直流电动机脉宽调速控制系统的设计

课题名称直流电动机脉宽调速系统设计及实现专业电气工程及其自动化班级电气①班学生姓名夏禹学号 46指导教师吴生彪一：设计原理1.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a a ae U I R n C -=Φ∑ （1）式中 Ua ——电枢供电电压（V ）；Ia ——电枢电流（A ）；Ф——励磁磁通（Wb ）；Ra ——电枢回路总电阻（Ω）；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 、Ф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Ф下图为PMW 直流电机设计框图基本原理脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。

电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

简而言之，就是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。

只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。

3.直流电机PWM调速基本原理PWM方式是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉冲宽度可调的方波电压，控制开关管的导通时间t，改变占空比，达到控制目的。

图1是直流PWM系统原理框图。

这是一个双闭环系统，有电流环和速度环。

在此系统中有两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。

核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。

控制部分采用SG1525（脉宽调制芯片SG1525具有欠压锁定、故障关闭和软起动等功能,因而在中小功率电源和电机调速等方面应用较广泛。

SG1525是电压型控制芯片,利用电压反馈的方法控制PWM信号的占空比,整个电路成为双极点系统的控制问题,简化了补偿网络的设计。

）集成控制器产生两路互补的PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR 通断时间，便能够实现对电机速度的控制。

为了获得良好的动、静态品质，调节器采用PI调节器并对系统进行了校正。

检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，能达到比较理想的检测效果。

图1 直流电动机PWM系统原理图二：方案选择及论证1 方案选择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)】/KeФ（2）式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。

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。

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Ф（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Ф和电枢电流Ia 的乘积（即Te=CTФIa），电枢电流不变时，随着磁通Ф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Ф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。

采用PWM 控制的调速方法图2为PWM 降压斩波器的原理电路及输出电压波形。

在图2a 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1b 中所示。

电动机电枢端电压Ua 为其平均值。

图2 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1112a d d d T T U U U U T T T α===+ (3)式(3)中1112T T T T T α==+ （4）α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α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0～T 范围内变化。

不管哪种方法，α的变化范围均为0≤α≤l ，因而电枢电压平均值Ua 的调节范围为0～Ud ，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1—3a 所示的桥式(或称H 型)降压斩波电路。

在图3a 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3 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 12112(21)(21)a d d d T T T U U U U T T T α-==-=-+ (4)由于0≤α≤1，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4给出了两种PWM 斩波电路的电枢电压平均值的特性曲线()a U f α=。

图4两种斩波器的输出电压特性2 元器件的选择比较基于IGBT 和 MOSFET 功率管的驱动电路设计的比较I GBT 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)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108Ω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。

80C51单片机51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80C51单片机。

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。

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。

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5 IRF740示意图图6 IRF740主要参数直流电机参数额定转速1600r/min，额定电压220V。

三：系统电路总设计1 总体电路模块2 单片机最小系统部分本次设计中主要应用了8051单片机，由最小单片机系统组成，并将单片机的口作为输出口，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。

3 驱动电路部分驱动部分主要由用的光电耦合器和MOSFET组成，由单片机的口提供的信号，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。

4 电源部分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四：程序1 程序设计思想当按key1键时，电压升高，转速上升，当按key2键时，电压下降，转速下降;定时器1中断用来产生周期为1ms的脉宽信号，定时器每次中断后改变下一次的定时设置，设置值由按键决定，按key1，高脉宽定时时间加大，按key2，低脉宽定时时间增大，每次变化10uS。

2 程序框图3 程序代码ORG 0000HAJMP MAINORG 001BHAJMP INTT1ORG 0100HMAIN: MOV 60H,#0FEH //存放高电平的脉宽时间，定时500us MOV 61H,#0CHMOV 62H,#0FEHMOV 63H,#0CH //存放低电平的脉宽时间，定时500us，刚开始时，高低电平各为50％，此时电压为输入电压的一半，电机此时的转速为最低。

调速设定为向上调节，即按加键时转速上升，此时按减键，转速不变。

CLRMOV TMOD,#10H //定时器1用来产生脉宽，周期固定为1mS，MOV TH1,60HMOV TL1,61HSETB EASETB ET1SETB PT1SETB TR1SETBREADKEY:SETBCLRJNB ,DELAYJNB ,DELAYAJMP READKEYDELAY: LCALL DL10MS ;去抖SETBCLRJNB ,HAVEKEY1 //假设电路板接两个键，分别为key1和key2，key1为脉宽增加，key2为脉宽减小JNB ,HAVEKEY2AJMP READKEYHAVEKEY1:MOV A,61H //是加键，60H61H值减小，高电平脉宽增加，62H63H值增大，低电平时间减小CLR CSUBB A,#0AHMOV 61H,AMOV A,60HSUBB A,#00HMOV 60H,ACLR CMOV A,63HADD A,#0AHMOV 63H,AMOV A,62HADDC A,#00HMOV 62H,AMOV R2,60HMOV R3,61HMOV R6,#0FCHMOV R7,#18HLCALL NSUB1JNC CONTINUMOV 60H,#0FCH //超出调速范围，即高脉宽大于1ms溢出了，则保持此数值MOV 61H,#18HMOV 62H,#0FFHMOV 63H,#0FBHCONTINU:AJMP NOTXSHAVEKEY2:MOV A,63H //是减键，60H61H值增加，高电平脉宽减小，62H63H值减小，低电平时间增大CLR CSUBB A,#0AHMOV 63H,AMOV A,62HSUBB A,#00HMOV 62H,ACLR CMOV A,61HADD A,#0AHMOV 61H,AMOV A,60HADDC A,#00HMOV 60H,AMOV R2,62HMOV R3,63HMOV R6,#0FDH;#0FCH //考虑到低电平过多，电压很低，电机无法运行，所以设定低电平最长保持700us，高电平最少300usMOV R7,#44H;#18H //0FC18是低电平保持1ms，高电平几乎为0的情况，这种情况输出电压几乎为0，电机停止LCALL NSUB1JNC NOTXSMOV 60H,#0FEH //高电平最少保持300us，低电平最大700usMOV 61H,#0D4HMOV 62H,#0FDHMOV 63H,#44HNOTXS: LJMP READKEYRET //双字节减法子程序，功能：（R2R3)-(R6R7)---->R4R5 NSUB1: MOV A,R3CLR CSUBB A,R7MOV R5,AMOV A,R2SUBB A,R6MOV R4,ARET //定时器1中断，总周期20ms，其中高电平时间由6061h决定，低电平时间由6263h确定。