单片机PWN调速设计.docx

1、摘要某些场合往往要求直流电机的转速在一定范围内可调节，例如，电车、机床等，调节范围根据负载的要求而定。调速可以有三种方法：（1）改变电机两端电压；（2）改变磁通；（3）在电枢回路中，串联调节电阻。本设计采用PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。采用了AT89S52单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、中断模块以及H型驱动模块

2、组成。由H桥实现正反转。关键字：AT89S52单片机；PWM技术；正反转；调速目录摘要I前言1第一章 直流电机的工作原理21.1 直流电机的工作原理21.2机械特性表达式31.3 直流电机的调速5第二章PWM控制技术72.1 PWM的基本原理72.2 PWM在直流调速中的应用72.3 H桥式可逆PWM变换器8第三章 直流电动机调速系统设计113.1 硬件系统113.1.1 单片机的选型113.1.2 功率放大驱动电路设计123.2主电路设计133.2.1延时保护电路133.2.2 主电路143.3 系统总体图163.4主程序设计16总结和体会18参考文献19附录：20前言由于直流电动机具有良好

3、的起动、制动性能适宜在大范围内平滑调速因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且从控制的角度来看，直流调速还是交流调速，都用到拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础由运算放大器、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非常复杂功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难触发精度易受电网电压波动的影响，触发脉冲不对称度较大，调节器中的运算放大器，因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差，模拟器件老化也会引起运算误差，甚至使已经整定好的系统性能变差，这些都阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异使许多控制功能及算法可

4、以采用软件技术来完成，不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，而且使系统能达到了更高的性能从而大大节约了人力资源，降低了系统成本有效地提高了工作效率。第一章 直流电机的工作原理1.1 直流电机的工作原理如果直流电机的两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈 abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从

5、电刷 B 流出。其受到电磁力的作用方向由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。1.2机械特性表达式当电枢两端额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻时，即理想空载转速时，此时 机械特性的斜率D因为下倾的斜率较小，转速变化较小，特性较平，称为硬特性。斜率大时的特性称为软特性。 ，及电动机启动时，此时电枢电流为启动电流：电磁转矩为启动转矩. 分

6、析 四个特殊点：（电机型号见附录）1）理想空载点 A（ 0，）2)实际空载点 A（）3)额定工作点C（ ）4)堵转点 B （ ， 0 ） nACBnnAT1.3 直流电动机启动1.3.1 启动条件因为电枢电流很大故会出现:1、危及直流电机本身安全，2、使电刷与转向器间产生强烈的火花，3、使电刷与转向器表面接触电阻增大，4、使电动机在正常运行时的转速降落增大。 因此一般直流电机不允许直接启动，并且要有足够大的启动转矩，。1.3.2 直流电动机启动启动方法有三种有三种：1、直接启动快、设备简单，但冲击电流较大，要考虑电机和电源能否承受得住。2、电枢回路串电阻启动设备成本低，冲击电流小，随转速增加慢

7、慢切除电阻（有专门的启动器）3、降压起动，电枢电压慢慢升高，调压设备成本高。1.3 直流电机的调速拖动负载运行的他励直流电机，其转速是由负载特性和机械特性的交叉点（工作点）决定，工作点改变，转速也随之改变。总的来说有三种调速方法：1） 改变电枢回路电阻调速 当负载一定时，随着串入的外接电阻R的增大，电枢回路总电阻增大，电动机转速就降低。 2）改变电枢电压调速 连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。 3）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。 电动机的转速与磁通（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速升高；反之，则降低。由于电动机

8、的转矩是磁通和电枢电流的乘积，电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。典型恒功率调速。第二章PWM控制技术2.1 PWM的基本原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。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，并且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”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2-1所示：图2-1 PWM方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为

9、，设占空比为，则电机的平均速度为，其中指的是电机的平均速度； 是指电机在全通电时的最大速度；指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。2.2 PWM在直流调速中的应用PWM广泛应用于直流调速系统，例如，以往普遍应用的晶闸管相控整流直流电机调压调速系统，现在也发展了全波步控整流PWM斩波直流电压调速系统，开关磁阻电动机也是有直流斩波器供电的。PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周

10、期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。2.3 H桥式可逆PWM变换器脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。H桥式可逆PWM变换器电路如图2-2所示。这是电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图2-2 H桥式可逆PWM变换器电路双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图2-3所示。图2-3 PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电

11、枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比，电压系数则在双极式可逆变换器中调速时，的可调范围为01相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的

12、损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1）电流一定连续。2）可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。第三章 直流电动机调速系统设计3.1 硬件系统本设计是利用一块单片机，实现 Z2-72 直流电机的启动、停止、加速、减速和转向控制，具体硬件部分由晶振电路、复位电路、显示电路、键盘电路、电源电路、单片机驱动电路、测速点路和电源电路等组成。3.1.1 单片机

13、的选型具有 8K 在系统可编程AT89S52引脚图 DIP封装Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，A

14、T89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 OkN图3-1单片机最小系统3.1.2 功率放大驱动电路设计功率放大驱动芯片有多种，其中较常用的芯片有IR2110和EXB841，但由于IR2110具有双通道驱动特性，且电路简单，使用方便，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

15、，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。IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的CMOS输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达500V

16、，du/dt=50V/ns，在15V下的静态功耗仅有1.6mW；输出的栅极驱动电压范围为1020V，逻辑电源电压范围为515V，逻辑电源地电压偏移范围为5V5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流2A，负载为1000pF时，开关时间典型值为25ns。两路匹配传输导通延时为120ns，关断延时为94ns。IR2110的脚10可以承受2A的反向电流。 3.2主电路设计3.2.1延时保护电路利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。IR2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MO

17、S器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。3.2.2 主电路从上面的原理可以看出，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。

18、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

19、向C1充电，为Q1的又一次导通作准备。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的又一次导通作准备。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

20、- ( T - t1 ) V / T = ( 2 t1 T ) V / T = ( 2D 1 )V定义负载电压系数为，= Vout / V， 那么 = 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01之间变化，因此在1之间变化。如果我们联系改变，那么便可以实现电机正向的无级调速。当=0.5时，Vout=0，此时电机的转速为0；当0.51时，Vout为正，电机正转；当=1时，Vout=V，电机正转全速运行。图3-2-2 系统主电路3.3 系统总体图直流电机调速系统总体电路设计由单片机产生控制PWM信号发生电路产生PWM信号的数据，

21、控制直流电机调速电路对电机进行调速。3.4主程序设计主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。其程序流程图如图所示。软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1口生数据送到PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比进而控制电机的转速。主程序流程图如图3-所示：总结和体会本学期课程设计是一单片机控制电动机的调速与正反转。通过查找大量资料，请教老

22、师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。此次课程设计不仅是对前面所学电力电子技术和运动控制理论的一种检验，更是对所学知识大融合，站在新的高度看待新的问题，而且也是对自己运用所学知识的能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多。以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。参考文献1王兆安等.电力电子技术M. 北京：机械工业出版社.2000年.2 孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用M.北京：中国电力出版社.2008.3陈明荧. 8051单片机基础教程M.科学出版社.2003.4傅丰林.模拟电子线路基础M.西安：西安电子科技.20015陈勇，罗萍，向敏. 电力拖动与控制M.北京：人民邮电大学出版社.2011.6 7 孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用M.北京：中国电力出版社.2008. 8 康华光.电子技术基础数字部分M.高等教育出版社.2004附录：占空比的有关计算：当转速达到1000 r/min 时。此刻的而占空比当转速达到500 r/min。此时占空比