直流电机pwm调速电路.doc

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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 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
工学院
电子与电气工程学院
2012年05月
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直流电机PWM调速电路
设计任务与要求：
设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动；
设计PWM驱动信号发生电路；
设计电机转速显示电路；
设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速；
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，使用单片机是极为便的。其法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称 PWM。
改变占空比的法有 3 种：
定宽调频法，这种法是保持 t1 不变，只改变 t2 ，这样期 T（或频率） 也随之改变；
（2）调宽调频法，保持 t1 不变，而改变 t2 ，这样也使期 T（或频率）改变；
（3）定频调宽法，这种法是使期 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 于前两种法都改变了期（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。
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平均速度与占空比的关系
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。
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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式的 PWM 控制，因为采用 这种式， 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 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案
三）脉宽可调波发生电路
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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。
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驱动控制电路见图 2－3。将单片机软件产