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1、目录1一、前言2二、设计任务-2-三、设计原理23.1电机调速原理23.2 H桥功率驱动原理33.3 IR2111外围电路及器件选择43.4 IR2111死区延迟特性4四、方案与论证4五、设计内容5.1系统框图和设计原理图5.2软件设计流程图78.1 PWM波形在线仿真效果图88.2 PWM驱动电机调速PCB图98.3 PWM驱动电机调速程序10一、前言长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优界的控制性能等特点成为大多数 变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域, 高开关频率、全控型第二代电力半导体器件（GTR、GTO、MOSFET、IGBT等）的发展，以 及脉宽
2、调制（PWM）直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。为适应小型直流电 机的使用需求，各半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路，构成基于微处理 器控制的直流电机伺服系统。但是，专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率 有限，不适合大功率直流电机驱动需求。因此采用N沟道增强型场效应管构建H桥, 实现大功率直流电机驱动控制。该驱动电路能够满足各种类型直流电机需求，并具 有快速、精确、高效、低功耗等特点，可直接与微处理器接口，可应用PWM技术实现 直流电机调速控制。二、设计任务1. 设计电机驱动电路，使用PROTEL绘制岀电路原理图和PCB,并制作出实物, 焊接并调试，确保硬件无误。2. 使用
3、LM3S8962实验板配合自己设计的电机驱动模块，编写程序驱动直流电 机。要求具备直流电机调试、正反转、其中，电机正反转状态和当前的转速（档位） 通过LM3S8962实验板上的液晶模块（LCD1602）显示。3. 撰写设计报告，要求具备摘要、软硬件设计方案、系统框图、程序流程图、 总结等相关内容。三、设计原理3.1电机调速原理直流电机PWM调速的基本原理图如图1。可控开关S以固定的周期重复地接通和断 开，当开关S接通时，直流供电电源U通过开关S施加到直流电机两端，电机在电源作 用下转动，同时电机电枢电感储存能量；当开关S断开时，供电电源停止向电动机提 供能量，但此时电枢电感所储存的能量将通过续
4、流二极管VD使电机电枢电流继续维 持，电枢电流仍然产生电磁转矩使得电机继续旋转。开关S重复动作时，在电机电枢 两端就形成了一系列的电压脉冲波形，如图3-1所示。电枢电压平均值的理论计算式为：(1)U（n, = U=aU其中：a为占空比，即导通时间与脉冲周期之比。由式（1）可知，平均电压由占空比及电源电压决定，保持开关频率恒定，改变占空 比能够相应地改变平均电压，从而实现了直流电动机的调压调速。图3-1电机调速原理图3.2 H桥功率驱动原理直流电机驱动使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路方便地实现直 流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。H桥功率驱动原 理图如图3-
5、2所示。S1 衣 D1D2 些 S4D4衣 S2/图3-2 H桥功率驱动原理图H型全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，SI、S2为一组，S3、S4 为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、 S4关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当S3、S4导通时，S1、 S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。实际控制中，需要不断地使 电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在SI、S2导通且S3、 S4关断到SI、S2关断且S3、S4导通这两种状态间转换。这种情况理论上要求两组 控制信号完全互补，但是由于实际的开关器件都
6、存在导通和关断时间，绝对的互补 控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协 同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，而实际必须相差一个足够长的 死区时间，这个校正过程既可通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增 加延时，也可通过软件实现。图3-2中、4只开关管为续流二极管，可为线圈绕组提 供续流回路。当电机正常运行时，驱动电流通过主开关管流过电机。当电机处于制 动状态时，电机工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就 会发热，严重时其至烧毁。3.3 IR2111外围电路及器件选择IR2111外围电路如下图3-3所示。单片机输岀的PWM信
7、号经光耦PC817后，输出至 IR2111输入端，此处的光耦对PWM信号起到隔离、电平转换和功率放大的作用。图5 中，Rl、R2为光耦上拉电阻，其值根据所用光耦的输入和输出的电流参数决定；C1 为电源滤波电容，C2为自举电容，D1为自举二极管，R3、R4为栅极驱动电阻。图3-3 IR2111驱动功率MOSFET电路3.4 IR2111死区延迟特性实际控制中，需要不断地使电机在正转和反转之间切换，也就是在QI、Q4导通 且Q2、Q3关断到QI、Q4关断且Q2、Q3导通这两种状态间转换。这种情况理论上要求 两组控制信号完全互补，但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间，绝对的 互补控制逻辑会导致
8、上下桥臂直通短路。为了避免直通短路且保证各个开关管动作 的协同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，而实际必须相差一个足够 长的死区时间，即保证在某一功率器件导通的同时，同桥臂的功率器件可靠的截止, 防止桥臂直通短路oIR2111内部通过逻辑门器件实现了死区时间的延迟，即由IR21U 高端和低端输出的波形如图3-4所示。其中，DT即为定义的死区时间，IR21U典型死 区时间是700ns o图3-4 IR2111死区延时特性四、方案与论证该程序中一共七个模块：模块一：主程序；模块二：按键中断服务子程序；模块三：显示子程序；用LCD来进行显示；模块三_1： LCD显示初始化头文件（h文件）：
9、 模块三_2：显示电机正反转（用D来表示）子程序；模块三_3：显示电机转速的的当前档位（用S来表示）子程序; 模块四：KEY1 （PC4）键设置电机正反转；模块五：KEY2 （PC5）键，控制电机2档（高速）的调节：模块六：KEY3 （PC6）键，控制电机1档（低速）的调节：模块七：KEY4 （PC7）键，控制电机0档（制动）的调节；五、设计内容5.1系统框图和设计原理图5-1.1设计框图：5.1.2设计原理图:图5-1 H桥驱动电机电路图图5-2半桥驱动电路图5.2软件设计流程图六、总结电子设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻 炼实践能力的重要环节,是对学生实际
10、工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新日界，电子产品已在我们的生活中扮演着越来越重要 的作用，然而，要让这些功能复杂的电子产品给我们带来帮助，直流电机的应用是 日常生活和工业运用不可或缺的。回顾起此次直流电机的课程设计，我仍感慨颇多。 从选题到定稿，从理论到实践，在接近二星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但 是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到 了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我师得了理论与实际相 结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结 合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手能
11、力和独立思考的能力。 在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到 过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的 知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。总之，这次嵌入式的课程设计可以说是一场“及时雨”，通过发现问题、而对问 题和解决问题的过程让我的实践能力得到了提升。在这次的直流直流电机的设计中, 碰到过许多困难的时候，龚老师给了我非常大的帮助，他交给了我们很多课堂上学 不到的东西，非常感谢龚老师的帮助。七、参考文献11孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用.北京：中国电力出版社，2008.2 徐德鸿现代电力电子器件原理与应用技术.北京：
12、机械工业出版社，2008.3 周志敏，周纪海，纪爱华.IGBT和IPM及其应用电路M.北京：人民邮电出版 社，2006.4 袁涛.H桥功率驱动电路的设计研究D.电子科技大学，2006.5 宋健，姜军生，赵文亮等.基于单片机的直流电动机PWM调速系统J.农机化 研究,2006, 1 (1)： 102-103.6 梁亦钳，王正茂，何涛.全数字直流电机调速系统的原理及数学模型J.中小 型电机，2001, 28 (6)八、附录8.1 PWM波形在线仿真效果图图8-1电机正转低速PWM仿真图图8-2电机正转高速PWM仿真图图8-3电机反转低速PWM仿真图E9/ 次-图8-4电机反转高速PWM仿真图8.2
13、 PWM驱动电机调速PCB图图8-5 H桥驱动直流电机PCB图图8-6板桥驱动电路PCB图8.3 PWM驱动电机调速程序&3.1 PWM控制电机调速C文件#includeunsigned long TheSysClock= 12000000UL;#includenlcdinit.hn牡define PB0_PWM2 GPIO_PIN_0/PWM2、产生正转信号#deflne PB1_PWM3 GPIO_PIN_1/PWM3、产生反转信号define KEY PERIPH SYSCTL PERIPH GPIOCdefine KEY PORTdefine KEY! PINdefine KEY2 P
14、INdefine KEY3 PINdefine KEY4 PINGPIO_PORTC_BASE正反转切换2档1档制动GPIO PIN 4GPIO PIN 5GPIO PIN 6GPIO PIN 7/设置LDO输出电压/系统时钟设置/采用主振荡器unsigned int flag,value.D,S;，伸* 未未 *）!（未 *）!（未未 *）!（未 *）!（未未 *）!（未未 *）!（未未 *）!（未未 * 未*（未 *）!（未（未未void clocklmt（void）SysCtlLDOSet（SYSCTL_LDO_2_50V）;SysCtlClockSet（SYSCTL_USE_OSC |SYSCTL_OSC_MAIN |SYSCTL_XTAL_6MHZSYSCTL_SYSDIV_1);TheSysClock = SysCtlClockGetQ;/外接6MHz晶振/不分频/获取当前的系统时钟频率void
