直流电机PWM调速电路

《电子技术》课程设计报告

班级电气1107 学号1101205712学生海彬

专业电气信息类

学院电子与电气工程学院

指导教师电子技术课程设计指导小组

工学院

电子与电气工程学院

2012年05月

直流电机PWM调速电路

一）设计任务与要求：

1.设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动；

2.设计PWM驱动信号发生电路；

3.设计电机转速显示电路；

4.设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速；

5.安装调试。

二）系统原理及功能概述

1）直流电机脉宽调速电路原理

对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为便的。其法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。

改变占空比的法有3 种：

（1）定宽调频法，这种法是保持t1 不变，只改变t2 ，这样期T（或频率）也随之改变；

（2）调宽调频法，保持t1 不变，而改变t2 ，这样也使期T（或频率）改变；

（3）定频调宽法，这种法是使期T（或频率）不变，而同时改变t2 和t1 由，当控制频率与系统的固有频率接近于前两种法都改变了期（或频率）时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。设电机永远接通电源时，其最大转速为Vmax，设占空比D＝t1 /T ，则电机的平均速度为Vd，平均速度Vd 与占空比D 的函数曲线如图1－2 所示，从图可以看出，VD 与占空比 D 并不是完全线性关系（图中实线），当系统允时，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。

平均速度与占空比的关系

2）比例积分控制规律

系统的控制算法主要采用了PI 控制算法。其控制算法为：

其中Kp 为比例系数，Ti 为积分系数。若单片机的采样期为T，则上式可近似为：

上式即为位置式PI 控制算法。这里我们采用其增量式控制算法，根据递推原理可得：

则增量式控制算法为：

其中Kp 为控制器比例系数，Ki 为积分时间常数。由于系统采用了比例积分调节器简称PI 调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI 调节器的调节作用

使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。

无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快无滞后，积分部分使系统消除静差。

3）直流电机调速原理

直流电机转速n 的表达式为:

式中:U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢电路总电阻；Φ-每极磁通量；K-与电机结构有关的常数，因此直流电机转速n 的控制法有三种，主要以调压调速为主。

本控制器主要通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。调脉宽的式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本系统采用了定频调脉宽式的PWM 控制，因为采用这种式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM 脉冲的软件实现上比较便。

对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速围可以大大提高。

转速设定值

偏差转速输出

直流电机速度闭环控制案

三）脉宽可调波发生电路

四）硬件设计与分析

1）系统硬件组成

图2－1 为该系统硬件电路设计框图。根据本系统要求通过软件编程定义键盘各键的功能及显示控制。

有关驱动及主回路控制电路见下几节。

整个系统控制过程为：键盘输入控制信号、参数及速度给定值，单片机经过速度闭环、运算，控制P 口（自行定义）输出脉冲的占空比，从而控制电机的转速，并经显示电路显示出来。

驱动控制电路见图2－3。将单片机软件产生的PWM 信号经并联使用的施密特反相器，对IGBT 进行驱动。

2）驱动控制电路

驱动控制电路见图2－3。将单片机软件产生的PWM 信号经并联使用的施密特反相器，对IGBT 进行驱动。

驱动控制电路

3）主回路控制电路

主电路控制电路见图2－2。220 交流电压经过桥式整流电路的整流，再经过电容滤波，经过IGBT 元件的功率放大，加到直流电机的两端控制电机。

主电路控制电路

4）测速电路

测速电路

5）显示电路

显示电路见图2-5。选用共阴8 段数码管，采用MAX7219 驱动。

MAX7219 是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED 显示驱动器。每片可驱动8 位7 段加小数点的共阴极数码管，可以数片级联，而与微处理器的连接只需 3 根线。MAX7219 部设有扫描电路，除了更新显示数据时从单片机接收数据外，平时独立工作，极大地节省了MCU 有限的运行时间和程序资源。

MAX7219 芯片上包括BCD 译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的8×8 静态RAM 以及数个工作寄存器。通过指令设置这些工作寄存器，可以使MAX7219 进入不同的工作状态。MAX7219 的详细资料请参考其他书籍，这里不再赘述。

MAX7219 驱动显示电路

按键电路见图2－6。52 单片机的P 口在悬空时默认是高电平，每个按钮通过一个上拉电阻接到＋5V 电源，按下按钮，则P 口变成低电平，这样就可以通过P 口的状态来反映按钮的按下情况。按键通过并联电容 C 进行防抖动，无需通过软件部分实现。

五）电机测速

信号调理电路主要利用LM324 运算放大器设计的比较器，调节比较器偏置电压使脉冲最接近于波且幅度大于3.3V。为了提高测速的精度，在信号后级添加比较器调理信号为标准的波，调节比较器运放的偏置电压使波信号最适合于测速。

在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。