毕业设计(论文)-脉冲宽度调制系统(PWM).doc
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1、脉冲宽度调制系统(PWM)工 学 部 工学一部专 业自动化班 级学 号姓 名指导教师负责教师沈阳航空工业学院北方科技学院2009年7月沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计(论文)摘 要直流电机是最常见的一种电机,在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。脉冲宽度调制(PWM)是在控制电路输出周期不变的情况下,通过输入设定不同的占空比,从而达到改变输出直流电压的目的。本文通过使用PWM技术,对ADC0809采集到的电压进行模数转换,然后将转换成的数字量传送到AT89S52里,在通过周期不变的前提下,调节占空比,将其调节的结果在三位数
2、码管上显示出来,而这整个调节过程的原理可以运用到调节电机的供给电压上来,以达到对直流电机的无级调速的目的。关键词:PWM;直流电机;无级调速AbstractDC motors are the most common type of motor, in various fields has been widely used. Study of DC motor control and measurement method, to improve the control accuracy and response speed, energy conservation is important an
3、d so on. Pulse width modulation (PWM) control circuit in the output of the cycle remain unchanged, by entering a different duty cycle settings, change the output so as to achieve the purpose of DC voltage. In this paper, through the use of PWM technology, collected ADC0809 ADC voltage, and then conv
4、ert the digital transmission to the AT89S52, in the adoption of the premise of the same cycle to regulate the duty cycle, the results of its regulation in three bit digital tube display, which is the principle of the adjustment process can be used to adjust the electrical supply voltage table in ord
5、er to achieve the stepless speed regulation of DC motor purposes.Keywords: PWM; DC Motor; Stepless speed regulation目 录1 课题研究背景和意义11.1 背景11.2 意义12 课题相关的国内外发展情况32.1 PWM技术的发展情况32.2 直流电机的发展情况43 可行性分析53.1 技术可行性分析53.2 经济可行性分析53.3 时间可行性分析53.4 操作可行性分析64 方案论证74.1 PLC方案74.2 硬件连接方案74.3 单片机方案75 理论设计85.1 脉宽调制技术原
6、理85.1.1 模拟电路85.1.2 数字控制95.1.3 硬件控制器105.2 PWM技术115.2.1 PWM控制的基本原理115.2.2 PWM相关概念135.3 无级调速146 系统设计166.1 硬件设计166.1.1 AT89S52硬件分析166.1.2 A/D转换硬件分析196.2 强电控制弱电226.3 软件设计237 调试分析258 社会经济效益分析26结 论27致 谢28参考文献29附录 总体连接图30附录 程序清单31IV沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计(论文)1 课题研究背景和意义脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的,除了PWM型,还有
7、PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽宽度调制式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下,通过电压反馈调整其占空比,从而达到稳定输出电压的目的。1.1 背景 电是人们生活中不可缺少的东西,电灯,电话,电影,电视,洗衣机,电冰箱,无线电广播,X光透视等等都靠电。人们饱尝了停电带来的不便,害怕停电,不希望停电,因此,各国都在大力发展电力产业。大规模机器生产离不开动字,马达轰鸣是工厂生命的象征,电动机随人意转动是工业现代化的标志。 直流能避开电感电容产生的无功损耗和功率因数的下降,在变压,整流极可实现的今天,直流输电又重回日程上表。我国已经建成了一条直流输电线,现在正准备建第二条实现西
8、电东送。直流电动机以其外特性硬著称,伴随直流输电解决了直流电源问题,直流电动机的使用越来越广泛,特别的各种精度要求非常的工厂更是对直流电动机的良好稳定的工作性能渴求以久,而现在终于得以实现了。科学的发展,技术的进步使人们步入了精细的社会,交流电动机的变频,直流电动机的PWM实现无级调速,是精细化的重要内容。1.2 意义无级调速能使电动机平滑起制动,免去了速度突变使乘电动机车人们站立不稳造成前俯后仰,甚至跌打损伤及坐电梯的人们心脏不适的感觉,电动机起停于不知不觉中有多惬意,可让人们更好的享受生活。随着社会的发展,加工的机器零件外型越来越复杂,我国科技部立项的重大设备攻关项目五轴联动钛合金加工的数
9、控机床就是用来加工飞机发动机叶轮等复杂外型,飞机零件的,要精密到头发丝的十分之几,甚至百分之几。这就要求五轴电动机不但和谐运动,而且每轴电动机的转速根据零件外型和刀具所处位置无级变化,只有位置精确,速度精确,才能保证切削精确,才能保证加工质量。显然电动机无级调速对精密加工,对我国装备制造业基地意义重大。2 课题相关的国内外发展情况2.1 PWM技术的发展情况PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中,从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较,产生正弦脉宽调
10、制SPWM信号以控制功率器件的开关开始,到目前采用全数字化方案,完成优化的实时在线的PWM信号输出,可以说直到目前为止,PWM在各种应用场合仍在主导地位,并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类,正弦PWM(包括电压,电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案,多重PWM也应归于此类),优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知,而旨在改善输出电压、电流波形,降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势(如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无
11、谐波系列等);而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率(THD)最小,电压利用率最高,效率最优,及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。在70年代开始至80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般最高不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善,随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PWM仍然有其
12、特殊的价值(DTC控制即为一例);别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。 随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛,PWM技术的研究越来越深入。PWM利用功率半导体器件的高频开通和关断,把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列,以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM技术可分为三大类:正弦PWM、优化PWM及随机PWM。正弦PWM包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM方案。正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能,因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。但
13、对于大容量的电力变换装置来说,太高的开关频率会导致大的开关损耗,而且大功率器件如GTO的开关频率目前还不能做得很高,在这种情况下,优化PWM技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法(Selected Harmonic Elimination PWMSHE PWM)、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。普通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分,谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上,会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声,其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围,将会使人的听觉受到损害。一些幅度较大的
14、中频谐波电流还容易引起电动机的机械共振,导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题,一种方法是提高功率器件的开关频率,但这种方法会使得开关损耗增加;另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率,使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内,从而抑制某些幅值较大的谐波成分,以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的,这就是随机PWM技术。2.2 直流电机的发展情况直流电动机具有良好的起动、制动和调速性能,可以方便地在宽范围内实现平滑无级调速。20世纪30年代,直流调速系统就已在重型和精密机床上得到广泛应用。20世纪60年代以后,随着大功率晶闸管的问世、大功率整流技术和大功率晶体管的发展,晶
15、闸管直流电动机无级调速系统取代了“直流发电机-直流电动机”、电磁放大机等直流调速系统,采用脉宽调制的直流调速系统也得到了广泛的应用。3 可行性分析3.1 技术可行性分析脉宽调制系统设计的核心技术为单片机技术。还涉及到其他技术如数据采集技术等,这些知识都学过。现今以上技术均发展成熟,可以利用其进行实验。 以上几种技术涉及到我们学习的单片机原理与接口技术、微机计算机原理与接口技术、微型计算机控制技术,过程控制等几门课程。需要掌握的具体知识有A/D转换、中断、LED数码显示等几个模块。本人已初步掌握这些技术,可以利用这些技术完成毕业设计,技术分析可行,可以进行实验设计。3.2 经济可行性分析毕业设计
16、脉宽调制系统设计用到的实验设备为微型计算机、单片机和示波器。以上设备价格便宜购买方便,经济上完全可以承受,经济分析可行。3.3 时间可行性分析收集课题相关资料,熟悉设计相关元件,完成开题报告和3000字的相关英文资料翻译,完成总体的硬件电路和软件设计,温习汇编语言在第一周到第四周完成。设计完善的硬件图,包括各个模块的精确设计。有针对性的收集软件变成资料,准备开始上机编程在第五周到第六周完成。购买材料,完成实验室硬件接线,开始编程调试,争取在第七周到第十周期间完成硬软件联调,实现毕业设计所需功能,通过导师验收。在第十一周到第十四周完成毕业设计论文,期间每周听取导师对论文的意见和建议。在第十五周到
17、第十九周完善论文,扩充课题相关知识,准备毕业论文答辩。按照该计划现在设计已经进行到论文阶段,时间分析可行。根据以上时间计划,可以完成毕业设计所有内容,时间分析可行,可以进行实验。3.4 操作可行性分析本次毕业设计主要利用单片机,涉及到的模块有A/D转换模块、AT98S52单片机、LED数码显示模块。下面就对各个模块需要实现的功能进行介绍。A/D转换模块功能:完成0-5V电位器产生的模拟信号转化为需要的数字信号,0-5V的模拟量对应00H-FFH的数字量。LED数码显示模块功能:LED数码管显示0100,也就是占空比的比值,电位器模拟量转换为数字量的00H-FFH。最终设计实现以上功能,功能可行
18、性分析可行。4 方案论证4.1 PLC方案用PLC技术也能把这实验完美的做出来,但是考虑到现实中的PLC器材和成本价格都比较昂贵,而且PLC机器笨重,庞大,不利于搬动。所以此方案不是最理想的。4.2 硬件连接方案全用硬件也能把这实验做出来,但这样做的过程比较复杂,机动性也很差,工程量比较大,比较烦琐,所以容易出纰漏,因此这方案也不是最佳方案。4.3 单片机方案此次方案简单,快捷,不仅各种实验所需的材料价格比较便宜,而且在市场上可以很方便的购买到。单片机体积小,功能全,可靠性好。因此此实验用这种方案是最合适的。所以此实验我就选择的是单片机这一方案。5 理论设计脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术
19、语。这是按稳压的控制方式分类的,除了PWM型,还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽宽度调制式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下,通过电压反馈调整其占空比,从而达到稳定输出电压的目的。5.1 脉宽调制技术原理5.1.1 模拟电路模拟信号的值可以连续变化,其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟组件,因为它的输出电压并不精确地等于9V,而是随时间产生变化,并可取任何实数值。与此类似,从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内,例如在(0V, 5V)这一集合中取值。模拟电压和电流
20、可直接用来进行控制,如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中,音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时,电阻值变大或变小;流经这个电阻的电流也随之增加或减少,从而改变了驱动扬声器的电流值,使音量相应变大或变小。与收音机一样,模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟改变电流值的大小控制看起来可能直观而简单,但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是,模拟电路容易随时间漂移,因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热,其功耗相对于工作组件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感,任何扰动或噪声都肯
21、定会。5.1.2 数字控制由以数字方式控制模拟电路,可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外,许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器,这使数字控制的实现变得更加容易了。简而言之,PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。由高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调变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。只要频宽足够,任何模拟值都可以使用
22、PWM进行编码。下图中显示了三种不同的PWM信号。图a是一个占空比为10%的PWM输出,即在信号周期中,10的时间通,其余90的时间断。图b和图c显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如,假设供电电源为9V,占空比为10%,则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。 图5.1 PWM信号图例:用一块9V电池连接一个灯泡,使用PWM进行驱动的简单电路。如果将连接电池和灯泡的开关闭合50ms,灯泡在这段时间中将得到9V供电。如果在下一个50ms中将开关断开,灯泡得到的供电将为0V。如果在1秒钟内将此过程
23、重复10次,灯泡将会点亮并像连接到了一个4.5V电池(9V的50%)上一样。这种情况下,占空比为50%,调变频率为10Hz。 大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调变频率高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒,然后再接通、再断开。占空比仍然是50%,但灯泡在头5秒钟内将点亮,在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压的供电效果,通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)的效果,必须提高调变频率。在其它PWM应用场合也有同样的要求。通常调变频率为1kHz到200kHz之间。5.1.3 硬件控制器许多微控制器内部都包含有P
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