直流电机调速报告

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1、直流电机驱动电路设计摘要: 在自动控制中，计算机控制一直成为人们的关注焦点，但控制的实现还得借助电 子控制器来实现，其中电机的驱动是一个最为普遍的问题。本文所给出的直流电 机驱动电路相当直观，直流电机的驱动比较简单，既可通过继电器或功率晶体管 驱动，也可利用可控硅或功率型MOS场效应管驱动。此课程设计目的在于驱动较 大功率直流电动机，解决驱动电路发热，功率不足的问题。驱动目标在于能够实 现直流电机的正反转，快慢调速，启动停止等。关键词：直流电机，正反转调速，MOS管，H桥，单片机目录、引言 错误！未定义书签。二、直流电机的优势及总体方案错误！未定义书签。三、功能模块错误！未定义书签。一、电源模

2、块6二、控制模块8三、驱动模块10四、测试调试分析11一、程序及仿真12二、软件设计14五、参考文献15六、附录161、pcb 图182、备用驱动程序18七、实验总结19第一章引言在电气传动领域中，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。由于直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，因此 在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且，从控 制的角度来看，直流调速还是交流调速，都用到拖动系统的基础。随着单片机技 术的日新月异，使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，不但

3、为直流电 动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到了更高的性能,从而大大节 约了人力资源，降低了系统成本，有效地提高了工作效率。单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、 易扩展、控制功能强等优点，用单片机取代模拟电路作为电动机的控制器，使电 路更简单，模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂，使用单片 机微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件实现可以实现较复杂的控制，单片 机有更强的逻辑功能，运算速度和精度高、有大容量的存储单元，因此有能力实现 复杂的控制灵活性和适应性强，单片机的控制方式是由软件完成的，如果需要修 改控制规律，一般不必改变系统的硬件

4、电路，只需修改程序即可，在系统调试和升 级时，可以不断尝试选择最优参数,非常方便无零点漂移，控制精度高、数字控制 不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题，无论被控量的大小，都可以保证 足够的控制精度可提供人机界面,多机联网工作等优点。所以在电气传动实时控 制系统中受到重视和普遍应用。第二章系统的概述及总体方案概述：电动机可以分为有换向器和无换向器的直流电动机两大类。直流电机 在结构、价格、维护方面都比不上交流电动机，但是交流电动机的调速控制一直 以来难以得到满意的解决方案,所以直流电机的良好控制特性得到了较为广泛的 应用。总结一下，直流电机具有以下较为明显的优势： 直流发电机的电势波形较好，

5、对电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，拖动和制动转矩较大。 控制设备制作方便、价格低廉。缺点是：效率低、机械特性软。存在换向器，因此制造复杂，需要维修和保养，并且价格较高。直流电机的结构图如下电刷主磁按换向片图1.1直流电机物理结构整体方案此电路设计采用mos管搭建H桥的办法驱动，mos管具有价格低廉，可驱动电机 功率大的特点，mos管驱动芯片采用ir2104，控制系统使用AT89C51单片机。第三章功能模块电源模块图上为175V整流电路，C1为整流滤波电容，它把整流后的脉动波形滤波为脉动纹波 很小的直流电压，它的容量与负载有关，一般说，负载越重

6、，C1的值要求越大，具体计算 此处从略。才也为LM7805稳压集成电路所要求的，它用于稳定LM7805内部放大器的工作状态，同时 改善电压调整的过渡响应。它的数值为生产厂家规定值，不得小于0.1微法，它的连接必须 尽可能紧连LM7805的3脚和3脚。上图为5V 12V开关稳压电路，图中R4为滑动变阻器，通过改变滑动变阻器 来控制所需要的稳定电压。LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动 电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V， 可调版本可以输出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150K

7、Hz，与低频开关 调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件， 可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596的使用，极大地简化了开关电 源电路的设计。其封装形式包括标准的5脚TO-220封装（DIP）和5脚TO-263表贴封装（SMD ）。 该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压 的误差可以保证在4%的范围内，振荡频率误差在15%的范围内；可以用仅 80“A的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护 和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路控制模块控制器选择：AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机

8、，片内含4k Bytes ISP(In-systeiprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储 器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51 指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash? 储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供 高性价比的解决方案。调速方式：直流电机采用调压，调阻等调速方式，本设计采用调压方式，直 接加直流电源来控制电机的转动速度；根据电动机在其额定电压时，电动机有一 定的额定转速。根据其输入电压的减小，其转动速度也相应的减小。从而在传统 的

9、改变电动机的转速问题中，就是利用所给电动机的电压的不同，而达到人们所】击 |-bd-需要的速度。设计采用AT89C51单片机作为微控制器，采用输出不同占空比的PWM波 调控电机电压的方式实现对电机的控制与调速。PWM调速工作方式：方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控 制各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动 机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制端置低电平，另 端输出PWM信号，两的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转 向和转速。由于单极性工作制中，应用相对简单易于实现与操作，所以我们采 用了单极性工作制。

10、驱动模块该驱动电路采用了 IR2104集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保 护功能。IR2104是一种高电压、高速度的功率MOSFET 和IGBT驱动器，工作电压 10-20V。系统使用两片IR2104控制四片N沟道的IR3205组成一个全桥驱动电 路控制一台直流力矩电机。IR2104通过HO输出分别控制全桥驱动电路的上半 桥QI、Q3的导通与关断，而IR2104的L0输出分别控制全桥驱动电路的下半 桥Q2、Q4的导通与关断，从而达到控制电机转速与正反转的目的。典型连接INSDTOLOAD(Refer to Lead) Assignment for correct pin configu

11、ration) This/These diiagram(s) show electrical connections only. Please refer to our Application Notes and DesignTips for proper circuit board! layout.符号说耶IN高和低mm驱动器输出（HO和LO）同相何逻辑输入SD用于关断逻辑输入Vb高测浮动电源HO高侧棚极驱动输出Vs高侧浮动电源返回Vcc低压训和逻辑固定电源LO低侧棚极驱动输出COM低端回抿铅作业1VCCVB82INHO13SDVS64COMLO58引脚PDFIR21041VCCVB82IN

12、HO73SDVS64COMLO5書弓 igipsoicIR2104S设计最终采用电路如下:x n-(其中7400芯片起隔离作用，防止测试时烧毁mos管或其他硬件PWM控制H桥双极性主电路从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开 关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通 路。因此在这个电路中，ul、u5或者u3、u4是不可能持续、不间断的导通的。 我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。 将这样就使得两芯片所输出的信号恰好相反。在SD为高电平期间，u1、u5导通，在直流电机上加正向的工作电压。其具体的 操作步骤如下：当in

13、1为高电平时，HO为高电平LO为低电平，使U1导通，U3关闭，同时 in2为低电平，H0为低电平，L0为高电平，U4关闭，U5导通，电机实现正转。 同理，当当in1为低电平时，HO为低电平LO为高电平，使U1关闭，U3导通， 同时in2为高电平，HO为高电平，LO为低电平，U4导通，U5关闭，电机实现反 转。设PWM波的周期为T, HIN为高电平的时间为t1,这里忽略死区时间，那么 LIN为高电平的时间就为T-t 1。HIN信号的占空比为D=t1/T。设电源电压为V， 那么电枢电压的平均值为：Vou t= t1 - ( T - t1 ) V / T=(2 tl - T ) V / T=(2D

14、1 )V四、测试调试分析程序及仿真定时器/计数器：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 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，进而达到控制电机转速的目的。电机控制方法

15、：直流电动机转速n的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制 法控制励磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花 和换向器结构强度的限制。而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的是电枢 电压控制法。Ua=Ud-IaR，虽然调节电阻R即可改变端电压达到调速目的，但这种方法效率 很低。随着电力电子技术的进步，可由PWM斩波器进行斩波调压。所得源程序：#includereg52.h#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar t ime,coun t=50,flag低电平的占

16、空比sbit PWM1=P20;/PWM 通道 1，反转脉冲 sbit PWM2=P21;/PWM 通道 2,正转脉冲 sbit key_add=P35 电机加速sbit key_dec=P3飞电机减速sbit key_ turn二P3!电机换向/*函 数声明 */ void delayxms(uint z);void Motor_turn();void Motor _add();void Motor _dec();void ti mer0_ init();/*主函数 */ void main()ti mer0_ init(); while(l)Motor_turn();Motor _add(

17、);Motor _dec();/*延时处理 */ void delayxms(uint 延时/xms 程序uint x,y; for(y=z;x0;x) for(y=110;y0;y);/*电 机正反向控制 */ void Motor_turn()if(key_turn=0)delayxms(2);此处时间不能太长，否者会的中断产生冲突 if(key_turn=0) flag=flag; while(!key_turn);void Mot or_add()电机加速if(key_add=0)delayxms(2);此处时间不能太长，否者会的中断产生冲突 if(key_add=0)count+=5

18、;辻(count=100)count=0;while(!key_add);void Moto r_dec(电/机加减速if(key_dec=0)delayxms(2);此/处时间不能太长，否者会的中断产生冲突 if(key_dec=0)count=5;辻(count=100)count=0; while(!key_dec);/*定时器 0 初始化*/void timer0_init()TM0D=0x01; /定时器0工作于方式1 TH0=(65536-10)/256;TL0=(65536-10)%256;TR0=1;ET0=1;EA=1;/*定时 0 中断处理*/void timer0_int

19、() interrupt 1TR0=0;/设置定时器初值期间，关闭定时器 TH0=(6553610)/256;TL0=(6553610)%256;TR0=1;if(flag=1电机正转PWM1=0;time+;if(timecount)PWM2=1;elsePWM2=0;f(t ime=100)time=0;else电机反转PWM2=0;time+;if(timecount)PWM1=1;elsePWM1=0;f(t ime=100)time=0;仿真图：Digital OscilloscopetiannelLevel-I 貝 _ ACDCIISourceBCDlimf占空比60%AuloOn

20、e-ShotCursorsqChannel BCliannel Cii rHCliannel CDigital OscilloscopeSourceb C iD1-皿0 -ID4LevelAjuIoOne-ShotCursorsPnnirinnPrwirinn占空比90%Channel BCliannel D白度文库：单片机控制PWM的直流电机调速系统51单片机工程师是怎样炼成的老杨单片机原理张毅刚电力电子技术王兆安六附录PCB图D30ul.il斗o.备用程序： #include #define ucha unsigned #define uint unsigned sbi t keyl二P4

21、;sbi t key2二P5; sbit key3=P1 飞； sbit key4二P7;charint/慢/快/正快/反快sbit p1=P20;sbit p2=P21;sbit p3二POO;sbit p4=P01;uint num,n,m,ms,i ,l,a3,a4,a1,a2,b; display。;void delay(uint ms)uint i; while(ms-)for(i=0;i120;i+);void init() TM0D=0x01;EA=1;ET0=1;TH0=(65536-1000)/256;TL0=(65536-1000)%256;TR0=1;void pwml

22、(uint m)/正传慢if(numm)P2=0x01;else P2=0x00 ;void fanzhuan (uint b)/正传慢if(l=10)num=0; l=0;main() int a1=0,a2=0;a3=0;a4=0;P2=0x00;ini t();while(1)whil e(key1=0)/键位保持delay(10); if(key1=0);a1=1;if(al=l)pwml(4);while(key2=0)delay(lO);if(key2=0); a2=1;if(a2=1)pwml(9);while(key3=0) delay(lO); if(key3=0); a3=

23、1;if(a3=1)fanzhuan (3);while(key4=0)delay(lO);if(key4=0); a4=1;if(a4=1)fanzhuan(9);/al 代替 keyl/键位保持/键位保持七、实验总结经过这次课程设计我感受颇多，在进行设计之前，我参考了一些网上的资 料，通过对这些设计方案来开拓自己的思路，最后终于有了自己的思路。 此次 课程设计不仅是对前面所学电力电子技术和运动控制理论的一种检验，更是对所 学知识大融合，站在新的高度看待新的问题。通过这次课程设计，我才明白学习 是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自 己知识和综合素质。本设计在硬件上采用了基于PWM技术的H型桥式驱动电路，解决了电机马 驱动的效率问题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算法，提高了单片机的 使用效率，且更有效的控制电机。