直流电动机脉宽调速控制系统的设计

1、课题名称直流电动机脉有调谏系统设计及实现专 业 电气工程及其自动化班 级电气班学生姓名夏恿学 号46指导教师吴牛彪一：设计原理1 .系统设计原理脉宽调制技术是利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，PW肺制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所 需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制， 既可改变逆变电路输出电 压的大小，也可改变输出频率。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为Ua Ia Ra n Ce（1）式

2、中Ua电枢供电电压（V ;Ia电枢电流（A）；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 R3三个参量都可以成为变量，只要改变 其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法： （1）改变电枢回路总电阻Ra； ; （2）改变电枢供电电压Ua； （3）改变励磁磁通下图为PMW（流电机设计框图基本原理脉冲宽度调制（PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用， 方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行 编码。PWM1号仍然是数字的，因为在给

3、定的任何时刻，满幅值的直流供电要么 完全有（ON）,要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复 脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候， 断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM4行编码。简而言之，就是用改变电机电枢 （定子 ） 电压的接通和断开的时间比 （ 占 空比 ） 来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电 机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机 的速度达到并保持一稳定值。3. 直流电机 PWM 调速基本原理PWMJ式是在大功率开关晶体管的基极

4、上，加上脉冲宽度可调的方波电压， 控制开关管的导通时间t,改变占空比，达到控制目的。图1是直流PW源统原 理框图。这是一个双闭环系统，有电流环和速度环。在此系统中有两个调节器， 分别调节转速和电流， 二者之间实行串级连接， 即以转速调节器的输出作为电流 调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWMJ控制电压。核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。控制部分采用SG1525（脉宽调制芯片SG1525M有欠压锁定、故障关闭和软起动等功能 , 因而在中小功率电源和电机调速等方面应用较 广泛。SG152腿电压型才5制芯片，利用电压反馈的方法控制PWM&号的占空比， 整个电路成为双极点系统的控制问题 ,

5、简化了补偿网络的设计。）集成控制器产 生两路互补的PW嘛冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。为了获得良好的动、静态品质，调节 器采用 PI 调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测 装置对电流环进行检测， 转速还则是采用了测速电机进行检测， 能达到比较理想 的检测效果。驱动电路 aNNMM PWM调节器Ufj 电流反馈直流斩波器速，度反黄图1 直流电动机PW陈统原理图二：方案选择及论证1方案选择改变电枢回路电阻调速可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为n=U-【I（R+Rw）】 /Ke （2）式中Rw为电枢

6、回路中的外接电阻（Q）。当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=（Ra+Rw） 增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低， 故现在这种调速方法已极少采用，本次设计不采用。改变励磁电流调速当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1-1可看出， 电动机的转速与磁通（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速 n升 高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩 Te是磁通中和电枢电流Ia 的乘积（即Te=CT Ia ）,电枢电流不变时，随着磁通中的减小，其转速升高， 转

7、矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通的减小，其 转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才 采用这种调速方法。本次设计不采用。采用PWM控制的调速方法图2为PW除压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图 2a中，假定晶体管V1先导通T1,秒（忽略V1的管压降，这期间电源电压 Ud全部加到电枢 上），然后关断T2秒（这期间电枢端电压为零）。如此反复，则电枢端电压波形如 图1b中所示。电动机电枢端电压 Ua为其平均值。图2 PWM降

8、压斩波器原理电路及输出电压波形a）原理图b）输出电压波形UaUdT1UdTi T2TUd式（3）中(4)为一个周期T中，晶体管V1导通时间的比率，称为负载率或占空比。 使用下面三种方法中的任何一种， 都可以改变 的值，从而达到调压的目的： （1） 定宽调频法：T1保持一定，使T2在08范围内变化；（2）调宽调频法：T2保持一定，使T1在08范围内变化（3）定频调宽法：T1+T2=T保持一定，使T,在0T范围内变化。不管哪种方法，的变化范围均为0& 01,因而电枢电压平均值Ua 的调节范围为0Ud,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

9、可逆调速时，就要 使用图13a所示的桥式（或称H型）降压斩波电路。在图3a中，晶体管VI、V4是同时导通同时关断的，V2、V3也是同时 导通同时关断的，但 V1与V2、V3与V4都不允许同时导通，否则电源 Ud直 通短路。设VI、V4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间（为避免电源直通短路。该间隔时间称为死区时问）之后，再使V2、V3同时导通T2秒后同 时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图 2b所示。图3桥式PWMf压斩波器原理电路及输出电压波形 a）原理图b）输出电压波形电动机电枢端电压的平均值为U Sa Ti T2T1Ud (2； 1)Ud (21)Ud由于0& 24心2221

10、lJSKN而ALEJI1由IXJ)lKKStCrX2XIr271，如国“1”*174TOP7 2Tl1 4 3r?2I1?!iwmINTIp旧VI7IN%1JI6PfltfPISPM14ro.ir(2V12p 口 iniIWno41汽1SLVPH4 EIfi S17 11r bj_三?OO-t J*G的肃MIR) M -SIri.4jJ，iNl1鎏邨中军州2单片机最小系统部分本次设计中主要应用了 8051单片机，由最小单片机系统组成，并将单片机 的口作为输出口，输出占空比不同的矩形波，供给后续驱动电路部分，在单片机 的外围扩展了两个按键，K1作为加速按键，K2作为减速按键，进行调速控制。 3驱

11、动电路部分驱动部分主要由用的光电耦合器和MOSFET&成，由单片机的口提供的信号，P26当为高电平时，发光管导通，光电耦合器输出低电平，MOSFET闭，回路关闭。当P26 口为低电平时，发光管关闭，光电耦合器输出为高电平，MOSFET打开，回路导通。4电源部分电源部分采用的是三端稳压器 7805,输入由AC-DC变压器提供+9V直流电， 经7805稳压，由电容滤波，输出+5V电压，为单片机提供工作电四：程序1程序设计思想当按keyl键时，电压升高，转速上升，当按key2键时，电压下降，转速下 降;定时器1中断用来产生周期为1ms的脉宽信号，定时器每次中断后改变下一 次的定时设置，设置值由按键决

12、定，按 key1,高脉宽定时时间加大，按 key2, 低脉宽定时时间增大，每次变化 10uS。2程序框图3 程序代码ORG0000HAJMP MAINORG001BHAJMP INTT1ORG0100HMAIN: MOV60H,#0FEH / 存放高电平的脉宽时间，定时500usMOV61H,#0CHMOV62H,#0FEHMOV63H,#0CH /存放低电平的脉宽时间，定时 500us,刚开始时，高低电平各为50，此时电压为输入电压的一半，电机此时的转速为最低。调速设定为向上调节，即按加键时转速上升，此时按减键，转速不变。CLRMOVTMOD,#10H/ 定时器 1 用来产生脉宽，周期固定为

13、1mS，MOVTH1,60HMOVTL1,61HSETB EASETB ET1SETB PT1SETB TR1SETBREADKEY:SETBCLRJNB,DELAYJNB,DELAYAJMP READKEYDELAY:LCALL DL10MS ;去抖SETBCLRJNB,HAVEKEY1 / 假设电路板接两个键， 分别为 key1 和 key2， key1 为脉宽增加， key2 为脉宽减小JNB,HAVEKEY2AJMP READKEYHAVEKEY1:MOVA,61H是加键，60H61Hffl减小，高电平脉宽增加，62H63H增大，低电平时间减小CLRCSUBB A,#0AHMOV61H

14、,AMOVA,60HSUBB A,#00HMOV60H,ACLRCMOVA,63HADDA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HADDC A,#00HMOV62H,AMOVR2,60HMOVR3,61HMOVR6,#0FCHMOVR7,#18HLCALL NSUB1JNCCONTINUMOV60H,#0FCH 超出调速范围，即高脉宽大于 1ms溢出了，则保持此 数值MOV61H,#18HMOV62H,#0FFHMOV63H,#0FBHCONTINU:AJMPNOTXSHAVEKEY2:MOVA,63H/是减键，60H61Hffl增加，高电平脉宽减小，62H63H减小，低电平时间增大CLRC

15、SUBB A,#0AHMOV63H,AMOVA,62HSUBB A,#00HMOV62H,ACLRCMOVA,61HADDA,#0AH MOV61H,A MOVA,60H ADDC A,#00H MOV60H,A MOVR2,62H MOVR3,63H MOVR6,#0FDH;#0FCH / 考虑到低电平过多，电压很低，电机无法运行， 所以设定低电平最长保持 700us,高电平最少300us MOVR7,#44H;#18H /0FC18 是低电平保持1ms,高电平几乎为 0的情 况，这种情况输出电压几乎为0，电机停止LCALL NSUB1 JNCNOTXS MOV60H,#0FEH /高电平最

16、少保持300us,低电平最大700us MOV61H,#0D4H MOV62H,#0FDH MOV63H,#44HNOTXS:LJMP READKEYRET / 双字节减法子程序，功能：( R2R3)-(R6R7)R4R5NSUB1:MOVA,R3CLRCSUBB A,R7 MOVR5,A MOVA,R2 SUBB A,R6 MOVR4,A RET /定时器1中断，总周期20ms,其中高电平时间由6061h决定, 低电平时间由6263h确定。定时的时间由键盘设定，按加键60H61H5次设定减小500uS的时间，使高电平时间增加，按减键 62H63的次设定减少500uS的时 间，高电平时间减小INTT1: PUSH PSW PUSH ACC SETB RS0CLRRS1JNB20H,XGTHTLCLR20HMOTH1,62HMOTL1,63HSETBAJMP RETIENDXGTHTL: SETB 20HMOTH1,60HMOTL1,61HCLRRETIEND:POPACCPOPPSWRETIDL10MS: MOVR6,#30DDCWMM。次7,#0FAHDCWM:DJNZ R7,DCWMDJNZ R6,DDCWMRETEND参考文献计算机控制技术 机械工业