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1、中国计量学院现代科技学院电气工程课程设计设计题目：PWM控制的直流电动机调速系统设计1、前言近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪
2、声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。2、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，PWM控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
3、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 （1）式中 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（）； 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、Ra、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
4、)改变励磁磁通。4、方案选择及论证 4.1、方案选择4.1.1、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为电枢回路中的外接电阻（）。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。4.1.2、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）
5、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是磁通和电枢电流Ia的乘积（即Te=CTIa），电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。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。4.1.3、采用PWM控制的调速方法图1为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图1a中，假定晶体管V1先导通T1，秒(忽略V
6、1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1 PWM降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 (3)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0范围内变化； (2)调宽调频法：T2保持一定，使T1在0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
7、l，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，即可逆调速时，就要使用图12a所示的桥式(或称H型)降压斩波电路。 在图2a中，晶体管V1、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V1、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2 桥式PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形a)原
8、理图 b)输出电压波形电动机电枢端电压的平均值为 (4)由于01，Ua值的范围是 -Ud+Ud，因而电动机可以在正、反两个方向调速运转。 图3给出了两种PWM斩波电路的电枢电压平均值的特性曲线。图3两种斩波器的输出电压特性4.2、元器件的选择比较4.2.1、基于IGBT和 MOSFET功率管的驱动电路设计的比较IGBT驱动电路能驱动大型的功率设备，但价格高。MOSFET能驱动较大的功率设备，价格比IGBT低很多。本课程设计是驱动小功率直流电动机，可以用IGBT和 MOSFET功率管的驱动电路设计。但电动机功率仅为100W，所以本课程设计采用MOSFET管来进行控制。功率场效应管(MOSFET)
9、与双极型功率相比具有如下特点：1场效应管(MOSFET)是电压控制型器件(双极型是电流控制型器件)，因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；2输入阻抗高，可达108以上；3工作频率范围宽，开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒)，开关损耗小；4有较优良的线性区，并且场效应管(MOSFET)的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，最合适制作Hi-Fi音响；5功率场效应管(MOSFET)可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。4.2.2、 89S52单片机52单片机价格便宜，使用简单、方便，功能较齐全，能够达到控制本电路的要求。所本本课程设计采用89S52
10、单片机。4.2.2、 光耦隔离开关光耦隔离开关是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电光电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。4.2.3、 7805稳压管7805能使输入电压（正常条件7-25伏）转化为5伏左右输出，供光耦隔离开关发光部分及单片机等供电。价格便宜，使用方便。4.2.4 IRF740 MOSFET功率管1管脚（G）接输入信号，2管脚（s）接地，3管脚（D）接电压源。 图4 IRF740示意图 图5 IRF740
11、主要参数4.2.5、 直流电机参数额定转速1600r/min，额定电压220V。5、系统电路总设计图6 总体电路原理图 本次课程设计采用定频调宽法：T1+T2保持一定，使T1在0T范围内变化来改变a的值从而达到调压的目的。以89S51单片机系统和7805稳压电源系统以及光电耦合MOSFET部分组成。由键盘K1和K2发出指令，单片机处理后经P26口发出矩形波，通过占空比的调节达到电机调速的目的。当按下key1按键时，IRF740MOSFET功率管1脚的高电平占空比增大，电枢电压增大，电机转速增大；当按下key2按键时，IRF740MOSFET功率管1脚的高电平占空比减小，电枢电压减小，电机转速减
12、小。从而通过单片机达到简单调速的目的。5.1、单片机最小系统部分图7 最小单片机系统本次设计中主要应用了89S51单片机，由最小单片机系统组成，并将单片机的P26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。5.2、驱动电路部分图8驱动电路驱动部分主要由用的光电耦合器和MOSFET组成，由单片机的P26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关闭，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。5.3、电源部分图9
13、电源电路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源。实验数据记录 答辩时得知数据有偏差，但确实为实验实测数据。附录有图。转速和电压的关系序号1234转速（VPM）11931073906717电压（V）169152.3129.1102.4 6、硬件调试过程 由于我在实习的缘故，调试过程主要由叶秋平完成，调试的过程中得到了杨成安同学的大力帮助，调试工程中出现了一个问题：电机转速快，不能调速。经过大家商量，大致的调试步骤如下：用示波器检测检查电路1.使用按键，示波器检测MOSFET功率管1脚，发现其占空
14、比能改变。2.检测P2.6，光耦隔离开关发射端A脚，接受端C脚，波形正常。然后检测MOSFET功率管1脚的波形，发现其低电平为1v左右,高电平为13v左右。3.最后猜想可能是1V的电平也可能使MOSFET功率管导通，于是减小MOSFET功率管3脚的电压，把其改为5V。用示波器测量1脚电压，显示方波的低电平为0.2v左右,高电平5v左右。最后按下按键能控制电机转速。原因分析：MOSFET功率管3脚的输入电压过高时,在前面电路的影响下其低电平电压会偏高，从而导通IRF740MOSFET功率管。解决方法：降低MOSFET功率管3脚的输入电压，可降至5V7、设计总结体会这一次的课程设计让我学到了不少的
15、东西，由于有前几次的经验，这次课程设计应该来说还是比较顺利的，由于我和胡佳春在实习，平时比较忙，许多准备工作都是*在做，自己对课程设计所花时间不多，以至于给后面的答辩和论文写作方面带来了很多的麻烦。从原理图的设计，电路板的焊接到写课程设计论文，在这个过程中我们也遇到了很多的困难，如成员间分工不明确，程序大家都不熟悉等。这次课程设计给我最大的体会就是有很多东西如果不是自己亲自动手，只在书本上是学不到的，设计初期要考虑周到，否则后期会带来很多不必要的麻烦。虽然可能会多花一些时间，但这比空想要有效的多。做事情一定要细心，更要耐心，遇到问题要慢慢去检查，然后仔细分析后再解决；除此之外，还要有合作精神，注重团队合作，和合作者一起做，相互鼓励，互相弥补不足之处，很多难点的突破都来自于
