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  直流电机PWM调速电路_工学_高等教育_教育专区。《电子技术》课程设计报告 课题: 直流电机 PWM 调速电路 班级 电气工程 1101 学号 1101205304 xxx 电气信息类 电子与电气工程学院 学生姓名 专业 系别 指导老师

  《电子技术》课程设计报告 课题: 直流电机 PWM 调速电路 班级 电气工程 1101 学号 1101205304 xxx 电气信息类 电子与电气工程学院 学生姓名 专业 系别 指导老师 电子技术课程设计指导小组 xxxxx 电子与电气工程学院 2012年5月 一、设计目的 a)培养理论联系实际的正确设计思想, 训练综合运用已经学过的理论和生产 实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。 b)学习较复杂的电子系统设计的一般方法,了解和掌握模拟、数字电路等知 识解决电子信息方面常见实际问题的能力,由学生自行设计、自行制作和自行调 试。 c)进行基本技术技能训练,如基本仪器仪表的使用,常用元器件的识别、测 量、熟练运用的能力,掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实 验设备进行调试和数据处理等。 d)培养学生的创新能力。 二、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驱动; 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; 6.撰写设计报告。 三、设计思想及设计原理 Vcc 显示电路 M 速度给定 控制电路 PWM产生电路 驱动电路 1.信号可以采用数字方法给定,也可以采用电位器给定。建议采用数字方 法。24v直流电机型号 2.PWM 信号可以采用三角波发生器和比较器产生,也可采用数字电路及可 编程器件产生。建议采用数字方法。 3.正反转主回路可以采用双极型器件实现,也可以用 MOS 器件实现; 4.转速测量电路可以采用增量型光电编码器,也可采用自行制作的光电编 码电路、霍尔传感器以及其它近似测速方法。建议采用光电编码器。 5.显用数字方法显示电机转速。采用光电编码等方法的脉冲测速方法时, 2 可采用计数法测量电机转速; 电机转速信号为模拟信号时,可采用数字表头显示 转速。建议采用数字方法。 6.(提高部分)可以采用反馈控制技术对系统进一步完善。 四、单元电路设计 4.1 LM324 组成的 PWM 直流电机产生电路 4.1.1 它主要由 U1(LM324)和 Q1 组成 图 4.1 中,由 U1a、U1d 组成振荡器电路,提供频率约为 400Hz 的方波/三角 形波。U1c 产生 6V 的参考电压作为振荡器电路的虚拟地。这是为了振荡器电路 能在单电源情况下也能工作而不需要用正负双电源。U1b 这里接成比较器的形 式, 它的反相输入端(6 脚)接入电阻 R6、 和 VR1, R7 用来提供比较器的参考电压。 这个电压与 U1d 的输出端(14 脚)的三角形波电压进行比较。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。由此我们可知,改变 U1b 的 6 脚电位使其与 输入三角形波电压进行比较。就可增加或减小输出方波的宽度,实现脉宽调制 (PWM)。电阻 R6、R7 用于控制 VR1 的结束点,保证在调节 VR1 时可以实现输出为 全开(全速或全亮)或全关(停转或全灭), 其实际的阻值可能会根据实际电路不同 有所改变。 图 4.1 中,Q1 为 N 沟道场效应管,这里用作功率开关管(电流放大),来驱 动负载部分。前面电路提供的不同宽度的方波信号通过栅极(G)来控制 Q1 的通 断。LED1 的亮度变化可以用来指示电路输出的脉冲宽度。C3 可以改善电路输出 波形和减轻电路的射频干扰(RFI)。D1 是用来防止电机的反电动势损坏 Q1。 当使用 24v 的电源电压时,图 1 电路通过 U2 将 24V 转换成 12V 供控制电路 使用。 Q1 可以直接在 21v 电源上,对于 Q1 来讲这与接在 12v 电源上没有什么 而 区别。参考图 1,改变 J1、J2 的接法可使电路工作在不同电源电压(12V 或 24V) 下。当通过 Q1 的电流不超过 1A 时,Q1 可不用散热器。但如果 Q1 工作时电流超 过 1A 时,需加装散热器。如果需要更大的电流(大于 3A),可采用 IRFZ34N 等 替换 Q1。 3 图 4.1 LM324 组成的 PWM 直流电机产生原理图 4.1.2 工作原理 脉冲宽度调制(PWM)是英文“Pulse Width Modulation”的缩写,简称脉 宽调制。 它是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, 广泛应用于测量, 通信, 功率控制与变换等许多领域。 一种模拟控制方式, 根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置, 来实现开关稳压电源输出 晶体管或晶体管导通时间的改变, 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化 时保持恒定。 上述电路中,运算放大器 U1A 和 U1B 两级产生三角波,U1C 为跟随器,起隔 离作用。U1B 输出的三角波与从电位器 RP 得到的直流电压相加后输入到 U1D 的 反相端,U1D 作为脉冲宽度调制电路,其输出一定占空比的矩形脉冲,其占空比 与反相端输入信号的瞬时采样值成比例,然后控制三极管 Q1 的导通时间,使其 输出电流随输入电压的平均值大小而变化,进而控制电机的旋转速度。调节电位 器可调节占空比的大小,即可调节电机的转速。 4.2 H 桥式电机正反转驱动主回路 4.2.1 主电路原理图 H 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图 4.2 所示。PWM 逆变器的直流电 C 源由交流电网经不控的二极管整流器产生,并采用大电容 0 滤波,以获得恒定 的直流电压 U s 由于电容量较大,突加电源时相当短路,势必产生很大的充电电 流,容易损坏整流二极管。为了限制充电电流,在整流器和滤波电容之间串入限 4 流电阻 R0(或电抗) ,合上电源以后,延时用开关将 R0 短路,以免在运行中造 成附加损耗。 滤波电容器往往在 PWM 装置的体积和重量中占有不小的份额, 因此电容量的 选择是 PWM 装置设计中的重要问题。但对于 PWM 变换器中的滤波电容,其作用除 滤波外, 还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整 流器供电,不可能回馈电能,电机制动时只好对滤波电容充电,这将使电容两端 电压升高,称作“泵升电压” 。为了限制泵升电压,用镇流电阻 Rb 消耗掉这些能 量,在泵升电压达到允许值时接通 VT5。 图 4.2 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图 4.3 光电编码器测速电路 4.3.1 光电编码器的工作原理 光电编码器, 是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器, 光电编码器是由光栅盘和光 电检测装置组成。 光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由 于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二 极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,其原理示意图如图 1 所示; 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此 外,为判断旋转方向,码盘还可提供相位相差 90? 的两路脉冲信号。 5 根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度 方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 图 2 光电编码器状态图 图 3 光电编码器测速原理图 6 4.4 频率测量及显示电路 光电编码器 放 大整 形电 路 单 片 机 AT89C51 LED 显示 图 4.4.1 系统原理图 各部分模块的功能: ①光电编码器:采集光电信号. ②放大、整形电路:对传感器送过来的信号进行放大和整形,在送入单片机 进行数据的处理转换。 ③单片机:对处理过的信号进行转换成转速的实际值,送入 LED ④LED 显示:用来对所测量到的转速进行显示。 4.4.1 AT89C51单片机简介 单片机我们采用 AT89C51(其引脚图如图 3-1) 相较于 INTEL 公司的 8051 它 , 本身带有一定的优点。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存贮器 (FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压, 高性能 CMOS 8 位微处理器,俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储 器制造技术制造,与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功 能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控 制器, AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 7 图 4.4.2 AY89C51 引脚图 (1)VCC:供电电压, (2)GND:接地。 (3)P0 口:P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口,每脚可吸收 8TTL 门电 流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时,被定义为高阻输入。直流电机型号及参数P0 能够用于外部程序数 据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时,P0 口作为原 码输入口,当 FIASH 进行校验时,P0 输出原码,此时 P0 外部必须被拉高。 (4)P1 口:P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P1 口缓冲 器能接收输出 4TTL 门电流。西玛直流电机厂家 口管脚写入 1 后, P1 被内部上拉为高, 可用作输入,亚洲游戏集团 P1 口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时,P1 口作为第八位地址接收。 (5)P2 口:P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P2 口缓冲器可 接收, 输出 4 个 TTL 门电流, P2 口被写“1”时, 当 其管脚被内部上拉电阻拉高, 且作为输入。并因此作为输入时,P2 口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是 由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时,P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优 势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2 口输出其特殊功能寄存器的 内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 (6)P3 口:P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口,可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。 作为输入,由于外部下拉为低电平,P3 口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘 故。 8 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口。 P3 口管脚备选功能: (7)P3.0 RXD(串行输入口) (8)P3.1 TXD(串行输出口) (9)P3.2 /INT0(外部中断 0) (10)P3.3 /INT1(外部中断 1) (11)P3.4 T0(记时器 0 外部输入) (12)P3.5 T1(记时器 1 外部输入) (13)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) (14)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) (15)P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 (16) RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持 RST 脚两个机器周期 的高电平时间。 (17)ALE/PROG: 当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节。在 FLASH 编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE 端 以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作 对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器 时,将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时, ALE 只有在执行 MOVX,MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外,该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止,置位无效。 (18)PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间, 每个机器周期两次/PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时, 这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 (19)EA/VPP : 当 /EA 保 持 低 电 平 时 , 则 在 此 期 间 外 部 程 序 存 储 器 (0000H-FFFFH) ,不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时,/EA 将内部 锁定为 RESET;当/EA 端保持高电平时,此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期 间,此引脚也用于施加 12V 编程电源(VPP) 。 (20)XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 (21)XTAL2:来自反向振荡器的输出。 9 图 4.4.3 计数显示电路 五、安装调试 1.检查线路 按照原理图完成实验电路后,检查线路是否正确,焊接点是否牢固,有无虚 焊,用万用表逐个检验部分电路中接点的焊接情况。 2.通电检测电路 实行分部检验电路的方法: (1)在电路的两端加上适当的电压,用示波器逐 个检查 PWM 的两个输出端,观察波形是否为方波和锯齿波。 (2)将 H 桥电路接在 电动机的输入端,调节 H 桥电路的输入方式,观察电路是否能实现正反转。 (3) 将电动机接上电源, 将霍尔元件输出端连接到示波器, 观察示波器是否输出方波。 (4)给计数器输入一个脉冲信号,观察显示器是否可以显示功能。 3.调试电路 根据检查电路中出现的问题,逐个排查,反复检验。先检查电路图是否有问 题,若电路图没有问题,再检查焊点和器件是否有问题,最后用示波器调试。 4.测试整个电路 10 加上 12V 的电压,看整个电路能否正常工作。 六、 设计总结 通过这次课程设计,我对直流电机 PWM 调速电路和光电编码器有了一定的 了解。脉冲宽度调制(PWM),是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调 制晶体管栅极或基极的偏置, 来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间 的改变, 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处 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。光电编码器,是 一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 这是目前应用最多的传感器, 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。一个 好的课程设计需要反复的研究、调试,需要一个团队的努力,查阅资料是至关重 要的一个环节,最快最有效的找到资料是前提。 七、 参考文献 1、王鉴光.电气传动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1994.65-69. 2、秦继荣.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].北京:机械工业出版 社,1990.38-45. 3、章燕申.控制系统的设计与实践[M].北京:清华大学出版社,1992.26-30. 4、陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.7 5、康华光 电子技术基础(数字部分)北京:高等教育出版社 2005.7 11

时间:2020-08-02 07:57