直流电机调速系统

1、课程设计实验报告课题： 直流电机调速系统 班级： 11自动化4班目 录基于AT89C52单片机的直流电机PWM调速系统1摘 要11前言21.1数字直流调速的意义21.2研究现状综述21.2.1电气传动的发展现状21.2.2微处理器控制直流电机发展现状31.3直流电动机调速概述41.3.1直流电机调速原理41.3.2直流调速系统实现方式52系统总体方案论证62.1系统方案比较与选择62.2系统方案描述63硬件电路的模块设计73.1逻辑延时电路方案论证设计73.2驱动电路方案论证设计73.2.1驱动电路方案、参数描述73.2.2 IR2110驱动电路中MOSFET抗干扰设计83.2.2.0 IR2

2、110功率驱动介绍103.2.2.1 IR2100内部结构原理图及管脚说明113.2.2.2 IR2110的自举电路114软件设计125结论16参考文献17附录1 整个系统电路原理图附录2 整个系统电路的实物图基于MC51单片机的直流电机PWM调速系统摘 要本文介绍一种基于MC51单片机控制的PWM直流电机脉宽调速系统。系统以廉价的MC51单片机为控制核心，以直流电机为控制对象。从系统的角度出发，对电路进行总体方案论证设计，确定电路各个的功能模块之间的功能衔接和接口设置，详细分析了各个模块的方案论证和参数设置。整个系统利用51单片机的定时器产生10K左右的PWM脉冲，采用2片IGBT和MOSF

3、ET等一类电压型功率开关管专用驱动芯片IR2110，驱动MOSFET构成的H桥电路实现对直流电机的调速.关键字 AT89C52，PWM，IR2110，MOSFET 1前言1.1数字直流调速的意义现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数字化控制。从上世纪80年代中后期起，世界各大电气公司如ABB、通用、西屋、西门子等都在竞相开发数字式调速传动装置，经过二十几年的发展，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制1。特别是采用了微处理器及其他先进电力电子技术，使数字式直流调速装置在精度的准确性、控制性能的优良性

4、和抗干扰的性能有很大的提高和发展，在国内外得到广泛的应用。数字化直流调速装置作为目前最新控制水平的传动方式显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断升级换代，为工程应用和工业生产提供了优越的条件。采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。由于微处理器具有较佳的性价比，所以微处理器在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。近年来，尽管交流调速系统发展很快，但是直流电机凭借其良好的启动、制动性能，在金属切削机床、轧钢机、海洋钻机、挖掘机、造纸机、矿井卷扬机、电

5、镀、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中仍得到了广泛的应用。现阶段，我国还没有自主的全数字化直流调速控制装置生产商，而国外先进的控制器价格昂贵，且技术转让受限，为此研究及更好的使用国外先进的控制器，吸收国外先进的数字化直流电机调速装置的优点，具有重要的实际意义和重大的经济价值。1.2研究现状综述1.2.1电气传动的发展现状20世纪70年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进1。同时，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。使直流调

6、速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代1。 早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低2。随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭

7、新的阶段。1.2.2微处理器控制直流电机发展现状微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求2，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元

8、器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节2。高性

9、能的微处理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即数字信号处理器)的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如DSP等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算2。1.3直流电动机调速概述1.3.1直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式： 其中：U电压；励磁绕组本身的电阻；每极磁通(Wb)；Cc电势常数；Cr转矩常量3。由上式可知，直

10、流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制4，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差5。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。 图1-1 直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大6。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制

11、方法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制(PWM)调压等等。调压调速法具有平滑度高，能耗少，精度高等优点。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。 图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图根据图1，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为D=/T，则电机的平均速度为：，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目

12、的7。1.3.2直流调速系统实现方式基于PWM为主控电路的调速系统 与传统的直流调速技术相比较，PWM(脉宽调制技术)直流调速系统具有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。PWM信号的产生通常有两种方法:一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。基于NE555，SG3525等一系列的脉宽调速系统：此种方式采用NE555作为控制电路的核心，用于产生控制信号。NE555产生的信号要通过功率放大才能驱动后

13、级电路8。NE555、SG3525构成的控制电路较为复杂，且智能化、自动化水平较低，在工业生产中不利于推广和应用。基于单片机类由软件来实现PWM：在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：A、定宽调频法：保持不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变7。（图1）B、调宽调频法：保持t不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变7。（图1）C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t7。（图1）前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频

14、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。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。2系统总体方案论证2.1系统方案比较与选择方案一：采用专用PWM集成芯片、IR2110 功率驱动芯片构成整个系统的核心，现在市场上已经有很多种型号，如Tl公司的TL494芯片，东芝公司的ZSK313I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集成芯片可以减轻单片机的负担，工作更可靠，但其价格相对较高，难于控制工业成

15、本不宜采用。方案二：采用MC51单片机、功率集成电路芯片L298构成直流调速装置。L298是双H高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其驱动电压为46V，直流电流总和为4A。该方案总体上是具有可行性，但是L298的驱动电压和电流较小，不利于工业生产应用，无法满足工业生产实践中大电压、大电流的直流电机调速。方案三：采用MC51单片机、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心实现对直流电机的调速。MC51具有两个定时器T0和T19。通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现从任意端口输出不同占空比的脉冲波形。MC51控制

16、简单，价格廉价，且利用MC51构成单片机最小应用系统，可缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。IR2110是专门的MOSFET管，带有自举电路和隔离作用，有利于和单片机联机工作。综合上述三种方案，本设计采用方案三作为整个系统的设计思路。2.2系统方案描述本系统采用MC51为控制核心，利用MC51产生的PWM经过逻辑延迟电路后加载到以IR2110为驱动核心，MOSFET构成的H桥主干电路上实现对直流电机的控制和调速。本系统的控制部分为5V的弱电而驱动电路和负载电路为220V的直流电压。3硬件电路的模块设计3.1逻辑延时电路方案论证设计逻辑延时电路是主电路IGBT开关管的控制所需。一、因为控

17、制MOSFET所需的控制信号要求对角上的两个MOSFET管的控制信号要相同，而同一个桥臂上的控制信号要相反。这就要求主电路上有两路互为反向的控制信号。然而MC51产生的PWM只有一路，这时候就必须把PWM信号利用逻辑延时电路变成两路互为反向的控制信号。 二、虽然从目前的制作工艺水平可以使电力电子半导体开关器件的频率做得很高，但是器件的导通和关断的时候仍然会占用一段极短的时间，PWM控制信号消失的瞬间并不意味着功率开关管就真正会关断11。如果一个的功率开关管的控制信号刚消失的同时给同一桥臂的另一功率开关管加控制信号很可能造成同一桥臂的两管子同时导通形成对电源短路。为了避免这种现象在系统中出现，本

18、设计采用了在MC51产生PWM信号后设置逻辑延时电路。3.2驱动电路方案论证设计3.2.1驱动电路方案、参数描述整个系统的驱动电路采用两片的IR2110驱动四片的MOSFET管（IRFP460）构成的H桥电路。如下图3-2：图3-2 驱动主电路原理图IR2110驱动MOSFET构成的H桥电路的特点显著，具有调速性能好，调速频带宽，可以工作在1100 kHz范围内工作。所要求的控制信号简单，只需要加入PWM信号即可。IR2110设计保护电路性能良好，安全性高，无控制信号时，电机处于刹车状态，可用于很多工业领域。在本设计中（图3-2），IR2110的自举电容采用了另个不同大小的电容并联使用。在频率

19、为20 kHz左右的工作状态下，可选用1.0F和0.1F电容并联。并联高频小电容可吸收高频毛刺干扰电压。电路中为了防止Q1、Q3导通时高电压串入端损坏芯片，在设计采用快恢复二极管FR107，其快速恢复时间为500ns13 可有效地隔断高压信号串入IR2110。3.2.2 IR2110的引脚图以及功能引脚1（LO）与引脚7（HO）：对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10K的电阻。引脚2（COM）：下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（Vss

20、）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。引脚3（Vcc）：直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。引脚5（Vs）：上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。与引脚6（VB）：通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管，与用户提供的输出极电源相连，对Vcc的参数要求为大于或等于0.5V，而小于或等于+20V。引脚9（VDD）：芯片输入级工作电源端，使用中，接用户为该芯片工作提供的高性能电源，为抗干扰，该端应通过一高性能去耦网络接地，该端可与引脚3（Vcc）使用同一电源，也可以分开使用两个

21、独立的电源。引脚10（HIN）与引脚12（LIN）：驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V，这里Vss 与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13（Vss）与引脚9（VDD）端的电压值。引脚11（SD）：保护信号输入端，当该引脚为高电平时，IR2110的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。引脚13（Vss）：芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接

22、相连。引脚8、引脚14、引脚4：为空引脚。芯片参数：1IR2110的极限参数和限制：最大高端工作电源电压VB： -0.3V至525V门极驱动输出最大（脉冲）电流IOMAX：2A最高工作频率fmax：1MHz工作电源电压Vcc：-0.3V至25V贮存温度Tstg：-55至150C工作温度范围TA：-40至125C允许最高结温Tjmax：150C逻辑电源电压VDD：-0.3V至VSS+25V允许参考电压Vs临界上升率dVs/dt：50000V/s高端悬浮电源参考电压Vs：VB-25V至VB+0.3V高端悬浮输出电压VHO：Vs-0.3V至VB+0.3V逻辑输入电压VIN：Vss-0.3V至VDD+

23、0.3V逻辑输入参考电压Vss：Vcc-25V至Vcc+0.3V低端输出电压VLO：-0.3V至Vcc+0.3V功耗PD：DIP-14封装为1.6W2IR2110的推荐工作条件：高端悬浮电源绝对值电压VB：Vs+10V至Vs+20V低端输出电压VLO：0至Vcc低端工作电源电压Vcc：10V至20V逻辑电源电压VDD： Vss+5V至Vss+20V逻辑电源参考电压Vss： -5V至+5V3.2.2.1 IR2100内部结构原理图及管脚说明 IR2110是IR公司生产的高压,高速的功率MOSFET18， IGBT专用驱动芯片，具有独立的高、低端输出双通道。门电压需求在1020 V范围，悬浮通道用

24、于驱动MOSFET的高压端电压可以达到500 V18。 图3-5 IR2110内部结构图图3-5中引脚10（）及引脚12 （）双列直插式封装，分别驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的输入驱动信号输入端，当输入脉冲形成部分的两路输出，范围为（-0.5V）（+0.5），图6中和分别为引脚13（）及引脚9（）的电压值。引脚11（SD）端为保护电路信号输入端。当该引脚为高电平时，IR2110的输出被封锁，输出端HO（7脚）、LO（1脚）恒为低电平。而当该脚为低电平时，输出跟随输入变化。用于故障（过电压、过电流）保护电路。引脚6（）及引脚3（）分别为上下通道互锁输出级电源输入端。用于接输出级电源正

25、极，且通过一个较高品质的电容接引脚2。引脚3还通过一个高反压快速恢复二极管与引脚6相连。3.2.2.2 IR2110的自举电路在驱动电路设计中，IR2110的自举电路可以有效的保护IGBT。IR2110自举电路的结果原理图如图3-6所示： 图3-6 IR2110自举电路原理图图3-6中及分别为自举电容和快速恢复二极管，为的滤波电容。当在关断期间，已经充满电，即=。在开通，关断期间，通过电阻与 的栅射极间电容放电。在关断，开通期间，栅电荷经和快速释放。在经过死区时间后，开通经过、给充电19。这就是IR2110的自举电路原理。如果自举电容选取的过大,可能使关断时电容两端还没有达到要求的电压，而电容

26、选择较小则会导致电容存储的能量不够维持栅源电压在导通时间内为一定值。在选择自举电容最好选择非电解电容，电容应尽可能的靠近芯片。一般情况下为保证自举电容将栅源电压持续一段时间,选电容为其最小值的15倍左右19。综合考虑在设计驱动电路时采用1uf的电容为IR2110的自举电容。 4.软件设计/*基于单片机AT89C51的直流电机PWM调速控制系统*/#include #include #include /*自定义变量*/#define uint unsigned int /自定义变量#define uchar unsigned char uchar j; /定时次数，每次20msuchar f=5

27、; /计数的次数sbit P20=P20; /PWM输出波形1sbit P21=P22; /PWM输出波形2sbit P22=P21;sbit P23=P23;/sbit P10=P10; /正反转sbit P10=P10; /停止sbit P11=P11; /减速sbit P12=P12; /加速sbit P13=P13; /启动uchar k;uchar t; /脉冲加减delays(); /延时函数key();/*主函数*/main (void) TMOD=0x51; /T0方式1 定时计数T1方式1计数TH0=0xb1; /装入初值 20MSTL0=0xe0;TH1=0x00; / 计数567TL1=0x00;TR0=1; /启动 t0TR1=1; /启动t1P0=0xc0;while(1) /无限循环 key(); /*延时函数*/delays()uchar i;for(i=5000;i0;i-);return 0;/*/*t0定时*中断函数*/void t0() interrupt 1 using 2TH0=0xb