数字PWM直流调速设计

容摘要

本文是基于对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对直流电机的控制。本设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、减速、加速、停止的五大操作。并实现电路的仿真并设计实际电路进行控制。为实现系统的微机控制，在设计中，采用STC89C5单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，驱动模块，实现通过PWM波对电动机转速参数的改变和测量；由命令输入模块、H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给电路发送PWM波形，完成电机正反转控制.是通过H型驱动电路，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。

索引关键词：直流电机调速；H桥驱动电路；LC显示器；51单片机

第一章绪论 (1)

1.1 设计目的 (1)

1.2 设计背景 (1)

1.3 设计容 (1)

第二章数字PWM直流调速系统方案设计 (1)

2.1 直流电动机调速方法 (1)

2.2旋转变流机组缺点 (2)

第三章数字PWM直流调速系统主电路设计 (3)

3.1 主电路结构设计 (3)

3.2 SG3525引脚各端子功能 (4)

第四章数字PWM直流双闭环系统的电路设计 (5)

4.1 转速调节器ASR电路 (5)

4.2 PWM脉宽控制电路 (6)

后记 (8)

参考文献： (9)

数字PWM直流调速系统设计

第一章绪论

1.1 设计目的

通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。近年来，科技发展的越来越快，直流电机具有良好的起动特性和调速特性。其中调速平滑，方便，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，能承受很大负载，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，但是随着科学技术的不断发展，PWM波调速的3 方法的发现，以及温度漂移等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，不仅简化了电路还实现了通过电力电子器件改变开关频率，提高系统的稳定性还有抗干扰能力。随着我国经济和文化事业的发展，科技的进步，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、火箭、雷达、战车等场合。

1.2 设计背景

在电气行业中，随着各项技术水平的不断提高，使得传统工艺有了深层次的提高，对人类的生产与生活，产生了深刻且深远的影响，已经与我们息息相关。当需要良好的启动，制动性能，并需要大围平滑调速时，直流电机是一个很好地选择非线性集成电路以及少量的数字电路组成的直流电机调速控制系统大多数都为早减小模拟信号控制间相互干扰，减小模拟信号产生温漂等不稳定因素。。它的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路装化等方面发展。

1.3 设计容

近年来，科技发展的越来越快，直流电机具有良好的起动特性和调速特性。其中调速平滑，方便，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，能承受很大负载，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，但是随着科学技术的不断发展，PWM波调速的3 方法的发现，以及温度漂移等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，不仅简化了电路还实现了通过电力电子器件改变开关频率，提高系统的稳定性还有抗干扰能力。随着我国经济和文化事业的发展，科技的进步，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、火箭、雷达、战车等场合。

第二章数字PWM直流调速系统方案设计

2.1 直流电动机调速方法

直流电动机的调速方法有种：

（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定围无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。

I变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

（2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。

I变化时间遇到的

时间常数同

I变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

（3）改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小围的升速。对于要求在一定围无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。

改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：

（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。

（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。

2.2旋转变流机组缺点

由于旋转变流机组缺点太多，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管－电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成为直流调速系统的主要形式。但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：

（1）晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。

（2）晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意指标超过允许值都可能在很短时间元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。

（3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置

的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。

（4）晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。

第三章数字PWM 直流调速系统主电路设计

3.1 主电路结构设计

脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM 变换器。PWM 变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。下面分别对各种形式的PWM 变换器做一下简单的介绍和分析。

不可逆PWM 变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图2-1（a ）所示为无制动作用的简单不可逆PWM 变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压s U 一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容C 的作用是滤波，二极管VD 在电力晶体管VT 关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。

电力晶体管VT 的基极由频率为f ，其脉冲宽度可调的脉冲电压b U 驱动。在一个开关周期T ，当on t t ≤≤0时，b U 为正，VT 饱和导通，电源电压通过VT 加到电动机电枢两端；当T t t on ≤≤时，b U 为负，VT 截止，电枢失去电源，经二极管VD 续流。电动机电枢两端的平均电压为s s on d U U T t U ρ== 式中，T

t U U on d =

=5ρ——PWM 电压的占空比，又称负载电压系数。ρ的变化围在0～1之间，改变，ρ即可以实现对电动机转速的调节。

图2-1（b ）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压d u 、平均电压d u 和电枢电流d i 的波型。由图可见，电流是d i 脉动的，其平均值等于负载电流m L dl C T I /=（L T ——负载转矩， m C ——直流电动机在额定磁通下的转矩电流比）。

由于VT 在一个周期具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在on t t ≤≤0期间 E dt di L

Ri U d d ++=5 在T t t on ≤≤期间 E dt di L Ri d d ++=0 式中，R ，L ——电动机电枢回路的总电阻和总电感；E ——电动机的反电动势。 PWM 调速系统的开关频率都较高，至少是1～4kHz ，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速n 和反电动势E 的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视 n 和E 为恒值。

这种简单不可逆PWM 电路中电动机的电枢电流D i 不能反向，因此系统没有制动作用，只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆PWM 电路。这种PWM 调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态性能均差。

具有制动作用的不可逆PWM 变换电路，该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的d i -通路。这种电路组成的PWM 调速系统可在第I 、II 两个象限中运行。

VT1和VT2的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即2b b U U -=。当电动机工作在电动状态时，在一个周期平均电流就为正值，电流d i 分为两段变化。

在on t t ≤≤0期间，1b U 为正，VT1饱和导通；2b U 为负，VT2截止。此时，电源电压5U 加到电动机电枢两端，电流d i 沿图中的回路１流通。在T t t on ≤≤期间，1b U 和2b U 改变极性，VT1截止，原方向的电流d i 沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使VT2不可能导通。因此，电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管VT1和续流二极管VD2交替导通，而VT2则始终不导通，其电压、电流波型如图2-2（b ）所示，与图2-1没有VT2的情况完全一样。

如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使1b U 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压d U 降低。但是由于惯性，电动机的转速n 和反电动势E 来不及立刻变化，因而出现E U d <的情况。这时电力晶体管VT2能在电动机制动中起作用。在T t t on ≤≤期间，VT2在正的2b U 和反电动势E 的作用下饱和导通，由E －d U 产生的反向电流d i -沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，一部分能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在回路电感中，直到t=T 为止。在on t t T ≤≤（也就是on t t ≤≤0）期间，因2b U 变负，VT2截止，d i -只能沿回路4经二极管VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上产生的压降使VT1承受反压而不能导通。在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，VT1始终截止，此时电动机处于发电状态，电压和电流波型图2-2（c ）。反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。

3.2 SG3525引脚各端子功能

SG3525采用16端双列直插DIP 封装，各端子功能介绍如下:

1脚:INV . INPUT(反相输入端):误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为80db ，其大小由反馈或输出负载来决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件的组合。该误差放大器共模输入电压围是1. 5V-5. 2V 。此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。负反馈控制时，将电源输出电压分压后与基准电压相比较。

2脚:NI. INPUT (同相输入端):此端通常接到基准电压16脚的分压电阻上，取得2. 5V 的基准比较电压与INV . INPUT 端的取样电压相比较。

3脚:SYNC(同步端):为外同步用。需要多个芯片同步工作时，每个芯片有各自的震荡频率，可以分别他们的4脚和3脚相连，这时所有芯片的工作频率以最快的芯片工作频率同步。也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。

4脚:OSC. OUTPUT(同步输出端):同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作时使用。但几个芯片的工作频率不能相差太大，同步脉冲频率应比震荡频率低一些。如不需多个芯片同步工作时，3脚和4脚悬空。4脚输出频率为输出脉冲频率的2倍。输出锯齿波电压围为0. 6V 到3. 5V .

5脚:Cr(震荡电容端):震荡电容一端接至5脚，另一端直接接至地端。其取值围为0.001,u F 到0. 1 u F 。正常工作时，在Cr 两端可以得到一个从0.6V 到3. 5V 变化的锯齿

波。

第四章数字PWM直流双闭环系统的电路设计

4.1 转速调节器ASR电路

设计中采用运算放大器TL082作为系统转速调节器电路，如图3.1所示，给定电压由正负10V电源加在两个电位器上构成，通过调节电位器R11、R22即可调节给定电压的大小，在经过电压跟随器加到速度调节器上。图中稳压二极管D3、D4配合构成限幅器限制ASR输出的最大电压，保证了系统在启动过程中电机能够在最大转矩下安全的恒流启动。实现饱和非线性控制。

图4-1

电流环调节器硬件电路是如图12所示的PI调节器。同速度调节器，D1、D2构成限幅电路，当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到堵转以及过流保护作用。ASR的输出作为给定信号加在*

U端，反馈的电流信号加在UiF端。

图4-2

电流检测部分采用霍尔传感器检测出主回路中的电流，送入电流调节器的电流反馈输入端。通过调节电位器R20即可调节的值到适当的大小。电流检测电路如图4.2所示。

图4-3

4.2 PWM脉宽控制电路

如图4.3所示为PWM脉宽控制电路，控制电压Uc控制SG3524输出两路带死区互补的PWM波，通过控制电压Uc的大小控制占空比的大小。然后一路PWM波连接U5的HIN 和U7的LIN，另一路PWM波其通过SN74LS04反相连接U7的LIN和U5的HIN，这样就共同通过一片SG3524驱动两路半桥电路，实现全桥驱动。

图4-4

SG3524介绍和电路参数设定如下：

SG3524的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源,它向集成块部的斜波发生器、PWM比较器、T型触发器等以及通过16脚向外均提供+5V的工作电压，基准电压振荡器先产生0.6V-3.5V的连续不对称锯齿波电压Vj,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由3脚输出。

本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中MOSFET的开关频率，选择适当的RT、CT值即可确定振荡频率。振荡器频率由SG3524的6脚、7脚外接电容器CT和外接电阻器RT决定,其为:f=1.15/RTCT。

由初始条件知，开关频率为10kHz，可以选择RT=12kΩ，CT=0.01uF。两路输出单独使用时，输出脉冲占空比为0%~45%，脉冲频率为振荡频率的一半。两路输出并联使用才能使输出脉冲占空比为0%~90%，脉冲频率为振荡频率。

IR2110介绍与电路参数设定如下：

MOSFET驱动采用了集成芯片IR2110，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，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围为10～20V，逻辑电源电压围为5～15V，逻辑电源地电压偏移围为－5V～＋5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。

后记

通过对PWM脉宽直流调速系统的设计，使我更深刻的理解课本所学知识，对双闭环系统的设计步骤和设计过程有了更深入的了解。

通过本次课程设计，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。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

只有通过实践才能检验自己所学知识是否牢固，要勤思考，多看书，及时查阅相关书籍，多和同学讨论。这次课程设计我也学能到了很多，对以前不清楚的知识有了更加深刻的认识，对以后学习的方向更加明确。

参考文献：

[1] 伯时. 自动控制系统[M]. ：机械工业，1981.

[2] 发海，王岩. 电机与拖动基础[M]. ：清华大学，1994.

[3] 王兆安. 电力电子技术[M]. ：机械工业，2000.

[4] 夏德钤. 自动控制系统[M]. ：机械工业，1990.

[5] 崇巍，汉强.运动控制系统[M]. ：理工大学，2002.

[6] 培悌.计算机控制系统[M]. ：大学，1990.

[7] 仁定.电机微机控制[M]. ：机械工业，1999.