电力电子课程设计直流电机调速

1、课程设计说明书 直流电机调速 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 指导教师： 职称 专 业： 自动化 班 级： 完成时间： 2011 年 6 月 3 日 2 电力电子技术课程设计任务书电力电子技术课程设计任务书 系：电气与信息工程系 年级：自本 0802 专业：自动化 指导教师姓名学生姓名 课题名称直流电机调速 内 容 及 任 务 一、设计任务和要求 学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在电力电 子技术中所学的理论知识和实验技能，掌握整流和触发电路的基本原理，能够 运用所学的理论知识分析设计任务。提高设计能力和实践动手能力，为以后从事 电子电路设计、研发电子产品打下

2、良好的基础 二、设计内容 制作一个直流电机调速装置。 三、技术指标 要求电源输入电压为 220v，改变控制主电路开关器件的导通角，使负载侧的 电压有效值改变，从而控制直流电机的速度。观察当导通占空比 a 分别为 20%、50%、80%时电机转动速度改变情况。 起止日期设计内容 5.28 构思大体框架 5.29 根据原理图用 protel 画出原理图 5296.3改进并进行仿真 进 度 安 排 6.3 检查并进行最后修改 主要 参考 资料 王兆安.电力电子技术基础.第五版 答辩 成绩 指导 教师 评阅 意见 3 摘摘 要要 本文是对直流电机 pwm 调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。为实

3、现系统的微机控制，在设计中，采用了 at89c52 单片机作为整个控制系统的控 制电路的核心部分，用 proteus 仿真软件以各种显示、驱动模块，实现对电动 机转速参数的显示和测量；采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机 在程序控制下，不断给光电隔离电路发送 pwm 波形.在设计中，采用 pwm 调速方 式，通过改变 pwm 的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的 调速。 关键词：at89c52 单片机，proteus, pwm 4 目 录 第一章 直流电机调速方案论证5 第二章 直流电机调速硬件系统6 2.1 降压斩波电路6 2.2 驱动电路7 2.3 元器件清单10

4、第三章 直流电机调速软件系统的设计 11 3.1 设计课题 pwm 信号的单片机程序清 单11 第四章 仿真结果与分析14 4.1 仿真结果14 4.2 仿真结果分析16 第五章 心得体会17 参考文献18 致谢19 附录 120 附录 221 附录 322 附录 423 5 第一章 直流电机调速方案论证 直流电动机的转速控制方法可以分为 2 大类：对励磁磁通进行控制的励磁 控制法和对电枢电压进行控制的电枢电压法。其中励磁控制法在低速时受磁饱 和的限制，在高速时受换向火花和换向器件结构强度的限制。并且励磁线圈电 感较大，动态性能响应较差，所以这种控制方法用的很少，多使用电枢控制法。 直流电机转

5、速调节：某些场合往往要求直流电机的转速在一定范围内可调 节，例如，电车、机床等，调节范围根据负载的要求而定。调速可以有三种方 法：（1）改变电机两端电压；（2）改变磁通；（3）在电枢回路中，串联调节 电阻。本次课程设计采用第一种方法：利用降压斩波电路与单片机驱动系统改 变电机两端的电压大小从而达到调节直流电机转速的目的。 6 第二章 直流电机调速硬件系统的设计 2.1 降压斩波电路 工作原理，两个阶段： t=0时v导通，e向负载供电，uo=e，io按指数曲线上升； t=t1时v关断，io经vd续流，uo近似为零，io呈指数曲线下降； 为使io连续且脉动小，通常使l值较大。 图2.1 降压斩波电

6、路原理图 数量关系： 电流连续时，负载电压平均值 a导通占空比，简称占空比或导通比 uo最大为e，减小a，uo随之减小降压斩波电路。也称为buck变换器 （buck converter） 。 负载电流平均值 电流断续时，uo平均值会被抬高，一般不希望出现斩波电路三种控制方式 （1）脉冲宽度调制（pwm）或脉冲调宽型t不变，调节ton （2）频率调制或调频型ton不变，改变t 7 （3）混合型ton和t都可调，使占空比改变 降压斩波电路的仿真模型如图2.2所示： 图2.2 降压斩波电路的仿真模型 2.2 驱动电路 2.1.1 单片机 本课程设计所用的芯片为 at89c52。之所以选择这块芯片，是

7、因为 at89c52 是一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在系统可编程 flash 存储 器。使用 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，兼容标准 mcs-51 指令 系统。片上 flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯 片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash，使得 at89c52 为众多嵌入 式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。at89c52 具有以下标准功能： 8k 字节 flash，256 字节 ram， 32 位 i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据指 针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量

8、 2 级中断结构，全双工串行口，片 内晶振及时钟电路。另外，at89c52 可降至 0hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件 可选择节电模式。空闲模式下，cpu 停止工作，允许 ram、定时器/计数器、串 口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram 内容被保存，振荡器被冻结，单片 机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其包含中央处理器、程序 处理器（rom） 、数据存储器（ram） 、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断 系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线三大总线，其基本结构示意 图如图 2.1 所示： 8 图 2.1 at89c52 基本结构示意图 2) 复位电路 复位电路利

9、用电容充电来实现复位，此时电源 vcc 经电阻 r2,r1 分压，在 reset 端产生一个复位高电平。图中 r1 取 200 欧，r2 取 1000 欧，电容为 22f。 3) 晶振电路 在 at89c52 芯片内部有一个高增益的反相放大器，其输入端为引脚 x1，输 出端为引脚 x2，而在 at89c52 芯片 x1 和 x2 之间跨接晶体振荡器和微调电容， 从而构成一个稳定的自激震荡器，这就是时钟电路。 4) 存储器结构存储器结构 mcs-51 器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存 储器都可以 64k 寻址。程序存储器：如果 ea 引脚接地，程序读取只从外部存储 器开

10、始。对于 at89c52，如果 ea 接 vcc，程序读写先从内部存储器（地址为 0000h1fffh）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000hffffh。数据存储 器：at89s52 有 256 字节片内数据存储器。高 128 字节与特殊功能寄存器重叠。 也就是说高 128 字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当 一条指令访问高于 7fh 的地址时，寻址方式决定 cpu 访问高 128 字节 ram 还 是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（sfr） 。 2.1.2 mosfet mosfet,又称金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管。

11、要使增强型 n 沟道 mosfet 工作，要在 g、s 之间加正电压 vgs 及在 d、s 之间加正电压 vds，则产生正向工作电流 id。改变 vgs 的电压可控制工作电流 9 id。 若先不接 vgs(即 vgs0)，在 d 与 s 极之间加一正电压 vds，漏极 d 与衬底之间的 pn 结处于反向，因此漏源之间不能导电。如果在栅极 g 与源极 s 之间加一电压 vgs。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物 绝缘层作为电容器的介质。当加上 vgs 时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电 荷，而在绝缘层和 p 型衬底界面上感应出负电荷。这层感应的负电荷和 p 型衬 底中的多数载流子

12、(空穴)的极性相反，所以称为“反型层” ，这反型层有可能 将漏与源的两 n 型区连接起来形成导电沟道。当 vgs 电压太低时，感应出来的 负电荷较少，它将被 p 型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍 然无电流 id。当 vgs 增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的 n 区沟通 形成 n 沟道，这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压)，用符号 vt 表示(一般规定在 id10ua 时的 vgs 作为 vt)。当 vgs 继续增大，负电荷增 加，导电沟道扩大，电阻降低，id 也随之增加，并且呈较好线性关系，如图 4 所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为，改

13、变 vgs 来控制漏 源之间的电阻，达到控制 id 的作用。 由于这种结构在 vgs0 时，id0，称这种 mosfet 为增强型。另一类 mosfet，在 vgs0 时也有一定的 id(称为 idss)，这种 mosfet 称为耗尽型。它 的结构如图 5 所示，它的转移特性如图 6 所示。vp 为夹断电压(id0)。耗尽 型与增强型主要区别是在制造 sio2绝缘层中有大量的正离子，使在 p 型衬底的 界面上感应出较多的负电荷，即在两个 n 型区中间的 p 型硅内形成一 n 型硅薄 层而形成一导电沟道，所以在 vgs0 时，有 vds 作用时也有一定的 id(idss)； 当 vgs 有电压时

14、(可以是正电压或负电压)，改变感应的负电荷数量，从而改变 id 的大小。vp 为 id0 时的-vgs，称为夹断电压。mosfet 内部结构图如 2.2 所示。 图 2.2 mosfet 内部结构图 10 2.3 元器件清单 表 2.1 元器件清单 元器件个数 at89c521 片 直流电动机1 台 mosfet 1 个 发光二极管16 个 蜂鸣器1 个 按钮4 个 pnp 三极管（9012）3 个 晶体振荡器（12mhz）1 个 极性电容（22f）1 个 普通电容(1f)2 个 双面 pcb 板1 块 电感1 个 2 位共阳数码管1 块 电阻（470 欧、1k 欧、200 欧）8 个、2 个

15、、1 个 二极管1 个 11 第三章第三章 直流斩波软件系统的设计直流斩波软件系统的设计 3.1 设计课题 pwm 信号的单片机程序清单 org 0000h ljmp start org 000bh ljmp time1 org 001bh ljmp time2 org 0030h start: mov sp, #7fh mov psw,#00h mov tmod,#22h ;定时器 0 和 1，工作方式 2 setb ea setb et0 setb et1 mov th0,#215 ;定时器 0 初值 mov tl0,#215 mov th1,#95;定时器 1 初值 mov tl1,#9

16、5 mov r0,#40 mov r1,#200 mov r2,#160 setb tr0 12 js:lcall key jb 20h.0, jian1；按键判断 1 jb 20h.1, jian2；按键判断 2 ljmp js jian1:inc r0；键功能 1 加脉宽 inc r0 lcall chuli ljmp js jian2:dec r0；键功能 2 减脉宽 dec r0 lcall chuli ljmp js time1: cpl p1.2 clr tr0 setb tr1 reti time2:cpl p1.2 clr tr1 setb tr0 reti ;*键扫子程序部分

17、* key:lcall qushu jz exit mov b, 20h keysf:lcall qushu jz exit1 ljmp keysf exit1:mov 20h, b exit: ret qushu:push psw clr rs1 13 setb rs0 setb p1.0 setb p1.1 mov a, p1 cpl a anl a, #03h mov 20h, a pop psw ret chuli:mov a,#0ffh subb a,r0 mov th0,a mov tl0,a mov a,r1 subb a,r0 mov r2,a mov a,#0ffh subb

18、 a, r2 mov th1,a mov tl1,a ret end 将程序经过 keil 编译生成 hex 文件，导入到 proteus 的单片机芯片里面 从而进行仿真。 14 第四章第四章 仿真结果与分析 4.1 仿真结果 4.1.1 降压斩波电路仿真波形图 在参数设置完毕后即可以开始仿真。芯片加载软件 exe 文件后，立即开始 仿真。在需要观察的点上放置示波器，点击开始后弹出示波器窗口显示输出波 形，在仿真中通过示波器来观察仿真的结果。得到如图 4.1、图 4.2、图 4.3 所 示波形。 图 4.1 占空比 a 为 0.2 时的输出波形 图 4.2 占空比 a 为 0.5 时的输出波形

19、 15 图 4.3 占空比 a 为 0.8 时的输出波形 4.1.24.1.2 直流电机调速仿真 图 4.4 占空比 a 为 0.2 时直流电机调速仿真结果 16 图 4.5 占空比 a 为 0.5 时直流电机调速仿真结果 图 4.6 占空比 a 为 0.8 时直流电机调速仿真结果 4.2 仿真结果分析 当仿真开始运行时，各个模块处于运行状态，电机开始转动。分别按动按 17 钮 1、2 改变 pwm 脉冲时的占空比，从电压表的读数上可以看到电机的工作电压 改变，电机转动速度得到了调节。因此，从仿真结果可以看出，按动按键 1 时 脉宽增加，占空比 a 增加，电机两端的电压增大，电机转速增加；按动

20、按键 2 时脉宽减少，占空比 a 减少，电机两端的电压减小，电机转速减慢，本设计可 以得到预期的效果。 第五章第五章 心得体会心得体会 经过这段时间的努力，我终于完成了这次的课程设计。在设计过程中，我 查阅了很多资料，更深的了解了直流电动机的工作原理以及其调速方法。同时， 还了解了直流脉宽调速系统的工作原理。设计过程中出现了很多问题，比如基 础知识掌握的不够牢靠，细节掌握的不够好，但在同学的鼓励和自己的努力下 尽力完成了设计。 通过本次课程设计，我学到了许多书本上无法学到的知识，也使我深刻体 会到电力电子技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的知识有了更多的巩固， 同时也让我对这门课程产生了更浓厚的兴趣。设计的初期阶段，难度很大，无 从下手，通过查阅书籍、搜索网站、询问同学，终于迈出了一步又一步。整个 设计过程中，不仅能学到很多电机调速相关的知识，还培养了自学能力，这对 我们今后的学习与工作有很大的帮助。 只有通过自己亲手制作才能知道自己的不足，在这过程中我能感受到自己 在一些能力方面的欠缺，并希望自己以后能通过努力去改善这一情况。 18 参考文献 1 翟玉文，梁伟，艾学忠