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1、目录引 言11 系统设计原理22 采用PWM控制的调速方法32.1 PWM基本原理32.2 PWM发生电路设计33 元器件的选择比较53.1 基于IGBT和 MOSFET功率管的驱动电路设计的比较53.2 89C51单片机54 系统电路总设计74.1 单片机最小系统部分84.2 驱动电路部分84.3 电源部分95 程序105.1 程序设计思想105.2 程序代码106 系统仿真146.1 Matlab/Simuink简介146.2 Simulink的启动与界面说明146.3 Simulink的仿真过程156.4 PWM直流可逆调速系统的仿真分析及结果156.4.1 开环调速系统仿真结果156.
2、4.2 H桥PWM双闭环调速系统的仿真结果17总 结19致 谢 20参考文献21引 言近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调
3、速系统的精度及可靠性。目前国内各大专院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高的，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。直流斩波电路原理实验和直流电机的PWM调速实验都是电力电子技术课程要求必须开设的实验。本课题是应生产教仪的厂家的需要,研制开发出一套控制平滑、稳定、经济、实用、简便、可靠性高、操作方便的直流调速控制挂箱以供大中专院校实验教学之用,利用该挂箱设备可以进行的实验项目有: 降压斩波电路实验升压斩波电路实验可逆直流PWM调速实验，实现了斩波实验电路与可逆PWM调速实验电路
4、的兼容。采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，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获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。1 系统设计原理脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可
5、大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：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，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1）式中 Ua电枢供电电压（V）； Ia 电枢电流（A）； 励磁磁通（Wb）； Ra电枢回路总电阻（）； CE电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转
6、速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通。可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为 n=U-【I(R+Rw)】/Ke （2）式中Rw为电枢回路中的外接电阻（）。当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在这种调速方法已极少采用。当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1-1可看出，电动机的转速与磁通（也就是励磁电流）成反比，即当
7、磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通和电枢电流Ia的乘积（即Te=CTIa），电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。2 采用PWM控制的调速方法2.1 PWM基本原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动
8、控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如下图所示： 图2.1 开关驱动设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而
9、达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。2.2 PWM发生电路设计PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。两片数值比较器4585，即图2.2 U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2Q9，而U2
10、、U3的B组接到单片机的P1端口。只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。图2.2 数值比较电路12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（AB）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（AB）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（AB）输出端又变为低电平，这样就在U2的（AB）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255 -X / 2
11、55）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。本设计就采用该技术。3 元器件的选择比较3.1 基于IGBT和 MOSFET功率管的驱动电路设计的比较IGBT驱动电路能驱动大型的功率设备，但价格高。MOSFET能驱动较大的功率设备，价格比IGBT低很
12、多。本课程设计是驱动小功率直流电动机，可以用IGBT和 MOSFET功率管的驱动电路设计。但电动机功率仅为100W，所以本课程设计采用MOSFET管来进行控制。功率场效应管(MOSFET)与双极型功率相比具有如下特点：1场效应管(MOSFET)是电压控制型器件(双极型是电流控制型器件)，因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；2输入阻抗高，可达108以上；3工作频率范围宽，开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒)，开关损耗小；4有较优良的线性区，并且场效应管(MOSFET)的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，最合适制作Hi-Fi音响；3.2 89C51单
13、片机1 89C51单片机的基本组成89C51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围单芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如图3.1所示： 图3.1 89C51单片机的基本构成2CPU及8个部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控
14、制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80HFFH。内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051
15、单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。389C51单片机引脚图 图3.2 89C51单片机单片机价格便宜，使用简单、方便，功能较齐全，能够达到控制本电路的要求。所以本课程设计采用89C51单片机。4 系统电路总设计图4.1总体电路原理图本次课程设计采用定频调宽法：T1+T2保持一定，使T1在0T范围内变化来改变a的值从而达到调压的目的。以89S51单片机系统和7805稳压电源系统以及光电耦合MOSFET部分组成。由键盘K1和K2发出指令，单片机处理后经P26口发出矩形波，通过占空比的调节达到电机调速的目的。当按下key1按键时，IRF740MOSFET功率管1脚
16、的高电平占空比增大，电枢电压增大，电机转速增大；当按下key2按键时，IRF740MOSFET功率管1脚的高电平占空比减小，电枢电压减小，电机转速减小。从而通过单片机达到简单调速的目的。4.1 单片机最小系统部分图4.2 最小单片机系统本次设计中主要应用了89C51单片机，由最小单片机系统组成，并将单片机的P26口作为输出口，输出占空比不同的矩形波，供给后续驱动电路部分，在单片机的外围扩展了两个按键，K1作为加速按键，K2作为减速按键，进行调速控制。4.2 驱动电路部分图4.3驱动电路驱动部分主要由用的光电耦合器和MOSFET组成，由单片机的P26口提供的信号，P26当为高电平时，发光管导通，
17、光电耦合器输出低电平，MOSFET关闭，回路关闭。当P26口为低电平时，发光管关闭，光电耦合器输出为高电平，MOSFET打开，回路导通。4.3 电源部分图4.4电源电路电源部分采用的是三端稳压器7805，输入由AC-DC变压器提供+9V直流电，经7805稳压，由电容滤波，输出+5V电压，为单片机提供工作电源。答辩时得知数据有偏差，但确实为实验实测数据。附录有图。转速和电压的关系序号1234转速（VPM）11931073906717电压（V）169152.3129.1102.4 5 程序5.1 程序设计思想当按key1键时，电压升高，转速上升，当按key2键时，电压下降，转速下降;定时器1中断用
18、来产生周期为1ms的脉宽信号，定时器每次中断后改变下一次的定时设置，设置值由按键决定，按key1，高脉宽定时时间加大，按key2，低脉宽定时时间增大，每次变化10uS。 N初始化，周期T=20ms，高电平T0=10ms判断是否有按键按下开始T0增加或减少1ms，改变占空比Y图5.1 程序设计流程5.2 程序代码ORG0000HAJMPMAINORG001BHAJMPINTT1ORG0100HMAIN:MOV60H,#0FEH/存放高电平的脉宽时间，定时500usMOV61H,#0CHMOV62H,#0FEHMOV63H,#0CH/存放低电平的脉宽时间，定时500us，刚开始时，高低电平各为50
19、，此时电压为输入电压的一半，电机此时的转速为最低。调速设定为向上调节，即按加键时转速上升，此时按减键，转速不变。CLRP2.0MOVTMOD,#10H/定时器1用来产生脉宽，周期固定为1mS，MOVTH1,60HMOVTL1,61HSETBEASETBET1SETBPT1SETBTR1SETBP2.6READKEY:SETBP1.2CLRP1.0JNBP1.2,DELAYJNBP1.3,DELAYAJMPREADKEYDELAY:LCALLDL10MS;去抖SETBP1.2CLRP1.0JNBP1.2,HAVEKEY1 /假设电路板接两个键，分别为key1和key2，key1为脉宽增加，key
20、2为脉宽减小JNBP1.3,HAVEKEY2AJMPREADKEYHAVEKEY1:MOVA,61H/是加键，60H61H值减小，高电平脉宽增加，62H63H值增大，低电平时间减小CLRCSUBBA,#0AHMOV61H,AMOVA,60HSUBBA,#00HMOV60H,ACLRCMOVA,63HADDA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HADDCA,#00HMOV62H,AMOVR2,60HMOVR3,61HMOVR6,#0FCHMOVR7,#18HLCALLNSUB1JNCCONTINUMOV60H,#0FCH/超出调速范围，即高脉宽大于1ms溢出了，则保持此数值MOV61H,#1
21、8HMOV62H,#0FFHMOV63H,#0FBHCONTINU:AJMPNOTXSHAVEKEY2:MOVA,63H/是减键，60H61H值增加，高电平脉宽减小，62H63H值减小，低电平时间增大CLRCSUBBA,#0AHMOV63H,AMOVA,62HSUBBA,#00HMOV62H,ACLRCMOVA,61HADDA,#0AHMOV61H,AMOVA,60HADDCA,#00HMOV60H,AMOVR2,62HMOVR3,63HMOVR6,#0FDH;#0FCH /设定低电平最长保持700us，高电平最少300usMOVR7,#44H;#18H /0FC18是低电平保持1ms，高电平
22、几乎为0的情况，这种情况输出电压几乎为0，电机停止LCALLNSUB1JNCNOTXSMOV60H,#0FEH/高电平最少保持300us，低电平最大700usMOV61H,#0D4HMOV62H,#0FDHMOV63H,#44HNOTXS:LJMPREADKEYRET /双字节减法子程序，功能：（R2R3)-(R6R7)-R4R5NSUB1:MOVA,R3CLRCSUBBA,R7MOVR5,AMOVA,R2SUBBA,R6MOVR4,ARET /定时器1中断，总周期20ms。PUSHPSWPUSHACCSETBRS0CLRRS1JNB20H,XGTHTLCLR20HMOVTH1,62HMOVT
23、L1,63HSETBP2.6AJMPRETIENDXGTHTL: SETB20HMOVTH1,60HMOVTL1,61HCLRP2.6RETIEND:POPACCPOPPSWRETIDL10MS:MOVR6,#30DDCWM:MOVR7,#0FAHDCWM:DJNZR7,DCWMDJNZR6,DDCWMRET6 系统仿真6.1 Matlab/Simuink简介计算机是一种解算工具。简单地说，仿真是建立相应物理系统的数学模型在计算机上解算的过程。数学模型是仿真的基础，只有建立正确的数学模型和数据，才能得到正确的仿真结果，仿真才有意义。随着计算机的发展，仿真的发展经历模拟仿真、混合仿真、数字仿真的
24、历史过程。目前，采用数字计算机的数学仿真获得了普遍的应用。MATLAB是由Mathworks公司于1984年推出的一套数值计算软件，分为总包和若干个数据箱，可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值、自动控制、信号处理、图像处理等各个领域的计算和图形显示功能。它将不同数学分支的算法以函数的形式分类成库，使用时直接调用这些函数并赋予实际参数就可以解决问题，快速而且准确。Simulink是MathWorks公司于1990年推出的产品，是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境。从名字上看，立即就能看出该程序的两层含义，首先“Simu”一词表明它可以用于计算机仿真，而“Link”一词表明它能进行
25、系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。最近几年，后来崛起的Simulink已成为学术领域及工业领域在构建、仿真与分析动态系统上使用最为广泛的软件包，它支持线性及非线性系统，能创建连续时间、离散时间或者两者混合的数学模型。系统也能够是多采样频率的（Multirate），也就是不同的系统能够以不同的采样频率结合起来。Simulink作为MATLAB的一个附加组件，的一个附加组件，用来提供一个系统的建模与动态仿真工作平台。Simulink是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确的创建动态系统的计算机模型的，特别对于复杂的非线性，它的效果更为明显。Simulink模型可以用来模拟线性或
26、非线性、连续或离散或者两者混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统。另外，Simulink还提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便的观察到仿真的整个过程。6.2 Simulink的启动与界面说明启动Simulink在MATLAB命令平台上键入命令：Simulink就能进入Simulink仿真环境的子窗口Simulink的菜单窗口的最上方一览的Simulink的主菜单，各选项由：File,Edit,View等打开一个文件后，主菜单栏还会增加Simulation,Format,Tools等选项。Simulink的功能模块组左边的窗口列出了Simulink的功能模块组，例如：Co
27、mmonly Used Blocks常用单元模块组Continuous连续单元模块组Discrete离散单元模块组Linear线性单元模块组Nonlineae非线性单元模块组Sources输入信号模块组Sinks输出信号模块组用鼠标单机某模块组的图标，及选中该模块。同时，在右边会打开该模块的子窗口，用于选择需要的模块。6.3 Simulink的仿真过程 创建结构图文件在Simulink界面上打开File菜单，选择New，打开一个名为Untitled的结构程序文件窗口。结构图程序设计按照系统结构图所需要的模块单元，构成系统的结构图。具体操作为：激活Simulink（如前所述）。激活信号源模块组S
28、ources，选中所需要的单元图标，将它拖入新打开的用户文件窗口的空白处释放。激活线性单元模块组Linear，选中所需要的单元图标，如求和器等，将它拖入新打开的用户文件窗口的空白处释放。激活输出显示模块组Silnks，选中所需要的单元图标，将它拖入新打开的用户文件窗口的空白处释放在用户文件窗口上，用鼠标在个拖入的单元之间做连线。在结构图上激活相应的单元，完成对各单元的参数设置于修改。Simulink仿真的启动与停止用鼠标选择主菜单的Simulink选项 出现下拉子菜单，选中Start仿真即开始，仿真启动后，该选项即变成Stop用于启动后的停止选择。6.4 PWM直流可逆调速系统的仿真分析及结果
29、6.4.1 开环调速系统仿真结果在如图6.1所示的转速给定条件下，可以得到PWM开环调速系统的电枢电流，电枢电压，电磁转矩，输出转速的仿真图。图6.1 转速给定图6.2 开环系统电枢电流仿真如图6.2所示:在t=0时，转速给定n=8，电枢电流i=20，随着转速的上升电枢电流开始下降，当T=1时，系统稳定，电枢电流i=6也保持一稳定值。当T=2时，转速给定n=-8，电枢电流也达到反向最大，然后电枢电流i的变化过程和正向给定一样。 图6.3 开环系统电磁转矩仿真图如图6.3所示：因为电磁转矩Te和电枢电流ia有关，所以它的变化过程和电枢电流一模一样。图6.4 开环系统输出转速仿真图如图6.4所示：
30、T=0时，在转速给定n=8的条件下，转速N=0开始加速上升。当T=1时，电枢电流达到稳定，转速加速度也等于零，转速也达到最大N=1750，系统稳定。当T=2时，随着转速给定n=-8反向，转速开始加速下降，并在很短时间里下降为零。紧接着转速开始反向加速，然后和正向起动是一样的过程。6.4.2 H桥PWM双闭环调速系统的仿真结果同样在图6.1转速给定下，我们可以用H桥PWM双闭环调速系统仿真模型得到闭环系统的电枢电流，电枢电压，电磁转矩，和输出转速的仿真图。 图6.5 双闭环系统电枢电流仿真图如图6.5所示，因为双闭环系统有电流反馈所以电枢电流理论上基本保持一样。只是在不同转速给定下大小和方向不同
31、，比如在转速给定是正直时，它也是正直。反之，它就是负值。图6.6 双闭环系统PWM输出波形图6.7 双闭环系统输出转速仿真图总 结这一次的课程设计让我学到了不少的东西，由于有前几次的经验，这次课程设计应该来说还是比较顺利的。从原理图的设计到课程设计论文的撰写，在这个过程中我们也遇到了很多的困难，但是我们通过组员明确的分工和不断的努力还是圆满的完成了这次设计。这次课程设计给我最大的体会就是有很多东西如果不是自己亲自动手，只在书本上是学不到的，设计初期要考虑周到，否则后期会带来很多不必要的麻烦。虽然可能会多花一些时间，但这比空想要有效的多。做事情一定要细心，更要耐心，遇到问题要慢慢去检查，然后仔细
32、分析后再解决；除此之外，还要有合作精神，注重团队合作，和合作者一起做，相互鼓励，互相弥补不足之处，很多难点的突破都来自于与同学的交流，交流使自己获得更多信息，开拓了思路，这样很多事情就成了。本次设计把理论应用到了实践中，同时通过设计，也加深了自己对理论知识的理解和掌握，在解决困难的过程中，获得了许多专业方面的知识,拓展了视野。提高了理论水平和实际的动手能力，学会了解决问题的方法，激发了我们的探索精神。这样的课程设计是很好的锻炼机会,通过实验设计使我深入了解到课程设计在大学学习的重要性，课程设计增强了我们的实践动手能力，也为以后的继续发展提供了宝贵的经验。致 谢经过一周的努力，这次的电力电子课程
33、设计终于完成了。这是我和同学们共同努力的结果，它增进了我们的团结互助的意识，这也是我们参加工作后所必需的。在这次电力电子课程设计中，首先我通过认真的准备，对所学的理论知识有了更深的了解，对以前没有弄清楚的问题在这次设计中通过亲自动手查证，论证，都一一解决了。特别是对这门课程中比较重要的知识，同时通过此次设计，增强了掌握这门技术的兴趣和决心。在此要感谢指导老师的悉心指导，感谢老师们给我们的帮助。在设计过程中，我和同学通过查阅大量有关资料，并向老师请教等方式来完成我们的设计。不久我们将走上工作岗位，希望能够综合应有所学理论知识去分析解决实际问题，将设计应有于实践，展现出大学生应该具有的技术理论知识水准。参考文献1王兆安，黄俊主编.电力电子技木（第四版）.机械工业出版社，2004年1月。2张承慧编.电力电子技术问答(第二版).机械工业出版社，2007年12月。 3刘志刚主编.电力电子学(第一版).清华大学出版社，2004年6月。4正康主编. 电力电子应用技木( 第三版).机械工业出版社，2000年5月。5周国运主编.单片机原理及应用（c语言版）。
