PWM控制电机调速系统
摘要：提出一个基于PWM控制的直流电机控制系统，从硬件电路和软件设计两方面进行系统设计，介绍了调速系统的整体设计思路、硬件电路和控制算法。下位机采用MPC82G516实现硬件PWM的输出，从而控制电机的电枢电压，并显示电机调速结果。上位机采用LABVIEW软件，实现实时跟踪与显示。最后对控制系统进行实验，并对数据进行分析，结果表明该系统调速时间短，稳定性能好，具有较好的控制效果。
随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。电机采用微处理器控制的电压、电流、转矩、转速、转角等，实现全数字直流调速，控制精度、可靠性、稳定性、电机的性能得到提高。目前，PWM 调速成为电机调速的新方式，并凭借开关频率高、低速运行稳定、动态
[1-6][5-6]性能优良、效率高等优点，在电机调速中被普遍运用。但很多文献提到的 PWM 信号，多采用软件 PWM调速，即通过单片机的中断实现，缺点是占系统资源，易受系统中断影响和干扰，造成系统不稳定。本文将针对这一点，设计一种基于硬件 PWM 控制，调速时间更短的电机调速系统，并具有较好的稳定性能。
一、电机控制系统的整体设计
1.1 系统整体设计原理图
系统整体设计如图1所示，主要原理框图包括：LCD显示、按盘输入、测速模块、PWM调速模块四部分。电路原理图如图2所示：
图 1
图2
1.2 PWM信号
PWM信号的产生采用硬件PWM信号，即不采用中断实现PWM信号，而是利用单片机MPC82G516的PCA模式，PCA设置成PWM模式直接产生PWM信号。频率取决于PCA定时器的时钟源，占空比取决于模块捕获寄存器CCAPNL与扩展的第9位ECAPNL的值。由于使用9位比较，输出占空比可以真正实现0%到100%可调，占空比计算公式为:
占空比=1-{ ECAPnH，[CCAPnH]}/256
在电源电压 Ud 不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比η的大小。通过改变η的值可以改变电枢端电压的平均值，从而达到调速的目的。
1.3 测速模块
测速模块采用自带霍尔传感器并具有整形功能的直流电机调速板 J1，该模块能实现电机正反转、测速、调速功能，并自带整形芯片，调试效果较好。通过霍尔传感器把测速脉冲信号送单片机 P3.2，由单片机 P1.0送到测速模块第 5 脚，控制电机正反转。PWM 信号由 P1.2 送到测速模块第 3 脚，实现电机的调速。
1.4 I/O接口电路
输入模块采用 4 个按键 S1、S2、S3、S4，接在单片机 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，分别实现启动、加速、扩展功能、减速功能。电机正反转控制由 P1.0 送到测速模块第 1 脚。输出显示模块采用 LCD1602，是一种内置 8192 个 16*16 点汉字库和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/ 列驱动器及128×32 全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示，也可以显示
7.5×2 个(16×16 点阵)汉字，与外部 CPU 接口采用并行或串行方式控制。
二、电机调速系统的软件设计
2.1 程序流程图
当系统启动后，单片机进行初始化设置，单片机检测是否有键按下，再执行按键子程序，读取键值，调用中断，主单片机将传感器输入的信号进行计算，控制PWM 的输出，从而控制电机的转速，依次循环使电机趋于稳定值。系统主程序框图如图 3 所示。
图 3
2.2 上位机软件
系统由计算机控制单片机，从而控制直流电机的速度，PC 机做为上位机，单片机作为下位机。为了便于查询和保存数据以及通过 PC 机调直流电机速度。上位机采用美国 NI 公司 LabVIEW 软件。LabVIEW 是一种图形编程语言，通常称为 G 语言，具有开放的环境，能和第系统通过 PC 机与单片机串口实现三方软件轻松连接通讯，构成一个数据采集系统。 4 为 LabVIEW 软件程图序框图。
图 4
三、系统测试与分析
PWM 信号的输出，实现对直流电机转速进行控制的方法。利用上位机 LabVIEW 软件，可得到电机调速结果。图 5 为电机空载情况下的调速结果，测量数据结果如表 1。
图 5
数据分析：
启动段，电机转速从零上升到 53 r/s，只需用 6 s，并很快趋于稳定；
加速段，电机转速从 53 r/s 上升到 86 r/s，只需用 5 s，并很快趋于稳定；减速段，电机转速从 86 r/s 下降到 53 r/s，只需用 7 s，并很快趋于稳定。从数据中看出，通过 PWM 调速，电机转速变化至稳定，若不考虑按钮灵敏度，基本保持在 5 s 左右，并能很快趋于稳定，较好地满足设计要求。
四、PWM调速程序介绍
PWM调速通过改变一定频率方波脉冲的占空比来改变电机速度，本设计脉冲周期
恒定,本设计通过把方波分成160份，改变高低脉冲的份数来改变PWM的波形，单片机PWM调速的程序代码如下所示：
void control()
{
EA=1;
while(1)
{ if(a>=150)
a=150;
if(a<=10)
a=10;
P1_1=0;
delay(160-a);
P1_1=1;
delay(a);
key=GeyKey();
if(key=='-') a-=n;
else
if(key=='+') a+=n;
else
if(key=='=')
{ P1_0=1;
dprintf(0,72,"方向: 顺时针");
}
else
if(key=='c')
{ P1_0=0;
dprintf(0,72,"方向: 逆时针");
}
else
if(key=='*')
{ P1_1=0;
break;
}
else
if(key!=0)
break;
}
EA=0;
}
总结
本设计中，调速是系统的主要功能，通过研究直流电动机的机械特性，得出了几种常见的改变转速的方法，因调压调速可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用。为了使系统能保证稳定的前提下实现转速无静差，且能够快速起制动，重点介绍了转速、电流双闭环控制系统。转速负反馈得到的反馈电压，与给定值进行比较后，产生了频率一定，占空比可调的脉宽序列，并通过功率放大后，对主电路变换器的电力电子元件的导通和关断进行驱动控制，从而改变电动机的转速，本设计，为了实现PWM控制，介绍了PWM调制技术的原理，并对PWM变换器进行了详细介绍，为了使系统能正反转运行，主电路采用双极式桥式变换器。最后，通过计算机仿真软件MATLAB对系统进行了仿真，通过对波形的分析验证了转速、电流双闭环脉宽调速系统的优点。
通过本次设计，加强了我对知识的掌握，使我对设计过程有了全面地了解。通过学习控制系统工作原理以及如何利用仿真软件进行仿真，我查阅了大量相关资料，学会了许多知识，培养了我独立解决问题的能力。同时在对电路设计的过程中，巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。
总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。
附录：PWM控制的直流电机自动调速系统总体硬件电路图
PWM控制的直流电动机调速系统设计
中国计量学院 课程设计设计报告书 题目：PWM控制的直流电 动机调速系统设计 二级学院现代科技学院 专业电气工程及自动化 班级电气062 姓名***** 学号********** 同组同学姓名****** ******* 同组同学学*********** ********* 2009年12月23日
设计题目：PWM控制的直流电动机调速系统设计 1、前言 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。 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。 2、设计要求及组内分工 2.1设计要求 （1）根据电机与拖动实验室提供的直流电动机，设计基于PWM的电动机 调速方案。 （2）选用合适的功率器件，设计电动机的驱动电路。 （3）设计PWM波形发生电路，使能通过按键对电机转速进行调节，要求至少有两个速度控制按键，其中一个为加速键（每按一次，使电机转速增 加）；另一个为减速键，功能与加速键相反。 （4）撰写课程设计报告。 2.2组内分工 （1）负责直流电动机调速控制硬件设计及电路焊接：主要由胡佳春和叶秋 平完成
PWM控制电机调速系统
摘要：提出一个基于PWM控制的直流电机控制系统，从硬件电路和软件设计两方面进行系统设计，介绍了调速系统的整体设计思路、硬件电路和控制算法。下位机采用MPC82G516实现硬件PWM的输出，从而控制电机的电枢电压，并显示电机调速结果。上位机采用LABVIEW软件，实现实时跟踪与显示。最后对控制系统进行实验，并对数据进行分析，结果表明该系统调速时间短，稳定性能好，具有较好的控制效果。 随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。电机采用微处理器控制的电压、电流、转矩、转速、转角等，实现全数字直流调速，控制精度、可靠性、稳定性、电机的性能得到提高。目前，PWM 调速成为电机调速的新方式，并凭借开关频率高、低速运行稳定、动态 [1-6][5-6]性能优良、效率高等优点，在电机调速中被普遍运用。但很多文献提到的 PWM 信号，多采用软件 PWM调速，即通过单片机的中断实现，缺点是占系统资源，易受系统中断影响和干扰，造成系统不稳定。本文将针对这一点，设计一种基于硬件 PWM 控制，调速时间更短的电机调速系统，并具有较好的稳定性能。 一、电机控制系统的整体设计 1.1 系统整体设计原理图 系统整体设计如图1所示，主要原理框图包括：LCD显示、按盘输入、测速模块、PWM调速模块四部分。电路原理图如图2所示： 图 1
图2 1.2 PWM信号 PWM信号的产生采用硬件PWM信号，即不采用中断实现PWM信号，而是利用单片机MPC82G516的PCA模式，PCA设置成PWM模式直接产生PWM信号。频率取决于PCA定时器的时钟源，占空比取决于模块捕获寄存器CCAPNL与扩展的第9位ECAPNL的值。由于使用9位比较，输出占空比可以真正实现0%到100%可调，占空比计算公式为: 占空比=1-{ ECAPnH，[CCAPnH]}/256 在电源电压 Ud 不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比η 的大小。通过改变η 的值可以改变电枢端电压的平均值，从而达到调速的目的。 1.3 测速模块 测速模块采用自带霍尔传感器并具有整形功能的直流电机调速板 J1，该模块能实现电机正反转、测速、调速功能，并自带整形芯片，调试效果较好。通过霍尔传感器把测速脉冲信号送单片机 P3.2，由单片机 P1.0送到测速模块第 5 脚，控制电机正反转。PWM 信号由 P1.2 送到测速模块第 3 脚，实现电机的调速。 1.4 I/O接口电路 输入模块采用 4 个按键 S1、S2、S3、S4，接在单片机 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，分别实现启动、加速、扩展功能、减速功能。电机正反转控制由 P1.0 送到测速模块第 1 脚。输出显示模块采用 LCD1602，是一种内置 8192 个 16*16
PWM电机调速原理及51单片机PWM程序经典
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PE2 和PD5 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ATMEGA8515L 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。 *程序思路说明： * * * *关于频率和占空比的确定，对于12M晶振，假定PWM输出频率为1KHZ,这样定时中断次数* *设定为C=10，即0.01MS中断一次，则TH0=FF,TL0=F6;由于设定中断时间为0.01ms，这样* *可以设定占空比可从1-100变化。即0.01ms*100=1ms * ******************************************************************************/ #include
PWM直流调速系统设计
PWM ft流脉宽调速系统设计 1 PWM调速系统的主要问题 1.1什么是PWM 脉冲宽度调制（PWM）,是英文“ Pulse Width Modulation ”的缩写，简称脉 宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅 极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变， 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数 字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点?由于当今科学技术的发展已经没有了 学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM 控制技术发展的主要方向之一。 1.2 PWM的优越性 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关 控制方式，形成了脉宽调制变换器一直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系 统，或直流PWM S速系统。与V-M系统相比，PWM S统在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 2）开怪频率咼，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 3）低速性能好，稳速精度高，调速围宽，可达 1 : 10000左右。 4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当的时候，开关损耗也不大，因而装置效率较高 6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 由于有上述优点，直流PWM S速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量 的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。 1.3 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压
电机PWM控制原理
PWM 电机驱动系统传导干扰机理分析 摘要：针对实际系统将电机系统的交流电源、整流环节、逆变环节、电机作为整体进行分析，为了分析方便将传导干扰分为共模干扰和差模干扰进行研究，分析了PWM电机驱动系统中存在的主要共模和差模干扰通道，由于传导干扰的路径和上下桥臂 IGBT的开通和关断有很大关系，因此分析了 IGBT不同的开关状态下的共模干扰和差模干扰的传播路径，三种不同的仿真结果得出一致的结论说明本文机理分析的正确性。 1．引言 由于PWM技术应用于电机驱动系统中，功率变换器采用MOSFET、IGBT、可关断晶闸管等开关器件。为了得到更好的电机系统控制性能指标，开关器件的工作频率就越来越高，在开关和关断的瞬间产生很大的电压和电流变化率，这就是强电磁干扰（EMI）产生的原因，远远超出了现在电磁兼容标准规定的答应值。产生的电磁干扰主要是以传导的形式进行传播的，机理分析是数学模型建立的基础，因此机理分析对于PWM电机驱动系统传导干扰的研究具有重要意义。 国内外有很多文献在这方面做了一定的研究，文献[1]针对IGBT的高du/dt 给电力电子装置带来的严重共模电磁干扰题目,深进分析了Buck电路的共模干扰。文献[2]以电路理论为基础，建立了单端正激式变换器中，由功率MOSFET的漏极与接地散热器之间寄生电容所形成的输进端共模干扰分析模型。这里就不逐一先容了，本文的机理分析将电机驱动系统作为一个整体来研究，这在文献中很少发现。
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基于PWM的电机调速系统
基于PWM勺电机调速系统 实验目的： 1. 学会并掌握可keil软件的使用； 2. 学会并掌握protues软件的使用； 3. 通过实验巩固单片机相关知识和检验自身动手能力 实验要求： 掌握单片机相关知识，利用调PWm空比的方式来控制直流电机的转速，并且在led 数码管上显示转速。 实验设备和仪器： 单片机最小系统 2. 直流电机 3. 示波器 实验内容： 本次实验设计是由小组五个成员共同完成基于PWM勺电机调速系统并完成实物搭建和撰写实验报告。本次实验小组共提供了两个方案，方案一和方案二，两个方案各自具有优缺点，详细内容会在下面给出。 方案一实验步骤：
1.利用protues画电路图，电路图如图1所示: 图1:方案一电路图 2.根据电路图编写C语言'代码： 代码如下： #include <> sbit PWM=P2A7; sbit CS3=P2A3; sbit CS2=P2A2; sbit CS1=P2A1； sbit CS0=P2A0； sbit key1=P1A。； sbit key2=P1A1； sbit key3=P1A2; sbit key4=P1A3; unsigned char timer1; unsigned char tab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
void Time1Config(); void main(void) ( Time1Config(); while(1) ( if(timer1>100) 验仿真，部分仿真结果如图2图3所示： 图2:仿真结果图(1) 图3:仿真结果图(2) 4. 实物验证结果如图4所示： 图4:方案一实物验证结果 实物验证可以明显感觉到电机转速的变化，由于每个开发板不同，相比仿真程序，对实物验证程序进行了略微的修改，最终能达到要求。
说明PWM调速系统的工作原理
说明PWM调速系统的工作原理
说明PWM调速系统的工作原理 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。 脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)
需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。 许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM 控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： * 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 * 在PWM控制寄存器中设置接通时间 * 设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚 * 启动定时器 * 使能PWM控制器 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将
单片机PWM控制直流电机的速度
用单片机控制直流电机的速度 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。 直流电机的调速方案一般有下列3种方式： ?1、改变电枢电压； ?2、改变激磁绕组电压； ?3、改变电枢回路电阻。 使用单片机来控制直流电机的变速，一般采用调节电枢电压的方式，通过单片机控制PWM1，PWM2,产生可变的脉冲，这样电机上的电压也为宽度可变的脉冲电压。根据公式 U=aVCC 其中：U为电枢电压；a为脉冲的占空比（0 电动机的电枢电压受单片机输出脉冲控制，实现了利用脉冲宽度调制技术（PWM）进行直流电机的变速。 因为在H桥电路中，只有PWM1与PWM2电平互为相反时电机才能驱动，也就是PWM1与PWM2同为高电平或同为低电平时，都不能工作，所以上图中的实际脉冲宽度为B， 我们把PWM波的周期定为1ms，占空比分100级可调（每级级差为10%），这样定时器T0每0.01ms产生一次定时中断，每100次后进入下一个PWM波的周期。上图中，占空比是60%，即输出脉冲的为0.6ms，断开脉冲为0.4ms，这样电枢电压为5*60%=3V。 我们讨论的是可以正转反转的，如果只按一个方向转，我们就只要把PWM1置为高电平或低电平，只改变另一个PWM2电平的脉冲变化即可，，如下图（Q4导通，Q3闭合，电机只能顺时针调整转动速度） 直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真 摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。 微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。 论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。 关键词：PWM调速、直流电动机、双闭环调速 目录 前言 (1) 第1章直流PWM-M调速系统 (2) 第2章UPE环节的电路波形分析 (4) 第3章电流调节器的设计 (6) 3.1 电流环结构框图的化简 (6) 3.2 电流调节器参数计算 (7) 3.3 参数校验 (8) 3.3.1 检查对电源电压的抗扰性能： (8) 3.3.2 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 (9) 3.3.3 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 (9) 3.3.4 电流环小时间常数近似处理条件 (9) 3.4 计算调节器电阻和电容 (9) 第4章转速调节器的设计 (11) 4.1 电流环的等效闭环传递函数 (11) 4.2 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择 (11) 4.3 转速调节器的参数的计算 (14) 4.4 参数校验 (14) 4.4.1 电流环传递函数化简条件 (15) 4.4.2 转速环小时间常数近似处理条件 (15) 4.5 计算调节器电阻和电容 (15) 4.6 调速范围静差率的计算 (16) 第5章系统仿真 (17) 5.1 仿真软件Simulink介绍 (17) 5.2 Simulink仿真步骤 (17) 5.3 双闭环仿真模型 (17) 5.4 双闭环系统仿真波形图 (18) 结论 (19) 参考文献 (20) 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。 直流电机PWM调速控制系统 摘要：为了验证控制策略和电机参数设计的合理性，基于matlab/simulink平台，从无刷直流电机的基本原理出发，详细介绍电机各个模块的组成，构建了无刷直流电机pwm调速控制系统的建模与仿真模型，给出仿真曲线并验证该模型的正确性。 关键词：无刷直流电机模型仿真 1、引言 随着无刷直流电机（bldcm）应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。本文主要研究反电势近似梯形波的永磁无刷直流电机模型的建立与仿真，根据电机的参数和实际运行状况，通过matlab软件的simulink和psb 模块，快捷地创建一些电机控制系统模型，并与simulink结合，实现电机控制算法的仿真。文章介绍了如何创建无刷直流电动机的动态数学模型和pwm调速控制系统模型，并利用该模型，进行了pwm 调速控制系统的仿真试验。 2、无刷直流电机的数学模型 以两相导通三相六状态的无刷直流电机为例。方波无刷直流电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性[1]。采用直、交变换理论己经不是有效的分析方法，因此应该利用电机本身的相变量来建立数学模型。为简化数学模型的建立，在电动机模型建立时，认为电动机气隙是均匀的。并作以下假设[2]： (1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波分布)； (2)定子齿槽的影响忽略不计； (3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4)忽略电动机中的磁滞和涡流损耗； (5)三相绕组完全对称。 无刷直流电动机在运行过程中，每相绕组通过的不是持续不变的电流，该电流和转子作用产生的转矩，以及绕组上的感应电动势也都不是持续的。因此转矩和反电动势都采用平均值的概念。由以上假设，根据无刷直流电动机的特性，可建立其电压方程、转矩方程、状态方程以及等效电路结构。 对于三相无刷直流电机，其电压平衡方程可表示为[3] 式中：为定子相绕组电压（v）；为定子相绕组电流（a）；为定子相绕组反电动势（v）；r为每相绕组的电阻（）； l为每相绕组的电感（h）；m 为每相绕组间的互感（h）。 在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的反电动势为理想梯形波，其幅值为 式中：为反电动势系数；为转子的机械角速度。 无刷直流电动机的电磁转矩方程为： 式中：为电磁转矩；转子的机械角速度。 无刷直流电动机的运动方程为：（4） 式中：为负载转矩；f为粘滞阻尼系数；j为转子与负载的转动惯量。 目录 前言 (1) 一、设计目的 (2) 二、设计要求 (2) 三、直流调速系统整体设计 (2) 四、系统参数选取 (7) 五、各部分设计 (8) 六、双闭环系统设计 (14) 七、系统仿真 (17) 八、设计总结 (18) 参考文献 (19) 前言 由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 一、设计目的 通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。 二、设计要求 完成所选题目的分析与设计，进行系统总体方案的设计、论证和选择；系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数计算 三、直流调速系统整体设计 1、直流电机PWM调速控制原理 直流电动机转速公式为： n=(U-IR)/Kφ 其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制(PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。 PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。在本次课程设计采用双闭环直流调速系统进行调速控制。 2、双闭环直流调速系统 A.双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电 电动摩托车控制器中的电机PWM调速 电动摩托车控制器中的电机PWM调速 摘要：随着“低碳”社会理念的深入，新型的电动摩托车发展迅速，逐渐成为人们主要的代步工具之一，由于直流无刷电机的种种优点，在电动摩托车中也得到了广泛应用，因此，本文控制部分主要介绍一种基于STM32F103芯片的新型直流无刷电机调速控制系统，这里主要通过PWM技术来进行电机的调速控制，且运行稳定，安全可靠，成本低，具有深远的意义。 1.总体设计概述 1.1 直流无刷电机及工作原理 直流无刷电机（简称BLDCM），由于利用电子换向取代了传统的机械电刷和换向器，使得其电磁性能可靠，结构简单，易于维护，既保持了直流电机的优点又避免了直流电机因电刷而引起的缺陷，因此，被广泛应用。另外，由于直流无刷电机专用控制芯片价格昂贵，本文介绍了一种基于STM32的新型直流无刷电机控制系统，既可降低直流无刷电机的应用成本，又弥补了专用处理器功能单一的缺点，具有重要的现实意义和发展前景。 工作原理：直流无刷电机是同步电机的一种，其转子为永磁体，而定子则为三个按照星形连接方式连接起来的线圈，根据同步电机的原理，如果电子线圈产生一个旋转的磁场，则永磁体的转子也会随着这个磁场转动因此，驱动直流无刷电机的根本是产生旋转的磁场，而这个旋转的磁场可以通过调整A、B、C三相的电流来实现，其需要的电流如图1所示 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 1.2 总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图1所示。 1 学号：0 课程设计 直流双环系统（二）的设计及仿真分析题目 （六） 学院自动化学院 专业自动化卓越工程师 班级自动化zy1101 姓名周青 指导教师刘芙蓉 2014 年 7 月 2 日 课程设计任务书 学生姓名： 周青 专业班级： 自动化zy1101 指导教师： 刘芙蓉 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流双环系统（二）的设计及仿真分析（六） 初始条件： 有一转速、电流双闭环控制的H 形双极式PWM 直流调速系统，电动机参数为： 200,48, 3.7,200/min N N N N P W U V I A n r ====，电枢电阻 6.5a R =Ω，电枢回路总电阻 8R =Ω，允许电流过载倍数2λ=，电势系数0.12min/e C V r =?，电磁时间常数 0.015l T s =，机电时间常数0.2m T s =，电流反馈滤波时间常数0.001oi T s =，转速 反馈滤波时间常数0.005on T s =，调节器输入输出电压** 10nm im cm U U U V ===，调节器输入电阻040R k =Ω，电力晶体管的开关频率1f kHz =，PWM 环节的放大倍数 4.8s K =。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 试对该系统进行动态参数设计。设计指标：稳态无静差，电流超调量 5%i σ≤；空载起动到额定转速时的转速超调量20%n σ≤，过渡过程时间 0.1s t s ≤。画出系统结构框图并计算： (1) 电流反馈系数β和转速反馈系数α； (2) 设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取040R k =Ω）； (3) 设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取040R k =Ω）； 毕业论文毕业设计论文 设计（论文）题目：直流电动机PWM控制系统设计 下达日期：2014 年07 月02 日 开始日期：2014 年09 月9 日 完成日期：2014 年月日 指导教师：高文华 学生专业：电气自动化 班级：自动化1207班 学生姓名：ZHAO 教研室主任：王永康 学院：电气工程 陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 一、设计（论文）内容及要求： （一）设计（论文）内容 本设计采用PWM控制技术，利用斩波原理改变脉冲宽度，改变直流电动机两端的直流平均电压的大小，来实现对直流电动机的速度控制。 （二）要求 1．PWM控制器（或单片机）为核心。 2．运用PWM控制器（单片机）为核心，构建控制系统电路。 3.利用PWM控制器（单片机）、大功率开关器件、隔离电路、驱动芯片等硬件，设计建立直流电动机PWM控制系统，力求实用、简单、经济。 4. 保护电路 二、技术指标： 1、采用速度、电流双闭环控制以提高系统控制精度； 2、输出信号稳定，以此来驱动大功率开关器件； 3、控制信号通过PWM控制器（单片机）对功率开关进行控制，使其满足按要求进行速度调节的要求。 4、电动机额定数据为：10kW、220V、55A、1000r/min，电枢电阻Ra为0.5Ω， C e =0.122V·min/r时间常数：T l =0.02s,T m =0.16s。 5、调速范围D=10。 6、稳态指标：无静差。 7、动态指标：电流超调量不大于5%；转速超调量不大于10%。 三、主要参考资料： 1电机控制专用集成电路谭建成主编机械工业出版社 2电气传动的脉宽调制控制技术吴守箴主编机械工业出版社3电力电子技术王兆安黄俊主编机械工业出版社 4电力拖动自动控制系统陈伯时主编机械工业出版社 5自动控制原理与系统孔凡才主编机械工业出版社 6单片机原理与应用王津主编重庆大学出版社 设计报告书 4.1.3、采用PWM 控制的调速方法 图1为PWM 降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图1a 中，假定晶体 管V 1先导通T 1，秒(忽略V 1的管压降，这期间电源电压Ud 全部加到电枢上)，然后关断T 2秒(这期间电枢端电压为零)。如此反复，则电枢端电压波形如图1b 中所示。电动机电枢端电压Ua 为其平均值。 图1 PWM 降压斩波器原理电路及输出电压波形 a) 原理图 b)输出电压波形 1112a d d d T T U U U U T T T α= ==+ (3) 式(3)中 1112T T T T T α= =+ （4） α为一个周期T 中，晶体管V1导通时间的比率，称为负载率或占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变α的值，从而达到调压的目的： (1)定宽调频法：T1保持一定，使T2在0～∞范围内变化； (2)调宽调频法：T2保持一定，使T1在0～∞范围内变化 (3)定频调宽法：T1+T2=T 保持一定，使T ，在0～T 范围内变化。 不管哪种方法，α的变化范围均为0≤α≤l ，因而电枢电压平均值Ua 的调节范围为0～Ud ，均为正值，即电动机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。当需要电动机在正、反向两个方向调速运转，即可逆调速时，就要使用图1—2a 所示的桥式(或称H 型)降压斩波电路。 在图2a 中，晶体管V 1、V 4是同时导通同时关断的，V 2、V 3也是同时导通同时关断的，但V 1与V 2、V 3与V 4都不允许同时导通，否则电源Ud 直通短路。设V 1、V 4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间(为避免电源直通短路。该间隔时间称为死区时问)之后，再使V 2、V 3同时导通T2秒后同时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图2b 所示。 图2 桥式PWM 降压斩波器原理电路及输出电压波形 a)原理图 b)输出电压波形 电动机电枢端电压的平均值为 12112(21)(21)a d d d T T T U U U U T T T α-= =-=-+ (4) 由于0≤α≤1，Ua 值的范围是 -Ud ～+Ud ，因而电动机可以在正、反两个 摘要 本论文主要介绍了PWM波直流调速系统的设计过程,介绍了直流伺服系统的发展及趋势。本调速系统是包括硬件和软件部分，由转速调节器和电流调节器构成双闭环调速系统。基于8031单片机的控制，使电路简单可靠。 关键词 PWM 单片机集成芯片 PWM D.C.Speed Regulation System Abstract The thesis mostly introduce know clearly PWM D.C. speed regulation system’s design process. The thesis incorporation actuality introduce know D.C. Servo System’s develop and trend. The contents includes hardware parts and software parts. The speed regulation system adoption 8031 Microprocessor.It makes system simple and dependable. Keywords PWM microprocessor integrated chip 目录 摘要 (1) 第一章绪论 (4) 1.1国外发展概况 (4) 1.2国内发展概况 (4) 第二章方案论证 (6) 2.1技术指标 (6) 2.2方案论证 (6) 第三章系统设计 (7) 3.1系统框图 (7) 3.2 PWM技术原理 (7) 3.3 硬件设计 (7) 3.3.1 硬件组成 (8) 3.3.2 最小应用系统 (8) 3.3.3 脉冲发生电路 (17) 3.3.4 功率放大电路 (19) 3.3.5 测速电路 (21) 本节小结 (23) 3.4 数学模型 (23) 第四章软件设计 (25) 结论 (34) 谢辞 (35) 参考文献 (36) 学号：0 课程设计 题 直流双环系统（二）的设计及仿真分析（六） 目 学 自动化学院 院 专 自动化卓越工程师 业 班 自动化zy1101 级 姓周青 名 指导 教师 刘芙蓉 2014 年7 月2 日 课程设计任务书 学生姓名： 周青 专业班级： 自动化zy1101 指导教师： 刘芙蓉 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流双环系统（二）的设计及仿真分析（六） 初始条件： 有一转速、电流双闭环控制的H 形双极式PWM 直流调速系统，电动机参数为： 200,48, 3.7,200/min N N N N P W U V I A n r ====，电枢电阻 6.5a R =Ω，电枢回路总电阻8R =Ω，允 许电流过载倍数2λ=，电势系数0.12min/e C V r =?，电磁时间常数0.015l T s =，机电时间常数0.2m T s =，电流反馈滤波时间常数0.001oi T s =，转速反馈滤波时间常数0.005on T s =， 调节器输入输出电压** 10nm im cm U U U V ===，调节器输入电阻040R k =Ω，电力晶体管的开 关频率1f kHz =，PWM 环节的放大倍数 4.8s K =。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等 具体要求） 试对该系统进行动态参数设计。设计指标：稳态无静差，电流超调量5%i σ≤；空载起动到额定转速时的转速超调量20%n σ≤，过渡过程时间0.1s t s ≤。画出系统结构框图并计算： (1)电流反馈系数β和转速反馈系数α； (2)设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取 040 R k =Ω）； (3)设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取 040 R k =Ω）； (4)让电机空载启动到额定转速，稳定运行后转速反馈断开，观察并录下电机的 转速、电流等的波形，并进行分析。 时间安排：布置课程设计题目 - 完成课程设计 ．28 - 撰写课程设计报告 答辩并上交报告 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 空心杯电机的PWM调制及PI控制方法 摘 要:由于空心杯无刷直流电动机的独特结构，使它具有体积小、响应速度快、拖动性能好等优点，被 广泛地应用于国民经济的各个领域。本文就如何运用PWM调制和PI控制对空心杯电机进行调速进行了研究和探讨。 关键词: 空心杯无刷直流电动机;脉宽调制;比例积分控制; The PWM and PI Control Method of the Drug Cup Motor Zhao hua Abstract:Because of the special construction of the drag cup brushless DC motor, it owns s mall capacity, high response speed, good drive performance, etc. It is widely used in each f ield of national economy. This dissertation will carry on how to apply PWM and PI control in to velocity modulation. Key words: drag cup brushless DC motor; PWM; PI control; 1引言 空心杯无刷直流电机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。空心杯无刷直流电机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器或无位置传感器技术实现电子换向代替有刷直流电机的电刷和换向器，各项逐次通电产生电流，和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩，使电机旋转[1]。 和有刷直流电机相比，空心杯无刷直流电机由于消除了电机滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了电的损耗[1]。又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的。除轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性。 正是由于空心杯电动机这种的独特结构，才使它具有十分突出的节能、控制和拖动特性。随着稀土磁材料和功率半导体器件性能、价格比的不断提高，新的控制技术不断出现，小功率、高性能调速电机和伺服电机(均为空心杯无刷直流电机)在工业领域的应用变得越来越广泛。本文就空心杯无刷直流电机的PWM调制和PI控制的方法展开讨论。 2空心杯电机的PWM调制和PI控制方法 2.1PWM调制方式 对于两相导通三相六状态的空心杯无刷直流电动机，在一个周期内，每个功率开关器件导通120度电角度，每隔60度有两个开关器件切换。因此，PWM调制方式可以有以下五种：(1)on_pwm型、(2)pwm_on型、(3)H_pwm-L_on型、(4) H_on-L_pwm型和(5)H_pwm-L_pwm型[1]。 前四种方式又称为半桥臂调制方式，即在任意一个60度区间，只有上桥臂或下桥臂开关进行斩波调制。其中，方式(1)和(2)为双管调制方式，即在调制过课程设计：直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真
PWM控制直流电机(重要资料)
直流电机PWM调速控制系统
PWM直流调速系统设计
基于STM32的直流电机PWM调速控制
H型pwm调速系统
直流电动机PWM控制系统设计
PWM控制的调速方法
pwm调速系统
H型pwm调速系统
空心杯电机的PWM调制及PI控制方法