1、電機(jī)與拖動課 程 設(shè) 計（題目）（副標(biāo)題） （作者姓名） （學(xué)號） （成績）（作者姓名） （學(xué)號） （成績）（作者姓名） （學(xué)號） （成績）（作者姓名） （學(xué)號） （成績）（作者姓名） （學(xué)號） （成績）指導(dǎo)教師 （姓名 職稱）學(xué)院名稱 專業(yè)班級設(shè)計提交日期年月 設(shè)計答辯日期年月摘 要本設(shè)計以IR2111與h橋組成的電機(jī)驅(qū)動模塊為核心，采用STC89C52單片機(jī)來進(jìn)行PWM的產(chǎn)生以及調(diào)控，并用TIL113光耦隔離模塊進(jìn)行信號的隔離。實驗調(diào)試后證明，該方法接線容易，可行性較其它方案的高而且在最后驗收中成功實現(xiàn)電機(jī)的四象運行與調(diào)速。關(guān)鍵字：IR2111 STC89C52單片機(jī)PWM 四象運行與調(diào)速

2、目 錄摘要1 設(shè)計簡述 4 1.1 設(shè)計題目 4 1.2 設(shè)計任務(wù)與要求 4 1.3 設(shè)計原理 42 方案論證 4 2.1 脈寬調(diào)制電路的選擇 4 2.2 驅(qū)動電路的選擇 5 2.2 驅(qū)動電路的選擇 53. 系統(tǒng)的組成 5 3.1 系統(tǒng)的硬件組成 5 3.2 系統(tǒng)的軟件 10 3.2.1系統(tǒng)電機(jī)狀態(tài)控制程序 10 3.2.2系統(tǒng)的測速功能程序 10 3.2.3具體程序 12 3.3 系統(tǒng)的調(diào)試 174 問題與解決 175 心得 186 參考文獻(xiàn)7附錄1 設(shè)計簡述1.1 設(shè)計題目直流電機(jī)PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1.2 設(shè)計任務(wù)與要求1 直流電機(jī)的調(diào)速有單象限，二象限和四象限三種工作形式。要求學(xué)生選

3、擇后兩種工作形式的任意一種進(jìn)行設(shè)計。2選用額定電壓為220V，額定電流為1.2A的它勵直流電動機(jī)（即把實驗室的并勵直流電動機(jī)做它勵接法）作為調(diào)速對象。要求帶一發(fā)電機(jī)負(fù)載進(jìn)行調(diào)速實驗。1.3 設(shè)計原理：脈寬調(diào)制即PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需波形。PWM驅(qū)動是利用大功率管的開關(guān)特性，按固定頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通“與“斷開“時間的長短，通過改變無刷直流電動機(jī)定子繞組上電壓脈沖的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖2.8即為無刷直流電動機(jī)單相繞組PWM

4、驅(qū)動電路的原理框圖。由于PWM控制器的主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，因此控制器的損耗小、效率高。2 方案論證2.1 脈寬調(diào)制電路的選擇方案1：采用STC89C52單片機(jī)來進(jìn)行PWM的產(chǎn)生以及調(diào)控。方案2：采用TL494脈寬調(diào)制芯片選擇：方案1的接線較為簡單，而且實現(xiàn)起來比較容易。2.2 驅(qū)動電路的選擇方案1：使用多個功率放大器件例如三極管以及相關(guān)功率管等，通過不同的放大驅(qū)動電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大要求以及相應(yīng)的控制時序，但由于控制的是半橋驅(qū)動電路，需要考慮到獨立電源的問題，電路制作比較復(fù)雜。方案2：采用專用驅(qū)動集成芯片IR2111來驅(qū)動半橋，IR2111 是功率MOSFET 和IG

5、BT 專用柵極驅(qū)動集成電路，可用來驅(qū)動工作在母線電壓高達(dá)600V 的電路中的N溝道功率MOS 器件。采用一片IR 2111 可完成兩個功率元件的驅(qū)動任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動電路僅需一個輸入級直流電源；可實現(xiàn)對功率MOSFET和IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動，還具有完善的保護(hù)功能。選擇：方案2有較大優(yōu)勢，而且外圍電路制作簡單，控制方便，采用方案二。在IR2111后接上H橋電機(jī)驅(qū)動模塊便可以控制電機(jī)勵磁繞組的電流正反向。2.3 信號隔離電路的選擇光電偶合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電光和光電的轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)電信號送入

6、光電耦合器的輸入端時，發(fā)光二極體通過電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無信號，發(fā)光二極體不亮，光敏三極管截止，CE不通。對于數(shù)位量，當(dāng)輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“ 0”。若基極有引出線則可滿足溫度補(bǔ)償、檢測調(diào)制要求。這種光耦合器性能較好，價格便宜，因而應(yīng)用廣泛。3. 系統(tǒng)的組成3.1 系統(tǒng)的硬件組成1.穩(wěn)壓電源電源輸入到固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM780

7、5的穩(wěn)壓和右側(cè)的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓圖3.1 5v穩(wěn)壓電源2.IR2111及h橋電機(jī)驅(qū)動模塊采用一片IR 211l可完成兩個功率元件的驅(qū)動任務(wù)，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動電路僅需一個輸入級直流電源；可實現(xiàn)對功率MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，還具有完善的保護(hù)功能。基于三極管的使用機(jī)理和特性，在驅(qū)動電機(jī)中采用H橋功率驅(qū)動電路，H橋功率驅(qū)動電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞組有時需正向電流，有時需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動。圖3.2 電機(jī)驅(qū)動模塊3.T

8、IL113光耦隔離模塊在微機(jī)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用的是開關(guān)量的控制，這些開關(guān)量一般經(jīng)過微機(jī)的IO輸出，而IO的驅(qū)動能力有限，一般不足以驅(qū)動一些點磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動介面電路，為避免微機(jī)受到干擾，須采取隔離措施。如可控硅所在的主電路一般是交流強(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機(jī)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機(jī)控制信號與可控硅觸發(fā)電路進(jìn)行隔離。圖3.3 TIL113光耦隔離模塊4.按鍵控制模塊通過按鍵實現(xiàn)電機(jī)不同狀態(tài)下的工作圖3.4按鍵控制模塊5.單片機(jī)最小系統(tǒng)及占空比顯示模塊 電機(jī)的控制，測速功能實現(xiàn)的主要模塊 單片機(jī)晶振電路，采用12M的晶振圖3.5 單片機(jī)晶振電路單片機(jī)復(fù)位電路圖3.6 單

9、片機(jī)復(fù)位電路單片機(jī)最小系統(tǒng)及占空比顯示模塊圖3.7單片機(jī)最小系統(tǒng)及占空比顯示模3.2 系統(tǒng)的軟件3.2.1系統(tǒng)電機(jī)狀態(tài)控制程序通過控制PWM1 PWM2的輸出影響勵磁繞組的電流正反向來實現(xiàn)電機(jī)四象限運行功能。通過對單片機(jī)輸入電平計算就可以實現(xiàn)測速功能。程序框圖開始初始化查詢等待 啟動 不同象限的選擇 電機(jī)加速/減速 計時 PWM1PWM2的輸出矩形波 勵磁繞組的電流正反向控制 增大/減少占空比結(jié)束 3.2.2系統(tǒng)的測速功能程序若直流電機(jī)啟動后，讓定時器T0開始計時，對單位時間內(nèi)產(chǎn)生的方波計數(shù)為N，根據(jù)公式可求出單位時間內(nèi)的速度VNT。測速部分的設(shè)計框Z 開始 初始化 按下OPEN鍵 定時器T0

10、開始計時 對單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù) N 根據(jù)公式計算出電機(jī)的速度 數(shù)碼管顯示電機(jī)速度 結(jié)束3.2.3具體程序電機(jī)控制及測速程序：bit PWM1=P27; /定義兩路PWM脈沖波輸出IOsbit PWM2=P26;sbit SMG1=P12; /定義數(shù)碼管位選sbit SMG2=P15;sbit ONE=P24; /定義四象限按鍵控制IOsbit TWO=P25;sbit THREE=P36;sbit FOUR=P37;sbit pwm_rate_crease=P35;/定義占空比改變按鍵控制IOsbit pwm_rate_decrease=P34;unsigned char code numt

11、ab10=0x18,0xFC,0x52,0x54,0xB4,0x15,0x11,0xDC,0x10,0x14; /聲明數(shù)碼管數(shù)字?jǐn)?shù)組uchar i=1;uchar count=0;uint pwm_rate=75; /初始化占空比void DelayMS(uint x) /延時程序 uchar t;while(x-) for(t=0;t<35;t+);void OUT_PWM_PULSE() /占空比輸出函數(shù)if(i%2=1)if(count=1)PWM1=0;PWM2=1;if(count=2)PWM1=0;PWM2=0;if(count=3)PWM1=1;PWM2=0;if(coun

12、t=4)PWM1=0;PWM2=0;if(i%2=0)PWM1=0;PWM2=0;void main()/主函數(shù) P2=0xff;/初始化IO口P0=0Xff;TMOD = 0x01;/初始化定時器0，設(shè)定PWM脈沖波的頻率為10khzTH0 = (65535-pwm_rate)/16;TL0 = (65535-pwm_rate)%16;IE = 0x82; /開啟定時器中斷TR0 = 1;while(1)if(pwm_rate_crease=0|pwm_rate_decrease=0)/按鍵去抖動DelayMS(10);if(pwm_rate_crease=0|pwm_rate_decrea

13、se=0) /按鍵處理if(pwm_rate_crease=0)pwm_rate=pwm_rate+1; if(pwm_rate_decrease=0) pwm_rate=pwm_rate-1;if(pwm_rate>100) pwm_rate=0; if(pwm_rate<0) pwm_rate=25; while(pwm_rate_crease=0|pwm_rate_decrease=0) DelayMS(5);if(ONE=0|TWO=0|THREE=0|FOUR=0)DelayMS(10);if(ONE=0|TWO=0|THREE=0|FOUR=0) TR0 = 0;if(

14、ONE=0)pwm_rate=75;count=1;if(TWO=0) count=2; if(THREE=0) pwm_rate=75;count=3;if(FOUR=0) count=4;while(ONE=0|TWO=0|THREE=0|FOUR=0) DelayMS(5);TR0=1;P1=0XFB;/數(shù)碼管顯示P0=numtabpwm_rate%10;DelayMS(6);P1=0XDF;P0=numtabpwm_rate/10;DelayMS(6);void pwm() interrupt 1 /定時器0中斷處理程序OUT_PWM_PULSE();if(i%2=1)TH0 = (6

15、5535-pwm_rate)/16; TL0 = (65535-pwm_rate)%16;if(i%2=0)TH0 = (65435+pwm_rate)/16; TL0 = (65435+pwm_rate)%16;i=i+1;if(i>=2) i=0;3.3 系統(tǒng)的調(diào)試 電機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后實驗數(shù)據(jù)：勵磁電壓為244v電樞電流為1.2A，電樞電壓恒定在218v下改變占空比，測得相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速如下：占空比（%）4050607580電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）727.2764.4837.1874.9904.2表3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速4 問題與解決在設(shè)計過程中遇到的問題及解決：1.電機(jī)調(diào)試過程中，改變電機(jī)的

16、占空比，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍較小，且輸出轉(zhuǎn)矩偏小？解決：經(jīng)過分析，電機(jī)的調(diào)速方式為雙極式PWM調(diào)速，雙極性工作造成低電流啟動。通過軟件改變電機(jī)的調(diào)速方式為單極式后，電機(jī)運行正常。2.調(diào)試過程中出現(xiàn)當(dāng)增加場效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動電路的上管電壓至140v以上時，場效應(yīng)管擊穿損壞？解決：經(jīng)過分析，原因可能有三個方面：一是電機(jī)運行在雙極式工作條件下，H橋的4個晶體管均處于開關(guān)狀態(tài)，因此開關(guān)損耗大，而且上、下兩管容易發(fā)生橋臂直通，降低了可靠性。二是選用的場效應(yīng)管參數(shù)不匹配，內(nèi)置的續(xù)流二極管沒有達(dá)到續(xù)流的要求。三是IR2111驅(qū)動電路部分的自舉電容和二極管選型不匹配。針對以上三個方面，對PWM控制器進(jìn)行改

17、進(jìn)，使得直流電機(jī)運行在了較為理想的狀態(tài)。3.調(diào)試過程中出現(xiàn)電機(jī)總是一個方向的運行？解決：基本上鎖定在程序錯誤和硬件電路芯片損壞兩個方面。程序錯誤的可能性不大，用下載器重新下載了程序后，故障仍然存在，排除了程序錯誤的可能性。將驅(qū)動電路部分的兩片IR2111調(diào)換位置后發(fā)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向相應(yīng)改變。通過測試，其中的一片IR2111芯片失效，原因可能是調(diào)試電機(jī)過程中場效應(yīng)管擊穿，過流通過VS線損壞IR2111。重新?lián)Q上IR2111后，電機(jī)控制正常。4.開始調(diào)試過程中，通上電源后電機(jī)仍然不轉(zhuǎn)？解決：經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，IR2111芯片的com引腳與場效應(yīng)MOS管的上所加電壓的地未連接在一起，用鱷魚夾連接后，電機(jī)控制正常。5.控制電機(jī)低速