PWM控制电机转速设计
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主函数 结束
开始
变量值变化 N
是否有按键 Y
进入中断处理子程序
进入相应的子程序处理
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异，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懂得了理论与实际相 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力和独立思考的能力。
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, S1、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S1、S2导通且S3、 S4 关断到S1、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, 严重时甚至烧毁。
四川师范大学成都学院电子工程系嵌入式课程设计
目录 目 录..........................................................................................................- 1 一、 前言....................................................................................................- 2 二、设计任务..............................................................................................- 2 三、 设计原理........................................................................................... - 2 3.1 电机调速原理...................................................................................... - 2 3.2 H 桥功率驱动原理........................................................................... - 3 3.3 IR2111 外围电路及器件选择........................................................... - 4 3.4 IR2111 死区延迟特性....................................................................... - 4 四、 方案与论证....................................................................................... - 4 五、 设计内容........................................................................................... - 5 5.1 系统框图和设计原理图...................................................................... - 5 5.2 软件设计流程图.................................................................................. - 7 8.1 PWM 波形在线仿真效果图................................................................- 8 8.2 PWM 驱动电机调速 PCB 图..............................................................- 9 8.3 PWM 驱动电机调速程序..................................................................- 10 -
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四川师范大学成都学院电子工程系嵌入式课程设计 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、面对问 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。
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四川师范大学成都学院电子工程系嵌入式课程设计
一、前言
长期以来,直流电机以其良好的线性特性、优异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。
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:
二、设计任务
1. 设计电机驱动电路，使用 PROTEL 绘制出电路原理图和 PCB，并制作出实物， 焊接并调试，确保硬件无误。
2. 使用 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。
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
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四川师范大学成都学院电子工程系嵌入式课程设计 5.2 软件设计流程图
开始 系统钟初始化
PWM 使 能 PWM 配 置 PWM 发 生 器 使 能 按键端口使能 按键中断初始化 处理器中断使能 按键中断子程序 LCD 显 示 子 程 序
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3.3 IR2111 外围电路及器件选择 IR2111外围电路如下图3-3所示。单片机输出的PWM信号经光耦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，R1、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3-4 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）；
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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；
其中：α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。
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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3-2 所示。
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Q1、Q4导通 且Q2、Q3关断到Q1、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。IR2111内部通过逻辑门器件实现了死区时间的延迟，即由IR2111 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，IR2111典型死 区时间是700ns。
五、设计内容
5.1 系统框图和设计原理图
5.1.1 设计框图：
LM3S8962
P W
M
半桥驱动电路 （ IR2111 板 桥 驱动）
半桥驱 动电源
显
按
示
键
电
电
路
路
H 桥驱动电机 电路（大功率 管 MOSFET）
H 桥驱动 （电机）电源
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开始
变量值变化 N
是否有按键 Y
进入中断处理子程序
进入相应的子程序处理
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异，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懂得了理论与实际相 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力和独立思考的能力。
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, S1、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S1、S2导通且S3、 S4 关断到S1、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, 严重时甚至烧毁。
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目录 目 录..........................................................................................................- 1 一、 前言....................................................................................................- 2 二、设计任务..............................................................................................- 2 三、 设计原理........................................................................................... - 2 3.1 电机调速原理...................................................................................... - 2 3.2 H 桥功率驱动原理........................................................................... - 3 3.3 IR2111 外围电路及器件选择........................................................... - 4 3.4 IR2111 死区延迟特性....................................................................... - 4 四、 方案与论证....................................................................................... - 4 五、 设计内容........................................................................................... - 5 5.1 系统框图和设计原理图...................................................................... - 5 5.2 软件设计流程图.................................................................................. - 7 8.1 PWM 波形在线仿真效果图................................................................- 8 8.2 PWM 驱动电机调速 PCB 图..............................................................- 9 8.3 PWM 驱动电机调速程序..................................................................- 10 -
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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、面对问 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。
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四川师范大学成都学院电子工程系嵌入式课程设计
一、前言
长期以来,直流电机以其良好的线性特性、优异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。
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:
二、设计任务
1. 设计电机驱动电路，使用 PROTEL 绘制出电路原理图和 PCB，并制作出实物， 焊接并调试，确保硬件无误。
2. 使用 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。
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
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四川师范大学成都学院电子工程系嵌入式课程设计 5.2 软件设计流程图
开始 系统钟初始化
PWM 使 能 PWM 配 置 PWM 发 生 器 使 能 按键端口使能 按键中断初始化 处理器中断使能 按键中断子程序 LCD 显 示 子 程 序
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3.3 IR2111 外围电路及器件选择 IR2111外围电路如下图3-3所示。单片机输出的PWM信号经光耦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，R1、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3-4 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）；
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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；
其中：α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。
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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3-2 所示。
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Q1、Q4导通 且Q2、Q3关断到Q1、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。IR2111内部通过逻辑门器件实现了死区时间的延迟，即由IR2111 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，IR2111典型死 区时间是700ns。
五、设计内容
5.1 系统框图和设计原理图
5.1.1 设计框图：
LM3S8962
P W
M
半桥驱动电路 （ IR2111 板 桥 驱动）
半桥驱 动电源
显
按
示
键
电
电
路
路
H 桥驱动电机 电路（大功率 管 MOSFET）
H 桥驱动 （电机）电源
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