PWM直流电机调速设计

一、课程设计的重要目的任务

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多

需要调速或迅速正反向H勺电力拖动领域中得到了广泛日勺应用。从控制日勺角度来

看，直流调速还是交流拖动系统的基础。初期直流电动机的控制均以模拟电路为

基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少许的数字电路构成，控制系统的

硬件部分非常复杂，功能单一，并且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电

动机控制技术的发展和应用范围H勺推广。伴随单片机技术的日新月异，使得许多

控制功能及算法可以采用软件技术来完毕，为直流电动机的控制提供了更大H勺灵

活性，并使系统能到达更高口勺性能⑵。采用单片机构成控制系统，可以节省人力

资源和减少系统成本，从而有效的提高工作效率。

老式的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产规定，不过由于

元件轻易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效

果受到器件性能、温度等原因日勺影响，故系统日勺运行可靠性及精确性得不到保证,

甚至出现事故。

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴伴随电子技术的高度

发展，促使直流电机调速逐渐从模拟化向数字化转变，尤其是单片机技术的应用，

使直流电机调速技术又进入到一种新H勺阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的

趋势。

二、课程设计系统方案选用

1.直流电动机运行原理

脉宽调制技术是运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

等而形状不一样的窄脉冲加在具有惯性日勺环节上时，其效果基本相似，使输出端

得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来替代正弦波或其他所需

3要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可变化逆变电路渝出

电压的J大小，也可变化输出频率。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表

达为

图I：直流电机原理图

式中Ua—电枢供电电压(V)；la—电枢电流(A)；①一

一励磁磁通(Wb)；Ra—电枢回路总电阻(Q)；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、①三个参量都可以成为变量，只要变化其中一种参量，就

可以变化电动机的转速，因此直流电动机有三种基本调速措施：(1)变化电枢回

路总电阻Ra；；(2)变化电枢供电电压Ua；(3)变化励磁磁通①。

如图1所示：

变化直流电机电枢绕组两端电源电压u大小就可以调整宜流电机转速的大小；

变化直流电机电枢绕组两端电源电压U方向就可以变化直流电机转速方向。

方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的I分压，从而到达调速日勺目日勺。不过电阻网

络只能实既有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更重要的问题在于i般电动机的

电阻很小，但电流很大；分压不仅会减少效率，并且实现很困难。

方案二:采用继电器对电动机时开或关进行控制，通过开关日勺切换对电动机日勺速度进行调整。

这个方案的长处是电路较为简朴，缺陷是继电器的响应时间慢、机械构造易损坏、寿命较短、

可靠性不高。

方案三；采用由三极管构成的H型PWM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朴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。

不管哪种措施，。的变化范围均为OWaWI,因而电枢电压平均值Ua

口勺调整范围为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所示口勺桥式(或称H型)降压斩波电路。

3.PID调整

在模拟捽料系统中，控制器械常用的控制规律是PID拉制，为r说明控制器的T作原理,先看

•个例如图1—1所示是个小功率直潦电机的调速原理图。给定速度入«)与实际转速进行比

较〃«)・扎差值货7)⑺-〃⑺.经过PID控制器调整后输出电乐控制信号〃«),〃。)统打功

率放大后，驱动直流电动机改变其转速.

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口海电机

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图1-1小功率直流电机调速系统

常规的模拟PID捽制系统原理框图如图1一2所示.该系统由模拟PID捽制器和被控对象组成.

图中,是给定值，y(f)是系统的实际输出值.给定值与实际雉出值构成捽制偏差仪。

e(t)=r(r)-y(r)(式1-1)

c(。作为PID捽制的输入,〃«)作为PID拧制器的输出和被控对象的检入。所以模拟PID捽制器的

控制规律为

⑺烟助+

U=（式1-2）

我中：Kp一一控制器的比例系数

77一一控制器的积分时间,也称积分系数

Td一一控制器的微分时间，也称微分系数

2.3控制器参数整定

控制器参数整定：指决定调节器的比例系数小.枳分时间77、母分时间〃和采样周期△的

具体数值,整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配,以改善系统的动态

和静态指标,取得最佳的控制效果.

整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法.理论

计算整定法仃对数嫉率特性法和根轨迹法等：T程整定法由袂试法、临界比例法、经验法、衰耳曲

线法和响应曲线法等.工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型,直接在过程控制系统中进

行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握.

P1D控制日勺直流电动机调速控制原理图如下：

单片标二/上数字所控制需上嘤蠹里1一直流电动机工

I--骅劭牛儿

已-------------测速单元--------------

图3：电动机调速控制原理图

基于PIDB勺电动机调速控制程序流程图如下：（扩展功能）

上位机程序单片机主程序及子程序

初始化

图4：基于PIDE向电动机调速控制程序流程图

6.数据处理

速度检测一般有三种措施：M法测速、T法测速、M/T法测速。

1.M法测速：是在规定期间A内⑼，对位置脓冲信号是个数叫进行计数，从

而得到转速H勺测量值，

60/77,

n二---L

Pa

K是每个位置周期所具有日勺信号脉冲数，合月于高速运行时的测速，低速时

精度较低

2.T法测速：测出相邻两个位置信号日勺间隔时间来计算转速的一种措施，而

时间的测量是借助计数器对已知频率日勺时钟脉冲计数实现日勺，设时钟频率£两

个位置脉冲间的时钟脉冲个数为密则电机转子位置脉冲信号的周期T为

A是每个位置周期所具有日勺信号脉冲数，合月于低速运行时的测速，高速时

每个位置周期的时钟脉冲数和小，测得日勺精度较低

3.M/T法综合了以上两种措施的长处，既可在低速段可靠日勺测速，乂在高速

段具有较高日勺辨别能力，因此在较宽的转速范围内均有很好日勺检测精度。即在稍

不小于规定期间A日勺某一时间。内，分别对位置信号的脉冲个数处和高频时钟

60〃?J

脉冲个数和进行计数。于是:

PM?

由于调速关系本文采用M/T法测速以使测速H勺精确性，即在100个PWM周期

内电机所转H勺转数，

n=60g

其中/=100,〃?2=100、PN=1

三、系统硬件设计（芯片的选用、原理图等）

1.续流二极管IN4002

PLC、变频器、伺服驱动器等等设备日勺晶体管输出，假如要连接感性负载（例如中间继

电器），一定不要搞忘接一种反向的续流二极管。当输出断开时，继电器线圈两端会产生感

生电动势，假如没有续流二极管，产生的电压也许高于输出晶体管的反向击穿电压。笔者实

测，HH54P那样的微型中间继电器线圈回路断开时产生的电压大概为50V如下，不加反向

续流二极管也可以，不过原则上最佳加上，以防止损坏输出晶体管的也许。最大周期性方向

峰值电压：100V

最大有效值电压；7CV

最大直流闭锁电压：100V⑴

2.H桥驱动电路的设计

电路得名于“H桥式驱动电路”是由于它日勺形状酷似字母IL4个三极管构

成H日勺4条垂直腿，而电机就是II中日勺横杠。II桥电路的JTI”的意思是它实际

电路在电路图上是一种字幕H的样式。如下图:

+12-12

H桥是怎样控制电机的呢，举个例子：你手里拿着一节电池，用导线将马达

和电池两端对接，马达就转动了；然后假如你把电池极性反过来会怎么样呢？没

有错，马达也反着转了。

如图：

当Q1和Q4导通时电流从左上方流过电机流向右下方，电机的旋转方向认为

正转的话；当Q2和Q3同步导通时电流从右向上方流过电机流向左下方，电机反

转。

通，你的马达会自动制动。这是由于当没有电源供应时，马达在自由转动啊状况

下是处在发电状态，同位日勺电路接通，相称于将马达日勺两端“短接”，那么马达

会由于短路而相称与接了一种无限大功率的电炉即i种很大日勺负载，因此马达就

会产生“电”制动；当你把马达两端悬空后，它就恢复自由了。

为了以防止马达的反电动势的危害，我们仍然需要在晶体管两端接二极管，

由于马达线圈在电路开闭瞬间产生的）反向电动势通过会高过电源，这样对晶体管

(B)

(D)

和电路会有很大的影响甚至烧毁零件。如图在两端接入二极管后

L298内置两个H桥，每个桥提供1A『、J额定工作电流，和最大3A日勺峰值电

流。它能驱动的马达不超过可乐罐大小。

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图3-8H桥驱动电路的设计

3.脉冲信号gJ获得

地，输出。

使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械构造也可以做得较为简朴，只要在转

轴日勺圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时,

就会不停地产生脉冲信号输出山］。假如在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一

周，获得多种脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之

前可以先手动靠近一下传感器，假如没有信号输出，可以换一种方向再试。这种

传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。

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电机驱动电路

BBE

显示电路

五、系统仿真成果

仿真软件选择Proteus,在Proteus中画出系统电路图，当程序在KeilC中调

试通过后，会生成以hex为扩展名的文献，这就是使系统可以在Proeus中成功

讲行仿真的文献。将些文献加载到单片机仿真系统中，验证与否能完毕对直流电

机的速度调整。若不成功，则重新回到软件调试环节，进行软件调试。找出错误

所在，改正后重新运行系统。硬件仿真电路的设计完全按照论文设计方案进行。

在仿真的过程中也碰到了诸多问题，例如元件选择、电路设计等，在元件选择方

面，有口勺芯片是我此前学习的时候所没有碰到过内，因此在寻找和使用口勺过程中

也碰到诸多麻烦，但通过自己口勺努力，并借鉴从互联网上找到的资料，我逐渐掌

握这些元件口勺使用措施和原理，为系统设计和仿真提供了良出啊基础。此外，在

进行仿真的时候，也常常出现程序没有错误了，不过仿真通不过的状况，这些大

部分原因是在管脚定义上，诸多系统仿真的问题都出在这。通过这段时间口勺努力,

使我对仿真软件以及系统设计电路有了更深一步口勺认识，也为系统口勺成功奠定了

基础

六、系统实物调试

虽说在protues上仿真时能正常运行了，硬件的制作完毕后，结合硬件又发

现了诸多问题。

（1）由于单片机的I问题，使复位电路上的电容烧坏，单片机运行出错。

（2）由于程序算法问题，在电机转动时，出现显示跳动状况。（采用多次

取值滤波）

（3）按键问题（用吸管换下好日勺按键）

（4）

PCB板子铜线虚断。（用焊锡在铜线上覆盖一遍。）

（5）PCB板子有飞线直接连接不以便（为了以便，硬件板与板这件用杜

邦线相连）

七、结论

从原理图的设计，电路板日勺焊接到写课程设计论文，在这个过程中我们也

碰到了诸多。勺困难，如组员间分工不明确，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诸多东西假如不是自己亲自动手，只在书本上是学不到

。勺，设计初期要考虑周到，否则后期会带来诸多不必要的麻烦。虽然也许会多花

某些时间，但这比空想要有效U勺多。做事情一定要细心，更要耐心，碰到问题要

慢慢去检查，然后仔细分析后再处理；除此之外，还要有合作精神，重视团体合

作，和合作者一起做，互相鼓励，互相弥补局限性之处，诸多难点的突破都来自

于与同学H勺交流，交流使自己获得更多信息，开拓了思绪，这样诸多事情就成了。

本次设计把理论应用到了实践中，同步通过设计，也加深了自己对理论知

识口勺理解和掌握，在处理困难日勺过程中，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H勺动手能力，学会了处理问题日勺措施，激发了我们的

探索精神。这样日勺课福设计是很好口勺锻炼机会，通过试脸设计使我深入理解到课

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

学期口勺毕业设计提供了宝贵日勺经验。

参照文献

7.1重要书目：

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

电路电子试验指导书中国计量学院电工电子试验中心

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此外从互联网下载了部分图片及资料

单片机原理.接口技术及应用（含C51）》主编杨学昭王云东

西安电子科技大学出版社

《电子技术基础》（模拟部分）主编康华光

高等教育出版社

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