《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。