基于BUCK斩波器的直流电机

1、浙江树人大学信息科技学院课程论文 （ 学年 学期）论文题目： 课程名称： 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 完成时间：年月日基于BUCK的直流电机调速控制系统的设计学 生：张胜信息学院 电本083 学号15号摘 要：电力电子技术在现代化社会的建设中的应用起着重要作用并得到飞跃性的发展。直流斩波器作为一种电力电子器件，也必定随着直流电的广泛应用而显得异常重要。本文将介绍的是基于BUCK的直流电机调速控制系统的设计及驱动问题。关键词：电机，直流斩波，MOS管，开关频率，占空比，反馈一、 引言Buck电压变换电路是一种降压型 DC /DC变换器,将固定的直流电压变换成输出可变的直流电压。BUCK电

2、路主要由开关，续流二极管，储能电感三元件构成。其平均输出电压比它输入电压Ud要低些，主要用于调节直流电源的输出，或调节直流电动机的转速。BUCK电路的平均输出电压可根据开关的占空比来计算。二、 项目背景及意义直流斩波器广泛应用于生产、生活等实际情况当中，从中国大面积，多人口，低技术，少能源等国情出发，大力发展直流电技术，结合电力电子技术，这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用。电力投资的持续增长，因此直流斩波器在电力电子行业有着巨大的发展潜力它的传统领域和新领域节前景非常广阔。随着科技的发展，新技术不断出现，现在最领先的直流斩波技术主要包括VRM技术、软开关技术和高频磁技术。直流

3、斩波器的应用范围非常广泛。它最初用途是传动控制，但目前应用的新领域是开关电源。前者是斩波电路应用的传统领域，后者则是斩波电路应用的新领域。而高频、大功率、高可靠性开关电源是当今电源变换技术发展的重要方向之一。三、基本要求：1、电机主要技术指标：24VDC/24W直流电机，最高转速3000r/m；电机工作电流波动最好不超过额定电流的15。2、输入电压：220VAC15，50Hz。3、电机速度调节范围1500r/m3000r/m（为方便设计，假设对应直流电压为12V24V）。4、具有正反转切换功能。四、系统电路设计由题目要求根据所学知识分析可知，系统主要由电压给定环节、转速调节器、电流调节器、转速

4、反馈环节、电流反馈环节、脉宽调制电路、触发电路、控制电路，直流斩波电路等几个主要部分组成。其主电路为直流斩波电路，通过控制电路中可控器件的导通时间，改变占空比可达到控制其输出电压大小的目的，其输出电压加在电动机两端，可方便调节直流电动机的转速。控制电路主要用来产生控制IGBT的信号。采用双闭环调速系统，可是系统响应速度更快，对电网电压波动及负载扰动等干扰因素抑制作用增强。通过分析可绘出器系统原理框图如下图所示：AC 220VACDC变换BUCK变换器极性控制M 电机驱动CPU速度检测BUCK电路控制直流电机的整体框架五、硬件设计总体思路（1）主电路（降压斩波电路（Buck Chopper）先利

5、用三角形变压器将220伏变为36伏电压的交流电，通过不控整流二极管变为直流电，而所得的直流电经过滤波电容后接入由MOSFET组成的控制组来控制正反向的门控电路导通角而电压输出的占空比，从而达到直流调压的目的，为达到较好的输出波形，在输出端接一电感，而在每个MOSFET的两端都加一个续流二极管，当正组MOSFET导通时，反组关断，电流从正组流过,导通完成后，关断正组经过一个死区时间再导通反组，而在这个死区时间内，由于有电感和续流二极管的作用，电流不会一下子断掉，而是经过电感和反组续流二极管向电网反馈电能，当反组导通时，电流经过反组MOSFET流过，而此时正组为关断状态，经过一个死区时间之后再导通

6、正组，但是由于反组导通的时间比正组导通的时间要短，在整个波形当中又有一两个对称的死区时间，故主电路所形成的又极性电经过电感的平波作用和续流二极管的回路使得整个输出电压波形为正，但电压值却比输出波的电压要低，这就是降压斩波主电路的工作原理。 降压斩波电路（Buck Chopper）的原理图及工作波形如图1-1所示 ，图中V为全控型器件，选用MOSFET.D为续流二极管，由图1-2中V的栅极电压波形Uge可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，Ud=Ui。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压Ud近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一个周期的过程，负载电压的平均值为：Ud=To

7、n/(Ton+Toff)*Ui=Ton/T*Ui=aUi式中Ton为V处于通态的时间，Toff为V处于断态的时间，T为开关周期，a为导通占空比，简称占空比或导通比（a=Ton/T）。由此可知，输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui，若减小占空比a，则Uo随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。图1-1UoUdUgeTTonToffTTT图1-2（2）、极性控制电路的设计本文是利用继电器控制开关电路，来实现电路极性的转化，从而达到电机的正反转控制。见图21，当开关S1接到正极，S2接到负极时，电机正向转动。用继电器控制：当给J2通电，J1失电，开关S1接到正极，S2被吸引到了

8、负极，此时，电机正转；当J1通电，J2失电，S1被吸引到负极，S2接到正极，此时，电机反转。所以，只需控制继电器J1，J2的通断电，即可控制电机的转向。但仍需注意，当电机正反转改变方向时，需要先释放电机的残留能量，减小换向给电机产生的影响，延长电机寿命。比如当电机正向变反向时，要先让J2失电，释放完电机能量后才能给J1通电。所以，对开关S1，S2的控制不能同时进行，2者间存在是一定的时差。但此处由于笔者技术问题，无法将时差精确计算。只能大概估计一个保守值。MJ1J2S1S2图21（3）、速度调节器设计转速反馈环节主要利用一测速发电机检测电动机的转速，将转速信号转换为电压信号，以一定的比例反馈会

9、主回路中，与给定电压信号进行比较，从而产生一信号作为电流调节器的给定信号；系统通常采用比例积分调节，可以消除系统静差，调节器使用的校正系统式典型系统。原理图如下图31所示：图31图31中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。（4）、转速和速度检测电路转速检测电路如图9。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示

10、转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如图41所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。图41本次设计的电流检测使用霍尔传感器如下图42所示图42（5）、驱动电路设计本文采用电机最常用的驱动方式H桥驱动。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。基于上述原因，在实际驱动电路中通常 要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 图51 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增

11、加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制 整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。图51采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIRL信号为0，DIRR信号为1，并且使能信号是1，那么三 极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机；如果DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向 流过电机。六、CPU软件控制的设计本系统是小功率直流电机调速系统，使用微机或单片机控制是极为方便的。其方法是：通过改变电动机电枢电压接通或

12、断开时间的比值来控制电动机速度。这种方法称为脉冲宽度调制，简称PWM。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax,设占空比为D=t T，则电机的平均速度为 Vd=Vmax*D式中， Vd 电机的平均速度； Vmax 电机全通电时的速度(最大)； D=tT占空比。由公式可见，当我们改变占空比D=tT时，就可以得到不同的电机平均速度 ，从而达到调速的目的。严

13、格地讲，平均速度 与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。占空比D=tT。T为周期，若周期不变只要改变t就可以改变占空比。用定时器1产生周期T，计数初值设为最小0000H，则定时方式一6MHZ晶振的定时时间是131.072ms；用定时器0产生t，改变计数初值即可改变占空比。图6图6是控制PWM波产生的程序框图，控制程序编写如下：#include reg51.hsbit PWMout=P35;sbit KEY1=P11;sbit KEY2=P12;bit Key1Flag;bit Key2Flag;unsigned char Th0_temp,Tl0_temp

14、;void DelayS(unsigned int dly);void key_check(void);void INTTO() interrupt 1 TR0=0; PWMout=0;void INTT1() interrupt 3 TL0=Tl0_temp;TH0=Th0_temp; TR0=1; PWMout=1;void DelayS(unsigned int dly)unsigned int i;for(; dly0; dly-) for(i=0; i1000; i+); void key_check(void) if(Key1Flag=0)&(KEY1=1)Key1Flag=1;e

15、lse if(Key1Flag=1)&(KEY1=0) DelayS(10); /k1按下加速 if(KEY1=0) Key1Flag=0; Th0_temp-=0x10; if(Th0_temp=250) Th0_temp=0xF0; 七、结束语本课设通过对直流斩波调速系统的设计，进一步理解了速度、电流调节器的设计方法，以及对后面的驱动电路、检测和保护电路有了更深刻的了解。虽然该调速系统相比于现实中的复杂系统较为简单，但是它使我深刻的理解了调速系统设计的意义所在，并为我以后的继续学习和设计无功补偿打下基础。 通过本次设计，让我在大概学习课本知识的基础上又得到了进一步的深化。开始拿到题目，脑子里没有解决问题的思路，到后来开始认真学习课本以及以前课程设计的方法和解决问题的方法，经过自己的仔细分析和计算，最终得到想要的结果，让我感到一丝的欣慰。 在本次课程设计中，我学习了以前的没有注意到的内容并温故了很多科目和软件的使用。尝试使用PROTEL99软件、使用WORD画出调速系统的电路框图以及电路图。此外去图书馆查找关于课设的知识以及上网认真查找芯片资料，所有的这些都让我受益匪浅。让我进一步知道当遇到未知问题时，我可以用各种途径最终解决难题，在以后的学习和工作中，我也将继续贯彻这种方法。 在设计过程中总会遇到各种的难题，比如对保护电路的设计，经过各种尝试最后得到了想要的