 元器件的选择选择比比较较 4 2 1 基于 基于 IGBT 和和 MOSFET 功率管的功率管的驱动电驱动电路路设计设计的比的比较较 IGBT 驱动电路能驱动大型的功率设备 但价格高 MOSFET 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 4 电路设计 但电动机功率仅为 100W 所以本课程设计采用 MOSFET 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 2 输入阻抗高 可达 108 以上 3 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 4 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 5 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 4 2 2 89S52 单单片机片机 52 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 89S52 单片机 4 2 2 光耦隔离开关光耦隔离开关 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 光 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 4 2 3 7805 稳压稳压管管 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 4 2 4 IRF740 MOSFET 功率管 1 管脚 G 接输入信号 2 管脚 s 接地 3 管脚 D 接电压源 图 4 IRF740 示意图 图 5 IRF740 主要参数 4 2 5 直流直流电电机参数机参数 额定转速 1600r min 额定电压 220V 设计题设计题目 目 PWM 控制的直流控制的直流电动电动机机调调速系速系统设计统设计 5 1 前言 前言 近年来 随着科技的进步 电力电子技术得到了迅速的发展 直流电机得到 了越来越广泛的应用 直流它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 需 要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求 从而对直流电机的调 速提出了较高的要求 改变电枢回路电阻调速 改变电枢电压调速等技术已远远 不能满足要求 这时通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法应运而生 采用传统的调速系统主要有以下缺陷 模拟电路容易随时间漂移 会产生一 些不必要的热损耗 以及对噪声敏感等 而在用了 PWM 技术后 避免了以上的 缺陷 实现了用数字方式来控制模拟信号 可以大幅度降低成本和功耗 另外 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获得平稳的 直流电流 低速特性好 同样 由于开关频率高 快速响应特性好 动态抗干扰能力强 可 以获得很宽的频带 开关器件只工作在开关状态 主电路损耗小 装置效率高 PWM 具有很强的抗噪性 且有节约空间 比较经济等特点 2 设计设计要求及要求及组组内分工内分工 2 1 设计设计要求要求 1 根据电机与拖动实验室提供的直流电动机 设计基于 PWM 的电动机调 速方案 2 选用合适的功率器件 设计电动机的驱动电路 3 设计 PWM 波形发生电路 使能通过按键对电机转速进行调节 要求至少 有两个速度控制按键 其中一个为加速键 每按一次 使电机转速增加 另一个为减速键 功能与加速键相反 4 撰写课程设计报告 2 2 组组内分工内分工 1 负责直流电动机调速控制硬件设计及电路焊接 主要由胡佳春和叶秋平 完成 2 负责调速控制软件编写及调试 主要由朱健和叶秋平完成 3 撰写报告 主要由胡佳春和朱健完成 3 系 系统设计统设计原理原理 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 PWM 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 6 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 1 aaa e UIR n C 式中 Ua 电枢供电电压 V Ia 电枢电流 A 励磁磁通 Wb Ra 电枢回路总电阻 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 Ua Ra 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 4 方案 方案选择选择及及论证论证 4 1 方案 方案选择选择 4 1 1 改 改变电变电枢回路枢回路电电阻阻调调速速 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 I R Rw Ke 2 式中 Rw 为电枢回路中的外接电阻 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 4 1 2 改 改变变励磁励磁电电流流调调速速 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 Ia 的乘 积 即 Te CT Ia 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 7 5 系 系统电统电路路总设计总设计 图 6 总体电路原理图 本次课程设计采用定频调宽法 T1 T2 保持一定 使 T1 在 0 T 范围内变化 来改变 a 的值从而达到调压的目的 以 89S51 单片机系统和 7805 稳压电源系统 以及光电耦合 MOSFET 部分组成 由键盘 K1 和 K2 发出指令 单片机处理后经 P26 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 IRF740MOSFET 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 IRF740MOSFET 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 5 1 单单片机最小系片机最小系统统部分部分 图 7 最小单片机系统 8 本次设计中主要应用了 89S51 单片机 由最小单片机系统组成 并将单片机 的 P26 口作为输出口 输出占空比不同的矩形波 供给后续驱动电路部分 在单 片机的外围扩展了两个按键 K1 作为加速按键 K2 作为减速按键 进行调速控 制 5 2 驱动电驱动电路部分路部分 图 8 驱动电路 驱动部分主要由用的光电耦合器和 MOSFET 组成 由单片机的 P26 口提供 的信号 P26 当为高电平时 发光管导通 光电耦合器输出低电平 MOSFET 关 闭 回路关闭 当 P26 口为低电平时 发光管关闭 光电耦合器输出为高电平 MOSFET 打开 回路导通 5 3 电电源部分源部分 图 9 电源电路 电源部分采用的是三端稳压器 7805 输入由 AC DC 变压器提供 9V 直流电 经 7805 稳压 由电容滤波 输出 5V 电压 为单片机提供工作电源 实验数据记录 答辩时得知数据有偏差 但确实为实验实测数据 附录有图 转速和电压的关系 序号 1234 转速 VPM 11931073906717 电压 V 169152 3129 1102 4 9 6 硬件 硬件调试过调试过程程 由于我在实习的缘故 调试过程主要由叶秋平完成 调试的过程中得到了杨成 安同学的大力帮助 调试工程中出现了一个问题 电机转速快 不能调速 经过大 家商量 大致的调试步骤如下 用示波器用示波器检测检查电检测检查电路路 1 使用按键 示波器检测 MOSFET 功率管 1 脚 发现其占空比能改变 2 检测 P2 6 光耦隔离开关发射端 A 脚 接受端 C 脚 波形正常 然后检测 MOSFET 功率管 1 脚的波形 发现其低电平为 1v 左右 高电平为 13v 左右 3 最后猜想可能是 1V 的电平也可能使 MOSFET 功率管导通 于是减小 MOSFET 功率管 3 脚的电压 把其改为 5V 用示波器测量 1 脚电压 显示方波 的低电平为 0 2v 左右 高电平 5v 左右 最后按下按键能控制电机转速 原因分析原因分析 MOSFET 功率管 3 脚的输入电压过高时 在前面电路的影响下其低电 平电压会偏高 从而导通 IRF740MOSFET 功率管 解决方法解决方法 降低 MOSFET 功率管 3 脚的输入电压 可降至 5V 7 设计总结设计总结体会体会 这一次的课程设计让我学到了不少的东西 由于有前几次的经验 这次课程 设计应该来说还是比较顺利的 由于我和胡佳春在实习 平时比较忙 许多准备 工作都是 在做 自己对课程设计所花时间不多 以至于给后面的答辩和论 文写作方面带来了很多的麻烦 从原理图的设计 电路板的焊接到写课程设计论文 在这个过程中我们也 遇到了很多的困难 如成员间分工不明确 程序大家都不熟悉等 这次课程设计 给我最大的体会就是有很多东西如果不是自己亲自动手 只在书本上是学不到 的 设计初期要考虑周到 否则后期会带来很多不必要的麻烦 虽然可能会多花 一些时间 但这比空想要有效的多 做事情一定要细心 更要耐心 遇到问题要 慢慢去检查 然后仔细分析后再解决 除此之外 还要有合作精神 注重团队合作 和合作者一起做 相互鼓励 互相弥补不足之处 很多难点的突破都来自于与同 学的交流 交流使自己获得更多信息 开拓了思路 这样很多事情就成了 本次设计把理论应用到了实践中 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 提高了理论水平和实际的动手能力 学会了解决问题的方法 激发了我们的探索 精神 这样的课程设计是很好的锻炼机会 通过实验设计使我深入了解到课程设 计在大学学习的重要性 课程设计增强了我们的实践动手能力 也为大四后学期 的毕业设计提供了宝贵的经验 10 8 参考文献 参考文献 7 1 主要书目 电路与电子技术基础 数字电子技术基础 浙江科学技术出版社 李青 总主编 电路电子实验指导书 中国计量学院电工电子实验中心 机电工程训练教程 电子技术实训 清华大学出版社 朱朝霞 主编 杨其华 主审 7 2 另外从互联网下载了部分图片及资料 9 程序 程序 9 1 程序 程序设计设计思想思想 当按 key1 键时 电压升高 转速上升 当按 key2 键时 电压下降 转速下降 定时器 1 中断用来产生周期为 1ms 的脉宽信号 定时器每次中断后改变下一次 的定时设置 设置值由按键决定 按 key1 高脉宽定时时间加大 按 key2 低脉 宽定时时间增大 每次变化 10uS 9 2 程序框 程序框图图 N 初始化 周期 T 20ms 高电平 T0 10ms 判断是否有按 键按下 开始 T0 增加或减少 1ms 改变占空比 Y 9 3 程序代 程序代码码 ORG0000H AJMPMAIN ORG001BH 11 AJMPINTT1 ORG0100H MAIN MOV60H 0FEH 存放高电平的脉宽时间 定时 500us MOV61H 0CH MOV62H 0FEH MOV63H 0CH 存放低电平的脉宽时间 定时 500us 刚开始时 高低 电平各为 50 此时电压为输入电压的一半 电机此时的转速为最低 调速设定 为向上调节 即按加键时转速上升 此时按减键 转速不变 CLRP2 0 MOVTMOD 10H 定时器 1 用来产生脉宽 周期固定为 1mS MOVTH1 60H MOVTL1 61H SETBEA SETBET1 SETBPT1 SETBTR1 SETBP2 6 READKEY SETBP1 2 CLRP1 0 JNBP1 2 DELAY JNBP1 3 DELAY AJMPREADKEY DELAY LCALL DL10MS 去抖 SETBP1 2 CLRP1 0 JNBP1 2 HAVEKEY1 假设电路板接两个键 分别为 key1 和 key2 key1 为脉宽增加 key2 为脉宽减小 JNBP1 3 HAVEKEY2 AJMPREADKEY HAVEKEY1 MOVA 61H 是加键 60H61H 值减小 高电平脉宽增加 62H63H 值 增大 低电平时间减小 CLRC SUBBA 0AH MOV61H A MOVA 60H SUBBA 00H MOV60H A CLRC MOVA 63H 12 ADDA 0AH MOV63H A MOVA 62H ADDC A 00H MOV62H A MOVR2 60H MOVR3 61H MOVR6 0FCH MOVR7 18H LCALL NSUB1 JNCCONTINU MOV60H 0FCH 超出调速范围 即高脉宽大于 1ms 溢出了 则保持此数 值 MOV61H 18H MOV62H 0FFH MOV63H 0FBH CONTINU AJMPNOTXS HAVEKEY2 MOVA 63H 是减键 60H61H 值增加 高电平脉宽减小 62H63H 值 减小 低电平时间增大 CLRC SUBBA 0AH MOV63H A MOVA 62H SUBBA 00H MOV62H A CLRC MOVA 61H ADDA 0AH MOV61H A MOVA 60H AD