基于单片机的直流电机调速器设计

电子设计（论文）报告

题 目 基于单片机的直流电机调速器设计

院 系 xxxxxxxxxxxxxx . 专 业 机电一体化工程 . 姓 名 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx . 指导教师 xxxxxxxxxxxxxxx .

2012年 3 月

目录

1．直流电机调速概述................................................. 3

1

1.1 直流电机的结构和工作原理 .................................... 3

1.1.1直流电机的结构 ......................................... 3 1.1.2 直流电机的工作原理..................................... 5 1.2 直流电机的调速原理 .......................................... 7 1.3 本课题直流电机调速思路 ...................................... 9

1.3.1 直流电机脉宽调速....................................... 9 1.3.2 电机H桥电路.......................................... 10

2 调速器电器原理图设计............................................. 12

2.1 电源设计 ................................................... 12

2.1.1 芯片LM2576简介....................................... 12 2.1.2 电源转换-----电气原理图............................... 13 2.2 单片机选型 ................................................. 14 2.3 Mos管...................................................... 16 2.4 H桥驱动电路................................................ 17 2.5 信号处理电路 ............................................... 18 3 电路板的制作和调试............................................... 19

3.1元器件的封转................................................ 19 3.2元器件清单.................................................. 21 3.3 PCB板...................................................... 22

2

1．直流电机调速概述

1.1 直流电机的结构和工作原理

1.1.1直流电机的结构

直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成，定子与转子之间有间隙，称为气隙。

定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置；转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件,如图1-1所示。

图1-1 直流电机的结构图

1）定子部分

定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑。 （1）机座

机座既可以固定主磁极、换向器、端盖等，又是店家磁路的一部分（称为磁轭）。机座一般使用铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。（2）主磁极

主磁极的作用是产生气隙磁场，由主磁极铁芯和主磁极绕组（励磁绕组）构

3

成。主磁极铁芯一般由1.0~1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成，包括极身和极靴两部分。极靴做成圆弧形，以使磁极下气隙磁通较均匀。极身上面套有励磁绕组，绕组中通入直流电流。整个磁极用螺钉固定在机座上。

当给励磁绕组通入直流电时，各主磁极均产生一定极性，相邻两主磁极的极性是N、S交替出现的。

图1-2 直流电机的主磁极 图1-3 直流电机的换向级

（3）换向级

换向级用来改善换向，由铁芯和套在铁芯上的绕组构成。换向级铁芯一般由整块钢板制成，如换向要求较高，则用1.0~1.5mm厚的钢板叠压而成，其绕组中流过的是点数电流。换向级装在相邻两主极之间，用螺钉固定在机座上。 （4）电刷装置

电刷与换向器配合可以把转动的电枢绕组电路和外电路连接并把电枢绕组中的交流量转换为电枢端的直流量。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆架、弹簧、铜辫构成。电刷组的个数，一般等于主磁极的个数。

2）转子部分

转子又称电枢，是电机的转动部分，其作用是感应电势和产生电磁转矩，从而实现能量的转换。直流电机转子结构如下图1-4所示。

4

图1-4 直流电机的转子

（1）电枢铁芯

电枢铁芯是电机磁路的一部分，其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯一般用0.5mm厚、两边涂有绝缘的硅钢片冲片叠压而成。电枢铁芯固定在转轴或转子支架上。铁芯较长时，为加强冷却，可把电枢铁芯沿轴向分成数段，段与段之间留有通气孔。 （2）电枢绕组

电枢绕组是直流电机的主要组成部分，其作用是感应电动势能和通过电枢电流，它是电机实现机电能量转换的关键。通常用绝缘导线绕成的线圈（或称元件），并按一定规律连接而成。 (3)换向器

换向器是由多个紧压在一起的梯形铜片构成的一个圆筒，片与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各个元件的始端与末端与换向片按一定规律连接。换向器与转轴固定在一起。 1.1.2 直流电机的工作原理

图1-5中N、S为固定不动的定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的转子线圈，线圈的首段a，末端d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同转动的导电换向片上。转子线圈与外电路的连接时通过放置在换向片上固定不动的电刷来实现的。若把电刷A、B连接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B

5

接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。如图1-5（a）所示，设线圈的ab边位于N极下，线圈的cd边位于S极下，则导体每边所受电磁力的大小为：

F=BxLI

式中，Bx为导体所在处的磁通密度，单位为Wb/m2； L为导体ab或cd的有效长度，单位为m； I为导体中流过的电流，单位为A； F为电磁力，单位为N。

b

f

a

c

d

f

f

d

b

a

f c

(a)

图1-5 直流电动机的模型

导体受力方向由左手定则确定。在图1-5（a）的情况下，位于N极下的导体ab受力方向为从右向左，而位于S极下的导体cd受力方向为从左向右。该电磁力与转子半径之积即为电磁转矩，该转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻转矩时，线圈按逆时针方向旋转。当电枢旋转到图1-5（b）所示位置时，原位于S极下的导体cd转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原位于N极下的导体ab转到S极下，其受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极下导体所受力的方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。这就是直流电动机的工作原理。

实际直流电机的电枢是根据实际应用情况需要有多个线圈。线圈分布于电枢

6

(b)

铁芯表面的不同位置，并按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极N、S也是根据需要交替放置多对。

1.2 直流电机的调速原理

直流电机的转速计算公式如下：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。可以看出，改变转速的方法有：调节电枢供电电压U；改变电枢回路电阻R；改变励磁磁通φ。

调压调速：保持电枢回路总电阻和励磁磁通不变，调节电枢电压U，其调速特点为：转速下移，机械特性曲线平行下移，其特性曲线如下图1-6所示。

图1-6 调压调速特性曲线

调阻调速：保持电枢电压U和励磁磁通不改变，调节电枢回路电阻R从而改变转速。其调速特点：转速下降，其机械特性曲线变软，其特性曲线图下图1-7所示。

图1-7 调阻调速特性曲线

调磁调速：保持电枢电压和电枢回路电阻不变，调节励磁磁通从而改变转速。

7

其调速特点：转速上升，机械特性曲线变软。其特性曲线如下图1-8所示。

图1-8 调磁调速特性曲线

三种调速方法性能比较：调阻调速只能实现有级调速；调磁调速虽然可实现平滑调速，但调速范围不大，只能在基速以上做小范围的弱磁升速；调压调速可以在大范围内实现无级平滑调速，故目前实际应用中常用调压调速。

常用的调压调速方法有：

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。其不足是设备多，体积大，费用高，维护不方便。

2）静止式可控整流器-用静止式的可控整流器以获得可调的直流电压。其经济型和可靠性大幅提高，但不易实现可逆运行，承受过载能力差，谐波与无功功率造成“电力公害”。

3）直流斩波器或脉宽调制变换器-用恒定直流电源或可控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。直流斩波器原理图和电压波形图如下图1-9所示。采用简单的单管控制时称为直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲脉宽调制开关电路，统称为脉宽调制变换器（Pulse Width Modulation），简称PWM变换器。

图1-9 直流斩波器原理图和电压波形图

8

通过PWM调节电压，其损耗小，功率高，调节方便，是目前应用最广的直流电机调速方法。直流电机调速通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100%变化，从而改变电机速度。

1.3 本课题直流电机调速思路

1.3.1 直流电机脉宽调速

直流电机的速度通过调节其电压来完成调速，电机电压通过pwm电压的占空比值来实现调节，通过不同的占空比能得到不同的平均电压值，占空比高，平均电压高，转速就快，占空比低，平均电压低，转速就慢。在PWM调速系统中，占空比是一个非常重要参数，在电源电压不变的情况下，直流电机电枢端电压的平均值取决于占空比的大小，改变占空比的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。常见改变占空比有三种方法：

图1-10 电枢电压占空比图

a、定宽调频法：保持不变，只改变t2，这样使周期(或频率)也随之改变。 b、调宽调频法：保持t2不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。 c、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变或t2。

在这三种方法中，前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用方法c来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压是最好的选择。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。综合考虑，本设计采用定频调宽法。

9

1.3.2 电机H桥电路

根据实际需要，电路需要同时控制正反向，那样就需要更多的电路---H桥电路。

（1）首先介绍继电器控制电路（如下图所示）：处于“高”位置的继电器是控制电源流入的方向，称之为“源”电路；处于“低”位置的继电器是控制电源流入地的方向，称之为“漏”电路。

图1-11 继电器控制电路

继电器控制电路能够实现电机的正反转，但切换正反转的频率受，不能实现高频率的切换。另外，切换后电机的速度不平稳。

（2）场效应管连接的H桥（下图）：这是我们实际使用的H桥电路的真正形式。我们现在不需要在继电器两端接二极管了，不过还是要在控制管两端接。在图上我们看到晶体管代替了继电器。在高位的晶体管必须是PNP型三极管或者P沟道场效应管；低位的晶体管必须是NPN型三极管或者N沟道型场效应管。

图1-12 场效应管控制电路

如果你将两个高位电路或者两个低位电路同时接通，马达会自动制动。这是因为当没有电源供给时，马达在自由转动的情况下是处于发电状态，同位的电路

10

接通，相当于将马达的两端“短接”，那么马达会因为短路而相当与接了一个无限大功率的电炉即一个很大的负载，所以马达就会产生“电”制动；当你把马达两端悬空后，它就恢复自由了。

为了以避免马达的反电动势的危害，我们仍然需要在晶体管两端接二极管，因为马达线圈在电路开闭瞬间产生的反向电动势通过会高过电源，这样对晶体管和电路会有很大的影响甚至烧毁零件。半导体晶体管本身有导通电阻，在通过大电流时会明显发热，如果没有散热,会很很容易烧毁。这样就会电路功率的增加。

以上我们分析了H桥电路，H桥电路可实现电机的PWM调速，我们的调速器也是基于这个电路原理设计的。

1.4 直流电动机的参数

我们所用的直流电机型号如下： 直流电机的型号：Z4D40-24GN 额定电压：24V DC 额定电流：2.0A 额定转速：3000r/min

图1-13 直流电动机

11

2 调速器电器原理图设计

2.1 电源设计

2.1.1 芯片LM2576简介

LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576系类包括LM2576（最高输入电压为40V）及LM2576HV（最高输入电压为60V）二个系列。各系列产品均提供有3.3V(-3.3V)、5V(-5V)、12V(-12V)、15V(-15V)及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。此外，该芯片还提高了工作状态的外部控制引脚。 1）LM2576系列开关稳压集成电路的主要特性：  最大输出电流：3A；

 输出电压可调范围：1.23V－37V (HV型号的可达57V)，负载电压的输出容

差最大为±4％；

 最高输入电压：LM2576为40V，LM2576HV为60V；  输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ可选；  振动频率：52kHz；

 转换效率：75%~88%（不同电压输出时的效率不同）；  控制方式：PWM；  工作温度范围：-40~+125

 工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制；  工作模式控制：TTL电平兼容；

 所需外部元件:仅四个（不可调）或六个（可调）；  器件保护：热关断及电流；  封装形式：TO-220或TO-263。 2）LM2576的电器原理图

12

图2-1 LM2576的电器原理图

1）VIN—输入电压端，为减小输入瞬间电压和给调节器提供开关电流，此接脚应接旁路电容CIN；

2）OUTPUT—稳压输出端，输出高电压为（VIN－VSAT），输出低电压为-0.5V。 3）GND—电路地；

4）FEEDBACK—反馈端；838电子

5）ON/OFF—控制端，高电平有效，待机静态电流仅为75μA 2.1.2 电源转换-----电气原理图

基于单片机的直流电机调速器设计提供的电源为直流24V，而电路中需要的电压还有12V和5V，所以需要将24V的电源转换成所需要的电源电压值。电源转换为：24C DC→12V DC→5V DC。

图2-2 电源转换原理图（24V转换为12V）

图2-3 电源转换原理图（12V转换为5V）

13

2.2 单片机选型

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

本设计需要选择具有PWM波输出功能的单片机作为控制器，并选择合适的驱动芯片和MOS管驱动H桥电路，这样电路具有一定的保护和抗干扰能力，所以，根据设计需要，选择的单片机型号为W79E825A。 1） W79E825A介绍

W79E825A 系列是一个快速 51 微控制器，它有可以在系统编程的(ICP)应用程序 Flash EPROM，可以使用烧写器在系统中编程。W79E825A 系列的指令系统完全与标准的 8052 指令系统兼容。16K/8K/4K/2K/1K 字节主 Flash EPROM；256/128 字节的 NVM 数据 Flash EPROM；256/128 字节 RAM；2 个 8 位和 1 个 2 位双向可位寻址的 I/O 端口；2 个 16-位定时器/计数器；4 路 10 位 AD 转换器；4 路 10 位 PWM；2个串口包括 1 个 I2C 和 1 个增强型全双工串口。支持 13 个中断源 4 级中断；容易编程和校验，W79E825A系列内部的 FLASH EPROM 程序存储器支持电编程读取。一旦程序确定后，用户可以对代码进行保护。 W79E825A 系列支持在电路仿真(ICE)功能，有一个 JTAG 接口可以连接到开发系统用于调试。 （1） W79E825A特性

• 全静态 8 位 CMOS 加速 51 微控制器，时钟频率可达 20MHZ ；VDD=4.5V~5.5V 时钟频率可达 20MHZ，VDD=2.7V~ 5.5V 时钟频率可达 12MHz 。

• 16K/8K/4K/2K/1K 字节可以在系统编程的(ICP)应用程序 Flash EPROM (AP Flash EPROM)

• 256/128 字节片内 RAM

• 256/128 字节 NVM 数据 FLASH EPROM，可以存储数据 • 指令与 MCS-51 兼容

14

• 集成 JTAG 接口，在芯片调试功能

• 2 个 8 位和 1 个 2 位双向可位寻址的 I/O 端口 • 2 个 16-位定时器/计数器 • 支持 13 个中断源，4 级中断

• 一个全双工串口，并具有帧错误检测和地址自动识别功能 • 4 个 I/O 口，可以选择为输出模式和TTL/史密斯触发器输入摸式 • 可编程看门狗定时器 • 4 路 10 位 PWM • 4 路 10 位 ADC

• 1 个 I2C 通信接口(主/从) • 8 个按键中断输入口 • 两个模拟比较器 • 可配置的片内振荡器

• 所有的端口引脚都有直接 LED 的能力 (20mA) • 低电压检测，可以产生中断和复位 （2）单片机的引脚配图

图2-4 单片机W79E825A的电气原理图

（3）单片机的引脚功能

15

图2-5 单片机引脚功能

单片机接线

2.3 Mos管

Mosfets管控制的电路：MOS管，由于结构和原理的不同，导通电阻远比普通三极管低，允许流过更大的电流。而且MOS管都内置有反向二极管来保护管子本身。所以采用MOS管连接H桥不但效率可以提高，电路也可以简化。

使用MOS管搭建H桥，高位电路要用P沟道管；低位要用N沟道管。因为N沟道管比P沟道管便宜的多，所以有人用N沟道管在高位，加上削波电路来抑制反电动势。

由于功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需要，H桥电路中的4个功率MOSFET分别采用N沟道型和P沟道型，而P沟道功率MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机，这样就有两种可行方案：一种是上下桥臂分别用2个P沟道功率MOSFET和2个N沟道功率MOSFET；另一种是上下桥臂均用N 沟道功率MOSFET。 相对来说，利用2个N沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET驱动电机的方案，控制电路简单、成本低。但由于加工工艺的原因，P沟道功率 MOSFET的性能要比N沟道功率MOSFET的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。而N沟道功率MOSFET，一方面载流子的迁移率较高、频率响应较好、跨导较大；另一方面能增大导通电流、减小导通电阻、降低成本，减小面积。综合考虑系统功率、可靠性要求，以及N沟道功率MOSFET的优点，本设计采用4个相同的N沟道功率MOSFET的H桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大并具有较大的

16

驱动电流。

本设计选用的Mos型号为国际整流器公司的IRF3205，利用先进的处理技术达到每个硅片极低的导通阻抗。这样有益于结合高速的开关和可靠使MOSFETS大量地实用设备上，使设计师能够非常高效，可靠的应用在各个方面。

图2-6 MOS管的电气原理图

2.4 H桥驱动电路

图2-7 电机驱动电路

17

2.5 信号处理电路

直流电机正反转通过外部信号给定，速度调节通过旋转电位计给定，旋转电位计的调压范围为0-5V。

18

3 电路板的制作和调试

3.1元器件的封转

下面列举几个本设计常用元件的封装 （1）电阻、电容的封装

电阻、电容是电路中常见的元器件，一般电阻的作用是分压和分流，而一般电容在电路中具有隔断直流、连通交流、阻止低频的特性作用，广泛应用在耦合、隔直、旁路、滤波、调谐、转换能量和自动控制等。

图3-1 电容电阻（0603）封装

（2）二极管IN4148的封装

IN4148是硅材料小功率开关二极管，单向导通的作用，速度较快。

图3-2 IN4148二极管封装

（3）MOS管2SK2986的封装

图3-3 MOS封装

（4） 光耦PC817的封装

PCB817是常见的线性光耦在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦

19

合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，另外它还起到反馈作用。

当输入断加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“点—光—点”的转换。它的封装如图所示。

图3-4 光耦PC817封装

（5） 驱动芯片IR2110的封装

在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式.，美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。

图3-5 驱动芯片IR2110封装

（6） 电源转换芯片LM2576的封装

LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

20

图3-6 LM2576电源转换芯片封装

3.2元器件清单

表2-1 调速器元器件清单

参数 0.01UF 0.1UF 参数 0603 0805 数量 4 12 元件 C14, C15, C16, C17 C1, C2, C3, C4, C5, C20, C21，C22, C23, C24, C25, C26 0.47UF 1000UF 100UF 25V 100UF 60V 100UH 11.0592M 1K 1M 1N4148 1N5822 1UF 2.7K 22PF 2SK2986 30K 330 4.7K 470UF 60V 4mohm 51 5K C1959 CON2 0603 CAP13 CAP12 CAP12 1206 XTAL-1 0603 0805 IN4148 IN5822 0805 0603 0805 IR3205 0805 0603 0805 CAP471 R004 0603 0603 TO-92 HEADER2 4 2 1 1 2 1 5 1 2 2 2 4 2 4 1 2 7 2 1 8 2 2 1 C10, C11, C12, C13 C28, C29 C30 C27 L1, L2 Y1 R17, R18, R19, R20, R21 R23 D1, D2 D14, D15 C8, C9 R26, R27, R28, R29 C18, C19 D7, D8, D9, D10 R22 R24, R25 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 C6, C7 R16 R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15 R30, R31 D12, D13 J4 21

CON3 CON4 IN4747B IR2110 LED LM2576-05 LM2576-12 LM358 PC817 W79E825A

HEADER1 H4 IN4747 SOP16 LED TO-220 TO-220 SOP8 PC817 DIP20 1 4 4 2 1 1 1 1 2 1 J3 AA+1, AA_1, J1, J2 D3, D4, D5, D6 U1, U2 D11 U8 U7 U3 U5, U6 U4 3.3 PCB板

画好电气原理图，并对其进行封装后生成PCB版图。

PCB板

4. 制版

按照PCB板的要求、设计需要和实际尺寸，制作成电路板。

22

23