直流电动机PWM控制系统设计

直流电机控制器设计说明书1.1 设计思想直流电机PWM 控制系统主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。

其间，还包括直流电机的直接清零、启动、暂停、连续功能。

该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由89C51单片机和一些电容、晶振组成。

设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。

设计控制部分：主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。

设计显示部分：包括液晶显示部分和LED 数码显示部分。

LED 数码显示部分由七段数码显示管组成。

直流电机PWM 控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。

1.2 系统总体设计框图直流电机PWM 调速系统以AT89C51单片机为核心，由命令输入模块、LED 显示模块及电机驱动模块组成。

采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM 波形，H 型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LED 显示模块去显示，进而读取其速度。

1.3 程序设计流程图图1-2中断服务流程图2 总体硬件电路设计2.1 芯片介绍2.1.1 89C51单片机结构特点： 8位CPU ；片内振荡器和时钟电路； 32根I/O 线；外部存贮器寻址范围ROM 、RAM64K ； 2个16位的定时器/计数器； 5个中断源，两个中断优先级； 全双工串行口；图1.2 定时中断服务流程图布尔处理器。

图2-1 89C51单片机引脚分布图2.1.2 RESPACK-8排阻RESPACK-8是带公共端的8电阻排，它一般是接在51单片机的P0口，因为P0口内部没有上拉电阻，不能输出高电平，所以要接上拉电阻。

图2-2 RESPACK-8引脚分布图2.1.3 驱动器L298L298是双电源大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器，线圈，直流电动机，步进电动机等电感性负载。

课程设计报告课程设计名称：桥式PWM逆变电动机控制仿真院系班级：机电工程学院机电一班姓名：吴增昊目录第一部分：课程设计介绍 (3)H桥式可逆PWM变换器的工作原理： (3)第二部分：电路设计 (4)第三部分：参数设置和调节器设计 (5)调节器参数计算： (5)电流调节器参数计算 (5)转速调节器参数计算 (6)最终的调节器计算结果如下 (7)第四部分：输出结果 (7)第五部分：结果分析 (10)第一部分：课程设计介绍可逆轧机，龙门刨床等生产机械要求运动控制系统能够快速的正、反转，以及提高产量及质量；开卷机，卷取机等虽然不要求正反转运行，却需要快速制动。

将上述生产工艺要求归纳成运动控制系统的性能，就是电动机转矩还需要产生制动转矩，实现生产机械快速的减速，停车与正，反向运行的功能。

H桥式可逆PWM变换器的工作原理：PWM控制的示意图如图1所示:可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开，当S接通时，供电电源Us通过开关S施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能：当开关S断开时，中断了供电电源Us向电动机电流继续流通。

图1：PWM控制示意图这样，电动机得到的电压平均值Uas为：Uas=ton·Us/T=aUs在系统主电路部分，采用的是大功率GTR为开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构，如图2所示。

图中，四只GTR分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为另一组。

同一组中的两只GTR同时导通，同时关断，且两组晶体管之间可以是交替的导通和关断。

脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。

图2：H桥式可逆PWM变换器正向运行（如图a ）所示:第1阶段，在0≤t ≤ton 期间，Ub1、Ub4为正，VT1、VT4导通，Ub2、Ub3为负，VT2、VT3截止，电流id 沿回路1流通，电动机M 两端电压UAB=+Us ；第2阶段，在ton ≤t ≤T 期间，Ub1、Ub4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并使VT2、VT3保持截止，电流id 沿回路2流通，电动机M 两端电压UAB=-Us;反向运行（如图b ）所示：第1阶段，在0≤t ≤ton 期间，Ub2、Ub3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并使VT1、VT4截止，电流-id 沿回路4流通，电动机M 两端电压UAB=+Us;第2阶段，在ton ≤t ≤T 期间，Ub2、Ub3为正，VT2、VT3导通，Ub1、Ub4为负，使VT1、VT4保持截止，电流-id 沿回路3流通，电动机M 两端电压UAB=-Us 。

第一章:前言Pwm 电机调速原理对于电机的转速调整，我们是采用脉宽调制（PWM）办法，控制电机的时候，电源并非连续地向电机供电，而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能。

不同占空比的方波信号能对电机起到调速作用，这是因为电机实际上是一个大电感，它有阻碍输入电流和电压突变的能力，因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上，这样，改变在始能端EN1 和EN2 上输入方波的占空比就能改变加在电机两端的电压大小，从而改变了转速。

此电路中用微处理机来实现脉宽调制，通常的方法有两种：（1）用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。

（2）硬件实验自动产生PWM 信号，不占用CPU 处理的时间。

这就要用到STC89C52的在PWM模式下的计数器1，具体内容可参考相关书籍。

51 单片机PWM 程序产生两个PWM，要求两个PWM 波形占空都为80/256,两个波形之间要错开，不能同时为高电平！高电平之间相差48/256，PWM 这个功能在PIC 单片机上就有，但是如果你就要用51 单片机的话，也是可以的，但是比较的麻烦.可以用定时器T0来控制频率，定时器T1 来控制占空比：大致的的编程思路是这样的：T0 定时器中断是让一个I0口输出高电平，在这个定时器T0的中断当中起动定时器T1，而这个T1 是让IO 口输出低电平，这样改变定时器T0 的初值就可以改变频率，改变定时器T1 的初值就可以改变占空比。

前言：直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。

近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法就应运而生。

直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言1.1 题目综述直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。

与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。

基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。

比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。

1.2 国内外研究状况目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。

外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。

当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。

近些年来，计算机和控制技术快速发展。

单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。

经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。

所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。

1.3 课题设计的主要内容本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。

选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。

本课题涉及的技术概括如下：（1）学习直流无刷电机的基本结构、工作原理、数学模型等是学习电机的前提和首要内容。

pwm直流调速系统的建模与仿真1设计意义速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充双闭环调分利用电机的允许过载能负力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这时，启动电流波形，而转速是线性增长的。

这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

2主电路设计2.1设计任务晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统,直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻R a=0.2Ω,允许过载倍数λ= 1.5;电枢回路总电阻:R= 0.5Ω,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5N·m2,晶闸管装置:放大系数K s=40,电流反馈系数:β=0.05V/A,转速反馈系数:α=0.007Vmin/r,滤波时间常数:T oi=0.002s ,T on=0.01s设计要求:(1)稳态指标:转速无静差;(2)动态指标:电流超调量σi≤5%,空载起动到额定转速的转速超调量σn≤10%2.2电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。

转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1所示。

图1 转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。

双闭环直流调速系统原理框图如下图2所示图2双闭环直流调速系统原理框图2.2.1电流调节器直流电机是调压调速,一般用调电枢电压的方法来调速,用串电阻的方法或者可调电源都可以。

一、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。

可是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价钱比较昂贵。

更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流专门大；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。

那个方案的长处是电路较为简单，缺点是继电器的响应时刻慢、机械结构易损坏、寿命较短、靠得住性不高。

方案三：采用集成芯片L298N 。

L298N是SGS(通标标准技术服务有限公司)公司的产品，内部包括4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

其有控制精度高、稳固性好、响应速度快等长处，利用它和PWM技术可控制驱动电流大小以达到电机速度的调整。

兼于方案三调速特性优良、调整光滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。

二、电机测速模块方案一：利用霍尔传感器。

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳固性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有超级重要的地位。

对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时刻。

其对硬件电路要求也要高。

方案二：利用光电码盘。

光电码盘是由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每一个码道上都有按必然规律排列的透光和不透光部份。

工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一路旋转，透过亮区的光通过狭缝后由光敏元件同意，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”，当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出必然规律的数字量，代表了码盘轴的角位移。

但其利用较麻烦，准确度与反映速度不高。

对软件方面要求也高。

方案三：利用光电开关GK105。

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。

摘要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，但是直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，应用前景相当广阔；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。

掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法具有非常大的必要性。

根据生产机械要求，电力拖动控制系统有调速系统、伺服系统、张力控制系统、多电动机同步控制系统等多种类型。

而各系统往往都是通过转速来实现的，本文研究直流调速系统，是电力拖动控制系统中的基础和及其重要的部分。

针对双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调整系统原理出发，逐步建立了闭环直流PWM调整系统的模型。

关键词：直流电动机直流调速系统双闭环 PWM调速PWM-M可逆调速系统设计1 直流电动机的调速方法介绍直流电动机的调速方法有三种：（1）改变电枢电阻（R）调速。

（2）改变电枢电压（U）调速。

（3）改变主磁通（ ）调速。

前两种调速方法主要适用于恒转矩负载，后一种调速方法适用于恒功率负载。

串电阻调速为有级调速，调速平滑性比较差，机械特性斜率增大，速度稳定性比较差，受静差率的限制，调速范围比较小。

改变电枢电压调速为无级调速，机械特性斜率不变，速度稳定性好，调速范围比较大。

改变主磁通调速，控制方便，能量损耗比较小，调速平滑，但受最高转速限制，调速范围不大。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以改变电枢电压调速方式为最好。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主要调节方式。

2 PWM控制系统的优点自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。

PWM系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路非常简单，需要用到的功率器件比较少。

控制系统课程设计设计题目：H型双极式PWM直流调速系统设计学生姓名：***学号：200515221108专业班级：05自动化1班学部：信息科学与技术部指导教师：***2008 年11 月28 日河北理工大学本科生课程设计成绩总评表学部：信息科学与技术部班级：05自动化1班注：设计总成绩=说明书评定成绩（60%）＋答辩成绩（40%）设计任务书(一)性能指标要求：稳态指标：系统无静差动态指标：%5≤i σ；空载起动到额定转速时%10≤n σ。

(二)给定电机及系统参数：P N = 220W , U N = 48V , I N =3.7A ,2=λ，n N = 200r/min ，R a = 6.5Ω 电枢回路总电阻R =8Ω 电枢回路总电感L = 120mH 电机飞轮惯量GD 2 = 1.29Nm 2(三)设计步骤及说明书要求： 1 画出系统结构图，并简要说明工作原理。

2 根据给定电机参数，设计整流变压器，并计算变压器容量及副边电压值;选 择整流二极管及开关管的参数，并确定过流、过压保护元件参数。

3分析PWM 变换器，脉宽调制器（UPW ）及逻辑延时（DLD ）工作原理。

4 设计ACR 、ASR 并满足给定性能指标要求。

5 完成说明书，对构成系统的各环节分析时，应先画出本环节原理图，对照分析。

6打印说明书（A4），打印电气原理图（A4）。

目录一引言 (1)二系统构成和原理 (1)三 PWM主电路设计 (3)四电流调节器和转速调节器的设计 (4)4.1 电流调节器ACR的设计 (4)4.2转速调节器ASR设计 (4)4.2.1电流环等效闭环传递函数 (7)4.2.2转速调节器结构的选择 (8)4.2.3时间常数的确定 (8)4.2.4转速调节器参数的选择 (8)4.2.5校验近似条件 (8)4.2.6校核转速超调量 (8)4.2.7转速调节器的实现 (9)五基于SG3525 为核心构成的控制电路 (9)5.1 SG3525芯片的内部结构及工作原理 (9)5.2逻辑延时环节 (10)六驱动电路设计 (11)七电流反馈和转速反馈电路设计 (12)7.1电流反馈电路设计 (12)7.2转速反馈电路设计 (13)八结束语 (13)九参考文献 (15)十总电路图 (16)1引言直流电动机由于有着广泛的起制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，且直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，因而目前应用广泛。

PWM直流调速系统电路工作模式一、PWM直流调速系统概述PWM（脉宽调制）直流调速系统是一种通过改变电机输入电压的占空比来调节电机速度的电子控制系统。

由于其具有调速范围广、动态响应快、控制精度高等优点，PWM直流调速系统在工业自动化、电动工具、电动车等领域得到了广泛应用。

二、PWM直流调速系统电路工作模式PWM直流调速系统的电路工作模式主要分为以下三种：1.双极性模式在双极性模式下，PWM波形有正负两个电平，占空比在0%～100%之间变化。

这种模式下的电机驱动电路较为简单，但需要使用到H桥或类似的电路结构，以实现对电机正反转的控制。

2.单极性模式在单极性模式下，PWM波形只有正电平或负电平，占空比在0%～100%之间变化。

这种模式下，电机只能在一个方向上旋转，因此需要配合方向控制信号来实现电机的正反转。

3.分段线性模式分段线性模式是一种介于双极性和单极性之间的模式，其PWM波形由多个线性段组成。

这种模式下的电机驱动电路较为复杂，但可以实现更为精确的电机速度控制。

三、PWM直流调速系统电路工作原理PWM直流调速系统的电路工作原理主要基于调节电机输入电压的占空比来实现对电机速度的控制。

具体来说，当占空比增大时，电机输入电压增大，电机转速升高；反之，当占空比减小时，电机输入电压减小，电机转速降低。

这种通过调节占空比来实现电机速度控制的方式称为脉宽调制（PWM）。

在PWM直流调速系统中，通常采用闭环控制方式，即通过反馈电机的实际转速与设定转速的差值来实时调整PWM波形的占空比，以实现对电机速度的精确控制。

这种控制方式可以有效减小系统误差、提高控制精度和响应速度。

此外，为了实现电机的正反转控制，PWM直流调速系统还需要引入方向控制信号。

当方向控制信号为高电平时，电机向正方向旋转；当方向控制信号为低电平时，电机向反方向旋转。

通过调节PWM波形和方向控制信号的配合，可以实现电机的正反转和速度调节。

综上所述，PWM直流调速系统通过调节电机输入电压的占空比来实现对电机速度的控制，具有调速范围广、动态响应快、控制精度高等优点。

PWM调速原理PWM的原理： PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

1.PWM控制的基本原理(1)理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

(2)面积等效原理：分别将如图1所示电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图a所示。

其输出电流I(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图b所示。

从波形可以看出，在I(t)的上升段，I(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。

脉冲越窄，各I(t)响应波形的差异也越小。

如果周期性地施加上述脉冲，则响应I(t)也是周期性的。

用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

图3 用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

PWM电流波：电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。

PWM波形可等效的各种波形：直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。

2. PWM相关概念占空比：就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比如，一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是说PWM的占空比就是1：5。