电机调速系统设计方案

电子系统设计
方案设计：基于单片机的直流电机调速系统设计方案团队成员：
指导教师：
提交时间：
设计要求：
1)直流调速系统需要闭环控制。

2)制作显示装置，实时显示速度。

3)利用电位器进行速度指令
小组成员及分工：
组长：负责内容：方案的整体设计 3分
组员：负责内容：器材选择 1分
负责内容：设计报告的编辑 1分
负责内容：系统调试 1分
负责内容：设计报告的编辑 1分
负责内容：系统仿真 1分
负责内容：软件编写 1分
负责内容：电路搭建 1分
摘要：本方案设计了一种基于单片机控制的直流电机速系统。

设计包括系统的硬件、软件以及仿真。

硬件部分包括：H桥电机驱动电路、LED显示模块、测速模块以及隔离模块，软件部分包括程序设计、PI控制器的设计，仿真部分包括电机传递函数的测试以及系统的仿真。

整个系统的电路逻辑结构简单，可靠性高，具有很高的实用价值。

1.本课题的研究意义：
在国民生产中，伴随着现代技术的进步，电力电子技术也得到了全面的发展，其技术已应用到各个领域。

在各类机电系统中，直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。

直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。

与交流调速相比，直流电机结构简单，生产成本低，维护工作量小。

随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。

适用范围：直流调速器在数控机床、造纸印刷、包装机械、印制电路板设备、医疗设备、通讯设备、雷达设备、等行业广泛应用。

独立完成一次电子系统设计是对整个团队的一次考验，直流电机调速系统是一个兼具学习性与实用性的一个设计任务，如何成功地完成这次设计对我们团队的每位成员都是一次挑战，同样也是一次学习的机会
2.设计任务
基于单片机的直流电机调速系统设计方案，设计的主要内容及要求如下：
参数测定：测试电机的机械时间常数并计算出电机的传递函数
仿真实验：利用Mat lab对系统进行仿真
设计要求：实现调速闭环控制；利用电位器进行调速；LED速度显示
3.总体设计方案
通过分析直流电机的工作原理，对不同的调速方式进行对比，本方案采用了一种基于单片机控制的直流电机速方式。

总体设计思路是利用程序控制单片机产生PWM信号，通过调节PWM信号的占空比从而达到控制电机两端电压的效果，实现直流电机的调速。

控制方面，通过与电机链接的编码器将电机的转速以电信号的方式传给单片机，通过软件PID实现系统的稳定控制。

系统框图如图1。

图1 系统框图
3.1电机调速方式
本设计采用脉冲宽度调制（PWM）的方法进行调速控制。

脉冲宽度调制（PWM）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，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换等领域中。

PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。

也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且谐波少。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制技术的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

总之，PWM控制技术既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

本设计利用单片机产生一路PWM信号，通过非门产生两路高低电平信号相反的控制信号，通过单片机对PWM信号的占空比进行调节，操作相对简单且易于实现。

3.2驱动电路设计方案
H桥是一个典型的直流电机控制电路，因为它的电路形状酷似字母H，故得名与“H 桥”。

4个三极管（MOSFET）组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。

如图2所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管（MOSFET）和一个电机。

要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。

根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

原理图1如图2。

图2 原理图1
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。

例如，如图3所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。

按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

原理图2如图3。

图3 原理图2
为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。

当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

原理图3如图4。

图4 原理图3
4.硬件模块设计
本设计的硬件部分主要包括：H桥电机驱动电路、死区电路、测速模块、LED显示模块。

4.1驱动电路
本设计的驱动部分采用2片IR2110驱动4片MOSFET构成H桥控制电路。

IR2110是IR公司生产的高压，高速的功率MOSFET，IGBT专用驱动芯片，具有独立的高、低端输出双通道。

门电压需求在10—20V范围，悬浮通道用于驱动MOSFET的高压端电压可
以达到500V．MOSFET选用IRF840，其最大工作电压为500V，最大电流为8A，导通电阻为0.85Ω。

电路图如图5。

图5 IR2110驱动电路图
4.11芯片IR2110性能及特点
IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。

它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。

高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。

与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。

降低了产品成本和减少体积。

4.12高压侧悬浮驱动的自举原理
图6为IR2110用于驱动半桥的电路。

图中C1、VD1 分别为自举电容和二极管，C2为VCC的滤波电容。

假定在S1关断期间C1已充到足够的电压（VC1≈VCC）。

当HIN为高电平时VM1开通，VM2关断，VC1 加到S1的门极和发射极之间，C1通过VM1，Rg1和S1门极栅极电容Cgc1放电，Cgc1被充电。

此时VC1可等效为一个电压源。

当HIN为低电平时，VM2开通，VM1断开，S1栅电荷经Rg1、VM2迅速释放，S1关断。

经短暂的死区时间（td）之后，LIN为高电平，S2开通，VCC经VD1，S2给C1充电，迅速为C1补充能量。

如此循环反复。

自举二极管（VD1）和电容（C1）是IR2110在PWM应用时需要严格挑选和设计的元器件，应根据一定的规则进行计算分析。

在电路实验时进行一些调整，使电路工作在最佳状态
图6 半桥驱动电路
4.2硬件死区
对H桥驱动电路上下桥臂功率晶体管加互补信号后，由于带载情况下，晶体管的关断时间通常比开通时间长，这样，当下桥臂晶体管未及时关断而上桥臂抢先开通时，就会出现所谓“桥臂直通”故障。

这样会使桥臂直通时电流迅速变大，从而造成功率开关损坏。

所以设置导通延时及死区时间必不可少。

IR2110具有一定的死区时间，其大小为10 ns且不可外调，而实际使用中，MOSEFT管的关断时间比开通时间有时还要比10ns 大，此时就需要外加延时电路来加大死区时间，以防止电路直通，图7给出了一种硬件死区电路。

图6 死区电路
通过multisim对死区时间进行仿真，为了看清楚死区时间，把A通道设为2V，B 通道5V，死区时间大概就2US左右。

示波器图形如图8
图8 仿真波形
4.3测速模块
本设计采用编码器测速。

编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。

按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

本设计选用的是512线3相增量式编码器，该编码器具有体积小，质量轻，稳定性高的特点，外壳直径14mm，长度18mm，输出型号类型为CMOS信号，抗干扰能力强，不需上拉电阻直接和单片机连接，供电电压3.3V到5V可选，编码器可输出编码器的运转方向，即不需要正交解码也可以完成方向识别。

4.4LED显示模块
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

因为1602
识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如“A”。

5.软件部分
本设计利于单片机实现电机调速系统的控制、显示、以及调节。

通过将电机的速度反馈到单片机，针对电机调速系统的模型设计PI调节器，实现了系统的闭环控制。

5.1PWM控制驱动电路
从电路图上可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。

因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。

我们可以采取双PWM 信号来控制直流电机的正转以及它的速度。

将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。

在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加正向的工作电压。

其具体的操作步骤如下：
当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。

同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。

电源经Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。

此时直流电机正转。

在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流电机上加反向工作电压。

其具体的操作步骤如下：
当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候，Q2导通且Q1截止。

此时Q2的漏极近乎于零电平，VCC通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通做准备。

同理可知，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时VCC 通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通做准备。

电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成整个的回路。

此时，直流电机反转。

因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。

设PWM波的周期为T，HIN为高电平的时间为t1，这里忽略死区时间，那么LIN 为高电平的时间就为T-t1。

HIN信号的占空比为D=t1/T。

设电源电压为V，那么电枢电压的平均值为：
Vout=[t1(T-t1)] V/T
=(2t1–T) V/T
=(2D–1) V
定义负载电压系数为λ，λ= Vout / V, 那么λ=2D – 1 ；当T 为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到了改变Vout 的目的。

D在0—1之间变化，因此λ在±1之间变化。

如果我们联系改变λ，那么便可以实现电机正向的无级调速。

当λ=0.5时，Vout=0,此时电机的转速为0；
当0.5<λ<1时，Vout为正，电机正转；
当λ=1时，Vout=V,电机正转全速运
5.2控制算法
微处理器实现闭环控制的算法主要是通过程序编写相应的算法从而实现对系统偏差的消除。

首先利用处理器的定时器产生定时中断，定时时间为1~10ms，闭环控制算法在定时中断服务子程序内实现，中断服务子程序中,完成的操作如下：读指令通道和反馈通道信号；对指令信号和反馈信号进行数字滤波；完成PID控制算法；限幅处理，调整输出。

流程图如图9
图9 流程图
6.仿真部分
6.1电机的传递函数
直流电动机在忽略其微小电感L情况下,可以看成是一个典型的一阶系统。

该系统的传递函数是一个典型的惯性环节。

电枢控制直流电动机原理图如图10。

图10 电枢控制直流电动机原理图
当电枢控制直流电动机的输入为电枢电压Ua,输出为转轴转速度n时,其传递函数N(s)/Ua(s)可以按照下面的方法推导。

直流电动机是由2个子系统构成,一个是电网络系统,由电网络得到电能,产生电磁转矩。

另一个是机械运动系统,转动机械能带动负载转动。

(1)电网络平衡方程:
L a dI a
dt
+R a I a+E a=U a (1)
式(1)中: I a为电动机的电枢电流; R a为电动机的电阻; L a为电动机的电感; E a 为电枢绕组的感应电动势。

(2)电动势平衡方程:
E a=K eω (2)
式(2)中, K e为电动势常数,由电动机的结构参数确定。

(3)机械平衡方程:
J a dω
dt
=M a−M L (3)
式(3)中: J a为电动机转子的转动惯量; M a为电动机的电磁转矩; M L为折合阻力矩。

(4)转矩平衡方程:
M a=K c I a (4)
式(4)中: K c为电磁力矩常数,由电动机的结构参数确定。

将上述4个方程联立,因为空载下的阻力矩很小,略去M L,并消去中间变量I a、E a、M a,得到关于输入输出的微分方程式:
J a L a K c dω2
d t2
+
J a R a
K c
dω
dt
+K cω=U c (6)
这是一个二阶线性微分方程,因为电枢绕组的电感一般很小,略去La,则可以得到简化的一阶线性微分方程:
J a R a
c dω
+K cω=U a
2πJ a L a K c d n
d t
+2πK c n=U a
令初始条件为零,两边拉氏变换,求得传递函数G(s)为
G(s)=N(s)
U a(s)
=
1
2⁄πK c
J a R a
K c K c S+1
=
K
TS+1
当输入信号为单位阶跃输入1,一阶系统的传递函数的形式为G(s)=K
TS+1
,时间响应是单位阶跃响应
x0(t)=K(1−e−t
T) (t≥0)
图11 一阶系统的时间响应
6.2控制器的设计
在单回路控制系统中，由于扰动作用使被控参数偏离给定值，从而产生偏差。

自动控制系统的调节单元将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分(PID)运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、也为及其他工艺参数的自动控制。

比例控制能迅速反应误差，从而减少稳态误差。

为了减小稳态误差，在控制器
中加入积分项，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减少，直到等于零。

比例作用P 只与偏差成正比；积分作用I 是偏差对时间的积累；微分作用D 是偏差的变化率；积分(I)和比例(P)通常一起使用，称为比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

如果单独用积分(I)的话，由于积分输出随时间积累而逐渐增大，故调节动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。

PID 环节传递函数:
()I c P D K G s K K s s =+
+
PID 时域表达式: ()
()()()P I D
de t m t K e t K e t dt K dt =++⎰ 离散PID 表达式（增量型）
()(1)()()(2)(1)(2)
p i d p d d m k m k K K K e k K K e k K e k =-+++-+-+-
图12 算法流程
采用单片机技术来实现直流电机的调速，则直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高，因而具有较宽的应用范围和广阔的应用的前景
通过这次电子系统设计，让我和我的团队都能学到很多东西。

从方案设计、实验仿真到参数测量、系统搭建，我们通过团队协作，利用集体的力量完成了这次作业，对我们每个人来说完成这次是对我们的是一次历练，更是一次提高。

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