PWM直流电机控制器.doc

开关稳压电源（E题）【本科组】一、任务设计并制作如图1所示的开关稳压电源。图1电源框图二、要求在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：1基本要求（1） 输出电压UO可调范围：30V36V；（2） 最大输出电流IOmax：2A；（3） U2从15V变到21V时，电压调整率SU2%（IO=2A）；（4） IO从0变到2A时，负载调整率SI5%（U2=18V）；（5） 输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（6） DC-DC变换器的效率70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（7） 具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.50.2A；2发挥部分（1） 进一步提高电压调整率，使SU0.2%（IO=2A）；（2） 进一步提高负载调整率，使SI0.5%（U2=18V）；（3） 进一步提高效率，使85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；（4） 排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；（5） 能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。（6） 其他。三、说明（1） DC-DC变换器不允许使用成品模块，但可使用开关电源控制芯片。（2） U2可通过交流调压器改变U1来调整。DC-DC变换器（含控制电路）只能由UIN端口供电，不得另加辅助电源。（3） 本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非直流成分，要求用带宽不小于20MHz模拟示波器（AC耦合、扫描速度20ms/div）测量UOPP。（4） 本题中电压调整率SU指U2在指定范围内变化时，输出电压UO的变化率；负载调整率SI指IO在指定范围内变化时，输出电压UO的变化率；DC-DC变换器效率h=PO/ PIN，其中POUOIO，PINUINIIN。（5） 电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间（测试期间，不能出现过热等故障）。（6） 制作时应考虑方便测试，合理设置测试点（参考图1）。（7） 设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。四、评分标准项 目应包括的主要内容或考核要点满 分设计报告方案论证DC-DC主回路拓扑；控制方法及实现方案；提高效率的方法及实现方案8 电路设计与参数计算主回路器件的选择及参数计算；控制电路设计与参数计算；效率的分析及计算；保护电路设计与参数计算；数字设定及显示电路的设计20 测试方法与数据测试方法；测试仪器；测试数据(着重考查方法和仪器选择的正确性以及数据是否全面、准确)10 测试结果分析与设计指标进行比较，分析产生偏差的原因，并提出改进方法5 电路图及设计文件重点考查完整性、规范性7 总分50 基本要求实际制作完成情况50 发挥部分完成第（1）项10 完成第（2）项10 完成第（3）项15 完成第（4）项4 完成第（5）项6 其他5 总分50 PWM直流电机控制器 摘要： PWM直流电机控制器是大多数场所普遍采用的直流电机调速技术。系统的控制部分以单片机为核心，由调速手把输入14V直流电压，通过单片机来控制输出PWM的占空比，从而以可变的占空比来实现电机调速控制。由于采用对直流电机电枢电压控制，可以实现电机启动、转动平稳。关键词：PWM直流电机控制 占空比 调速控制 驱动电路 单片机引言：近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(pulse width modulation,简称PWM)已成为直流电动机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。一 方案设计与论证：1电源提供方案为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。方案二：采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。综上所述，我们选择第一种方案。2 驱动电路方案方案一：采用晶体管组成的快速半桥驱动电路，由PWM信号作为直流电机转速控制信号。这种驱动电路只能实现电机的单方向转动。方案二：采用各国半导体厂商生产的直流电机控制集成电路作为驱动电路，其功能比较齐全的双极性，具有过热，过流，过压保护功能。可实现电机驱动。方案三：采用MOSFET管组成的H桥双极性驱动电路，由单片机输出的PWM信号控制H桥的导通方式，实现电机的双方向转动。方案四：对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，电路简单易行，但要注意器件功率的选择。3 控制电路方案方案一：采用MC14433双积分型A/D集成电路转换器芯片，精度可以做的比较高，但转换速度比较慢，用于低度速采集系数。方案二：采用ADC0809，片内除A/D转换部分还有多路模拟开关部分，最多允许8路模拟量输入。方案三：采用ADC0832模数转换器件，其性能良好，较易实现14V直流电压的转换。4 保护电路方案5 PWM信号产生方案PWM脉冲波的产生方法有四种:方案一： 分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。方案二： 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的工作，因此也逐渐被淘汰。方案三： 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，现在市场上已经有很多种型号，如TI公司的TL494芯片，东芝公司的2SK3131芯片等。这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。这种专用PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工作更可靠。方案四： 单片机的PWM口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。如AD公司的12位单片机ADC831，Inter公司的16位单片机8XC196以及Cygnal公司的8位单片机C8051FOXX系列等。在新一代的单片机中通过初始化设置，使其PWM输出口能够自动发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。在本设计中采用了第2种产生PWM脉冲波的方法，以训练自己的编程能力和对PWM技术的应用。二 硬件设计1 总体设计1.1设计模块图如图1所示，驱 动 电 路保 护 电 路直 流 电 机MOSFET控 制 电 路单 片 机图12原理分析与说明2.1 PWM调速原理PWM调速方法通常采用功率场效应管作为主开关元件，通过改变开关元件的导通方式及通断比来改变输出电压的大小与极性，在PWM调速系统中占空比T是一个重要参数，在电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比T的大小，改变T的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。可以采用以下方法改变占空比T的值，(1)定宽调频法:保持t1不变，只改变t2，这样使周期(或频率)也随之变。 (2)调宽调频法:保持t2不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。 (3) 定频调宽法:保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t2。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，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压, 由调速手把输入14V直流电压，通过模数转换电路（ADC0832）送入单片机来控制输出PWM的占空比，从而产生频率固定占空比可变的PWM信号来实现电机调速控制，如图2所示,图22.2 电源电路本电路采用的是78XX系列三端稳压器的典型应用，如3所示，图32.3 控制驱动电路光耦三极管4N25是隔离放大的驱动元件,当PWM信号为高电平时，PWM信号指示灯LED2点亮，开关管MOSFET的栅极输入高电平，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Ud，t1(s)后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2(s)后，栅极输出重新变为高电平，开关管的动作重复前面的工作。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形随PWM信号变化，电