直流馬達(dá)課程設(shè)計(jì)--直流馬達(dá)控制電路的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　測(cè)控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　課題： 直流馬達(dá)控制電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　班級(jí) 學(xué)號(hào) </p><p>　　姓名 </p><p>　　專業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀

2、器 </p><p>　　學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　測(cè)控技術(shù)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(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)成為大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域，高開關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)小型直流電機(jī)的使用需求，各半導(dǎo)體廠商推出了直流電機(jī)控制專用集成電路

4、，構(gòu)成基于微處理器控制的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)。但是，專用集成電路構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。因此采用N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)建H橋，實(shí)現(xiàn)大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。該驅(qū)動(dòng)電路能夠滿足各種類型直流電機(jī)需求，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點(diǎn)，可直接與微處理器接口，可應(yīng)用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速控制。</p><p><b>　　二、總體方案設(shè)計(jì)</b></

5、p><p>　　2.1方案介紹直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制(PWM)控制器UC3637用于控制開環(huán)或閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)速度或位置，其內(nèi)部產(chǎn)生1路模擬誤差電壓信號(hào)，并輸出2路PWM脈沖信號(hào)，這2路PWM脈沖信號(hào)與誤差電壓信號(hào)的幅值成正比，并與其極性相關(guān)，因此構(gòu)成雙向調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PWM雙輸出，驅(qū)動(dòng)電流能力為100 mA，該器件還具有限流保護(hù)、欠電壓封鎖及溫度補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。而驅(qū)動(dòng)集成電路IR2110對(duì)PWM信號(hào)具有自舉功能。有2路完

6、全獨(dú)立的高保真輸入輸出通道，且這2路通道具有開通慢、關(guān)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(shè)計(jì)一種直流電動(dòng)機(jī)PWM開環(huán)控制電路，并與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)某種舵系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的控制，進(jìn)而驗(yàn)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(shè)計(jì)控制系

7、統(tǒng)的目標(biāo)是在計(jì)算機(jī)不同的給定信號(hào)下，電動(dòng)機(jī)可快速達(dá)到指定位置，以滿足系統(tǒng)性能要求。控制原理框圖如圖1所示。被控直流電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)速由測(cè)速發(fā)電機(jī)G測(cè)得，測(cè)速發(fā)電機(jī)所測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)在計(jì)算機(jī)中與給定信號(hào)相比較，再經(jīng)計(jì)算后輸出數(shù)字控制信號(hào)，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號(hào)送至UC3637的脈寬信號(hào)產(chǎn)生電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的速度控制。</p><p>　　圖2為基于UC3637的直流電動(dòng)機(jī)PWM控制電路

8、，該電路分為4部分：脈寬信號(hào)產(chǎn)生電路、自舉驅(qū)動(dòng)電路、主電路、保護(hù)電路。該電路產(chǎn)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(nèi)變化，即電容CT連接的引腳2電壓在5~10 V內(nèi)變化。UK是從計(jì)算機(jī)輸出經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)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(duì)控制電壓UK進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，令R2=10 k

9、Ω、R3=18 kΩ、R5=20 kΩ，當(dāng)UK=-10 V時(shí)，應(yīng)有UR=5 V，由電路分流可以獲得(1)(2)：這樣雙路互補(bǔ)PWM脈沖信號(hào)在上升沿有幾個(gè)微秒的延時(shí)，在下降沿?zé)o延時(shí)，與IR2110內(nèi)部上下路信號(hào)設(shè)置的延時(shí)相結(jié)合，可確?！癏”橋中同一橋臂的上下兩個(gè)MOS管存在一個(gè)死區(qū)時(shí)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(gè)IR2110，這兩個(gè)IR2110由4個(gè)MOS管組成</p><p>　　代入數(shù)據(jù)解得，R4=2 kΩ。為避免工作過(guò)程中發(fā)生直通短路現(xiàn)象，應(yīng)在UC3637的輸出端引腳4和引腳7后各接一個(gè)RC延時(shí)電路，設(shè)需延時(shí)時(shí)間r=5μs，延時(shí)電路中所用電阻R6取5 Ω，由公式可得：</p><p>　　這樣雙路互補(bǔ)PWM脈沖信號(hào)在上升沿有幾個(gè)微秒的延時(shí)，在下降沿?zé)o延時(shí)，與IR211

11、0內(nèi)部上下路信號(hào)設(shè)置的延時(shí)相結(jié)合，可確?！癏”橋中同一橋臂的上下兩個(gè)MOS管存在一個(gè)死區(qū)時(shí)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(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)得，當(dāng)被控直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速小于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，計(jì)算機(jī)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓UK，再經(jīng)R2~R5電平轉(zhuǎn)換成UR輸入至引腳9和引腳11，使引

12、腳4導(dǎo)通。引腳4的導(dǎo)通信號(hào)經(jīng)RC延時(shí)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(dǎo)通。這時(shí)2片IR2110間的“H”橋電路中的VF1、VF2被觸發(fā)導(dǎo)通，電路給電動(dòng)機(jī)提供正向的電流，電動(dòng)機(jī)升速。當(dāng)被控直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，UR使UC3637中的引腳7導(dǎo)通，引腳7的導(dǎo)通信號(hào)經(jīng)RC延時(shí)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(dǎo)通。這時(shí)“H”橋電路</p><p>　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流增大而使RS上的電壓達(dá)到該閾值時(shí)，C/L輸出高電平，令SRA和SRB復(fù)位至低電平，進(jìn)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(shè)計(jì)在某種舵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)

14、，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同要求，電機(jī)系統(tǒng)可完成階躍、正弦等運(yùn)動(dòng)，采用精密電阻電位計(jì)檢測(cè)電機(jī)位置，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換反饋到計(jì)算機(jī)中與給定控制信號(hào)經(jīng)一種自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制得到1個(gè)輸出信號(hào)，再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換送至UC3637的PWM控制器中，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)到期望的位置。其中，信號(hào)的給定，反饋信號(hào)取樣、控制算法及控制脈沖輸出均由計(jì)算機(jī)完成。圖3、圖4分別表示系統(tǒng)的數(shù)字仿真與實(shí)驗(yàn)曲線，其中曲線1為實(shí)驗(yàn)曲線，曲線2為一種自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制的數(shù)字仿真曲線。由圖可知，運(yùn)用該控制電

15、路控制直流電動(dòng)機(jī)是可行的。 </p><p><b>　　五．系統(tǒng)仿真調(diào)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(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制仿真方法，　Protues軟件是英國(guó)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(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具，互動(dòng)的電路仿真。用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。還可以用來(lái)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(jī)。</p><p><b>　　5.2系統(tǒng)仿真<

17、;/b></p><p>　　對(duì)應(yīng)的單拍正轉(zhuǎn)、雙拍正轉(zhuǎn)、單雙拍正轉(zhuǎn)種情況下由虛擬示波器（OSCILLOSCOPE）采集的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如圖3 所示。結(jié)合表1 的P1 口脈沖，剔除正常存在的毛刺與抖動(dòng)，與實(shí)際驅(qū)動(dòng)所需的對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)是完全吻合的。</p><p>　　直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用

18、。本文所介紹的直流電機(jī) PWM控制器本文給出的控制方案，計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果表明，該電路能有效地產(chǎn)生 PWM控制信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，正反轉(zhuǎn)，控制精度由FPGA中的數(shù)字比較器決定，硬件電路搭建簡(jiǎn)單，程序代碼書寫容易。</p><p><b>　　六、總結(jié)</b></p><p>　　以增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管為核心，基于H橋PWM控制的驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制及速度調(diào)節(jié)具

19、有良好的工作性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠，電機(jī)速度調(diào)節(jié)響應(yīng)快。能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的要求，有很好的應(yīng)用前景。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多東西。首先是掌握了電路仿真軟件，還有就是學(xué)會(huì)了初步的設(shè)計(jì)方法。剛開始接觸到直流電機(jī)題目的時(shí)候，可以說(shuō)是毫無(wú)頭緒。只能去網(wǎng)絡(luò)上搜索，看看課本和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。但是由于我平時(shí)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不扎實(shí)，仍然不是很懂。最后借用了同學(xué)的源程序并細(xì)致的問(wèn)了許多問(wèn)題后

20、，這才慢慢的對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)題目有了初步認(rèn)識(shí)。但真正要去仿真的時(shí)候，卻發(fā)現(xiàn)了許多細(xì)節(jié)性的問(wèn)題。有時(shí)候設(shè)計(jì)思路是對(duì)的，但是在仿真時(shí)候卻老出現(xiàn)不了想要的結(jié)果。經(jīng)過(guò)細(xì)心觀察和嘗試，往往是對(duì)理論知識(shí)的匱乏和基礎(chǔ)的薄弱造成的。雖然最終設(shè)計(jì)的結(jié)果并不完美，但是我也得到了很好的鍛煉。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)自己的專業(yè)有了更深的理解，對(duì)自己以后所從事的工作有了定向，并對(duì)自己的專業(yè)前景充滿了希望。這次設(shè)計(jì)使我受益匪淺，感謝老師的指導(dǎo)。</p>&l

21、t;p><b>　　七、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　張桂英 《電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 南京大學(xué)出版社 2008.9</p><p>　　黃繼業(yè) 《EDA技術(shù)實(shí)用教程》 科學(xué)出版社 2006.10</p><p>　　齊晶晶 《現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 2009.8</p><p>　　孫