【正文】 直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制器畢業(yè)論文目錄緒論 1第一章 脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速控制概述 2 直流電機(jī)調(diào)速原理 2 PWM控制技術(shù)的應(yīng)用 2 PWM在直流調(diào)速中的應(yīng)用 2 PWM相關(guān)概念 3 PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的原理 3 設(shè)計(jì)目標(biāo) 4第二章 元器件應(yīng)用介紹 5 二極管 5 整流二極管 6 穩(wěn)壓二極管 6 續(xù)流二極管 6 整流橋堆 7 三端穩(wěn)壓器 7 8 運(yùn)算放大器 11 LM324運(yùn)算放大器 11 電壓比較器 12 LM393比較器 12 三極管 14 NPN型、PNP型三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 14 NPN型三極管電流放大原理 15 晶體三極管的三種工作狀態(tài) 15 場(chǎng)效應(yīng)管 16 場(chǎng)效應(yīng)管的作用與特點(diǎn) 16 場(chǎng)效應(yīng)管的分類 17 關(guān)于MOSFET—IRF740 17 光電耦合器 18第三章 電路設(shè)計(jì) 19 直流電源 19 177。6V直流穩(wěn)壓電源 19 為直流電機(jī)供電的+36V直流電壓 21 三角波和PWM波發(fā)生電路 22 CD4520引腳圖及引腳功能 26 CD4520功能 27 運(yùn)放電路LM324的原理及波形 27 參數(shù)計(jì)算 30 30 方波輸出 31 H橋驅(qū)動(dòng)電路 33 H橋驅(qū)動(dòng)電路原理 33 單雙極性可逆變換器比較 36 H橋驅(qū)動(dòng)電路器件 38第四章 總結(jié) 39致謝 40參考文獻(xiàn) 41附圖一 42附圖二 42附表1 4319畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制器緒論在當(dāng)今社會(huì)生活中，電子科學(xué)技術(shù)的運(yùn)用越來(lái)越深入到各個(gè)行業(yè)之中，并得到了長(zhǎng)期的發(fā)展和進(jìn)步，自動(dòng)化控制更是得到了廣泛的應(yīng)用，其中一項(xiàng)重要的應(yīng)用就是——自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在脈寬范圍內(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。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制；而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)關(guān)速度更快、控制更容易的全控型電力電子器件（GTR、MOSFET、IGBT、PIC）逐漸成為主流，由他們組成的各種功率變換裝置也隨之發(fā)展，從而使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置的種類不斷拓展，性能不斷提高。其中PWM（脈寬調(diào)制）是常用的一種調(diào)速方法。PWM（脈寬調(diào)制）具有極大的優(yōu)越性：主電路簡(jiǎn)單，需要的功率器件少：開(kāi)關(guān)頻率高，快速響應(yīng)性好，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較??；波形系數(shù)好，對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)高；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右。若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。本設(shè)計(jì)采用PWM技術(shù)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，與一般直流調(diào)速相比，既減少了對(duì)電源的污染，而且使控制過(guò)程更簡(jiǎn)單方便，又因?yàn)榫€路的簡(jiǎn)單化、功率器件需用的減少，使系統(tǒng)的維護(hù)、維修變得更加簡(jiǎn)單，同時(shí)動(dòng)、靜態(tài)性能卻提高了。第一章 脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速控制概述 直流電機(jī)調(diào)速原理當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，可以改變磁通量的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵(lì)磁線圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)磁飽和的限制，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和磁通量只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對(duì)于調(diào)節(jié)電樞外加電阻R時(shí)，會(huì)使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。當(dāng)改變電樞電壓理想空載轉(zhuǎn)速隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機(jī)械特性曲線相互平行，說(shuō)明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機(jī)帶負(fù)載能力恒定。當(dāng)我們平滑調(diào)節(jié)他勵(lì)直流電機(jī)電樞兩端電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。 PWM控制技術(shù)的應(yīng)用PWM是Pulse Width Modulation的縮寫(xiě)，即脈沖寬度調(diào)制，是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。調(diào)速可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。盡管直流電機(jī)比交流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、維修保養(yǎng)貴，但是其調(diào)速性能好，所以在調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位。 PWM在直流調(diào)速中的應(yīng)用PWM廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)，例如，以往普遍應(yīng)用的晶閘管相控整流—直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，現(xiàn)在也發(fā)展了全波步控整流PWM斬波—直流電壓調(diào)速系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)也是有直流斬波器供電的。PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過(guò)控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為： n= UaIaΣRa∕Ceφ（r/min） （1—1）式中，Ua為電樞端電壓（V），Ia為電樞電流（Α），ΣRa為電樞電路總電阻（Ω），Φ為每級(jí)磁通量（Wb），Ce為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。 由式1—1可知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制勵(lì)磁通Φ，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁極飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的是電樞電壓控制法。Ua=UdIaR，雖然調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓達(dá)到調(diào)速目的，但這種方法效率很低。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，可由PWM斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓。本文主要介紹PWM實(shí)現(xiàn)的直流調(diào)速系統(tǒng)。 PWM相關(guān)概念占空比：就是輸出的PWM中，高電平保持的時(shí)間與該P(yáng)WM的時(shí)鐘周期的時(shí)間 之比。如圖1—1所示，占空比D關(guān)系式：D=t/T ﹪ 圖1—1 占空比圖例圖1—2所示為PWM矩形波，PWM調(diào)速就是通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”（D=t/T）來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。ut3T2TTtO圖1—2 PWM波 PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的原理PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為V ，當(dāng)我們改變占空比D時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 ，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。 設(shè)計(jì)目標(biāo)本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正、反雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。要使電機(jī)能夠正、反轉(zhuǎn)雙向轉(zhuǎn)動(dòng)可以通過(guò)使用4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成的H橋電路實(shí)現(xiàn)，而電機(jī)的調(diào)速則可通過(guò)使用三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。第二章 元器件應(yīng)用介紹 二極管二極管又稱晶體二極管,簡(jiǎn)稱二極管(diode)。它只往一個(gè)方向傳送電流，我們稱之為二極管的單向?qū)щ娦?。它具有按照外加電壓的方向，使電流流?dòng)或不流動(dòng)的性質(zhì)。電路中，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。P區(qū)的載流子是空穴，N區(qū)的載流子是自由電子，在靠近交界處，P區(qū)出現(xiàn)帶負(fù)電的粒子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)帶正電的粒子區(qū)，于是產(chǎn)生了內(nèi)部電場(chǎng)。當(dāng)電源正極接P端且負(fù)極接N端時(shí)，稱PN結(jié)外加正向電壓。此時(shí)外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，使空間電荷區(qū)變窄，多數(shù)載流子就能越過(guò)空間電荷區(qū)形成電流。此時(shí)PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)，二極管仍不能導(dǎo)通，通過(guò)二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到門檻電壓（，）以后二極管才能真正導(dǎo)通，導(dǎo)通后二極管兩端電壓基本不變（，），稱為二極管的“正向壓降”。若PN結(jié)外加反向電壓，此時(shí)外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同，則使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)。使空間電荷區(qū)變寬，有利于少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，形成漂移電流即反向電流。但少數(shù)載流子很少，故反向電流很小。通常可認(rèn)為PN結(jié)處于反向偏置時(shí)不導(dǎo)電。此時(shí)PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。二極管處于反向偏置時(shí)，任然會(huì)有微弱的電流通過(guò)二極管，成為漏電流。當(dāng)二極管兩端反向電壓增加到某一數(shù)值，反向電流會(huì)急劇增大，二極管將失去單向?qū)щ娦?，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。二極管的應(yīng)用主要有：整流二極管、開(kāi)關(guān)元件、限幅元件、繼流二極管、檢波二極管、變?nèi)荻O管、顯示元件和穩(wěn)壓二極管。圖2—1為二極管的伏安特性曲線 圖2—1 二極管的伏安特性曲線 整流二極管整流二極管利用二極管的單向?qū)щ娦?，可以把方向交替變化的交流電變換成方向單一的脈動(dòng)直流電。通常它包含一個(gè)PN結(jié)，有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子。其結(jié)構(gòu)如圖2—2所示。 圖2—2 整流二極管結(jié)構(gòu) 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管的結(jié)構(gòu)同整流二極管一樣。當(dāng)加在穩(wěn)壓二極管的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，將可能有大量載流子隧穿偽結(jié)的位壘，形成大的反向電流，此時(shí)電壓基本不變，稱為隧道擊穿。當(dāng)反向電