直流電機調速裝置設計

❶ 小直流電機調速控制系統設計

專門賣論文的網站，大概能做的如此詳細。
建議還是自己動手做。

❷ 單片機直流電機調速系統設計

論文題目：直流電動機調速器硬體設計
專業：自動化
本科生：劉小煜 （簽名）＿＿＿＿
指導教師：胡曉東 （簽名）＿＿＿＿

直流電動機調速器硬體設計
摘 要

直流電動機廣泛應用於各種場合,為使機械設備以合理速度進行工作則需要對直流電機進行調速。該實驗中搭建了基於C8051F020單片機的轉速單閉環調速系統，利用PWM信號改變電動機電樞電壓，並由軟體完成轉速單閉環PI控制，旨在實現直流電動機的平滑調速，並對PI控制原理及其參數的確定進行更深的理解。實驗結果顯示，控制8位PWM信號輸出可平滑改變電動機電樞電壓，實現電動機升速、降速及反轉等功能。實驗中使用霍爾元件進行電動機轉速的檢測、反饋。期望轉速則可通過功能按鍵給定。當選擇比例參數為0.08、積分參數為0.01時，電機轉速可以在3秒左右達到穩定。由實驗結果知，該單閉環調速系統可對直流電機進行調速，達到預期效果。

關鍵字：直流電機， C8051F020，PWM，調速，數字式

Subject: Hardware Design of Speed Regulator for DC motor
Major: Automation
Name: Xiao yu Liu (Signature)＿＿＿＿
Instructor:Xiao dong Hu (Signature) ＿＿＿＿

Hardware Design of Speed Regulator for DC motor
Abstract

The dc motor is a widely used machine in various occasions.The speed regulaiting systerm is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment,the digital Close-loop control systerm is based on C8051F020 SCM.It used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI regulator.According to experiment ,the armature voltage can be controlled linearnized with regulating the 8 bit PWM.So the dc motor can accelerate or decelerate or reverse.In experiment, hall component is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by key-press.With using the PI regulator,the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as 0.8 and I value as 0.01. At last,the experiment shows that the speed regulating systerm can work as expected.

Key words: dc motor,C8051F020,PWM,speed regulating,digital

目錄

第一章 緒論 1
1.1直流調速系統發展概況 1
1.2 國內外發展概況 2
1.2.1 國內發展概況 2
1.2.2 國外發展概況 3
1.2.3 總結 4
1.3 本課題研究目的及意義 4
1.4 論文主要研究內容 4
第二章 直流電動機調速器工作原理 6
2.1 直流電機調速方法及原理 6
2.2直流電機PWM(脈寬調制)調速工作原理 7
2.3 轉速負反饋單閉環直流調速系統原理 11
2.3.1 單閉環直流調速系統的組成 11
2.3.2速度負反饋單閉環系統的靜特性 12
2.3.3轉速負反饋單閉環系統的基本特徵 13
2.3.4轉速負反饋單閉環系統的局限性 14
2.4 採用PI調節器的單閉環無靜差調速系統 15
2.5 數字式轉速負反饋單閉環系統原理 17
2.5.1原理框圖 17
2.5.2 數字式PI調節器設計原理 18
第三章 直流電動機調速器硬體設計 20
3.1 系統硬體設計總體方案及框圖 20
3.1.1系統硬體設計總體方案 20
3.1.2 總體框圖 20
3.2 系統硬體設計 20
3.2.1 C8051F020單片機 20
3.2.1.1 單片機簡介 20
3.2.1.2 使用可編程定時器/計數器陣列獲得8位PWM信號 23
3.2.1.3 單片機埠配置 23
3.2.2主電路 25
3.2.3 LED顯示電路 26
3.2.4 按鍵控制電路 27
3.2.5 轉速檢測、反饋電路 28
3.2.6 12V電源電路 30
3.3硬體設計總結 31
第四章 實驗運行結果及討論 32
4.1 實驗條件及運行結果 32
4.1.1 開環系統運行結果 32
4.1.2 單閉環系統運行結果 32
4.2 結果分析及討論 32
4.3 實驗中遇到的問題及討論 33
結論 34
致謝 35
參考文獻 36
論文小結 38
附錄1 直流電動機調速器硬體設計電路圖 39
附錄2 直流電動機控制系統程序清單 42
附錄3 硬體實物圖 57

第一章 緒論
1.1直流調速系統發展概況
在現代工業中，電動機作為電能轉換的傳動裝置被廣泛應用於機械、冶金、石油化學、國防等工業部門中，隨著對生產工藝、產品質量的要求不斷提高和產量的增長，越來越多的生產機械要求能實現自動調速。
在可調速傳動系統中，按照傳動電動機的類型來分，可分為兩大類：直流調速系統和交流調速系統。交流電動機直流具有結構簡單、價格低廉、維修簡便、轉動慣量小等優點，但主要缺點為調速較為困難。相比之下，直流電動機雖然存在結構復雜、價格較高、維修麻煩等缺點，但由於具有較大的起動轉矩和良好的起、制動性能以及易於在寬范圍內實現平滑調速，因此直流調速系統至今仍是自動調速系統的主要形式。
直流調速系統的發展得力於微電子技術、電力電子技術、感測器技術、永磁材料技術、自動控制技術和微機應用技術的最新發展成就。正是這些技術的進步使直流調速系統發生翻天覆地的變化。其中電機的控制部分已經由模擬控制逐漸讓位於以單片機為主的微處理器控制，形成數字與模擬的混合控制系統和純數字控制系統，並正向全數字控制方向快速發展。電動機的驅動部分所用的功率器件亦經歷了幾次更新換代。目前開關速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術的使用也使新型的電動機控制方法能夠得到實現。脈寬調制控制方法在直流調速中獲得了廣泛的應用。
1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技術應用到電機傳動中從此為電機傳動的推廣應用開辟了新的局面。進入70年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強、可靠性高的大規模集成電路微處理器已經商品化，把電機控制推上了一個嶄新的階段，以微處理器為核心的數字控制（簡稱微機數字控制）成為現代電氣傳動系統控制器的主要形式。PWM常取代數模轉換器（DAC）用於功率輸出控制，其中，直流電機的速度控制是最常見的應用。通常PWM配合橋式驅動電路實現直流電機調速，非常簡單，且調速范圍大。在直流電動機的控制中，主要使用定頻調寬法。
目前，電機調速控制模塊主要有以下三種：
（1）、採用電阻網路或數字電位器調整直流電機的分壓，從而達到調速的目的；
（2）、採用繼電器對直流電機的開或關進行控制，通過開關的切換對電機的速度進行調整；
（3）、採用由IGBT管組成的H型PWM電路。用單片機控制IGBT管使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電動機轉速。
1.2 國內外發展概況
1.2.1 國內發展概況
我國從六十年代初試製成功第一隻硅晶閘管以來，晶閘管直流調速系統開始得到迅速的發展和廣泛的應用。用於中、小功率的 0.4～200KW晶閘管直流調速裝置已作為標准化、系列化通用產品批量生產。
目前，全國各大專院校、科研單位和廠家都在進行數字式直流調速系統的開發，提出了許多關於直流調速系統的控制演算法：
（1）、直流電動機及直流調速系統的參數辯識的方法。該方法據系統或環節的輸入輸出特性，應用最小二乘法，即可獲得系統環節的內部參數。所獲得的參數具有較高的精度，方法簡便易行。
（2）、直流電動機調速系統的內模控制方法。該方法依據內模控制原理，針對雙閉環直流電動機調速系統設計了一種內模控制器，取代常規的PI調節器，成功解決了轉速超調問題，能使系統獲得優良的動態和靜態性能，而且設計方法簡單，控制器容易實現。
（3）、單神經元自適應智能控制的方法。該方法針對直流傳動系統的特點，提出了單神經元自適應智能控制策略。這種單神經元自適應智能控制系統不僅具有良好的靜、動態性能，而且還具有令人滿意的魯棒性與自適應性。
（4）、模糊控制方法。該方法對模糊控制理論在小慣性系統上對其應用進行了嘗試。經1.5kw電機實驗證明，模糊控制理論可以用於直流並勵電動機的限流起動和恆速運行控制，並能獲得理想的控制曲線。
上訴的控制方法僅是直流電機調速系統應用和研究的一個側面，國內外還有許多學者對此進行了不同程度的研究。
1.2.2 國外發展概況
隨著各種微處理器的出現和發展，國外對直流電機的數字控制調速系統的研究也在不斷發展和完善，尤其80年代在這方面的研究達到空前的繁榮。大型直流電機的調速系統一般採用晶閘管整流來實現，為了提高調速系統的性能，研究工作者對晶閘管觸發脈沖的控制演算法作了大量研究，提出了內模控制演算法、I-P控制器取代PI調節器的方法、自適應和模糊PID演算法等等。
目前，國外主要的電氣公司，如瑞典ABB公司，德國西門子公司、AEG公司，日本三菱公司、東芝公司、美國GE公司等，均已開發出數字式直流調裝置，有成熟的系列化、標准化、模版化的應用產品供選用。如西門子公司生產的SIMOREG-K 6RA24 系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數字控制裝置，其結構緊湊，用於直流電機電樞和勵磁供電，完成調速任務。設計電流范圍為15A至1200A，並可通過並聯SITOR可控硅單元進行擴展。根據不同的應用場合，可選擇單象限或四象限運行的裝置，裝置本身帶有參數設定單元，不需要其它任何附加設備便可以完成參數設定。所有控制調節監控及附加功能都由微處理器來實現，可選擇給定值和反饋值為數字量或模擬量。
1.2.3 總結
隨著生產技術的發展，對直流電氣傳動在起制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態特性、動態響應等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用直流調速系統。因此人們對直流調速系統的研究將會更深一步。
1.3 本課題研究目的及意義
直流電動機是最早出現的電動機，也是最早實現調速的電動機。長期以來，直流電動機一直占據著調速控制的統治地位。由於它具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，高效率，優異的動態特性，現在仍是大多數調速控制電動機的最優選擇。因此研究直流電機的速度控制，有著非常重要的意義。
隨著單片機的發展，數字化直流PWM調速系統在工業上得到了廣泛的應用，控制方法也日益成熟。它對單片機的要求是：具有足夠快的速度；有PWM口，用於自動產生PWM波；有捕捉功能，用於測頻；有A/D轉換器、用來對電動機的輸出轉速、輸出電壓和電流的模擬量進行模/數轉換；有各種同步串列介面、足夠的內部ROM和RAM，以減小控制系統的無力尺寸；有看門狗、電源管理功能等。因此該實驗中選用Cygnal公司的單片機C8051F020。
通過設計基於C8051F020單片機的直流PWM調速系統並調試得出結論，在掌握C8051F020的同時進一步加深對直流電動機調速方法、PI控制器的理解，對運動控制的相關知識進行鞏固。
1.4 論文主要研究內容
本課題的研究對象為直流電動機，對其轉速進行控制。基本思想是利用C8051F020自帶的PWM口，通過調整PWM的占空比，控制電機的電樞電壓，進而控制轉速。
系統硬體設計為：以C8051F020為核心，由轉速環、顯示、按鍵控制等電路組成。
具體內容如下：
（1）、介紹直流電動機工作原理及PWM調速方法。
（2）、完成以C8051F020為控制核心的直流電機數字控制系統硬體設計。
（3）、以該系統的特點為基礎進行分析，使用PWM控制電機調速，並由實驗得到合適的PI控制及相關參數。
（4）、對該數字式直流電動機調速系統的性能做出總結。

第二章 直流電動機調速器工作原理
2.1 直流電機調速方法及原理
直流電動機的轉速和各參量的關系可用下式表示：

由上式可以看出，要想改變直流電機的轉速，即調速，可有三種不同的方式：調節電樞供電電壓U，改變電樞迴路電阻R，調節勵磁磁通Φ。
3種調速方式的比較表2-1所示.
表2-1 3種電動機調速方式對比
調速方式和方法 控制裝置 調速范圍 轉速變化率 平滑性 動態性能 恆轉矩或恆功 率 效率
改變電樞電阻 串電樞電阻 變阻器或接觸器、電阻器 2:1 低速時大 用變阻器較好
用接觸器、電阻器較差 無自動調節能力 恆轉矩 低
改變電樞電壓 電動機-發電機組 發電機組或電機擴大機（磁放大器） 10:1～20:1 小 好 較好 恆轉矩 60%～70%
靜止變流器 晶閘管變流器 50:1～100:1 小 好 好 恆轉矩 80%～90%
直流脈沖調寬 晶體管或晶閘管直流開關電路 50:1～100:1 小 好 好 恆轉矩 80%～90%
改變磁通 串聯電阻或可變直流電源 直流電源變阻器 3:1
～
5:1 較大 差 差 恆功率 80%～90%
電機擴大機或磁放大器 好 較好
晶閘管變流器 好

由表2-1知，對於要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最佳，而變電樞電壓調速方法亦是應用最廣的調速方法。
2.2直流電機PWM(脈寬調制)調速工作原理
在直流調速系統中，開關放大器提供驅動電機所需要的電壓和電流，通過改變加在電動機上的電壓的平均值來控制電機的運轉。在開關放大器中，常採用晶體管作為開關器件，晶體管如同開關一樣，總是處在接通和斷開的狀態。在晶體管處在接通時，其上的壓降可以略去；當晶體管處在斷開時，其上的壓降很大，但是電流為零，所以不論晶體管導通還是關斷，輸出晶體管中的功耗都是很小的。一種比較簡單的開關放大器是按照一個固定的頻率去接通和斷開放大器，並根據需要改變一個周期內「接通」和「斷開」的相位寬窄，這樣的放大器被稱為脈沖調制放大器。
PWM脈沖寬度調制技術就是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術。
根據PWM控制技術的特點，到目前為止主要有八類方法：相電壓控制PWM、線電壓控制PWM、電流控制PWM、非線性控制PWM，諧振軟開關PWM、矢量控制PWM、直接轉矩控制PWM、空間電壓矢量控制PWM。
利用開關管對直流電動機進行PWM調速控制原理圖及輸入輸出電壓波形如圖2-1、圖2-2所示。當開關管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端由電壓。秒後，柵極輸入變為低電平，開關管截止，電動機電樞兩端電壓為0。秒後，柵極輸入重新變為高電平，開關管的動作重復前面的過程。這樣，對應著輸入的電平高低，直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖2-2所示。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值為：

式2-1

式中 ——占空比，
占空比表示了在一個周期里，開關管導通的時間與周期的比值。的變化范圍為0≤≤1。由式2-1可知，當電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決於占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的，這就是PWM調速原理。
在PWM調速時，占空比是一個重要參數。以下是三種可改變占空比的方法：
（1）、定寬調頻法:保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。
（2）、調寬調頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。
（3）、定頻調寬法：保持周期（或頻率）不變，同時改變、。
前2種方法由於在調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統的固有頻率接近時，將會引起振盪，因此應用較少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用第3種方法。

圖2-1 PWM調速控制原理

圖2-2 輸入輸出電壓波形
產生PWM控制信號的方法有4種，分別為：
（1）、分立電子元件組成的PWM信號發生器
這種方法是用分立的邏輯電子元件組成PWM信號電路。它是最早期的方式，現在已經被淘汰了。
（2）、軟體模擬法
利用單片機的一個I/O引腳，通過軟體對該引腳不斷地輸出高低電平來實現PWM信號輸出。這種方法要佔用CPU大量時間，需要很高的單片機性能，易於實現，目前也逐漸被淘汰。
（3）、專用PWM集成電路
從PWM控制技術出現之日起，就有晶元製造商生產專用的PWM集成電路晶元，現在市場上已有許多種。這些晶元除了由PWM信號發生功能外，還有「死區」調節功能、保護功能等。在單片機控制直流電動機系統中，使用專用PWM集成電路可以減輕單片機負擔，工作也更可靠。
（4）、單片機PWM口
新一代的單片機增加了許多功能，其中包括PWM功能。單片機通過初始化設置，使其能自動地發出PWM脈沖波，只能在改變占空比時CPU才進行干預。
其中常用後兩中方法獲得PWM信號。實驗中使用方法（4）獲得PWM信號。
2.3 轉速負反饋單閉環直流調速系統原理
2.3.1 單閉環直流調速系統的組成
只通過改變觸發或驅動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達到調節電動機轉速的目的，稱為開環調速系統。但開環直流調速系統具有局限性：
（1）、通過控制可調直流電源的輸入信號，可以連續調節直流電動機的電樞電壓，實現直流電動機的平滑無極調速，但是，在啟動或大范圍階躍升速時，電樞電流可能遠遠超過電機額定電流，可能會損壞電動機，也會使直流可調電源因過流而燒毀。因此必須設法限制電樞動態電流的幅值。
（2）、開環系統的額定速降一般都比較大，使得開環系統的調速范圍D都很小，對於大部分需要調速的生產機械都無法滿足要求。因此必須採用閉環反饋控制的方法減小額定動態速降，以增大調速范圍。
（3）、開環系統對於負載擾動是有靜差的。必須採用閉環反饋控制消除擾動靜差
為克服其缺點，提高系統的控制質量，必須採用帶有負反饋的閉環系統，方框圖如圖2-3所示。在閉環系統中，把系統輸出量通過檢測裝置（感測器）引向系統的輸入端，與系統的輸入量進行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號。利用此偏差信號通過控制器（調節器）產生控製作用，自動糾正偏差。因此，帶輸出量負反饋的閉環控制系統能提高系統抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用於各類自動調節系統中。

❸ 直流電機調速系統的設計

網路文科就有嘛，http://wenku..com/view/a2594ad9ad51f01dc281f145.html

❹ 求設計一個直流電動機的調速電路

首先得知道風扇的具體參數，沒有參數怎麼設計？起碼早知道額定功率是多大吧！過載了容易燒，電流小了吧又帶不動！想要改變電機轉速就需要通過可調電阻來改變三極體的基極電流再改變集電極電流！這是最簡單的調速方法！還有一種能耗更低的方法就是通過pwm輸出，隨便找個運放或555都可以做到！

❺ 直流電機調速裝置（蓄電池供電）系統設計

直流電機調速有兩種方法，一種是可控硅調速，還一種是電阻降壓調速。你要那一種。

❻ 請教直流電機PWM調速系統設計論文

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回答：orange
學妹
4月26日 10:28 系統設計過程與實施過程相反，是從輸出設計到輸入設計，即先確定要得到哪些信息，再考慮為了得到這些信息，需要准備哪些原始資料作為輸入。

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❼ 直流電機脈寬調速系統的設計

L298N是專用驅動集成電路，屬於H橋集成電路，與L293D的差別是其輸出電流增大，功率增強。其輸出電流為2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯，從而很方便地受MCU控制。

L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，當驅動直流電機時，可以直接控制兩路電機，並可以實現電機正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標准TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。其引腳排列如圖1中U4所示，1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流感測信號。L298可驅動2個電機，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。1298的邏輯功能如表1所列。

ENA(B)INl(IN3)IN2(IN4)電機運行情況

HHL正轉

HLH反轉

H同IN2(IN4)同INl(IN3)快速停止

LXX停止

表11298N的邏輯功能

PWM驅動電路原理圖如圖6

直流電動機的PWM調速原理，為了獲得可調的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，採用脈寬調制技術，直接將恆定的直流電壓調製成可變大小和極性的直流電壓作為電動機的電樞端電壓，實現系統的平滑調速，這種調速系統就稱為直流脈寬調速系統。

脈寬調制的基本原理，脈寬調制（PulseWidthMolation），是利用電力電子開關器件的導通與關斷，將直流電壓變成連續的直流脈沖序列，並通過控制脈沖的寬度或周期達到變壓的目的。所採用的電力電子器件都為全控型器件，如電力晶體管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。通常PWM變換器是用定頻調寬來達到調壓的目的PWM變換器調壓與晶閘管相控調壓相比有許多優點，如需要的濾波裝置很小甚至只利用電樞電感已經足夠，不需要外加濾波裝置；電動機的損耗和發熱較小、動態響應快、開關頻率高、控制線路簡單等。

PWM的占空比決定輸出到直流電機的平均電壓.PWM不是調節電流的.PWM的意思是脈寬調節,也就是調節方波高電平和低電平的時間比,一個20%占空比波形,會有20%的高電平時間和80%的低電平時間，而一個60%占空比的波形則具有60%的高電平時間和40%的低電平時間,占空比越大,高電平時間越長,則輸出的脈沖幅度越高,即電壓越高.如果占空比為0%,那麼高電平時間為0,則沒有電壓輸出.如果占空比為100%,那麼輸出全部電壓.所以通過調節占空比,可以實現調節輸出電壓的目的,而且輸出電壓可以無級連續調節.PWM信號是一個矩形的方波，他的脈沖寬度可以任意改變，改變其脈沖寬度控制控制迴路輸出電壓高低或者做功時間的長短，實現無級調速。

❽ 直流電機變速控制系統設計

基於場效應管的直流電機驅動控制電路設計
游志宇，杜楊，張洪，董秀成
(1．西華大學 電氣信息學院，四川 成都 610039；
2．中國科學院光電技術研究所，四川 成都 610209)
1 引言

長期以來，直流電機以其良好的線性特性、優異的控制性能等特點成為大多數變速運動控制和閉環位置伺服控制系統的最佳選擇。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，構成基於微處理器控制的直流電機伺服系統。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。因此採用N溝道增強型場效應管構建H橋，實現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，並具有快速、精確、高效、低功耗等特點，可直接與微處理器介面，可應用PWM技術實現直流電機調速控制。

2 直流電機驅動控制電路總體結構

直流電機驅動控制電路分為光電隔離電路、電機驅動邏輯電路、驅動信號放大電路、電荷泵電路、H橋功率驅動電路等四部分，其電路框圖如圖1所示。

由圖可以看出，電機驅動控制電路的外圍介面簡單。其主要控制信號有電機運轉方向信號Dir電機調速信號PWM及電機制動信號Brake，Vcc為驅動邏輯電路部分提供電源，Vm為電機電源電壓，M+、M-為直流電機介面。

在大功率驅動系統中，將驅動迴路與控制迴路電氣隔離，減少驅動控制電路對外部控制電路的干擾。隔離後的控制信號經電機驅動邏輯電路產生電機邏輯控制信號，分別控制H橋的上下臂。由於H橋由大功率N溝道增強型場效應管構成，不能由電機邏輯控制信號直接驅動，必須經驅動信號放大電路和電荷泵電路對控制信號進行放大，然後驅動H橋功率驅動電路來驅動直流電機。

3 H橋功率驅動原理

直流電機驅動使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅動電路方便地實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。H橋功率驅動原理圖如圖2所示。

H型全橋式驅動電路的4隻開關管都工作在斬波狀態。S1、S2為一組，S3、S4為一組，這兩組狀態互補，當一組導通時，另一組必須關斷。當S1、S2導通時，S3、S4關斷，電機兩端加正向電壓實現電機的正轉或反轉制動；當S3、S4導通時，S1、S2關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。

實際控制中，需要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉和反轉之間切換，也就是在S1、S2導通且S3、S4關斷到S1、S2關斷且S3、S4導通這兩種狀態間轉換。這種情況理論上要求兩組控制信號完全互補，但是由於實際的開關器件都存在導通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯會導致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個開關管動作的協同性和同步性，兩組控制信號理論上要求互為倒相，而實際必須相差一個足夠長的死區時間，這個校正過程既可通過硬體實現，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時，也可通過軟體實現。

圖2中4隻開關管為續流二極體，可為線圈繞組提供續流迴路。當電機正常運行時，驅動電流通過主開關管流過電機。當電機處於制動狀態時，電機工作在發電狀態，轉子電流必須通過續流二極體流通，否則電機就會發熱，嚴重時甚至燒毀。

4 直流電機驅動控制電路設計

由直流電機驅動控制電路框圖可以看出驅動控制電路結構簡單，主要由四部分電路構成，其中光電隔離電路較簡單，在此不再介紹，下面對直流電機驅動控制電路的其他部分進行詳細介紹。

4.1 H橋驅動電路設計

在直流電機控制中常用H橋電路作為驅動器的功率驅動電路。由於功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點，滿足高速開關動作需求，因此常用功率MOSFET構成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個功率MOSFET分別採用N溝道型和P溝道型，而P溝道功率MOSFET一般不用於下橋臂驅動電機，這樣就有兩種可行方案：一種是上下橋臂分別用2個P溝道功率MOSFET和2個N溝道功率MOSFET；另一種是上下橋臂均用N溝道功率MOSFET。

相對來說，利用2個N溝道功率MOSFET和2個P溝道功率MOSFET驅動電機的方案，控制電路簡單、成本低。但由於加工工藝的原因，P溝道功率MOSFET的性能要比N溝道功率MOSFET的差，且驅動電流小，多用於功率較小的驅動電路中。而N溝道功率MOSFET，一方面載流子的遷移率較高、頻率響應較好、跨導較大；另一方面能增大導通電流、減小導通電阻、降低成本，減小面積。綜合考慮系統功率、可靠性要求，以及N溝道功率MOSFET的優點，本設計採用4個相同的N溝道功率MOSFET的H橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性，並具有較大的驅動電流。其電路圖如圖3所示。圖中Vm為電機電源電壓，4個二極體為續流二極體，輸出端並聯一隻小電容C6，用於降低感性元件電機產生的尖峰電壓。

4.2 電荷泵電路設計

電荷泵的基本原理是通過電容對電荷的積累效應而產生高壓，使電流由低電勢流向高電勢。最早的理想電荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，當時這種電路是為可擦寫EPROM提供所需電壓。後來J.Witters，Toru Tranzawa等人對J.Dickson的電荷泵模型進行改進，提出了比較精確的理論模型，並通過實驗加以證實提出了相關理論公式。隨著集成電路的不斷發展，基於低功耗、低成本的考慮，電荷泵在電路設計中的應用越來越廣泛。

簡單電荷泵原理電路圖如圖4所示。電容C1的A端通過二極體D1接Vcc，電容C1的B端接振幅Vin的方波。當B點電位為0時，D1導通，Vcc開始對電容C1充電，直到節點A的電位達到Vcc；當B點電位上升至高電平Vin時，因為電容兩端電壓不能突變，此時A點電位上升為Vcc+Vin。所以，A點的電壓就是一個方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc(假設二極體為理想二極體)。A點的方波經過簡單的整流濾波，可提供高於Vcc的電壓。

在驅動控制電路中，H橋由4個N溝道功率MOSFET組成。若要控制各個MOSFET，各MOSFET的門極電壓必須足夠高於柵極電壓。通常要使MOSFET完全可靠導通，其門極電壓一般在10 V以上，即VCS＞10 V。對於H橋下橋臂，直接施加10 V以上的電壓即可使其導通；而對於上橋臂的2個MOSFET，要使VGS>10 V，就必須滿足VG>Vm+10 V，即驅動電路必須能提供高於電源電壓的電壓，這就要求驅動電路中增設升壓電路，提供高於柵極10 V的電壓。考慮到VGS有上限要求，一般MOSFET導通時VGS為10 V～15 V，也就是控制門極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即為浮動柵驅動。因此在驅動控制電路中設計電荷泵電路，用於提供高於Vm的電壓Vh，驅動功率管的導通。其電路原理圖如圖5所示。

電路中A部分是方波發生電路，由RC與反相施密特觸發器構成，產生振幅為Vin=5 V的方波。B部分是電荷泵電路，由三階電荷泵構成。當a點為低電平時，二極體D1導通電容C1充電，使b點電壓Vb=Vm-Vtn；當a點為高電平時，由於電容C1電壓不能突變，故b點電壓Vb=Vm+Vin-Vtn，此時二極體D2導通，電容C3充電，使c點電壓Vx=Vm+Vin-2Vtn；當a點再為低電平時，二極體D1、D3導通，分別對電容C1、C2充電，使得d點電壓Vd=Vm+Vin-3Vtn；當a點再為高電平時，由於電容C2電壓不能突變，故d點電壓變為Vd=Vm+2Vin-3Vtn，此時二極體D2、D4導通，分別對電容C3、c4充電，使e點電壓Ve=Vm+2Vin-4Vtn。這樣如此循環，便在g點得到比Vm高的電壓Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V。其中Vm為二極體壓降，一般取0.6 V。從而保證H橋的上臂完全導通。

4.3 電機驅動邏輯與放大電路設計

直流電機驅動電機驅動電路中電機驅動邏輯及放大電路主要實現外部控制信號到驅動H橋控制信號的轉換及放大。控制信號Dir、PWM、Brake經光電隔離電路後，由門電路進行解碼，產生4個控制信號M1'、M2'、M3'、M4'，然後經三極體放大，產生控制H橋的4個信號M1、M2、M3、M4。其電路原理圖如圖6所示。其中Vh是Vm經電荷泵提升的電壓，Vm為電機電源電壓。

電機工作時，H橋的上臂處於常開或常閉狀態，由Dir控制，下臂由PWM邏輯電平控制，產生連續可調的控制電壓。該方案中，上臂MOSFET只有在電機換向時才進行開關切換，而電機的換向頻率極低，低端由邏輯電路直接控制，邏輯電路的信號電平切換較快，可以滿足不同頻率要求。該電路還有一個優點，由於上臂開啟較慢，而下臂關斷較快，所以，實際控制時換向不會出現上下臂瞬間同時導通現象，減小了換向時電流沖擊，提高了MOSFET的壽命。

5 直流電機PWM調速控制

直流電動機轉速n=(U-IR)/Kφ

其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動機結構參數。

直流電機轉速控制可分為勵磁控製法與電樞電壓控製法。勵磁控製法是控制磁通，其控制功率小，低速時受到磁飽和限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由於勵磁線圈電感較大動態響應較差，所以這種控制方法用得很少。大多數應用場合都使用電樞電壓控製法。隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現，其中PWM(脈寬調制)便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。

PWM調速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，並根據需要改變一個周期內接通和斷開的時間比(占空比)來改變直流電機電樞上電壓的"占空比"，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。在脈寬調速系統中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速。而且採用PWM技術構成的無級調速系統．啟停時對直流系統無沖擊，並且具有啟動功耗小、運行穩定的特點。

設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，且設占空比為D=t／T，則電機的平均速度Vd為：

Vd=VmaxD

由公式可知，當改變占空比D=t／T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調速的目的。嚴格地講，平均速度與占空比D並不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可將其近似地看成線性關系。 在直流電機驅動控制電路中，PWM信號由外部控制電路提供，並經高速光電隔離電路、電機驅動邏輯與放大電路後，驅動H橋下臂MOSFET的開關來改變直流電機電樞上平均電壓，從而控制電機的轉速，實現直流電機PWM調速。

6 結束語

以N溝道增強型場效應管為核心，基於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具有良好的工作性能。實驗結果表明，直流電機驅動控制電路運行穩定可靠，電機速度調節響應快。能夠滿足實際工程應用的要求，有很好的應用前景。

❾ 直流電機PWM調速系統的設計與模擬

有的話分享給我，這一陣正研究這個呢。

❿ 有沒有關於直流電機調速的設計與實現方面的資料

基於ARM的直流電機調速系統的設計與實現
作者：趙慶松 蘇敏 來源於：微計算機信息
摘要：闡述了基於ARM的嵌入式智能小車系統中的直流電機調速子系統,此調速系統主要由S3C44B0X處理器和L298N電機驅動晶元構成，主要功能是驅動小車的兩個車輪，調節小車的行駛速度和方向。文中詳細介紹了S3C44B0X處理器中的相關寄存器設置及工作方式，給出了系統硬體設計原理圖和軟體程序代碼。
關鍵詞：S3C44B0X； L298N； 嵌入式； 直流電機
引言
在智能小車的研製開發中，很重要的一部分就是智能小車要能根據周圍障礙物的情況自主的調節行駛速度和行駛方向。本文中所設計的直流電機調速系統是智能小車的一個重要組成部分，直流電機調速系統主要由S3C44B0X處理器和電機驅動晶元L298N構成，主要功能是驅動小車的兩個車輪，調節小車的行駛速，通過改變兩個車輪的轉速差調節行駛方向。
1 硬體設計
由ARM公司設計的採用RISC架構的ARM處理器性能強，功耗低，體積小，支持Thumb(16位)/ARM（32位）雙指令集，指令執行速度快。目前ARM系列微處理器在32位RISC嵌入式產品中已經占據75％以上的市場份額。尤以ARM7TDMI系列應用最廣，其性價比也是最高。
1.1 S3C44B0X簡介
S3C44B0X是由Samsung公司推出的基於ARM7TDMI核的16/32位RISC處理器。此款處理器提供了豐富的通用的片上外設，大大減少了系統電路中除處理器以外的元器件配置。S3C44B0X具有6個16位定時器，每個定時器可以按照中斷模式或DMA模式運行。定時器0，1，2，3，4具有PWM功能，定時器5是一個內部定時器。定時器0和1，2和3，4和5分別共享一個8位的預分頻器(Prescaler)，預分頻值的范圍為0—255，通過寄存器TCFG0設定這三個預分頻器的值；定時器0，1，2，3還各擁有一個具有5個不同分頻信號（1/2，1/4，1/8，1/16，1/32）的時鍾分割器（Divider），定時器4和5則各具有一個包含4個分頻信號（1/2，1/4，1/8，1/16）的時鍾分割器。這6個定時器的分割值通過寄存器TCFG1設定。
定時器輸入時鍾頻率＝MCLK/Prescaler/Divider。其中MCLK＝60MHz是系統的主頻。
1.2 硬體實現
為提高系統效率、降低功耗，功放驅動電路採用基於雙極型H橋型脈寬調制方式（PWM）的集成電路L298N。L298N是SGS公司的產品，內部包含二個H橋的高電壓大電流橋式驅動器，接收標准TTL邏輯電平信號，可驅動46伏、2安培以下的電機，工作溫度范圍從－25度到130度。其內部的一個H橋原理圖如圖1所示。EnA是控制使能端，控制OUTl和OUT2之間電機的停轉， IN1、IN2腳接入控制電平，控制OUTl和OUT2之間電機的轉向。當使能端EnA有效，IN1為低電平IN2為高電平時，三極體2，3導通，1，4截止，電機反轉。當IN1和IN2電平相同時，電機停轉。表1是其使能引腳，輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關系。
圖1. H橋原理圖
表1.電機運行邏輯關系
另一個H橋的工作原理同上。由EnB控制OUT3和OUT4之間電機的停轉，根據IN3、IN4腳的輸入電平情況控制OUT3和OUT4之間電機的轉向。
由於S3C44B0X本身就帶有5個PWM輸出口，直接輸出控制信號到L298N即可，無須另加電路。系統原理框圖如圖2所示。系統中選用了工作在中斷模式下的定時器1和2作為產生PWM的定時器。通過編程設定I／O口PE4和PE5作為定時器1，2輸出PWM的埠，接入L298N的EnA和EnB埠，根據定時器1，2輸出的PWM頻率分別控制兩個直流電機的轉速。 PE6設定為輸出埠連接IN1並通過一反向器連接IN2；同樣，PE7也設為輸出埠，接入IN3並經一個反向器接入IN4。通過接入反向器，IN1和IN2，IN3和IN4就不會同時處於高電平或低電平，即不會因為IN1和IN2，IN3和IN4電平相同而使電機停止轉動。電機的停止操作可以通過調制脈沖寬度為0即占空比為0或者關閉定時器的使能位實現。這樣只需一路信號PE6就可控制IN1和IN2的狀態，PE7控制IN3和IN4的狀態，從而使得系統的控制信號得到減少，在一定程度上簡化了系統。為保證L298N驅動晶元正常工作，還要在其與直流電機之間加入四對續流二極體用以將電機中反向電動勢產生的電流分流到地或電源正極，以免反向電動勢對L298N產生損害。