H桥控制的直流电机调速系电路的设计研究.docx

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1、关于H桥控制的直流电机调速系电路设计的研究摘要本文介绍了基于H桥驱动的直流电机调速系统，系统采用芯片LN298搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机AT89AC52提供，电机的驱动运转控制由单片机控制H桥，H桥再驱动直流电机。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进展调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片LN298作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进展测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反响值输入到

2、单片机进展Pl运算，从而实现了对直流电机速度的控制。关键词：PWM调速；H桥驱动；直流电机测速；数码管显示目录1绪论1L1基于H桥控制的直流电机调速系统设计目的和意义11. 1.1选题的目的和意义：11.1.2国内外研究现状简述：11. 1.3毕业设计（论文）所采用的研究方法和手段：11.2利用H桥控制直流电机转速系统的设计工程开展11. 3利用H桥控制的直流电机转速系统的设计原理22直流电机调速控制概述32. 1直流电机的工作原理32. 2直流电机的调速特性42. 3直流电机的几种调速方法42.3. 1静止可控整流器（简称V-M系统）62. 3.2PWM调速系统的优点72. 4直流电机调速P

3、WM信号形成原理72 .4.1直流电机电枢的PWM调压调速原理83 .4.2脉宽调制占空比调节82. 4.3PwM控制信号产生的方法103系统元器件介绍113. 1单片机的选型：113.1.1主要特性：113.1.2管脚说明123.2电机驱动H桥选型143.3红外对管153.4晶振183. 5四位数码管203.5.14位数码管的驱动方式213.5.24位数码管的引脚图213.5.34位数码管的参数223.5.44位数码管区分共阴阳极的方法224直流电机调速系统电路设计244. 1稳压电源电路设计244. 2系统PWM调速的设计264. 3电机测速电路274. 3.1红外线发射管274. 3.2

4、红外线接收管274. 3.3红外计数电路284. 4直流电机H桥驱动的设计294. 4.1、H桥驱动电路294. 4.2使能控制和方向逻辑304. 4.3基于LN298驱动的硬件设计314. 5直流电机转速显示325直流电机驱动控制系统软件设计334.1 直流电机正反转、加速、减速、启动与停顿软件设计335. 2LED速度显示软件设计35附件Al基于H桥驱动直流电机调速系统电路的设计的硬件图37附件A2基于H桥驱动直流电机调速系统电路的设计的实物图381绪论1.1 基于H桥控制的直流电机调速系统设计目的和意义1.1.1 选题的目的和意义：在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十

5、分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。以前电动机大多使用继电器实现双向转动以及由模拟电路组成的控制柜进展控制，现在普遍使用单片机控制H桥驱动电路实现电机正反转取代模拟电路作为电机控制器。当前电机控制器的开展方向越来越趋于多样化和复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑开发电机的新型单片机控制器。1.1.2 国内外研究现状简述：电动机的控制技术的开展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新开展成果。正是这些技

6、术的进步使电机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制局部已由模拟控制逐渐让位于以单片机和H桥驱动模块为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速开展。而国外交直流系统数字化已经到达实用阶段。1.1.3 毕业设计（论文）所采用的研究方法和手段：根据市场需求和开展趋势，本设计将介绍一种基于H桥驱动作为根基、单片机内部时钟产生PWM调速的直流电机转速控制系统。首先对直流调速控制电路进展设计来实现对速度的控制、检测、显示；再对直流调速控制主回路进展设计，其采用了三相桥式全控整流电路；然后进展系统的软件设计。1.2 利用H桥控制直流

7、电机转速系统的设计工程开展目前使用的电机模拟控制电路都比拟复杂，测量范围与精度不能兼顾，且采样时间较长，难以测得瞬时转速。本文介绍的电机控制系统利用PWM控制原理，同时结合霍尔传感器来采集电机转速，并经单片机检测后在显示器上显示出转速值，而单片机则根据传感器输出的脉冲信号来分析转速的过程量本系统同时设置有按键操作仪表，可用于调节电机的转速。直流电机控制系统主要是以AT80C52单片机为核心组成的控制系统，本系统中的电机转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此,由MCU内部的可编程计数器阵列输出PWM波，以调整电机两端电压与控制波形的占空比，从而实现调速。本系统

8、通过红外传感器来实现对直流电机转速的实时监测。系统的设计任务包括硬件和软件两大局部，其中硬件设计包括方案选定、电路原理图设计、PCB绘制；软件设计包括内存空间的分配，直流电机控制应用程序模块的设计，程序调试等。1.3 利用H桥控制的直流电机转速系统的设计原理本系统先由单片机发出控制信号给H桥再驱动电机，同时通过传感器检测电机的转速信号并传送给单片机，单片机再通过软件将测速信号与给定转速进展比拟，从而决定电机转速，将当前电机转速值送LED显示。此外，也可以通过设置键盘来设定电机转速。系统中的转速检测装置由红外传感器组成，并通过反相器将高、低电压互相转换，再以脉冲形式传给单片机。这种设计方法具有频

9、率响应高(响应频率达20kHz以上)、输出幅值不变、抗电磁干扰能力强等特点。其中霍尔传感器输入为脉冲信号，十分容易与微处理器相连接，也便于实现信号的分析处理。单片机的TO口可对该脉冲信号进展计数。，本系统的脉冲宽度调制(PUlSeWidthModUlation)原理是：脉冲宽度调制波由一列占空比不同的矩形脉冲构成其占空比与信号的瞬时采样值成比例。2直流电机调速控制概述直流电机调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离

10、控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样构造简单、价格廉价、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比拟成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的根基。2.1直流电机的工作原理根据电磁学根本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度/,其中

11、流过的电流为i,导体所在处的磁通密度为B,那末导体受到的电磁力的值为式(2-1)F=Bli(2-1)如图2-1中N、S极下各根导体所受电磁力的方向，如图中箭头所示。电磁力对转轴形成顺时针方向的转矩，驱动转子而使其旋转。由于每个磁极下元件中电流方向不变,故此转矩方向恒定，称为直流电动机的电磁转矩。如果直流电动机轴上带有负载，它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能够转化成机械能的电气装置。直流电动机是可逆的，他根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。当外力作用使其旋转，驶入机械能时，电机处于发电机状态，输出电能；当在电刷两端施加电压输入电能时，电机处于电动机状态，带动负载旋转输出机械能。2.2

12、直流电机的调速特性F图1直流电动机工作原理图根据直流电机的构造分析可得到等效的模型，包括电枢绕组及其等效的电阻等。直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表示:UN-1NRan=G(2-2)(2-2)式中：UN是电枢电压，IN是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电势常数,是励磁磁通。PN(2-3)(2-3)式中：P-磁极对数，N是导体数，a是电枢支路数。Ce=K(2-4)(2-4)式中：当电机型号确定后，CC中为常数，故式式(2-1)改为n=UN-INRa(2-5)在中小功率直流电机中，电枢回路电阻非常小，式(2-5)中INRa项可省略不计，由此可见，当改变电枢电压时，转速n随之改变，

13、到达直流电机的调速的目的。改变直流电机电枢电压，可通过PWM控制的降压斩波器进展斩波调压。2.3直流电机的几种调速方法根据直流电机的根本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种:（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。4变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通小。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进展调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间

14、遇到的时间常数同4变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。（3）改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进展调速的方法，设备简单,操作方便。但是只能进展有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门

15、的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器（简称V-M系统）。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器（脉宽调制变换器）。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。2.3.1 静止可控整流器(简称VM系统)Vf系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，