直流馬達課程設計--直流馬達控制電路的設計

1、<p><b>　　測控系統(tǒng)課程設計</b></p><p>　　課題： 直流馬達控制電路的設計 </p><p>　　班級 學號 </p><p>　　姓名 </p><p>　　專業(yè) 測控技術與儀

2、器 </p><p>　　學院 電子與電氣工程學院 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　測控技術與儀器教研室</p><p><b>　　2011年12月</b></p><p><b>　　

3、一、緒論</b></p><p>　　長期以來，直流電機以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點成為大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計算機在控制領域，高開關頻率、全控型第二代電力半導體器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的發(fā)展，以及脈寬調制(PWM)直流調速技術的應用，直流電機得到廣泛應用。為適應小型直流電機的使用需求，各半導體廠商推出了直流電機控制專用集成電路

4、，構成基于微處理器控制的直流電機伺服系統(tǒng)。但是，專用集成電路構成的直流電機驅動器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機驅動需求。因此采用N溝道增強型場效應管構建H橋，實現(xiàn)大功率直流電機驅動控制。該驅動電路能夠滿足各種類型直流電機需求，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點，可直接與微處理器接口，可應用PWM技術實現(xiàn)直流電機調速控制。</p><p><b>　　二、總體方案設計</b></

5、p><p>　　2.1方案介紹直流電動機脈寬調制(PWM)控制器UC3637用于控制開環(huán)或閉環(huán)直流電動機速度或位置，其內部產生1路模擬誤差電壓信號，并輸出2路PWM脈沖信號，這2路PWM脈沖信號與誤差電壓信號的幅值成正比，并與其極性相關，因此構成雙向調速系統(tǒng)，實現(xiàn)PWM雙輸出，驅動電流能力為100 mA，該器件還具有限流保護、欠電壓封鎖及溫度補償?shù)忍攸c。而驅動集成電路IR2110對PWM信號具有自舉功能。有2路完

6、全獨立的高保真輸入輸出通道，且這2路通道具有開通慢、關斷快的防橋臂直通的互鎖功能，可使電路可靠工作。這里采用UC3637和IR2110設計一種直流電動機PWM開環(huán)控制電路，并與計算機控制系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)對某種舵系統(tǒng)直流電動機的控制，進而驗證該電路的正確性。</p><p><b>　　2.2總體框圖</b></p><p>　　2.3 各功能模塊介紹該電路設計控制系

7、統(tǒng)的目標是在計算機不同的給定信號下，電動機可快速達到指定位置，以滿足系統(tǒng)性能要求?？刂圃砜驁D如圖1所示。被控直流電動機M的轉速由測速發(fā)電機G測得，測速發(fā)電機所測得的轉速信號經A／D轉換后的數(shù)字信號在計算機中與給定信號相比較，再經計算后輸出數(shù)字控制信號，經D／A轉換變?yōu)槟M信號送至UC3637的脈寬信號產生電路，從而實現(xiàn)對直流電動機的速度控制。</p><p>　　圖2為基于UC3637的直流電動機PWM控制電路

8、，該電路分為4部分：脈寬信號產生電路、自舉驅動電路、主電路、保護電路。該電路產生5～10 V的閾值電壓，分別將U2=10 V接引腳1，U1=5 V接引腳3，這樣三角波就在5~10 V內變化，即電容CT連接的引腳2電壓在5~10 V內變化。UK是從計算機輸出經數(shù)模轉換得到的電壓，其范圍為-10～+lO V，而UC3637需要5～10 V的控制電壓接引腳9和11，控制輸出端的占空比。利用R2~R5對控制電壓UK進行電平轉換，令R2=10 k

9、Ω、R3=18 kΩ、R5=20 kΩ，當UK=-10 V時，應有UR=5 V，由電路分流可以獲得(1)(2)：這樣雙路互補PWM脈沖信號在上升沿有幾個微秒的延時，在下降沿無延時，與IR2110內部上下路信號設置的延時相結合，可確保“H”橋中同一橋臂的上下兩個MOS管存在一個死區(qū)時間，從而保證電路工作安全穩(wěn)定。由于15 V直流供電電源含有一定的交流雜波，故分別在引腳1、引腳3和15 V電源前并聯(lián)1只0．1μF的電容，以濾除交流雜波的

10、干擾。該電路使用2個IR2110，這兩個IR2110由4個MOS管組成</p><p>　　代入數(shù)據(jù)解得，R4=2 kΩ。為避免工作過程中發(fā)生直通短路現(xiàn)象，應在UC3637的輸出端引腳4和引腳7后各接一個RC延時電路，設需延時時間r=5μs，延時電路中所用電阻R6取5 Ω，由公式可得：</p><p>　　這樣雙路互補PWM脈沖信號在上升沿有幾個微秒的延時，在下降沿無延時，與IR211

11、0內部上下路信號設置的延時相結合，可確?！癏”橋中同一橋臂的上下兩個MOS管存在一個死區(qū)時間，從而保證電路工作安全穩(wěn)定。由于15 V直流供電電源含有一定的交流雜波，故分別在引腳1、引腳3和15 V電源前并聯(lián)1只0．1μF的電容，以濾除交流雜波的干擾。三、硬件電路設計直流電動機的轉速通過測速發(fā)電機測得，當被控直流電動機的轉速小于給定轉速時，計算機經D／A轉換器輸出控制電壓UK，再經R2~R5電平轉換成UR輸入至引腳9和引腳11，使引

12、腳4導通。引腳4的導通信號經RC延時電路傳輸至IR2110(1)的引腳10和IR2110(2)的引腳12，分別使上通道引腳10和下通道引腳12導通。這時2片IR2110間的“H”橋電路中的VF1、VF2被觸發(fā)導通，電路給電動機提供正向的電流，電動機升速。當被控直流電動機的轉速大于給定轉速時，UR使UC3637中的引腳7導通，引腳7的導通信號經RC延時電路傳輸至IR2110(1)的引腳12和IR2110(2)的引腳10，分別使下通道引腳1

13、2和上通道引腳1O導通。這時“H”橋電路</p><p>　　當電動機電流增大而使RS上的電壓達到該閾值時，C/L輸出高電平，令SRA和SRB復位至低電平，進而AOUT和BOUT變?yōu)榈碗娖?，停止輸出?lt;/p><p>　　取Imax=8 A，則：RS=0．025Ω四、軟件設計在某種舵系統(tǒng)實驗中，選用額定工作電壓為27 V，3W2111115679額定工作電流為1 A的永磁直流電動機

14、，根據(jù)實驗的不同要求，電機系統(tǒng)可完成階躍、正弦等運動，采用精密電阻電位計檢測電機位置，經A／D轉換反饋到計算機中與給定控制信號經一種自適應變結構控制得到1個輸出信號，再經D／A轉換送至UC3637的PWM控制器中，驅動電動機到期望的位置。其中，信號的給定，反饋信號取樣、控制算法及控制脈沖輸出均由計算機完成。圖3、圖4分別表示系統(tǒng)的數(shù)字仿真與實驗曲線，其中曲線1為實驗曲線，曲線2為一種自適應變結構控制的數(shù)字仿真曲線。由圖可知，運用該控制電

15、路控制直流電動機是可行的。 </p><p><b>　　五．系統(tǒng)仿真調試</b></p><p><b>　　5.1 仿真軟件</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用了一種基于Proteus 的PC 機對步進電機運動控制仿真方法，　Protues軟件是英國Labcenter electronics

16、公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具，互動的電路仿真。用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。還可以用來仿真處理器及其外圍電路。包括仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。</p><p><b>　　5.2系統(tǒng)仿真<

17、;/b></p><p>　　對應的單拍正轉、雙拍正轉、單雙拍正轉種情況下由虛擬示波器（OSCILLOSCOPE）采集的脈沖驅動信號，如圖3 所示。結合表1 的P1 口脈沖，剔除正常存在的毛刺與抖動，與實際驅動所需的對應脈沖信號是完全吻合的。</p><p>　　直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內平滑調速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用

18、。本文所介紹的直流電機 PWM控制器本文給出的控制方案，計算機仿真的結果表明，該電路能有效地產生 PWM控制信號控制電機的轉速，正反轉，控制精度由FPGA中的數(shù)字比較器決定，硬件電路搭建簡單，程序代碼書寫容易。</p><p><b>　　六、總結</b></p><p>　　以增強型場效應管為核心，基于H橋PWM控制的驅動控制電路，對直流電機的正反轉控制及速度調節(jié)具

19、有良好的工作性能。實驗結果表明，直流電機驅動控制電路運行穩(wěn)定可靠，電機速度調節(jié)響應快。能夠滿足實際工程應用的要求，有很好的應用前景。</p><p>　　這次設計讓我學到了很多東西。首先是掌握了電路仿真軟件，還有就是學會了初步的設計方法。剛開始接觸到直流電機題目的時候，可以說是毫無頭緒。只能去網絡上搜索，看看課本和實驗指導書。但是由于我平時學習基礎不扎實，仍然不是很懂。最后借用了同學的源程序并細致的問了許多問題后

20、，這才慢慢的對這個設計題目有了初步認識。但真正要去仿真的時候，卻發(fā)現(xiàn)了許多細節(jié)性的問題。有時候設計思路是對的，但是在仿真時候卻老出現(xiàn)不了想要的結果。經過細心觀察和嘗試，往往是對理論知識的匱乏和基礎的薄弱造成的。雖然最終設計的結果并不完美，但是我也得到了很好的鍛煉。通過這次課程設計，我對自己的專業(yè)有了更深的理解，對自己以后所從事的工作有了定向，并對自己的專業(yè)前景充滿了希望。這次設計使我受益匪淺，感謝老師的指導。</p>&l

21、t;p><b>　　七、參考文獻</b></p><p>　　張桂英 《電子系統(tǒng)設計》 南京大學出版社 2008.9</p><p>　　黃繼業(yè) 《EDA技術實用教程》 科學出版社 2006.10</p><p>　　齊晶晶 《現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計》實驗指導書 電工電子實驗教學中心 2009.8</p><p>　　孫