直流电动机数字PWM调速系统设计

文章编号:1008-1658(2000)04-0044-05

直流电动机数字PWM 调速系统设计

张晓青

(北京机械工业学院　机电工程系,　北京100085)

摘 要:采用单片机构成的直流电动机数字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,可采集实时转速值和电流值,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 波形输出。系统采用双H 桥PWM 驱动器芯片L298作为直流电动机的供电主回路,L298的基极驱动由4片UAA4002集成电路实现。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。由于系统性价比高,结构简单,具有实用价值和推广意义。

关　键　词:直流电动机;单片机;数字PWM 控制

中图分类号:TM 921.5 文献标识码:A

1　系统简介

直流电动机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;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之

一。采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于单片机性能优越,具有较佳的性能价格比,所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。

PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点[1]: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。

本文所介绍的系统就是一个采用典型的双闭环调速原理组成的单片机PWM 调速系统。它控制的对象是55LCX -1型永磁式直流力矩电动机,主要技术指标如下:峰值堵转转矩为0.4N ・m ,峰值堵转电流为4.1A ,峰值堵转电压为27V ,连续堵转电流为1.37A ,最大转速为2000r/min 。本系统主要由直流电动机主回路和单片机控制器组成,其原理框图如图1所示。该直流力矩电动机直接由L298双H 桥PWM 驱动器驱动,基极驱动电路包括4片UAA4002集成电路。单片机控制器主要由8031单片机、键盘显示模块、转速电流输入通道、数字PWM 收稿日期:2000-10-09

作者简介:张晓青(1967-),女,湖北省恩施市人,北京机械工业学院机电工程系讲师,硕士,主要从事测控及电子技术方向

的研究。

第15卷　第4期2000年12月 北京机械工业学院学报Journal of Beijing Institute of Machinery Vol.15　No.4Dec.2000

图1　系统原理框图

波形发生器、数字PI 调节器组成,其主要功能是:采集实时转速值和电流值,构成转速、电流双闭环;采用软件编程实现转速、电流两个数字PI 调节器的运算;采用软件编程产生数字PWM 波形;由键盘设定正反向转速值并显示实时转速值。

图2　主回路原理图2　PWM 供电主回路

2.1　工作原理

PWM 调速系统很早已出现,

但是因为缺乏高速开关元件而未

能在生产实际中推广应用。在近

年来,由于大功率开关器件的制

造成功和成本的不断下降,PWM

调速系统又受到重视。本系统采

用的直流PWM 调速系统的主回

路如图2所示。

图中,V T1～V T4为大功率

晶体管GTR 或IG B T 管,它们构成了一个双极式双极性PWM 放大器给直流电动机供电。其控制方式为:4个桥臂的对角线两组开关分别控制,V T1和V T4为一组,因接受同一控制信号而同时导通和关断,V T2和V T3为一组,也接受同一控制信号而同时导通和关断,在任一时刻最多只能允许有一组是导通的。在一个开关周期内,首先是在0～t 1期间,第一组(V T1、V T4)导通,电动机两端A 和B 加正向电压,U AB =U s ,然后转变为t 1～T 期间的第二组(V T2、V T3)导通,电动机两端施加反向电压,U AB =-U s 。当它们以较高频率(1kHz ～3kHz )交替导通时,由这两种状态所占时间份额多少来决定平均电压是正还是负,平均电流是正向还是反向。当两种状态相等(1¬1)时,相当于平均电压为零,电动机停转。当用8031单片机控制时,调制频率不超过2kHz 。电动机电枢电压的波形如图3所示。设矩形波的周期为T ,正向脉冲宽度为t 1,并设γ=t 1/T 为占空比,可知电动机电枢电压的平均值为U av =U s [t 1-(T -t 1)]/T =(2γ-1)U s 。当T 为常数时,人为地改变正脉冲的宽度以改变占空比5

4第4期 张晓青:直流电动机数字PWM 调速系统设计

图3　L298原理框图γ,即可改变U av ,达到调速的目的。当γ=

0.5时,U av =0,电动机转速为0;当γ>0.5

时,U av 为正,电动机正转,且在γ=1时,正向

转速最高;当γ<0.5时,U av 为负,电动机反

转,且在γ=0时,U av =-U s ,反向转速最高。

连续地改变脉冲宽度,即可实现直流电动机无

级调速。

2.2　L298双H 桥驱动器芯片介绍

L298是双H 桥高电压大电流功率集成电

路[2],可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、

图4　单片机控制器硬件原理框图

步进电动机等电

感性负载,其内

部结构如图4所

示。由图可见,

每个H 桥的下

侧桥晶体管发射

极连在一起,其

输出脚(1和15)

用来连接电流检

测电阻。第9脚

接逻辑控制部分

的电源,常用+5

V ,第4脚为电

机驱动电源,本

系统中为40V ,第5,7,10,12脚

输入标准TTL 逻辑电平,用来控制H 桥的开和关,第6,11脚则为使能控制端。当V s =40V 时,最高输出电压可达35V ,连续电流可达2A 。

2.3　基极驱动和保护集成电路UAA4002

来自单片机的PWM 脉冲,通过光耦,经UAA4002内部的输入接口电路,根据其4脚的电平高低所设定的工作模式,实现匹配后提供给逻辑处理器,逻辑处理器根据设定的延迟时间,输出对应的正向驱动脉冲,该驱动脉冲经内部的正向末级功率放大晶体管放大后,向被驱动的功率晶体管的基极提供合适的足够的正向驱动电流和电压,确保被驱动的功率晶体管运行于临界饱和的最优状态,从而减小被驱动的功率晶体管的工作损耗,提高其开关频率,实现最佳驱动。

3　单片机控制器硬件设计

本系统单片机选用MCS -51系列的8031芯片[3],在扩展外部ROM 时选用一片IN 26

4 北京机械工业学院学报 第15卷