数字式直流脉宽调速系统设计1
数字式直流脉宽调速系统设计
课程设计课程自动控制系统设计题目数字式直流脉宽调速系统设计班级08自Y2姓名王宇学号08121327数字式直流脉宽调速系统一、直流脉宽调速系统的概述直流脉宽调速系统是由脉宽调制变换器(简称PWM变换器)对直流电动机电枢供电的自动调速系统。
脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，其基本原理已在电力电子技术中阐述。
自从全控式电力电子器件问世以来，应用于实践的脉宽调速系统，以它的线路简单，谐波少，损耗小，效率高和静、动态性能好等优势，引发了直流调速领域的一场革命。
将直流PWM调速推广到一般工业应用中取代晶闸管相控式整流器调速有着广阔的前景。
只是由于器件的发展，同时带来交流变压变频调速的更快速发展，使得直流PWM调速还没有来得及完全占领市场，几乎是刚刚兴起，就变成了传统领域。
不过，在一些仍需要使用直流电动机的场合，例如电动叉车、城市无轨电车、地铁机车等，直流PWM调速仍有用武之地。
与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
由于有上述有点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。
特别是近几年大功率CTR、GTO、IGBT的相继问世，促使其生产水平已达到4500V、2500A，组成的PWM变换器用来驱动上千千瓦的电动机，广泛用于交通、工矿企业等电动传动系统中。
因此对PWM调速系统的进一步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。
数字PWM直流调速系统
目录1 概述 (1)1.1 引言 (1)1.2 PWM直流调速系统的特点 (1)2 设计思路 (3)2.1 系统设计方案 (3)2.2 调节器设计方案 (4)3 调节器的设计及参数计算 (5)3.1 电流调节器的设计 (5)3.1.1 确定时间常数 (5)3.1.2 选择电流调节器结构 (5)3.1.3 计算电流调节器参数 (6)3.1.4 电流调节器的实现 (6)3.1.5 检验近似条件 (7)3.2 转速调节器的设计 (8)3.2.1 确定时间常数 (8)3.2.2 选择转速调节器结构 (8)3.2.3 计算转速调节器参数 (9)3.2.4 转速调节器的实现 (9)3.2.5 检验近似条件 (10)4 PWM控制器电路 (11)5 数字转换电路设计 (13)6 系统软件设计流程图 (15)总结 (15)参考文献 (18)1 概述1.1 引言随着现代化步伐的加快，人民生活水平的提高，对自动化的需求也越来越高。
直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，应用领域越来越大，这就对电动机的控制提出了极高的要求。
应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM脉宽调制调速方式应用最为广泛，而PWM脉宽调制中，H型PWM脉宽调制的性能尤为突出。
数字直流调速装置，它不仅能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，而且同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它能够和 PLC 等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，具有操作简便、抗干扰能力强等特点。
其方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不够完善、调试不方便、体积大等不足。
另外数字控制系统具有查找故障迅速、调速精度高、维护简单等优势，使其具备了极其广阔的应用前景。
直流脉宽调速系统
1．直流脉宽调速系统驱动电源1.1任务和意义生产实习的主要任务是设计一个直流电动机的脉宽调速（直流PWM）驱动电源。
纵观运动控制的发展历史，交、直流两大电气传动并存于各个应用领域。
由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。
直流调速系统由最早的旋转变流机组控制，发展为用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现调速，到现在由大功率开关器件组成的PWM电路实现数字化的调速，系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，应用领域不断扩展。
尽管目前对交流系统的研究比较“热门”，但是其控制性能在某些方面还达不到直流PWM系统的水平。
直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力还是相当大的。
而且，直流PWM技术是电力电子领域广泛采用的各种PWM技术的典型应用和重要基础，掌握直流PWM技术对于学习和运用交流变频调速中SPWM技术有很大的帮助和借鉴作用。
1.2技术指标被控直流永磁电动机参数：额定电压20V，额定电流1A,额定转速2000rpm。
驱动系统的调速范围：大于1：100。
驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s.1.3设计内容：1）主电路的设计，器件的选型。
包括含整流变压器在内的整流电路设计和H桥可逆斩波电路的设计（要求采用IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564）。
2）PWM控制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调节电路）。
3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，及上桥臂驱动电源的自举电路）。
4）DC15V控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。
2.脉宽调制技术脉宽调制技术简称PWM,PWM控制技术就是半导体开关元件的导通和关断时间比，即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。
近年来，随着全控型器件的不断发展和PWM技术的日益完善，已广泛应用于变频调速和开关电源等领域。
PWM常用于电压型逆变器，它可消除或减小低次谐波，滤波器体积可减小，有利于小型化和降低成本。
1-3 直流电动机的脉宽调制(PWM)调速
若VT1关断时间长，在t=t2时，电枢电流ia衰减 到零，那么在电动机内电势Ea的作用下，VT2导通， 电枢电流ia 将沿着相反的方向从B点流入A点，电机 进入能耗制动。通过控制VT2的时间间隔可以控制电 机的制动转矩 注意：在VT1重新导通之间，必须先关闭VT2， 让电枢电流经过VD1续流，电机短时进入再生制动状 态，否则在VT2还没有完全关断之前就让VT1导通， 电源经过VT2、VT1直接短路，损坏开关元件。
1、单极性脉宽调制方式 系统输出电压UA的极性是通过一个控制电压Uc 来改变的。 Uc为正，VT1与VT2交替导通，VT4一直导通， VT3关断，此时，B点总是为正，A点总是为负 Uc为负，VT3与VT4交替导通，VT2一直导通， VT1关断，此时，B点总是为负，A点总是为正
工作原理： Uc为正时 0<t<t1时，VT1导通，VT2关断，若Us>Ea， 电枢电流经VT1、VT4从B流到A，电机处在电动 机状态。 在t1<t<T时，VT1关闭，VD2与VT4续流，电枢 电流方向不变，电机仍处在电动机状态。 若在t1<t<T期间的某一时刻t2电枢电流衰减到 零，那么在t2<t<T期间，Ea使VT2导通，电枢电 流反向，经VT2、VD4从A流到B，电机进入能耗 制动状态 若Ea>Us，在VT2关断期间，电枢电流经VD1 和VD4输回电网，电机作再生制动 Uc为负时，原理与此类似，电机反向
如果电流连续，则电机始终处于电动状态 若在t1<t<T期间的某一时刻t2电枢电流衰减到 零，那么在t2<t<T期间，Us和Ea共同作用，使 VT2、VT3导通，电枢电流反向，经VT2、VT3从A 流到B，电机进入反接制动状态 在VT1、VT4再次导通之前，必须关断VT2、 VT3，电枢电流VD1、VD4续流，电机进入再生制 动
PWM控制直流调速系统设计
****学院课程设计电子电气工程院电气工程及其自动化专业题目PWM控制直流调速系统设计学生姓名****班级***学号指导教师完成日期2010 年12 月28 日摘要以电力电子学和电机调速技术为基础，本设计了一种基于PWM控制技术的直流电机调速控制系统;为了得到好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制。
霍尔电流传感器与测速电机共同实现速度控制的功能，同时完成了人机交互的任务。
对于调速系统中要用到的大功率半导体开关器件，本文选用的是IGBT。
论文中对IGBT应用时要注意的各个技术方面进行了详细的讨论，给出了专用IGBT驱动芯片SG3525的内部结构和应用电路。
论文对PWM控制的原理进行了说明，重点对集成PWM控制器SG3525做了介绍，分析了SG3525的内部结构和外部电路的接法，并给出了它在系统中的应用电路。
论文对系统中用到测速电机和霍尔电流传感器的原理和应用也进行了介绍。
最后分析了系统的静动态特性，结果表明双闭环控制对系统的性能有很大的改善，即双闭环控制系统有响应快，静态稳定性好的特点。
关键词: IGBT；PWM控制；双闭环AbstractTo the power electronics and motor technology as the foundation, The design of a PWM control technology based on the DC motor speed control system; In order to obtain a good dynamic and static properties, The control system uses a double-loop control. Hall current sensor and guns together to achieve the motor speed control function, while the completion of the HCI mission.Speed Control System for the use of the power semiconductor devices, the paper uses the IGBT. The thesis of IGBT application to the attention of the various technical aspects of detailed discussions, given the exclusive IGBT driver IC SG3525 the internal structure and application circuit. PWM control of the paper, the principle of the note, with a focus on integrated PWM controller SG3525 made a presentation the SG3525 analysis of the internal structure and external circuit access method, and gives it a system of circuit. Papers on gun systems used motor and Hall current sensor application of the principle and also introduced. Finally, the paper analyzes the static and dynamic characteristics of the results shows that the closed-loop control on the performance of the system is greatly improved. that is, double-loop control system is fast response, good static stability characteristics.Keywords: IGBT; PWM control; Double Closed-loop目录第1章引言 (1)1.1课题来源 (1)1.2 直流电动机的调速方法介绍 (1)1.3 选择PWM控制系统的理由 (3)1.5 设计技术指标要求 (4)第2章 PWM控制直流调速系统主电路设计 (4)2.1 主电路结构设计 (4)2.1.1电路组成及系统分析 (4)2.2电路总体介绍 (5)2.2.1主电路工作原理 (5)2.2.2降压斩波电路与电机的电动状态 (6)2.2.3升压斩波电路与电机的制动状态 (6)2.2.4半桥电路与电机的电动和制动运行状态 (6)2.2.5电机可逆运行的实现 (7)2.3 PWM变换器介绍 (7)2.4.2 缓冲电路参数 (14)2.4.3 泵升电路参数 (14)第3章PWM控制直流调速系统控制电路设计 (16)3.1控制电路设计 (16)3.1.1 SG3525的应用 (16)3.1.2 SG3525芯片的主要特点 (16)3.1.3 SG3525引脚各端子功能 (17)3.1.4 SG3525的工作原理 (18)3.2 LM1413的应用 (19)3.3脉冲变压器的应用 (19)3.4速度调节器（ST-1） (19)3.5电枢电流调节器（LT-1） (21)3.6速度变换单元（FBS） (22)3.7电流检测 (23)3.8 脉冲变压器 (23)3.9 给定单元 (24)结束语 (25)致谢 (26)参考文献 (27)第1章引言1.1课题来源目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。
基于PWM控制直流电机自动调速系统设计
1 绪论1.1 课题的研究背景和意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。
长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 (PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。
这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。
首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。
再到脉宽调制 (PulsewidthModulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。
另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。
随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。
由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。
技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位[1]。
目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。
姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。
该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。
转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计
转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计一、设计目的应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
二、设计参数1、直流电动机(1)：输出功率为:7.5Kw 电枢额定电压220V电枢额定电流 36A 额定励磁电流2A额定励磁电压110V 功率因数0.85电枢电阻0.2欧姆电枢回路电感100mH电机机电时间常数2S 电枢允许过载系数1.5额定转速 1430rpm2、环境条件：电网额定电压:380/220V，电网电压波动:10%环境温度:-40~+40摄氏度，环境湿度:10~90%3、控制系统性能指标：电流超调量小于等于5%空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%调速范围D＝20，静差率小于等于0.03.三系统方案选择（1）可控电源选择直流电动机具有良好的起制动性能在广泛范围内可实现平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
从生产机械要求控制的物理量来看，各种系统往往都通过控制转速来实现的。
因而直流调速系统是最基本的拖动控制系统。
直流变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：① 转电流机组② 适用于调速要求不高、要求可逆运行的系统但其设备多、体积大、费用高、效率低。
②静止可控整流器可通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位从而实现平滑调速且控制作用快速性能好提高系统动态性能。
③PWM(脉宽调制变换器)或称直流斩波器利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变平均电压，与V—M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率器件少，开关频率高；电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。
直流电机数字脉宽调速实验系统的研究与设计
路， 有 以下优点 ： （ １ ） 大量模拟器件或专用集成 电路 组 成 的硬 件工 作 可 以直接 由软 件 取代 实 现 ， 简 化 了 电路 ， 操作维护简单 ， 可以大幅度降低系统的功耗和 维护成本 ； （ ２ ） 当今各种先进的控制算法和策略的应 用 实 现成 为可 能并 变 得较 为简 单 ， 可 以灵活 运 用各 种控制方案 ， 提高性能和增强功能 ； （ ３ ） 灵活性和适 应 性好 ， 通用 移植性 强 ， 只需升级 更新 软件 ； 四、 温漂 效应低 ， 无零点漂移 ， 抗扰能力强 ， 稳定性好 ， 控制精 度高［ １ 。正 是基 于上 述考虑 ， 本 研究 基 于此实 验 台， 进 行 了实验 改进 、 发展 与创 新 。 １ 主 要研究 内容 在 全面熟 悉 Ｅ Ｌ ． ＤＳ ． Ｉ Ｉ Ｉ 型 电 气 控 制 综 合 实 验 台， 以模拟分离器件和专用集成芯片构成控制器的 直 流 电机 Ｐ ＷＭ 脉宽 调速 系统 的基 础上 ，并 拟定实 验方案 测定 了转速 、 电流双 闭环模 拟 Ｐ Ｉ 调节 器参数 后， 结合 此 系统设计 原理并 保 留该系 统主 电源 电路 、 变换 器 电路 等被控 制 电路 和 执行 机 构 ， 以计 算 机技 术最新发展成果——美国德州仪器（ Ｔ Ｉ ） 公司推出的 最 佳测 控应 用 的定点数 字信 号处 理器 （ Ｄｓ Ｐ ） Ｔ ＭＳ ３ ２ ０ Ｆ ２ ０ ０ ０系列 Ｔ ＭＳ ３ ２ ０ Ｆ ２ ８ １ ２为核 心控 制处 理 器， 代替 Ｅ Ｌ ． Ｄ Ｓ — Ｉ Ｉ Ｉ 型实验台传统模拟控制器电路 ， 设 计 了 一 个 直 流 电机 转 速 、 电 流 双 闭 环 数 字 化 Ｐ ＷＭ 脉宽 调 速实 验 系统 ， 实现 了速度 给定 、 速 度 实 时测 量 、 速 度实时 显示 和转 向控制及 空载 和带 负载 、 抗扰 运行 的各项 动静态 特性 的最佳 控制 。 ２ 实验 系统 技术 方案 在控制策略方面 ， 实验教学中， 广泛使用的是 电 机拖 动 自动 控制 理论 。其 中 阐述过 ， 若 采 用转 速 负 反馈和 Ｐ Ｉ 调 节 器 的单 闭环 调 速 系统 尽 管 能在 维 持 系统稳定的基础上达 到无静差转速 ， 但是如果在要 求快速启动制动 、 突加突卸负载动态转速变化较大 等对系统的动态性能要求较高的场合 ， 单闭环调速 系统则不能符合需要 ， 原因在于在单闭环调速系统 中， 动态过程的电流或转矩不能全部根据需要来进 行 控制 。在单 闭环 系 统 中 ， 控 制 电流 只依 赖 电流截 止负反馈环节 ， 但它只有在大于电流临界值之后 ， 通
全数字控制的桥式可逆直流脉宽调速系统设计 [附图+中英文翻译]
![全数字控制的桥式可逆直流脉宽调速系统设计 [附图+中英文翻译]](https://img.taocdn.com/s3/m/8a2bccc6aa00b52acfc7cae3.png)
XXXXXXXX大学本科生毕业设计姓名：XXX 学号：XXXX学院：信息与电气工程学院专业：电气工程与自动化设计题目：全数字控制的桥式可逆直流脉宽调速系统设计专题：指导教师：XXXX 职称：XXXXXXXX年6月XXXXXXXX大学毕业设计任务书学院信息与电气工程学院专业年级电气02—3 学生姓名曹言敬任务下达日期：XXXX年2月20日毕业设计日期：XXXX 年 2 月20日至XXXX 年6月20日毕业设计题目：全数字控制的桥式可逆直流脉宽调速系统设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1、直流电机的参数为15KW，电枢电压440V，电枢电流39.5A，励磁电压90V，励磁电流7A，转速为1510转/分。
2、制定主电路方案并进行选型设计计算。
3、用PROTEL设计全数字控制系统的电路原理图及PCB图。
4、编制控制软件。
5、基于MATLAB对桥式可逆直流脉宽调速系统进行仿真研究。
6、翻译与论文相关的电气自动化方面专业外文资料约5000字。
7、用OFFICE—WORD打印论文。
院长签字：指导教师签字：XXXXXXXX大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日XXXXXXXX大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日XXXXXXXX大学毕业设计答辩及综合成绩摘要直流脉宽调速系统，是采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成的脉宽调制变换器——直流电动机调速系统，简称直流PWM调速系统。
直流电机调速方案设计
直流电机调速方案设计直流电机是将直流电能转换为机械能的电动机。
因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。
下面就随小编一起去阅读直流电机调速方案设计，相信能带给大家帮助。
本文以AT89S51单片机为核心，提出了基于直流电机调速与测速系统的设计方案，然后给出了系统的主电路结构，以及驱动电路设计和系统软件设计。
本方案充分利用了单片机的优点，具有频率高、响应快的特点。
直流电机是工业生产中常用的驱动设备，具有良好的起动、制动性能。
早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成。
控制系统的硬件部分复杂、功能单一，调试困难。
本方案采用单片机控制系统，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。
P W M简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术，广泛应用在测量、功率控制与变换等许多领域中。
脉宽调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极的偏置，改变晶体管导通时间。
是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
因此，PWM又被称为“开关驱动装置”.PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压。
所以通过调节占空比，可以实现调节输出电压无级连续调节。
整个系统由输入电路、PWM调制、测速电路、驱动电路、控制部分及显示等部分组成，PWM调制选用AT89S51单片机通过软件实现频率和占空比的调节。
直流电机调速的设计方案驱动电路用光耦隔离保护电路，控制部分由单片机和外围电路组成，实现各种控制要求，外围电路主要完成对输入信号的采集、操作、对速度进行控制，显示部分采用四位共阳数码管。
单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》
单片机原理及应用课程设计报告设计题目：学院：专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：年月日目录设计题目 (1)1 设计要求及主要技术指标： (1)1.1 设计要求 (1)1.2 主要技术指标 (2)2 设计过程 (2)2.1 题目分析 (4)2.2 整体构思 (4)2.3 具体实现 ................... 错误!未定义书签。
3 元件说明及相关计算 (5)3.1 元件说明 (5)3.2 相关计算 (6)4 调试过程 (6)4.1 调试过程 (6)4.2 遇到问题及解决措施 (7)5 心得体会 (7)参考文献 (8)附录一：电路原理图 (9)附录二：程序清单 (9)设计题目：PWM直流电机调速系统本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。
电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。
通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。
电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。
关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；PWM波形；LED显示器；51单片机1 设计要求及主要技术指标：基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。
1.1 设计要求（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。
（2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。
（3）设计一个4个按键的键盘。
K1:“启动/停止”。
K2：“正转/反转”。
K3：“加速”。
K4:“减速”。
（4）手动控制。
在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。
直流电机PWM调速控制系统设计
直流电机PWM调速控制系统设计一、引言直流电机是一种常见的电动机，广泛应用于工业生产中的机械传动系统。
为了实现对直流电机的调速控制，可以采用PWM（脉宽调制）技术。
PWM调速控制系统通过控制脉冲宽度的变化来调整输出信号的平均电压，从而改变电机的转速。
本文将详细介绍直流电机PWM调速控制系统的设计原理、电路设计和控制算法等方面。
二、设计原理1、PWM调制原理PWM调制是一种通过改变脉冲宽度来控制平均电压的技术。
在PWM调速控制系统中，主要是通过改变脉冲的占空比来改变输出信号的平均电压，从而调整电机的转速。
2、直流电机调速原理直流电机的转速与电源电压成正比，转速调节的基本原理是改变电机的供电电压。
在PWM调速控制系统中，通过改变PWM信号的占空比，即每个周期高电平的时间占总周期时间的比例，来改变电机的供电电压，从而控制电机的转速。
三、电路设计1、输入电源电压变换电路为了适应不同的输入电源电压，需要设计输入电源电压变换电路。
该电路的功能是将输入电源电压通过变压器等元件进行变压或变换，使其适应电机的工作电压要求。
2、PWM信号发生电路PWM信号发生电路主要是负责产生PWM信号。
常用的PWM信号发生电路有555定时器电路和单片机控制电路等。
3、驱动电路驱动电路用于控制电机的供电电压。
常见的驱动电路有晶闸管调压电路、MOSFET驱动电路等。
通过改变驱动电路的控制信号，可以改变电机的转速。
四、控制算法在PWM调速控制系统中，需要设计相应的控制算法，来根据系统输入和输出变量进行调速控制。
常见的控制算法有PID控制算法等。
PID控制算法是一种经典的控制算法，通过对系统的误差、误差变化率和误差积分进行综合调节，来控制输出变量。
在PWM调速控制系统中，可以根据电机的转速反馈信号和设定转速信号，计算出误差，并根据PID 控制算法调节PWM信号的占空比，从而实现对电机转速的精确控制。
五、系统实现根据上述设计原理、电路设计和控制算法，可以实现直流电机PWM调速控制系统的设计。
直流电机PWM调速系统的设计与仿真
直流电机PWM调速系统的设计与仿真一、引言直流电机是电力传动中最常用的一种电动机，具有调速范围广、响应快、结构简单等优点。
而PWM（脉宽调制）技术是一种有效的电机调速方法，可以通过改变占空比控制电机的转速。
本文将介绍直流电机PWM调速系统的设计与仿真，包括建模分析、控制策略、电路设计和仿真实验等内容。
二、建模分析1.直流电机的模型直流电机的数学模型包括电动势方程和电机转矩方程。
电动势方程描述电机的输出电动势与供电电压之间的关系，转矩方程描述电机的输出转矩与电机转速之间的关系。
2.PWM调速系统的控制策略PWM调速系统的控制策略主要包括PID控制和模糊控制两种方法。
PID控制是一种经典的控制方法，通过比较实际输出与期望输出，计算出控制量来调整系统。
模糊控制则是一种基于模糊逻辑的控制方法，通过模糊推理，将输入量映射为输出量。
三、电路设计1.电机驱动电路设计电机驱动电路主要由电流传感器、逆变器和滤波器组成。
电流传感器用于测量电机的电流，逆变器将直流电压转换为交流电压，滤波器用于消除电压中的高频噪声。
2.控制电路设计控制电路主要由控制器、比较器和PWM信号发生器组成。
控制器接收电机转速的反馈信号，并与期望转速进行比较，计算出控制量。
比较器将控制量与三角波进行比较，生成PWM信号。
PWM信号发生器将PWM信号转换为对应的脉宽调制信号。
四、仿真实验1.系统建模与参数设置根据直流电机的模型，建立MATLAB/Simulink仿真模型，并根据实际参数设置电机的转矩常数、转矩常数、电机阻抗等参数。
2.控制策略实现使用PID控制和模糊控制两种方法实现PWM调速系统的控制策略。
通过调节控制参数，比较不同控制方法在系统响应速度和稳定性上的差异。
3.仿真实验结果分析通过仿真实验，分析系统的静态误差、动态响应和稳定性等性能指标。
比较不同控制方法的优缺点，选择合适的控制方法。
五、结论本文介绍了直流电机PWM调速系统的设计与仿真，包括建模分析、控制策略、电路设计和仿真实验等内容。
数字控制的逻辑无环流可逆直流调速系统设计说明
.0 前言直流调速和交流调速相比,直流调速具有宽广的调速围, 平滑的调速特性,较高的过载能力和较大的起动、制动转矩, 使用寿命长，经济性好。
因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。
在工业生产中, 需要高性能速度控制的电力拖动场合, 直流调速系统发挥着极为重要的作用, 高精度金属切削机床, 大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。
特别是晶闸管—直流电动机拖动系统,具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大, 易于实现无级调速，使用寿命长，所以相对经济性好等优点而被广泛应用在现代化生产当中。
本设计采用以AT89C51单片机为核心的数字PI调节器，由软件编程来完全成模拟控制功能的数字式传动系统，能够有效地抑制老化和各种干扰，还能完成故障诊断，信号显示等功能。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电力电子开关器件和传感器的出现，以与自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置不断向前发展。
微机的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极推动了电气传动的发展。
1 / 771 直流调速的介绍1.1 直流调速与交流调速的比较在现代化的工业生产过程中，几乎处处使用电力传动装置，随着生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。
对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。
直流调速与交流调速比较，最大的优点就是直流电机可以实现“平滑而经济的调速”；直流电机的调速不需要其它设备的配合，可通过改变输入的电压/电流，或者励磁电压/电流来调速。
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大围平滑调速，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制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，而交流调速虽然维护简单方便，但调速比较困难需要和其它设备配合使用如需要增设变频器等才能实现调速。
1-3直流脉宽调速系统的主要问题(新3版)
有一种特殊情况，即轻载电动状态，这 时平均电流较小，以致在关断后经续流 时，还没有到达周期 T ，电流已经衰减 到零，此时，因而两端电压也降为零， 便提前导通了，使电流方向变动，产生 局部时间的制动作用。
轻载电动状态（续）
轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：
第1阶段，VD1续流，电流 – id 沿回路4流通； 第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通； 第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通； 第4阶段，VT2导通，电流 – id 沿回路3流通。
on 、＝T／2，
ρ = 0，电枢两端平均电压 Ud为0，电机停转；
（2）有制动的不可逆PWM变换器电路 在简单的不可逆电路中电流不能反向， 因而没有制动能力，只能作单象限运行。 需要制动时，必须为反向电流提供通路， 如图1-17a所示的双管交替开关电路。当 VT1 导通时，流过正向电流 + id ，VT2 导 通时，流过 – id 。应注意，这个电路还 是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因为平均电压 Ud 并没有改变极性。
Ud E
0
1 4
ton
2
3
T
0 O
T ton
4
1 2 3
t
id
d）轻载电动状态的电流波形
小
期间 工作状态 一般电动 状态 制动状态 导通器件 电流回路 电流方向 导通器件 电流回路 电流方向 轻载电动 状态 导通器件 电流回路 电流方向 VD1 4 － 0 ~ t4 VT1 1 +
结
ton ~ T t4 ~ ton ton ~ t2 VD2 2 + VT2 3 － VT1 1 + VD2 2 + VT2 3 － t2 ~ T
PWM直流调速系统设计解析
目录前言 (1)一、设计目的 (2)二、设计要求 (2)三、直流调速系统整体设计 (2)四、系统参数选取 (7)五、各部分设计 (8)六、双闭环系统设计 (14)七、系统仿真 (17)八、设计总结 (18)参考文献 (19)前言由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。
随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。
而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。
本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理与其静态和动态性能。
然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。
在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路与控制电路的具体实现。
对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。
采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。
一、设计目的通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。
二、设计要求完成所选题目的分析与设计，进行系统总体方案的设计、论证和选择；系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数计算三、直流调速系统整体设计1、直流电机PWM调速控制原理直流电动机转速公式为：n=(U-IR)/Kφ其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。
直流脉宽调速系统
US
VD UG
M ud
图5-1 Buck变换器电路
5.1.1 脉宽调制的理论
51.1.1不P可N逆结PW的M形变成换器
为了获得各类开关型变换器的基本工作特性而又能简化分析，假定变换器是由理想器件组
成：开关管VT和二极管VD从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；开关器
件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零；电路中的电感和电容均为
同V-M调速系统相比，PWM调整系统具有以下优点。 ①脉冲电压的开关频率高，电流容易连续。 ②高次谐波分量少，需要的滤波装置小，甚至只利用电枢电感就已足够，不需外加滤波装置 。 ③电动机的损耗较小、发热较少，效率高。 ④调速控制动态响应快。
5.1.1 脉宽调制的理论
51.1.1不P可N逆结PW的M形变成换器
可逆运行，需要采用桥式PWM变换电路。
E
半桥式电流可逆PWM变换电路直流电动机
负载的电路如图5-5所示。两个开关器件VT1 和VT2 串联组成半桥电路的上下桥臂，两个二 极管VD1 和 VD2 与开关管反并联形成续流回 路，R、L包含了电动机的电枢电阻和电感。下
面就电动机的电动和制动两种状态进行分析。
电路中，若VT1 、VT3导通，则有电流自电路A 点经电动机流向 B点，电动机正转；在VT2、VT4 导通时，则有电流自B 点经电动机流向 A点，电动机反转。桥式PWM变换电路有三种驱动控制
方式，下面分别介绍。
G1
E
VT1
VD1
AR
L
EM VD2
VT2
G2
MB
G4
VT4
VD4
VD3
VT3
G3
图5-8 桥式PWM变换电路
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目录目录 (1)概述 (2)一设计指标 (2)二参数计算 (2)2.1预置及固有参数计算： (2)2.2选择电流调节器结构 (3)2.3计算电流环参数 (3)2.4电流环检验近似条件 (4)2.5选择转速调节器结构 (4)2.6计算转速环参数 (4)2.7转速环检验近似条件 (5)三系统仿真分析 (5)3.1MATLAB绘制双闭环系统动态结构图 (5)3.2MATLAB下仿真运行结果 (6)四系统硬件设计 (6)4.1系统总体设计方案 (6)4.2主电路设计 (7)4.2.1 主电路整体设计 (7)4.2.2整流电路及其二极管选择 (8)4.2.3主电路开关器件选择 (9)4.2.4 IGBT驱动电路的设计 (10)4.2.5电流、转速、电压检测电路的设计 (11)4.3控制电路设计 (12)4.3.1键盘及显示电路设计 (12)4.3.2通信电路设计 (14)4.3.3 模拟量给定、电流、电压、转速等反馈量与单片机的接口设计 (14)4.4软件设计 (15)4.4.1主程序框图 (15)4.4.2键盘及显示程序 (15)4.4.3转速调节数字PI子程序 (19)4.4.4电流调节数字PI子程序 (20)4.4.5数字滤波子程序 (20)4.4.6 其他程序 (21)五设计总结 (21)5.1器件清单 (21)5.2设计过程总结及收获 (21)概述如何用计算机的新方法来控制调整直流电动机的转速的问题是现在工业控制中急需应用的问题。
通常在工业上控制直流电动机转速的方法常用调压线圈来改变直流电动机线圈两端的电压来调整转速，但问题是速度调整不精确而且也不稳定，调压线圈也经常发生短路烧毁等故障现象，容易受外界因素的影响。
如果采用单片机来进行自动控制直流电动机的转速，既可以避免以上缺点，又可以减少设备费用和人力等等。
工业生产广泛使用电力拖动，电力拖动的耗电量占了工业生产耗电量的一半左右，而电力拖动又离不开调速和控制，工业上对电动机的控制方式多种多样,一些工厂和企业对电动机仍采用人工手动控制方式,由于人为的各种因素,会造成产品质量和生产效率降低,生产成本提高。
故对电机的自动控制和调速进行研究对我国的工业发展有着及其深远的意义。
为了使生产机械以最合理的速度进行工作，从而提高生产率和保证产品具有较高的质量，许多生产机械要求在不同的情况下，以不同的转速工作。
例如，车床在进行粗加工时，要求主轴速度较低而进给速度较高，以提高生产率时；要求主轴速度较高进给速度较高低，以保证对工件的粗糙度要求；再比如电梯和其它要求准确停车的生产机械，在停车前要降低速度，以提高停车的准确性。
这就要求我们采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，一满足生产的需要。
通常，我们把这种为了满足生产需要而人为改变拖动电机的转速，使电动机从一个稳定转速过渡到另一个稳定转速的过程称为调速过程，简称调速。
对于采用电动机作原动机的生产机械，实现调速的方案通常有电气调速、机械调速和机电配合调速三种。
机械调速是靠改变传动机机构的转速比来调节工作机构的转速；而电气调速是靠调节电动机的转速来调节工作机构的转速。
电气调速有许多优点，如传动机构简单、调速时不需要脱离负载、技术性能好等。
因此，电气调速获得了广泛的应用。
直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。
然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
一 设计指标直流电动机参数：20KW=N P ，1500r/m in=N n ，200V=N U ，106A=N I ，Ω=0.16a R ，Ω=0.6R ，0.02s =l T ，0.24s =m T ，10V ===ctm im nm U U U ，电枢电源采用直流脉宽调制电源供电，系统过载能力1.5，调速范围20，最高转速2000r/min ，电流超调量%5%≤i σ，转速、电流无静差，主电路电力电子器件开关频率kHz f 1≥。
二 参数计算2.1 预置及固有参数计算：1) 电枢电源采用直流脉宽调制电源，滞后时间常数为0.001s =s 10001 = 1f T s =2) 电动机电动势系数)min/.(135.0150010616.0220r V n R I U C N a N N e =⨯-=-=3) 由ACR 输出限幅值：10V=ctm U ， 则54.36106.01065.12000135.0=⨯⨯+⨯=+==ctm d e ctm do S U R I n C U U K取启动电流：159A1.5I N ==dm I4) 由ASR 输出限幅值为：10V=im U ，则电流反馈系数为：)/(06.015910A V I U dm im ===β5) 由转速最大给定值：10V=nm U ，则转速反馈系数：)min/.(005.0200010max r V n U nm ===α转速滤波时间常数onT ，根据所用测速发电机纹波情况，取onT =0.005s 。
2.2 选择电流调节器结构根据设计要求%5%≤i σ，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器ss K s W i i i ACR ττ)1()(+=检查对电源电压的抗扰性能：10002.002.0==∑ss T T i l ，参照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标，都可以接受。
2.3 计算电流环参数电流滤波时间常数oiT 。
应有(1~2)oiT =3.33ms,因此取oiT =0.001s 。
电流环小时间常数之和iT ∑。
按小时间常数近似处理，取sT T T s oi i 002.0=+=∑。
电流调节器超前时间常数：。
0.02s = T =l i τ电流环开环增益：要求%5%≤i σ时，由相关表知，应取5.0=∑i I T K ，因此)(250002.05.05.01-∑===s T K i I于是，ACR 的比例系数为37.106.054.366.002.0250=⨯⨯⨯==βτS i I i K R K K2.4 电流环检验近似条件电流环截止频率：1250-==s K W I ci1) 整流装置传递函数近似条件ciS W s T >=⨯=-13.333001.03131，满足近似条件。
2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件cil m W s T T <=⨯⨯=-13.4302.024.01313，满足近似条件。
3) 电流环小时间常数近似处理条件：cioi S W s T T >=⨯=-13.333001.0001.0131131，满足近似条件。
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为%5%3.4%<=i σ满足设计要求。
2.5 选择转速调节器结构按Ⅱ型系统设计转速环，ASR 选用PI 调节器，传递函数为ss K s W n n n ττ)1()(+=按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5。
2.6 计算转速环参数电流环等效时间常数I K /1。
由5.0=∑iI T K 得 ss T K i I 004.0002.0221=⨯==∑转速环小时间常数之和nT ∑。
按小时间常数近似处理，取s s s K T T Ion n 009.0004.0005.01=+=+=∑转速调节器超前时间常数：ss hT n n 045.0009.05=⨯==∑τ转速环开环增益)(5.1481009.02526212222-∑=⨯⨯=+=s T h h K n NASR 的比例系数为2.43009.06.0005.05224.0135.006.0)15(21=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+=⨯+=∑∑n m e n T R T C h h K αβ2.7 转速环检验近似条件1) 转速环截止频率为11167.66045.05.1481--=⨯===s s K K W n N Ncn τω2) 电流环传递函数简化条件为cni I W s T K >==-∑185.117002.02503131，满足简化条件3) 转速环小时间常数近似处理条件为cnon I W s T K >==-154.74005.02503131，满足近似条件。
三 系统仿真分析3.1 MATLAB 绘制双闭环系统动态结构图图1 双闭环系统动态结构图3.2 MATLAB下仿真运行结果图2 仿真运行结果从仿真结果看，所设计系统基本满足设计要求。
四系统硬件设计4.1 系统总体设计方案图3 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图单片机可选用AT89C51、AT89S52等。
AT89C51 系列单片机是美国ATMEL 公司近年来推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的8 位CMOS 微型计算机。
它的显著优点是: ①内含Flash存储器,这在系统的开发过程中,可随意进行程序修改,既便错误编程之后仍可以重新编程,故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期;同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息。
②采用静态时钟方式,节省电能,这对于降低便携式产品的功耗十分有利。
③由于它是以8031 核构成的,所以它与MCS251 系列单片机是兼容的,这对于熟悉MCS251 系列的广大用户来说,用AT89 系列单片机取代51 系列进行系统设计是轻而图4 AT89C51管脚图易举的。
4.2 主电路设计4.2.1 主电路整体设计主电路由整流电路，滤波电路及PWM变换器组成。
为简化控制电路，减少滤波，整流电路采用三相二极管整流电路整流，系统的调压由PWM变换器承担。
PWM变换器由两个绝缘栅极双极晶体管IGBT和两个续流二极管组成。
GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大。
而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。
将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，通常称为Bi-MOS器件。
绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT）综合了GTR和的MOSFET优点，因而具有良好的特性。
因此，自其1986年开始投入市场，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
图5 主电路图主电路中图中C1、C2为直流侧的滤波环节；开关K1控制交流电的接通与关；K2为接触器触点开关；R1、R2、Rb和Vb起泵升限制作用，当电机制动时，滤波电容吸收运动系统动能，使电容两端电压（给定值260V）升高，当电压检测信号超过给定信号时，单片机通过P3.5口使Vb导通，Rb的分流电路接通。