可逆直流PWM调速控制系统的仿真与设计

1、摘要直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的范 围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。本文设计的直流电机调速系统，主要用proteus仿真，实现电机的加减速和正反转 以及控制超调量和稳态误差等要求。采用L298N芯片来设计电机驱动电路。用LM331来 实现电压频率转换。在仿真中加上PI调节和三角波比较环节来进行直流PWM调速控制 系统。关键词：直流电机；调速控制系统；驱动电路。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 摘要I目录II HYPERLINK l bookmark10 o

2、 Current Document 1前言12设计基本内容12.1设计题目1 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 2.2主要内容1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.3具体要求13电路设计 23.1设计基本框图2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3.2电机正反转模块2 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 3.3电机加减速模块33.4驱动电路模块33.5频电转换模块5 HYPERLINK l bo

3、okmark39 o Current Document 3.6PI调节及三角波比较模块7 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 4仿真结果7 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 5总结体会9 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 参考文献10 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 致谢11仿真原理图121 前言电动机作为最主要的动力源和运动源之一，在生产和生活中占有十分重要的地位。 电动机的调速控制方法过去多用

4、模拟法，随着单片机的产生和发展以及新型自关断元器 件的不断涌现，电动机的控制也发生了深刻的变化。直流电动机控制技术是一项以直流电动机作为机械本体，融入了电力电子技术、微 电子技术、单片机控制技术和传感器技术的多学科交叉机电一体化技术。单片机在电动 机控制中的应用使调速系统具有了数值运算、逻辑判断及信息处理的功能。自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用全控型的开关功率元件进行脉宽 调制的控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系 统，或直流PWM调速系统。PWM系统在很多方面有较大的优越性：主电路线路非常 简单，需要用到的功率器件比较少；开关频率比较高，电机损耗

5、及发热都比较少，电流 很容易连续，并且谐波少；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗比较小，装置效率 比较高；低速性能比较好，调速范围比较宽，稳速精度比较高；若与快速响应的电动机 配合，则系统频带宽，动态响应比较快，动态抗干扰能力强；直流电源采用不控整流时， 电网功率因数比相控整流器高。由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高 动态性能系统中，已经完全取代了其他调速系统，这是我们选取它作为研究对象的重要 原因。2设计基本内容2.1设计题目可逆直流PWM调速控制系统的仿真与设计（电源采用直流电源L298N）2.2主要内容控制算法采用PI,完成满足一定性能指标的直流P

6、WM调速控制系统的方案设计。 在此基础上，应用集成开发工具proteus并结合电学知识完成相应调速控制与功放系统 的电路原理设计与仿真。2.3具体要求利用protus完成控制系统与功放系统的电路原理设计，并用protus仿真：（1）单位阶跃响应的超调量小于20%；（2）稳态误差为0；利用proteus完成控制系统与功放系统的电路原理设计，并利用proteus仿 真；仿真能实现电机的正反转，加减速。3 .电路设计3.1设计基本框图总体流程图电路图中驱动电路模块中采用L298N芯片，频电转换电路中采用LM331芯片。PI调节 器用来调节误差。3.2电机正反转模块在图中SW2为正转按键，SW3为反转

7、按键。将SW2和SW3分别接在来L298N的 输入端1（IN1）和输入端2（IN2）分别控制电机的正反转。3.3电机加减速模块L298是SGS（通标标准技术服务有限公司） 封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动 即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。CUHKLNl StMSlMGBOUTPUT OUTPUTSINFUT4LNAL1LL 日INPUTSLOGIC SUPPLY VOLTAGE vbSGMDihipin- 2LNABLL AINPUT JSUPPLY VQLTAOt VsXJTPUT2CftJWT 1CUFURLNT

8、 SEtMSHNG A散热片与8脚连通L298N的引脚排列图L298N的引脚9为LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss，即逻辑供应电压。引脚4为SUPPLY VOLTAGE Vs，即驱动部分输入电压。Vss电压要求输入最小电压为4.5V，最大可达36V； Vs电压最大值也是36V，但经过我的实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出 现失控现象。它的引脚2, 3，13，14为L298N芯片输入到电动机的输出端，其中引脚 2和3能控制两相电机，对于直流电动机，即可控制一个电动机。同理，引脚13和14 也可控制一个直流电动机。引脚6和11脚为电动机的使能接线脚。引脚5, 7, 10，

9、12 为单片机输入到L298N芯片的输入引脚。EN A （B）IN1 （IN3）IN2 （IN4）电机运行情况HHL正转HLH反转H同 IN2CIN4）同 INKIN3）快速停止LXX停止L298N使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系表控制使能引脚ENA或者ENB就可以实现PWM脉宽速度调整。1脚和15脚可单独引 出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可以直接接地。在可设计中就将它们直 接接地。L298N是内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器可驱动46v,2A以下电 机,1和15脚可单独引出接电流采样电阻器,形成电流传感信号.接错无法控制电机.引脚8 为芯片的接地引脚，它与L298N芯片

10、的散热片连接在一起。由于本芯片的工作电流比 较大，发热量也比较大，所以在本芯片的散热片上又连接了一块铝合金，以增大它的散 热面积。根据L298N工作原理及管脚特性可以连接电机的驱动电路如下图：3.5频电转换电路LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成 芯片，可用作精密频率电 压转换器、A/ D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。 LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V 电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB ;线性度好，最 大非线性失真小于0.01%，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高,

11、数 字分辨率可达12位；外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或 F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。2引脚号引脚名功能OIRREST | 叫脚72-明1Current Output电流输出韭FE心毛2CUKKEHT唤阳yi OUTPUT2_ COMPARATOR2Ref Current基准电流:LJ331IKPin3Frequency Output频率输出tHESffilJO&4-GND接地_5RJC接RC定时电路掀LM招1南楷髀图/ -6Thresholod阚值nDJ331器件管脚囹07Comparator Input比粒输入8VS电源nLM331管脚器件管脚图及管脚功能

12、电路中的电频转换图在这一部分将电机输出的转速也就是电流频率通过电频转换电路转换成电压，在送回到 PI调节中，与给定值电压相比较。3.6 PI调节及三角波比较模块在这部分中，PID调节中，设置参数P=10，I=5,D=0。三角波发生器中频率调节为60， 幅值调节为5.1。4仿真结果在给定输入值为1的情况下，仿真结果如下图：5总结体会本次是对可逆直流PWM调速控制系统设计与仿真，要求能实现控制电机的正反 转和加减速，以及单位阶跃响应的超调量小于20%和稳态误差为0等要求。通过本次设计，使我能够充分的把握理论与实践的结合。在这次设计中，我了 解了 L298N芯片及其驱动电路，LM331及其电压频率转

13、换电路的知识。在本设计中 我们不但要运用电机理论知识，还要充分运用proteus、电路、电力电子等方面的 知识，使我们所学过的知识进行综合的应用。增强了我对所学知识进行综合应用的 能力，从而达到学以致用的目的。通过这次设计我扩展了知识面，各门课程综合应用，收益颇多，使我对直流调 速系统的控制有了更深的认识。但由于理论水平有限，仍有许多不足之处有待解决。 总之，在设计过程中，我不仅在知识上有了进一步的巩固，而且学会了独立的去发 现、面对、分析、解决新问题的能力，在学到了知识的同时，又锻炼了自己的能力， 使我受益匪浅。参考文献黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真M.北京：国防工业出版社，2004R.C.多尔夫.现代控制系统（英文版 第十版）M.北京：科学出版社，2005董景新.控制工程基础M.北京：清华大学出版社，2003张世铭，王振和.直流调速系统M.武汉:华中理工大学出版社.2008冯清秀，邓星钟.机电传动控制（第五版）.武汉：华中科技大学出版社.2012陈伯石.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，2003.张靖武.单片机系统的PROTEUS设计与仿真M.北京：电子工业出版社，