直流电机PWM调速电路
直流电机-PWM调速
PWM调速
脉冲宽度调制 - Pulse Width Modulation
• 利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的 一种非常有效的技术 • 应用：测量、通信、功率控制与变换
PWM
V T T/2
0
t
PWM
PWM变换器和PWM-M系统开环机械特性 脉宽调制原理
脉冲宽度调制（PWM）是通过功率管的开关作用，将恒定 直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过 调节脉冲电压的宽度而改变输出电压平均值的一种功率变换 技术。由脉宽调制器向电机供电的系统称为脉宽调速系统， 简称PWM-M调速系统。
（二）可逆PWM变换器 其主电路结构有H型，T型等，常用H型变换器，它由4个 电力晶体管和 4个续流二极管组成桥式电路。在控制方式上 分双极式、单极式和受限单极式三种。着重分析双极式H型 PWM变换器，然后再简要说明其它方式的特点。 1、双极式可逆PWM变换器
+
Us
（1）构成特点 4个VT的基极驱动分两组。 VTl 和 VT4 同时导通和关断，
n0
U s
Ce
调速系统的空载转速，与占空比成正比；
n
Id R 负载电流造成的转速降。 Ce
9
2、有制动作用的PWM变换器 （1）电路组成 需制动时须有反向电流-id的通路，应设置控制反向的第 二个电力晶体管，形成VT1和VT2交替开关的电路，如图（a） 所示。电路由VT1和VT2，VD1和VD2组成。VT1是主管，起 控制作用；VT2是辅助管，构成电机的制动电路。
8
Ud
ton U s U s T
图3-2（b）中绘出了电枢的脉冲端电压ud、平均电压Ud和 电枢电流id的波形。id 是脉动的。因开关频率较高，电流脉 动幅值不会很大，影响到转速n和反电动势E的波动就更小了。
直流脉宽(PWM)调速系统设计与研究--触发电路设计
1绪论1.1背景直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。
目前国内各大专院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高的，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。
1.2直流电动机的调速方法本系统采用转速环和电流环双闭环结构,因此需要实时检测电机的电枢电流并把它作为电流调节器的反馈信号。
由电动机理论知，直流电动机的机械特性方程为T R C C C U n m e e Nφφ2N -=式中n N ——直流电动机的转速（r/min ）U N ——电动机的额定电压(v)：R ——电动机电枢电路总电阻(Ω)C e ——电动势常数(v·min ／r)； C m ——转矩常数，C m ＝9.55C e; T ——电动机电磁转矩(N·m)；φ——电动机磁通(wb)。
由上式可以知道：直流电动机的调速方法有三种：（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。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。
I a 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Φ。
改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调2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 f变化时间遇到的时间常数同I a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。
1.3选择PWM控制系统的理由脉宽调制器UPW 采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM 控制器。
NE555简易直流电机PWM驱动电路的实现
NE555简易直流电机PWM驱动电路的实现NE555是一种常用的集成电路，可以实现各种定时和脉冲宽度调制(PWM)应用。
在直流电机驱动中，使用NE555可以实现简易的PWM调速效果。
本文将详细介绍如何使用NE555实现直流电机的PWM驱动电路，并对其原理进行解释。
一般来说，直流电机通常需要调节电压或者频率来改变其转速。
而PWM调速就是通过调节脉冲的高电平时间与低电平时间的比例来实现对电机的速度控制。
接下来，我们将详细分析NE555的工作原理及其在直流电机PWM驱动中的应用。
首先，我们来了解一下NE555的基本工作原理。
NE555是一种8引脚的集成电路，主要由比较器、RS触发器、输出驱动器以及电源电压稳压器等组成。
在PWM调速应用中，NE555的输入电压Vcc连接至电源正极，引脚2和引脚6接地，引脚5连接电源负极，引脚4连接至电位器PI，辅助引脚1和7置空或者接地。
NE555的主要工作模式有两种：单稳态触发和多谐振荡器。
在直流电机PWM驱动中，我们将使用NE555的多谐振荡器模式来实现PWM调速功能。
多谐振荡器模式下，NE555输出方波信号，其周期和占空比可以通过引脚2和引脚6之间的电压比例来控制。
当引脚2电压高于引脚6时，输出高电平；当引脚2电压低于引脚6时，输出低电平。
接下来，我们将详细讲解如何使用NE555来实现直流电机的PWM驱动电路。
首先，我们需要连接一个电位器来调节占空比。
将电位器PI的中间脚连接至引脚6，一边脚连接至引脚5，另一边脚连接至电源负极。
通过调节电位器的旋钮，可以改变引脚6的电压，从而控制占空比。
同时，为了保护NE555和直流电机，我们还需要连接一个MOS管或者晶体管来作为输出驱动器。
将驱动器的基极或者门极连接至NE555的输出引脚3，将驱动器的集电极或者漏极连接至直流电机的正极，将驱动器的发射极或者源极连接至电源负极。
在NE555的多谐振荡器模式下，我们需要选择一个合适的电容和电阻来设置输出的频率和占空比。
直流电机调速的PWM实现方法
8
GND
地
9
VSS
逻辑控制地
10,12
Input 3 Input4
桥式电路B的控制端
13,14
Out3 Out4
桥式电路B的的输出端，接电机
－
NC
不接
将上面的PWM例程产生的波形作用于电机的使能端上，就可以实现电机的调速。至于方向的控制，只需两个IO接于控制端即可。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。通俗的说PWM是采用数字量对模拟量进行合成的方法。
直流电机调速的PWM实现方法
PWM在控制中使用非常广泛，可以以数字量对模拟电路进行控制。这里对PWM的原理进行讲述，并举例说明PWM的重要应用。
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱPWM简介
采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
直流电机pwm调速的续流二极管
直流电机是工业生产中常见的电机之一，它通常以PWM（脉宽调制）方式进行调速。
而在PWM调速过程中，续流二极管扮演了重要角色。
本文将从直流电机的工作原理、PWM调速原理、续流二极管的作用和选择等方面进行详细介绍。
一、直流电机的工作原理直流电机是一种将电能转换为机械能的装置，它的工作原理基于洛伦兹力和带电粒子在磁场中受力的规律。
当直流电流通过电机的线圈时，产生的磁场与永磁体或者电磁铁产生的磁场相互作用，从而使得电机的转子产生力矩，从而驱动机械装置运转。
二、PWM调速原理PWM调速是通过改变电机输入的脉冲宽度来控制电机的平均电压和平均电流，从而改变电机的转速。
具体实现上，PWM调速是将直流电源高频开关，使得电机在分时段内接收到占空比不同的电压脉冲，从而实现调速。
三、续流二极管的作用在PWM调速过程中，电机的正负半周各有一个脉冲开关管，分别为一组导通和一组关断。
当开关管关断时，直流电机线圈中的电流不能突然中断，否则会产生电感压降。
为了避免电感压降引起的反冲电压，需要在开关管关断时，让电流有一条回路可以继续流动，这就是续流二极管的作用。
四、续流二极管的选择续流二极管应具有较快的反向恢复时间，这样才能在开关管关断瞬间尽快导通，避免电感压降引起的反冲电压。
续流二极管的电流和电压等参数也需要根据具体的电机工作条件来选择。
五、总结直流电机的PWM调速是一种常见的调速方式，而续流二极管在PWM调速过程中的作用不可忽视。
正确选择合适的续流二极管，对电机的稳定性和性能有着重要影响。
希望本文对读者对直流电机的PWM 调速和续流二极管有所帮助。
六、续流二极管的工作原理续流二极管在PWM调速过程中，起到了保护开关管和电机的作用。
在电机线圈中的电流无法突然中断的情况下，如果没有合适的续流二极管，就会导致电感压降产生反冲电压，这样会对开关管和电机造成不良影响，甚至损坏设备。
续流二极管的工作原理主要是利用其具有的快速反向恢复时间和导通特性来形成一个回路，让电流有一条通路继续流动，从而避免反冲电压的产生。
PWM直流电机调速电路图原理
PWM直流电机调速电路图原理PWM直流电机调速电路图原理此电路首要由U1（LM324）和Q1构成。
图中，由U1a、U1d构成振动器电路，供应频率约为400Hz 的方波/三角形波。
U1c发作6V的参阅电压作为振动器电路的虚拟地。
这是为了振动器电路能在单电源状况下也能作业而不需求用正负双电源。
U1b这儿接成比照器的办法，它的反相输入端(6脚)接入电阻R6、R7和VR1，用来供应比照器的参阅电压。
这个电压与U1d 的输出端(14脚)的三角形波电压进行比照。
当该波形电压高于U1b 的6脚电压．U1b的7脚输出为高电平；反之，当该波形电压低于U1b的6脚电压，U1b的7脚输出为低电平。
由此咱们可知，改动U1b的6脚电位使其与输入三角形波电压进行比照。
就可添加或减小输出方波的宽度，完结脉宽调制(PWM)。
电阻R6、R7用于操控VR1的完毕点，确保在调度VR1时能够完结输出为全开(全速或全亮)或全关(停转或全灭)，正本际的阻值或许会依据实习电路纷歧样有所改动。
图1中，Q1为N沟道场效应管，这儿用作功率开关管(电流拓展)，来驱动负载有些。
前面电路供应的纷歧样宽度的方波信号经过栅极(G)来操控Q1的通断。
LED1的亮度改动能够用来指示电路输出的脉冲宽度。
C3能够改进电路输出波形和减轻电路的射频搅扰(RFI)。
D1是用来避免电机的反电动势损坏Q1。
当运用24v的电源电压时，图1电路经过U2将24V改换成12V供操控电路运用。
而Q1能够直接在21v电源上，关于Q1来讲这与接在12v电源上没有啥差异。
参阅图1，改动J1、J2的接法可使电路作业在纷歧样电源电压(12V或24V)下。
当经过Q1的电流不逾越1A时，Q1可不必散热器。
但假定Q1作业时电流逾越1A时，需加装散热器。
假定需求更大的电流（大于3A），可选用IRFZ34N等更换Q1。
1-3 直流电动机的脉宽调制(PWM)调速
若VT1关断时间长，在t=t2时，电枢电流ia衰减 到零，那么在电动机内电势Ea的作用下，VT2导通， 电枢电流ia 将沿着相反的方向从B点流入A点，电机 进入能耗制动。通过控制VT2的时间间隔可以控制电 机的制动转矩 注意：在VT1重新导通之间，必须先关闭VT2， 让电枢电流经过VD1续流，电机短时进入再生制动状 态，否则在VT2还没有完全关断之前就让VT1导通， 电源经过VT2、VT1直接短路，损坏开关元件。
1、单极性脉宽调制方式 系统输出电压UA的极性是通过一个控制电压Uc 来改变的。 Uc为正，VT1与VT2交替导通，VT4一直导通， VT3关断，此时，B点总是为正，A点总是为负 Uc为负，VT3与VT4交替导通，VT2一直导通， VT1关断，此时，B点总是为负，A点总是为正
工作原理： Uc为正时 0<t<t1时，VT1导通，VT2关断，若Us>Ea， 电枢电流经VT1、VT4从B流到A，电机处在电动 机状态。 在t1<t<T时，VT1关闭，VD2与VT4续流，电枢 电流方向不变，电机仍处在电动机状态。 若在t1<t<T期间的某一时刻t2电枢电流衰减到 零，那么在t2<t<T期间，Ea使VT2导通，电枢电 流反向，经VT2、VD4从A流到B，电机进入能耗 制动状态 若Ea>Us，在VT2关断期间，电枢电流经VD1 和VD4输回电网，电机作再生制动 Uc为负时，原理与此类似，电机反向
如果电流连续，则电机始终处于电动状态 若在t1<t<T期间的某一时刻t2电枢电流衰减到 零，那么在t2<t<T期间，Us和Ea共同作用，使 VT2、VT3导通，电枢电流反向，经VT2、VT3从A 流到B，电机进入反接制动状态 在VT1、VT4再次导通之前，必须关断VT2、 VT3，电枢电流VD1、VD4续流，电机进入再生制 动
基于Multisim的PWM直流电机调速控制电路设计与仿真 精品
基于Multisim 的PWM 直流电机调速控制电路设计与仿真李容，谢东，李俊凡，唐俊斌，何佳盈重庆科技学院，电气与信息工程学院，重庆，400050摘要：以Multisim 仿真软件为平台设计PWM 直流电机调速控制电路，对电机驱动电路和脉宽控制电路的设计原理及构成方法作了详细的介绍。
使用Multisim 仿真软件的虚拟示波器、逻辑分析仪等虚拟元件，完成电路的设计与仿真。
关键词：Multisim PWM 直流电动机 电机驱动 脉宽控制Design and Simulation of PWM DC Motor Speed Based on MultisimAbstract: The paper presents a PWM DC motor speed control circuit based on Multisim simulation software. The circuit principle and its composition for the motor drive and the pulse width control are introduced detailedly. Using Multisim simulation software of virtual oscilloscope, logic analyzer and some virtual element, the circuit design and simulation has been completed.Keywords: Multisim PWM dc motor driving pulse width control1 引言电子设计自动化(EDA)技术是电子设计领域的一场革命,它改变了以变量估算和电路实验为基础的电路设计方法。
Multisim 是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA 工具软件, 内台有数万种元器件和l3种常用的虚拟仪嚣仪表，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。
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《电子技术》课程设计报告课题：直流电机PWM调速电路
班级电气1107 学号 1101205712学生姓名王海彬
专业电气信息类
学院电子与电气工程学院
指导教师电子技术课程设计指导小组
淮阴工学院
电子与电气工程学院
2012年05月
直流电机PWM调速电路
一）设计任务与要求：
1.设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动；
2.设计PWM驱动信号发生电路；
3.设计电机转速显示电路；
4.设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速；
5.安装调试。
二）系统原理及功能概述
1）直流电机脉宽调速电路原理
对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为方便的。
其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度。
这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称 PWM。
改变占空比的方法有 3 种：
（1）定宽调频法，这种方法是保持 t1 不变，只改变 t2 ，这样周期 T（或频率）也随之改变；
（2）调宽调频法，保持 t1 不变，而改变 t2 ，这样也使周期 T（或频率）改变；
（3）定频调宽法，这种方法是使周期 T（或频率）不变，而同时改变 t2 和 t1 由，当控制频率与系统的固有频率接近于前两种方法都改变了周期（或频率）时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。
在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。
电机断电时，速度逐渐减小。
只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。
设电机永远接通电源时，其最大转速为 Vmax，设占空比 D＝ t1 /T ，则电机的平均速度为 Vd，平均速度 Vd 与占空比 D 的函数曲线如图 1－2 所示，从图可以看出，VD 与占空比 D 并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。
平均速度与占空比的关系
2）比例积分控制规律
系统的控制算法主要采用了 PI 控制算法。
其控制算法为：
其中 Kp 为比例系数，Ti 为积分系数。
若单片机的采样周期为 T，则上式可近似为：
上式即为位置式 PI 控制算法。
这里我们采用其增量式控制算法，根据递推原理可得：
则增量式控制算法为：
其中 Kp 为控制器比例系数，Ki 为积分时间常数。
由于系统采用了比例积分调节器简称 PI 调节器，使系统在扰动的作用下，通过 PI 调节器的调节作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。
无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快无滞后，积分部分使系统消除静差。
3）直流电机调速原理
直流电机转速 n 的表达式为:
式中:U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢电路总电阻；Φ-每极磁通量；K-与电机结构有关的常数，因此直流电机转速 n 的控制方法有三种，主要以调压调速为主。
本控制器主要通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。
调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。
本系统采用了定频调脉宽方式的 PWM 控制，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。
对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。
与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。
转速设定值
偏差转速输出
直流电机速度闭环控制方案
三）脉宽可调方波发生电路
四）硬件设计与分析
1）系统硬件组成
图 2－1 为该系统硬件电路设计框图。
根据本系统要求通过软件编程定义键盘各键的功能及显示控制。
有关驱动及主回路控制电路见下几节。
整个系统控制过程为：键盘输入控制信号、参数及速度给定值，单片机经过速度闭环、运算，控制 P 口（自行定义）输出脉冲的占空比，从而控制电机的转速，并经显示电路显示出来。
驱动控制电路见图 2－3。
将单片机软件产生的 PWM 信号经并联使用的施密特反相器，对 IGBT 进行驱动。
2）驱动控制电路
驱动控制电路见图 2－3。
将单片机软件产生的 PWM 信号经并联使用的施密特反相器，对 IGBT 进行驱动。
驱动控制电路
3）主回路控制电路
主电路控制电路见图 2－2。
220 交流电压经过桥式整流电路的整流，再经过电容滤波，经过 IGBT 元件的功率放大，加到直流电机的两端控制电机。
主电路控制电路
4）测速电路
测速电路
5）显示电路
显示电路见图 2-5。
选用共阴 8 段数码管，采用 MAX7219 驱动。
MAX7219 是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极 LED 显示驱动器。
每片可驱动 8 位 7 段加小数点的共阴极数码管，可以数片级联，而与微处理器的连接只需 3 根线。
MAX7219 内部设有扫描电路，除了更新显示数据时从单片机接收数据外，平时独立工作，极大地节省了 MCU 有限的运行时间和程序资源。
MAX7219 芯片上包括 BCD 译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的8×8 静态 RAM 以及数个工作寄存器。
通过指令设置这些工作寄存器，可以使 MAX7219 进入不同的工作状态。
MAX7219 的详细资料请参考其他书籍，这里不再赘述。
MAX7219 驱动显示电路
按键电路见图 2－6。
52 单片机的 P 口在悬空时默认是高电平，每个按钮通过一个上拉电阻接到＋5V 电源，按下按钮，则 P 口变成低电平，这样就可以通过 P 口的状态来反映按钮的按下情况。
按键通过并联电容 C 进行防抖动，无需通过软件部分实现。
五）电机测速
信号调理电路主要利用 LM324 运算放大器设计的比较器，调节比较器偏置电压使脉冲最接近于方波且幅度大于 3.3V。
为了提高测速的精度，在信号后级
添加比较器调理信号为标准的方波，调节比较器运放的偏置电压使方波信号最适合于测速。
在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。
只要按一定规律改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
PWM 波产生的思想是，固定 PWM 的周期为 PWMT，t 时间内输出高电平，则剩下 PWMT-t 时间就输出低电平。
通过控制定时器 T1，从而可以实现从 8051 的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。
由于 PWM 信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。
因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。
如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为 N 位，则定时器初值与定时时间的关系为:
式中，Tw —定时器定时初值；N —一个机器周期的时钟数。
N 随着机型的不同而不同。
在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。
这样，我们可以通过设定不同的定时初值 Tw，从而改变占空比 D，进而达到控制电机转速的目的。
此次实验采用 12MHz 晶振，计数频率为 1MHz，即每微秒计数器加一，设置PMW 脉冲周期固定为 PWMT10000，即 0.01s。
在实际的直流电机调速系统中，电机的测速由测速电机完成，本次实验系统，由电机自带的霍尔元件完成测速，电机每转一圈，霍尔元件就送出一个脉冲，我们设计的程序是将测速部分嵌套在 PWM 函数里，这样就节省了一个定时器资源。
PWM 脉冲周期为 0.01s，一个周期定时器 T1 中断 2 次，设置定时器每中断200 次，即每 1s 对电机进行一次测速，测速完毕后计数器 T0 归零，重新对霍尔脉冲计数。
参考文献
童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006
欧阳昌华.电机及电力拖动系统实验指导书(综合部分).北京：高等教育出版社，2005
廖力清.微机测控保护装置与电站.北京：人民出版社， 2003
康华光.电子技术基础（数字部分).北京：高等教育出版社，2005。