1、課題名稱直流電動機脈有調諫系統設計及實現專 業 電氣工程及其自動化班 級電氣班學生姓名夏恿學 號46指導教師吳牛彪一：設計原理1 .系統設計原理脈寬調制技術是利用數字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其 是在對電機的轉速控制方面，可大大節省能量，PW肺制技術的理論基礎為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所 需要的波形。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制， 既可改變逆變電路輸出電 壓的大小，也可改變輸出頻率。直流電動機的轉速n和其他參量的關系可表示為Ua Ia Ra n Ce（1）式

2、中Ua電樞供電電壓（V ;Ia電樞電流（A）；勵磁磁通（wb ；Ra 電樞回路總電阻（Q）;CE 電勢系數，,p為電磁對數，a為電樞并聯支路數，N為導體數。 由式（1）可以看出，式中 Ua R3三個參量都可以成為變量，只要改變 其中一個參量，就可以改變電動機的轉速，所以直流電動機有三種基本調速方法： （1）改變電樞回路總電阻Ra； ; （2）改變電樞供電電壓Ua； （3）改變勵磁磁通下圖為PMW（流電機設計框圖基本原理脈沖寬度調制（PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用， 方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行 編碼。PWM1號仍然是數字的，因為在給

3、定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么 完全有（ON）,要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復 脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候， 斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM4行編碼。簡而言之，就是用改變電機電樞 （定子 ） 電壓的接通和斷開的時間比 （ 占 空比 ） 來控制馬達的速度，在脈寬調速系統中，當電機通電時，其速度增加；電 機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時間，即可使電機 的速度達到并保持一穩定值。3. 直流電機 PWM 調速基本原理PWMJ式是在大功率開關晶體管的基極

4、上，加上脈沖寬度可調的方波電壓， 控制開關管的導通時間t,改變占空比，達到控制目的。圖1是直流PW源統原 理框圖。這是一個雙閉環系統，有電流環和速度環。在此系統中有兩個調節器， 分別調節轉速和電流， 二者之間實行串級連接， 即以轉速調節器的輸出作為電流 調節器的輸入，再用電流調節器的輸出作為PWMJ控制電壓。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調制器。控制部分采用SG1525（脈寬調制芯片SG1525M有欠壓鎖定、故障關閉和軟起動等功能 , 因而在中小功率電源和電機調速等方面應用較 廣泛。SG152腿電壓型才5制芯片，利用電壓反饋的方法控制PWM&號的占空比， 整個電路成為雙極點系統的控制問題 ,

5、簡化了補償網絡的設計。）集成控制器產 生兩路互補的PW嘛沖波形，通過調節這兩路波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，便能夠實現對電機速度的控制。為了獲得良好的動、靜態品質，調節 器采用 PI 調節器并對系統進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測 裝置對電流環進行檢測， 轉速還則是采用了測速電機進行檢測， 能達到比較理想 的檢測效果。驅動電路 aNNMM PWM調節器Ufj 電流反饋直流斬波器速，度反黃圖1 直流電動機PW陳統原理圖二：方案選擇及論證1方案選擇改變電樞回路電阻調速可以通過改變電樞回路電阻來調速，此時轉速特性公式為n=U-【I（R+Rw）】 /Ke （2）式中Rw為電樞

6、回路中的外接電阻（Q）。當負載一定時，隨著串入的外接電阻Rw的增大，電樞回路總電阻R=（Ra+Rw） 增大，電動機轉速就降低。Rw的改變可用接觸器或主令開關切換來實現。這種調速方法為有級調速，轉速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低， 故現在這種調速方法已極少采用，本次設計不采用。改變勵磁電流調速當電樞電壓恒定時，改變電動機的勵磁電流也能實現調速。由式1-1可看出， 電動機的轉速與磁通（也就是勵磁電流）成反比，即當磁通減小時，轉速 n升 高；反之，則n降低。與此同時，由于電動機的轉矩 Te是磁通中和電樞電流Ia 的乘積（即Te=CT Ia ）,電樞電流不變時，隨著磁通中的減小，其轉速升高， 轉

7、矩也會相應地減小。所以，在這種調速方法中，隨著電動機磁通的減小，其 轉矩升高，轉矩也會相應地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉速時，電動機始終可以輸出額定功率，因此這種調速方法稱為恒功率調速。為了使電動機的容量能得到充分利用，通常只是在電動機基速以上調速時才 采用這種調速方法。本次設計不采用。采用PWM控制的調速方法圖2為PW除壓斬波器的原理電路及輸出電壓波形。在圖 2a中，假定晶體管V1先導通T1,秒（忽略V1的管壓降，這期間電源電壓 Ud全部加到電樞 上），然后關斷T2秒（這期間電樞端電壓為零）。如此反復，則電樞端電壓波形如 圖1b中所示。電動機電樞端電壓 Ua為其平均值。圖2 PWM降

8、壓斬波器原理電路及輸出電壓波形a）原理圖b）輸出電壓波形UaUdT1UdTi T2TUd式（3）中(4)為一個周期T中，晶體管V1導通時間的比率，稱為負載率或占空比。 使用下面三種方法中的任何一種， 都可以改變 的值，從而達到調壓的目的： （1） 定寬調頻法：T1保持一定，使T2在08范圍內變化；（2）調寬調頻法：T2保持一定，使T1在08范圍內變化（3）定頻調寬法：T1+T2=T保持一定，使T,在0T范圍內變化。不管哪種方法，的變化范圍均為0& 01,因而電樞電壓平均值Ua 的調節范圍為0Ud,均為正值，即電動機只能在某一方向調速，稱為不可 逆調速。當需要電動機在正、反向兩個方向調速運轉，即

9、可逆調速時，就要 使用圖13a所示的橋式（或稱H型）降壓斬波電路。在圖3a中，晶體管VI、V4是同時導通同時關斷的，V2、V3也是同時 導通同時關斷的，但 V1與V2、V3與V4都不允許同時導通，否則電源 Ud直 通短路。設VI、V4先同時導通T1秒后同時關斷，間隔一定時間（為避免電源直通短路。該間隔時間稱為死區時問）之后，再使V2、V3同時導通T2秒后同 時關斷，如此反復，則電動機電樞端電壓波形如圖 2b所示。圖3橋式PWMf壓斬波器原理電路及輸出電壓波形 a）原理圖b）輸出電壓波形電動機電樞端電壓的平均值為U Sa Ti T2T1Ud (2； 1)Ud (21)Ud由于0& 24心2221

10、lJSKN而ALEJI1由IXJ)lKKStCrX2XIr271，如國“1”*174TOP7 2Tl1 4 3r?2I1?!iwmINTIp舊VI7IN%1JI6PfltfPISPM14ro.ir(2V12p 口 iniIWno41汽1SLVPH4 EIfi S17 11r bj_三?OO-t J*G的肅MIR) M -SIri.4jJ，iNl1鎏邨中軍州2單片機最小系統部分本次設計中主要應用了 8051單片機，由最小單片機系統組成，并將單片機 的口作為輸出口，輸出占空比不同的矩形波，供給后續驅動電路部分，在單片機 的外圍擴展了兩個按鍵，K1作為加速按鍵，K2作為減速按鍵，進行調速控制。 3驅

11、動電路部分驅動部分主要由用的光電耦合器和MOSFET&成，由單片機的口提供的信號，P26當為高電平時，發光管導通，光電耦合器輸出低電平，MOSFET閉，回路關閉。當P26 口為低電平時，發光管關閉，光電耦合器輸出為高電平，MOSFET打開，回路導通。4電源部分電源部分采用的是三端穩壓器 7805,輸入由AC-DC變壓器提供+9V直流電， 經7805穩壓，由電容濾波，輸出+5V電壓，為單片機提供工作電四：程序1程序設計思想當按keyl鍵時，電壓升高，轉速上升，當按key2鍵時，電壓下降，轉速下 降;定時器1中斷用來產生周期為1ms的脈寬信號，定時器每次中斷后改變下一 次的定時設置，設置值由按鍵決

12、定，按 key1,高脈寬定時時間加大，按 key2, 低脈寬定時時間增大，每次變化 10uS。2程序框圖3 程序代碼ORG0000HAJMP MAINORG001BHAJMP INTT1ORG0100HMAIN: MOV60H,#0FEH / 存放高電平的脈寬時間，定時500usMOV61H,#0CHMOV62H,#0FEHMOV63H,#0CH /存放低電平的脈寬時間，定時 500us,剛開始時，高低電平各為50，此時電壓為輸入電壓的一半，電機此時的轉速為最低。調速設定為向上調節，即按加鍵時轉速上升，此時按減鍵，轉速不變。CLRMOVTMOD,#10H/ 定時器 1 用來產生脈寬，周期固定為

13、1mS，MOVTH1,60HMOVTL1,61HSETB EASETB ET1SETB PT1SETB TR1SETBREADKEY:SETBCLRJNB,DELAYJNB,DELAYAJMP READKEYDELAY:LCALL DL10MS ;去抖SETBCLRJNB,HAVEKEY1 / 假設電路板接兩個鍵， 分別為 key1 和 key2， key1 為脈寬增加， key2 為脈寬減小JNB,HAVEKEY2AJMP READKEYHAVEKEY1:MOVA,61H是加鍵，60H61Hffl減小，高電平脈寬增加，62H63H增大，低電平時間減小CLRCSUBB A,#0AHMOV61H

14、,AMOVA,60HSUBB A,#00HMOV60H,ACLRCMOVA,63HADDA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HADDC A,#00HMOV62H,AMOVR2,60HMOVR3,61HMOVR6,#0FCHMOVR7,#18HLCALL NSUB1JNCCONTINUMOV60H,#0FCH 超出調速范圍，即高脈寬大于 1ms溢出了，則保持此 數值MOV61H,#18HMOV62H,#0FFHMOV63H,#0FBHCONTINU:AJMPNOTXSHAVEKEY2:MOVA,63H/是減鍵，60H61Hffl增加，高電平脈寬減小，62H63H減小，低電平時間增大CLRC

15、SUBB A,#0AHMOV63H,AMOVA,62HSUBB A,#00HMOV62H,ACLRCMOVA,61HADDA,#0AH MOV61H,A MOVA,60H ADDC A,#00H MOV60H,A MOVR2,62H MOVR3,63H MOVR6,#0FDH;#0FCH / 考慮到低電平過多，電壓很低，電機無法運行， 所以設定低電平最長保持 700us,高電平最少300us MOVR7,#44H;#18H /0FC18 是低電平保持1ms,高電平幾乎為 0的情 況，這種情況輸出電壓幾乎為0，電機停止LCALL NSUB1 JNCNOTXS MOV60H,#0FEH /高電平最

16、少保持300us,低電平最大700us MOV61H,#0D4H MOV62H,#0FDH MOV63H,#44HNOTXS:LJMP READKEYRET / 雙字節減法子程序，功能：( R2R3)-(R6R7)R4R5NSUB1:MOVA,R3CLRCSUBB A,R7 MOVR5,A MOVA,R2 SUBB A,R6 MOVR4,A RET /定時器1中斷，總周期20ms,其中高電平時間由6061h決定, 低電平時間由6263h確定。定時的時間由鍵盤設定，按加鍵60H61H5次設定減小500uS的時間，使高電平時間增加，按減鍵 62H63的次設定減少500uS的時 間，高電平時間減小INTT1: PUSH PSW PUSH ACC SETB RS0CLRRS1JNB20H,XGTHTLCLR20HMOTH1,62HMOTL1,63HSETBAJMP RETIENDXGTHTL: SETB 20HMOTH1,60HMOTL1,61HCLRRETIEND:POPACCPOPPSWRETIDL10MS: MOVR6,#30DDCWMM。次7,#0FAHDCWM:DJNZ R7,DCWMDJNZ R6,DDCWMRETEND參考文獻計算機控制技術 機械工業