直流电机PWM调速电路驱动与保护部分

前言

上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一般低于400Hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。

随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。与此同时，脉冲宽度调制（PWM）技术与开关功率电路成为功率应用中的主流技术；长期以来，直流电机以其良好的线性特性，优异的控制性能、低成本等特点成为大多是变速运动控制系统和闭环位置伺服系统的最佳选择。因此，基于PWM（Pulse Width Modulation）的直流电机调速技术在现代电气传动系统中被广泛运用。

电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向。而驱动电路则是调速电路的重要组成部分，其处在主电路和控制电路之间，将控制电路的信号进行放大。保护电路以及检测电路是对电机速度精确控制的前提，本次课程设计是对直流电机调速驱动电路进行设计，下面是驱动电路设计的具体过程。

一、设计目的：

1、培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生

产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。

2、学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。

3、进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。

4、培养学生的创新能力。

二、设计要求：

1、设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向驱动。

2、设计PWM驱动信号发生电路。

3、设计电机转速显示电路。

4、设计点击转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速。

5、安装调试。

三、总体设计：

脉宽调制的全称为：Pulse Width Modulator、简称PWM。由于它的特殊性能、常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速、HW-1020型调速器、就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达调速器、PWM调速器已经在:工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。

3.1、直流电机基本工作原理

我们已经知道通电导体在磁场中会受到电磁力的作用--电磁力定律。电动机就是应用这个定律工作的。图3.1.1是直流电动机的原理图。

图3.1.1 直流电机原理图

电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。电流从电刷 A流入电枢绕组，从电刷B流出。电枢电流Ia与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩T，使电动机电枢逆时针方向旋转。如上图a所示。

当电枢转到上图b所示位置时，由于换向器的作用，电源电流Ia仍由电刷A流入绕组，由电刷B流出。电磁力和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时针方向旋转。

电枢转动时，割切磁力线而产生感应电动势，这个电动势(用右手定则判定)的方向与电枢电流Ia和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势Ea。它与发电机的电动势 E的作用不同。发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。而Ea是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。

可见，电动机向负载输出机械功率的同时，电源却向电动机输入电功率，电动机起着将电能转换为机械能的作用。

发电机和电动机两者的电磁转矩T的作用是不同的。发电机的电磁转矩是阻转矩，它与原动机的驱动转矩T1的方向是相反的。电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡，即T＝T2十T0。当电动机轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、反电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。可见，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和

电磁转矩，但两者作用截然相反。

3.2、脉冲宽度调制

上述电路中，运算放大器U1A和U1B两级产生三角波，U1C为跟随器，起隔离作用。U1B输出的三角波与从电位器RP得到的直流电压相加后输入到U1D的反相端，U1D作为脉冲宽度调制电路，其输出一定占空比的矩形脉冲，其占空比与反相端输入信号的瞬时采样值成比例，然后控制三极管Q1的导通时间，使其输出电流随输入电压的平均值大小而变化，进而控制电机的旋转速度。调节电位器可调节占空比的大小，即可调节电机的转速。

3.3、电机转动

霍尔传感器原理：霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

图3.3。1

霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图3.3.1所示，是其中一种型号的外形图。

3.4、显示器

十进制可逆计数器74LS192引脚图管脚：

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：

图3.4.1 74LS192的引脚排列及逻辑符号

（a）引脚排列 (b) 逻辑符号

图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输

出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

四、单元电路设计：

器材列表：

9013三极管6个，二极管IN4007 6个，10K电阻4个，20K电阻2个，电路板一块，导线若干。

驱动电路图如下：