直流电机P W M调速电
路
Document serial number【KK89K-LLS98YT-SS8CB-SSUT-SST108】
《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
学生姓名xxx
专业电气信息类
系别电子与电气工程学院
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
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。
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，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
4.1LM324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、R7和VR1，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。而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。
图4.1LM324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“PulseWidthModulation”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。
4.2H 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 逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容0C 滤波，以获得恒定的直流电压s U 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90o 的两路脉冲信号。
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
4.4 频率测量及显示电路
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—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8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。
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。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。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，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，当P2口被写“1”时，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。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。
P3口管脚备选功能：
（7）P3.0RXD（串行输入口）
（8）P3.1TXD（串行输出口）
（9）P3.2/INT0（外部中断0）
（10）P3.3/INT1（外部中断1）
（11）P3.4T0（记时器0外部输入）
（12）P3.5T1（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。
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
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，是利用的数字输出来对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