PWM直流电机调速系统设计
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单片机为核心，以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。
在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制（PWM）控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。
第2章直流调速系统概述调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。
电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。
由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。
所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。
在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。
而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
因此，我们先着重讨论直流调速系统。
2.1直流电机的工作原理直流电动机，多年来一直用作基本的换能器。
绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。
图2-1为直流电机的物理模型图，其中，固定部分（定子）由磁铁（称为主磁极）和电刷组成；转动部分（转子）由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。
图2.1直流电机的物理模型图直流电动机的工作原理如图2-2所示。
给两个电刷加上直流电源，如图2-2(a)所示，有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；如果转子转到图2-2(b)所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B 流出的方向，这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，这样的结构，就可使电动机连续旋转。
图2.2直流电机原理图2.2直流电机的调速方法根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：（1）调节电枢供电电压U。
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。
变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。
（2）改变电动机主磁通。
改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。
变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
（3）改变电枢回路电阻。
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。
但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。
弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。
调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。
用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止可控整流器（简称V-M系统）。
用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。
（3）直流斩波器（脉宽调制变换器）。
用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后，因此搁置不用。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。
最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
图2.3晶闸管－电动机调速系统原理框图（V-M系统）直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器。
它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。
图2-4为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中VT代表开关器件。
当开关VT接通时，电源电压U。
加到电动机上；当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。
如此反复，得电枢端电压波形如图2.4（b）所示。
图2.4 直流斩波器原理电路及输出电压波型（a）原理图（b）电压波型采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。
脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。
脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。
由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。
目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统2.3 H桥电机驱动的概述采用PWM进行直流电机调速，其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用端，因此有必要对电机驱动电路进行介绍。
图2.5 H桥式电机驱动电路上图所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（上图及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图）。
电路中，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图2.6 H桥式驱动电机顺时针转动如上图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
图2.7 H桥式驱动电机逆时针转动驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。
第3章系统的硬件设计在图2.3所示的V-M系统中和图2.4所示的PWM系统中，只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，它们都属于开环控制的调速系统，称为开环调速系统。
在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。
如果生产机械对静差率要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内的无级调速，而且开环调速系统结构简单。
3.1系统设计方案论证(1) 电机调速控制模块方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：采用由三极管组成的H型PWM电路。
用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
