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单片机目录第一章绪论 (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。

a（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f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。

a（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，Tt 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 LRi 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。