PWM控制的直流电动机调速系统设计

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2、0102010 年年 1 1 月月 5 5 日日成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （PWM 控制的直流电动机调速系统设计）成都电子机械高等专科学校成教院成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书题目：题目： PWMPWM 控制的直流电动机调速系统设计控制的直流电动机调速系统设计任务与要求：任务与要求：此处要填写时间：时间： 2010 年 11 月 25 日 至 2011 年 1 月 10 日 共 6 周教教 学学 点：点： 重庆科创职业学院重庆科创职业学院学生姓名：学生姓名： 彭红松彭红松 学学 号：号： 20081561372008156137专

3、业：专业： 机电一体化技术机电一体化技术指导单位或教研室：指导单位或教研室： 重庆科创职业学院重庆科创职业学院 指导教师：指导教师： 罗玉龙罗玉龙 职职 称：称： 老师老师成都电子机械高等专科学校成教院制成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （PWM 控制的直流电动机调速系统设计）毕业设计毕业设计( (论文论文) )进度计划表进度计划表日日 期期工工 作作 内内 容容执执 行行 情情 况况指导教师指导教师 签签 字字4 月 15 日 至 4 月 20 日准备良好*教师对进教师对进 度计划实度计划实 施情况总施情况总 评评签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。成都电子机械

4、高等专科学校成教院毕业论文（设计） （PWM 控制的直流电动机调速系统设计）摘 要采用单片机构成的直流电机数字 PWM 调速系统，其控制核心主要由单片机、转速电流输入通道、键盘显示模块、数字 PI 调节器、数字 PWM 波形发生器等组成，可实时采集转速和电流，由软件编程实现转速电流数字 PI 调节器的运算并产生数字 PWM 波。系统通过对电流和转速两个参数的实时采集和处理，实现了直流电动机的实时数字 PWM 控制，在运行中获得了良好的动静态性能。由于系统结构简单，具有实用价值和推广意义。关键词：单片机，调速，直流电动机，数字 PWM 控制成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计） （凸轮机

5、构的设计与实践）2Adopts single-chip computers.the dc motor speed system, its digital PWM control core mainly by MCU, speed current input channel, keyboard display module, digital PI adjuster, digital PWM waveform generator etc, can collect real-time speed and current, by software programming realize speed c

6、urrent digital PI adjuster calculations and create a digital PWM waves. System based on current and speed two parameters of the real-time data acquisition and processing, realize the real-time digital dc machines in operation of PWM control, gained good dynamic and static performance. Due to the sys

7、tem structure is simple, practical and popularized significance. Keywords: microcontroller, speed, dc machines, digital PWM control 成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计）3第一章 绪论第一节 PWM 控制的直流电动机调速系统简介近年来，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

8、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

9、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。第二节 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成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计）4（1）aaaeUIRnC式中 U

10、a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)改变励磁磁通 。第二章 方案选择及论证第一节 方案选择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

11、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。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）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 和电枢电成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计）5流 Ia 的乘积（即 Te=CTIa） ，电枢电流不变时，

12、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。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 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

13、 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)1112adddTTUUUUTTT式(3)中（4）1112TT TTT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。成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计）6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

14、变化范围均为 0l，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)原理图 b)输出电压波形电动机电枢端电压的平均值为(4)12112(21)(21)adddTTTUUUUTTT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。( )aUf成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（设计）7图 3 两种斩波器的输出电压特性第二节 元器件的选择比较2.1、基于