脉冲宽度调制
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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，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。
目录
简介
基本原理
具体过程
脉冲宽度调制优点
控制方法
1. 等脉宽PWM法
2. 随机PWM
3. SPWM法
4. 等面积法
5. 硬件调制法
6. 软件生成法
7. 自然采样法
8. 规则采样法
9. 低次谐波消去法
10. 梯形波与三角波比较法
11. 线电压控制PWM
12. 马鞍形波与三角波比较法
13. 单元脉宽调制法
14. 电流控制PWM
15. 滞环比较法
16. 三角波比较法
17. 预测电流控制法
18. 空间电压矢量控制PWM
19. 矢量控制PWM
20. 直接转矩控制PWM
21. 非线性控制PWM
22. 谐振软开关PWM
脉冲宽度调制相关应用领域
具体应用
1. 简介
2. PWM软件法控制充电电流
3. PWM在推力调制中的应用
简介
基本原理
具体过程
脉冲宽度调制优点
控制方法
1. 等脉宽PWM法
2. 随机PWM
3. SPWM法
4. 等面积法
5. 硬件调制法
6. 软件生成法
7. 自然采样法
8. 规则采样法
9. 低次谐波消去法
10. 梯形波与三角波比较法
11. 线电压控制PWM
12. 马鞍形波与三角波比较法
13. 单元脉宽调制法
14. 电流控制PWM
15. 滞环比较法
16. 三角波比较法
17. 预测电流控制法
18. 空间电压矢量控制PWM
19. 矢量控制PWM
20. 直接转矩控制PWM
21. 非线性控制PWM
22. 谐振软开关PWM
脉冲宽度调制相关应用领域
具体应用
1. 简介
2. PWM软件法控制充电电流
3. PWM在推力调制中的应用
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编辑本段简介
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。编辑本段基本原理
随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。
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
器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，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，其功耗相对于工作元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定会改变电流值的大小。
通过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。
编辑本段具体过程
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：
1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期
2、在PWM控制寄存器中设置接通时间
3、设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚
4、启动定时器
5、使能PWM控制器
编辑本段脉冲宽度调制优点
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PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
编辑本段控制方法
采样控制理论中有一个重要结论: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.PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关
断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率.
PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法.
等脉宽PWM法
VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量.
随机PWM
在上世纪70年代开始至上世纪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,载波频率一般不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注.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声(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仍然有其特殊的价值;另一方面则说明了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,随机PWM技术正是提供了一个分析,解决这种问题的全新思路.
SPWM法
SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论: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.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案.
等面积法
该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点.
硬件调制法
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形.其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点
时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波.但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制.
软件生成法
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生.软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法.
自然采样法
以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法.其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制.
规则采样法
规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波.其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样.当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样.
规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦.其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小.
以上两种方法均只适用于同步调制方式中.
低次谐波消去法
低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为u(ωt)=ansinnωt,首先确定基波分量a1的值,再令两个不同的an=0,就可以建立三个方程,联立求解得a1,a2及a3,这样就可以消去两个频率的谐波.
该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中.
梯形波与三角波比较法
前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的,从而忽视了直流电压的利用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%.因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法--梯形波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制.
由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率.但由于梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波.
线电压控制PWM
前面所介绍的各种PWM控制方法用于三相逆变电路时,都是对三相输出相电压分别进行控制的,使其输出接近正弦波,但是,对于像三相异步电动机这样的三相无中线对称负载,逆变器输出不必追求相电压接近正弦,而可着眼于使线电压趋于正弦.因此,提出了线电压控制PWM,主要有以下两种方法.
马鞍形波与三角波比较法
马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一
定比例的三次谐波,调制信号便呈现出马鞍形,而且幅值明显降低,于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下,可以使基波幅值超过三角波幅值,提高了直流电压利用率.在三相无中线系统中,由于三次谐波电流无通路,所以三个线电压和线电流中均不含三次谐波[4].
除了可以注入三次谐波以外,还可以注入其他3倍频于正弦波信号的其他波形,这些信号都不会影响线
电压.这是因为,经过PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含相应的3倍频于正弦波信号的谐波,但在合成线电压时,各相电压中的这些谐波将互相抵消,从而使线电压仍为正弦波.
单元脉宽调制法
因为,三相对称线电压有Uuv+Uvw+Uwu=0的关系,所以,某一线电压任何时刻都等于另外两个线电压负值之和.现在把一个周期等分为6个区间,每区间60°,对于某一线电压例如Uuv,半个周期两边60°区间用Uuv本身表示,中间60°区间用-(Uvw+Uwu)表示,当将Uvw和Uwu 作同样处理时,就可以得到三相线电压波形只有半周内两边60°区间的两种波形形状,并且有正有负.把这样的电压波形作为脉宽调制的参考信号,载波仍用三角波,并把各区间的曲线用直线近似(实践表明,这样做引起的误差不大,完全可行),就可以得到线电压的脉冲波形,该波形是完全对称,且规律性很强,负半周是正半周相应脉冲列的反相,因此,只要半个周期两边60°区间的脉冲列一经确定,线电压的调制脉冲波形就唯一地确定了.这个脉冲并不是开关器件的驱动脉冲信号,但由于已知三相线电压的脉冲工作模式,就可以确定开关器件的驱动脉冲信号了.
该方法不仅能抑制较多的低次谐波,还可减小开关损耗和加宽线性控制区,同时还能带来用微机控制的方便,但该方法只适用于异步电动机,应用范围较小.
电流控制PWM
电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号,把实际的电流波形作为反馈信号,通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断,使实际输出随指令信号的改变而改变.其实现方案主要有以下3种.
滞环比较法
这是一种带反馈的PWM控制方式,即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器,得出相应桥臂开关器件的开关状态,使得实际电流跟踪给定电流的变化.该方法的优点是电路简单,动态性能好,输出电压不含特定频率的谐波分量.其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音,和其他方法相比,在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多.
三角波比较法
该方法与SPWM法中的三角波比较方式不同,这里是把指令电流与实际输出电流进行比较,求出偏差电流,通过放大器放大后再和三角波进行比较,产生PWM波.此时开关频率一定,因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点.但是,这种方式电流响应不如滞环比较法快.
预测电流控制法
预测电流控制是在每个调节周期开始时,根据实际电流误差,负载参数及其它负载变量,来预测电流误差矢量趋势,因此,下一个调节周期由PWM产生的电压矢量必将减小所预测的误差.该方法的优点是,若给调节器除误差外更多的信息,则可获得比较快速,准确的响应.目前,这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性.
空间电压矢量控制PWM
空间电压矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法.它以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通,由它们的比较结果决定逆变器的开关,形成PWM波形.此法从电动机的角度出发,把逆变器和电机看作一个整体,以内切多边形逼近圆的方式进行控制,使电机获得
幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通).
具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式.磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量,若采样时间足够小,可合成任意电压矢量.此法输出电压比正弦波调制时提高15%,谐波电流有效值之和接近最小.磁通闭环式引
入磁通反馈,控制磁通的大小和变化的速度.在比较估算磁通和给定磁通后,根据误差决定产生下一个电压矢量,形成PWM波形.这种方法克服了磁通开环法的不足,解决了电机低速时,定子电阻影响大的问题,减小了电机的脉动和噪音.但由于未引入转矩的调节,系统性能没有得到根本性的改善.
矢量控制PWM
矢量控制也称磁场定向控制,其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia,Ib 及Ic,通过三相/二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1及Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿对直流电动机的控制方法,实现对交流电动机的控制.其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制.通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制.
但是,由于转子磁链难以准确观测,以及矢量变换的复杂性,使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果,这是矢量控制技术在实践上的不足.此外.它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制,在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器,这显然给许多应用场合带来不便.
直接转矩控制PWM
1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Control简称DTC).直接转矩控制与矢量控制不同,它不是通过控制电流,磁链等量来间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量来控制,它也不需要解耦电机模型,而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值,然后,经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制,从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,能方便地实现无速度传感器化,有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度,并以新颖的控制思想,简洁明了的系统结构,优良的动静态性能得到了迅速发展.
但直接转矩控制也存在缺点,如逆变器开关频率的提高有限制.
非线性控制PWM
单周控制法[7]又称积分复位控制(Integration Reset Control,简称IRC),是一种新型非线性控制技术,其基本思想是控制开关占空比,在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例.该技术同时具有调制和控制的双重性,通过复位开关,积分器,触发电路,比较器达到跟踪指令信号的目的.单周控制器由控制器,比较器,积分器及时钟组成,其中控制器可以是RS触发器,其控制原理如图1所示.图中K可以是任何物理开关,也可是其它可转化为开关变量形式的抽象信号.
单周控制在控制电路中不需要误差综合,它能在一个周期内自动消除稳态,瞬态误差,使前一周期的误差不会带到下一周期.虽然硬件电路较复杂,但其克服了传统的PWM控制方法的不足,适用于各种脉宽调制软开关逆变器,具有反应快,开关频率恒定,鲁棒性强等优点,此外,单周控制还能优化系统响应,减小畸变和抑制电源干扰,是一种很有前途的控制方法.
谐振软开关PWM
传统的PWM逆变电路中,电力电子开关器件硬开关的工作方式,大的开关电压电流应力以及高的du/dt和di/dt限制了开关器件工作频率的提高,而高频化是电力电子主要发展趋势之一,它能使变换器体积减小,重量减轻,成本下降,性能提高,特别当开关频率在18kHz以上时,
噪声将已超过人类听觉范围,使无噪声传动系统成为可能.
谐振软开关PWM的基本思想是在常规PWM变换器拓扑的基础上,附加一个谐振网络,谐振网络一般由谐振电感,谐振电容和功率开关组成.开关转换时,谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过程,谐振过程极短,基本不影响PWM技术的实现.从而既保持了PWM 技术的特点,又实现了软开关技术.但由于谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗,并使电路受固有问题的影响,从而限制了该方法的应用。
编辑本段脉冲宽度调制相关应用领域
PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业,具体讲,包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。
编辑本段具体应用
简介
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。
PWM软件法控制充电电流
本方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。
PWM在推力调制中的应用
1962年，Nicklas等提出了脉冲调制理论，指出利用喷气脉冲对航天器控制是简单有效的控制方案，同时能使时间或能量达到最优控制。
脉宽调制发动机控制方式是在每一个脉动周期内，通过改变阀门在开或关位置上停留的时间来改变流经阀门的气体流量，从而改变总的推力效果，对于质量流率不变的系统，可以通过脉宽调制技术来获得变推力的效果。
脉宽调制通常有两种方法[15]：第一种为整体脉宽调制，对控制对象进行控制器设计，并根据控制要求的作用力大小，对整个系统模型进行动态的数学解算变换，得出固定力输出应该持续作用的时间和开始作用时间；第二种为脉宽调制器，不考虑控制对象模型，而是根据输入进行“动态衰减”性的累加，然后经过某种算法变换后，决定输出所持续的时间。这种方式非常简单，也能达到输出作用近似相同。
脉宽调制控制技术结构简单、易于实现、技术比较成熟，俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭的角度稳定系统控制中。但是当调制量为零时，正反向的控制作用相互抵消，控制效率明显比变流率系统低。而且系统响应有一定的滞后，其开关的频率必须远大于KKV本身的固有频率，否则不但起不到调制效果，甚至会发生灾难性后果
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 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。
2．传导干扰机理分析 下面分三个部分来分析，首先先容所研究的实际系统的主电路，然后分析共模传导干扰的机理，最后分析差模干扰的机理。 2.1 PWM 驱动电机系统主电路 要研究的系统主电路原理图如图1 所示，现简单说明其工作原理。 三相交流电压经三相不可控整流桥整流产生直流电压Ud，经电容C 滤波后仍有微小的脉动，一般可近似以为其值不变。实际上Ud 上具有高频成分，由此产生了二极管上压降的波动。而二极管与散热片之间具有高频寄生电容，形成了共模电流流通的回路。后续章节会对其机理具体分析。直流电压经逆变器逆变后形成等效正弦波驱动感应电动机，逆变器采用正弦波脉宽调制（SPWM）技术。逆变器期看输出的波形为正弦波，以期看的正弦波作为调制波，以频率比调制波高得多的等腰三角波作为载波，当载波和调制波相交时，它们的交点作为逆变器开关
直流电机调速资料汇总 一． 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。 C语言代码： #include
} void beep(void) { uchar t; for(t=0;t<100;t++) { delay500us(); FMQ=!FMQ; //产生脉冲 } FMQ=1; //关闭蜂鸣器 delaynms(300); } void main(void) { TR0=0; //关闭定时器0 TMOD=0x01; //定时器0，工作方式1 TH0=(65526-100)/256; TL0=(65526-100)%256; //100us即0.01ms中断一次EA=1; //开总中断 ET0=1; //开定时器0中断 TR0=1; //启动定时器T0 ZKB1=50; //占空比初值设定 ZKB2=50; //占空比初值设定 while(1) { if(!K5) { delaynms(15); //消抖 if(!K5) //确定按键按下 { beep(); ZKB1++; //增加ZKB1 ZKB2=100-ZKB1; //相应的ZKB2就减少 } } if(!K6) { delaynms(15); //消抖 if(!K6) //确定按键按下 { beep();
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） 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。 综合设计报告 单位：自动化学院 学生姓名： 专业：测控技术与仪器 班级：0820801 学号： 指导老师： 成绩： 设计时间：2011 年12 月 重庆邮电大学自动化学院制 一、题目 直流电机调速与控制系统设计。 二、技术要求 设计直流电机调速与控制系统，要求如下： 1、学习直流电机调速与控制的基本原理； 2、了解直流电机速度脉冲检测原理； 3、利用51单片机和合适的电机驱动芯片设计控制器及速度检测电路； 4、使用C语言编写控制程序，通过实时串口能够完成和上位机的通信； 5、选择合适控制平台，绘制系统的组建结构图，给出完整的设计流程图。 6、要求电机能实现正反转控制； 7、系统具有实时显示电机速度功能； 8、电机的设定速度由电位器输入； 9、电机的速度调节误差应在允许的误差范围内。 三、给定条件 1、《直流电机驱动原理》，《单片机原理及接口技术》等参考资料； 2、电阻、电容等各种分离元件、IC、直流电机、电源等； 3、STC12C5A60S2单片机、LM298以及PC机； 四、设计 1. 确定总体方案； 2. 画出系统结构图； 3. 选择以电机控制芯片和单片机及速度检测电路，设计硬件电路； 4. 设计串口及通信程序，完成和上位机的通信； 5. 画出程序流程图并编写调试代码，完成报告； 直流电机调速与控制 摘要：当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 本电机控制系统基于51内核的单片机设计，采用LM298直流电机驱动器，利用PWM 脉宽调制控制电机，并通过光耦管测速，经单片机I/O口定时采样，最后通过闭环反馈控制系统实现电机转速的精确控制，其中电机的设定速度由电位器经A/D通过输入，系统的状显示与控制由上位机实现。经过设计和调试，本控制系统能实现电机转速较小误差的控制，系统具有上位机显示转速和控制电机开启、停止和正反转等功能。具有一定的实际应用意义。关键字：直流电机、反馈控制、51内核、PWM脉宽调制、LM298 一、系统原理及功能概述 1、系统设计原理 本电机控制系统采用基于51内核的单片机设计，主要用于电机的测速与转速控制，硬件方面设计有可调电源模块，串口电路模块、电机测速模块、速度脉冲信号调理电路模块、直流电机驱动模块等电路；软件方面采用基于C语言的编程语言，能实现系统与上位机的通信，并实时显示电机的转速和控制电机的运行状态，如开启、停止、正反转等。 单片机选用了51升级系列的STC12c5a60s2作为主控制器，该芯片完全兼容之前较低版本的所有51指令，同时它还自带2路PWM控制器、2个定时器、2个串行口支持独立的波特率发生器、3路可编程时钟输出、8路10位AD转换器、一个SPI接口等， 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 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 第一章:前言 1.1前言： 直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。 近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。 采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。 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本设计任务: 任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统 设计的主要内容以及技术参数: 功能主要包括： 1)直流电机的正转； 2)直流电机的反转； 3)直流电机的加速； 4)直流电机的减速； 5)直流电机的转速在数码管上显示； 6)直流电机的启动； 7)直流电机的停止； 第二章：总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。 脉冲宽度调制 百科名片 ?? 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，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。 目录 简介 基本原理 具体过程 脉冲宽度调制优点 控制方法 1. 等脉宽PWM法 2. 随机PWM 3. SPWM法 4. 等面积法 5. 硬件调制法 6. 软件生成法 7. 自然采样法 8. 规则采样法 9. 低次谐波消去法 10. 梯形波与三角波比较法 11. 线电压控制PWM 12. 马鞍形波与三角波比较法 13. 单元脉宽调制法 14. 电流控制PWM 15. 滞环比较法 16. 三角波比较法 17. 预测电流控制法 18. 空间电压矢量控制PWM 19. 矢量控制PWM 20. 直接转矩控制PWM 21. 非线性控制PWM 22. 谐振软开关PWM 脉冲宽度调制相关应用领域 具体应用 1. 简介 2. PWM软件法控制充电电流 3. PWM在推力调制中的应用 简介 基本原理 具体过程 脉冲宽度调制优点 控制方法 1. 等脉宽PWM法 2. 随机PWM 3. SPWM法 4. 等面积法 5. 硬件调制法 6. 软件生成法 7. 自然采样法 8. 规则采样法 9. 低次谐波消去法 10. 梯形波与三角波比较法 11. 线电压控制PWM 12. 马鞍形波与三角波比较法 13. 单元脉宽调制法 14. 电流控制PWM 15. 滞环比较法 16. 三角波比较法 17. 预测电流控制法 18. 空间电压矢量控制PWM 19. 矢量控制PWM 20. 直接转矩控制PWM 21. 非线性控制PWM 22. 谐振软开关PWM 脉冲宽度调制相关应用领域 具体应用 1. 简介 2. PWM软件法控制充电电流 3. PWM在推力调制中的应用 展开 编辑本段简介 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。编辑本段基本原理 随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。 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 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 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 《电子技术》课程设计报告课题：直流电机PWM调速电路 班级电气1107 学号 1101205712学生姓名王海彬 专业电气信息类 学院电子与电气工程学院 指导教师电子技术课程设计指导小组 淮阴工学院 电子与电气工程学院 2012年05月 直流电机PWM调速电路 一）设计任务与要求： 1.设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动； 2.设计PWM驱动信号发生电路； 3.设计电机转速显示电路； 4.设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速； 5.安装调试。 二）系统原理及功能概述 1）直流电机脉宽调速电路原理 对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为方便的。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）来控制电机速度。这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称 PWM。 改变占空比的方法有 3 种： （1）定宽调频法，这种方法是保持 t1 不变，只改变 t2 ，这样周期 T（或频率）也随之改变； （2）调宽调频法，保持 t1 不变，而改变 t2 ，这样也使周期 T（或频率）改变； （3）定频调宽法，这种方法是使周期 T（或频率）不变，而同时改变 t2 和 t1 由，当控制频率与系统的固有频率接近于前两种方法都改变了周期（或频率）时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。设电机永远接通电源时，其最大转速为 Vmax，设占空比 D＝ t1 /T ，则电机的平均速度为 Vd，平均速度 Vd 与占空比 D 的函数曲线如图 1－2 所示，从图可以看出，VD 与占空比 D 并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。 32位定点DSP， 片上存储器 z FLASH：128K*16-位 z SRAM：18K*16-位 z BOOT ROM：4K*16-位 z OTP ROM: 1K*16-位 片上外设 z PWM：16路 z CAPTURE / QEP：6通道 z SCI：2路 z CAN ：1路 z SPI ：1路 z McBSP：1路 z AD ：2×8路、12-位、80ns转换时间、0～3V量程 z看门狗 z3个外部中断触发 z Flash加密 z供电电压：1.9-V （150M）/1.8VCore, 3.3-V I/O 外部数据总线：XZCS0AND1 、XZCS2 、XZCS6AND7 32位定点DSP，60M主频，便于实现工业控制和电机控制等场合。 片上存储器 z SRAM：6K*16 z FLASH：16K*16 z OTP ROM: 1K*16 片上外设 z EPWM：8路 z HRPWM: 4路，占用EPWM1A/2A/3A/4A z ECAPTURE: 2路 z SPI: 1路 z IIC: 1路 z AD: 2×8路、12-位、267ns转换时间、0～3V量程 z看门狗 z3个外部中断：由外部GPIOA进行触发 z Flash加密 z供电电压：1.8-V Core, 3.3-V I/O TMS320F28015较TMS320F2812不同 取消了两个事件管理器，将PWM单元和CAP单元独立出来，便于设计人员从单片机向DSP过渡 无外部数据地址总线 ADC单元增加了零点校正 增强的CAP，32位计数器，也可以将CAP管脚设成PWM输出管脚 增强的PWM单元 z8路PWM，EPWMxA和EPWMxB（x为1～4） z EPWMx可以由外部同步信号（EPWMxSYNCI）进行同步控制 z每路EPWMx输出可以由外部信号TZx进行异步触发，如触发为低、高或高阻 z高解析度PWM（HRPWM），可在100 KHz 控制环路中实现16位精度，或在1.5 MHz情况下实现12 位精度，可以为电源等提供更高的输出精度 3个外部中断，任意一个GPIOA(GPIO0~GPIO31)都可以触发，TMS320F2812有3个固定的外部中断引脚 无论在何种主频下内核供电电压1.8V 内核和IO口上电顺序没有严格要求，IO不必先内核上电 §1.1 直流电机调速原理 §1.1.1 直流电机电压调速原理 图1.2为按电机惯例标定的直流电机稳定运行量各物理量的正方向。由图可见电机的电枢电动势Ea 的正方向与电枢电流Ia 的方向相反，为反电动势；电磁转矩T 的正方向与转速n 的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n 相反，是制动转矩。 根据基尔霍夫第二定律，对图中的电枢回路列回路电压方程可得直流电动的电动势平衡方程式： U=Ea-Ia （Ra+Rc ） （1.4） 式1.4中，Ra 为电枢回路电阻，电枢回路串联绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc 是外接在电枢回路中的调节电阻。 由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/Ce Φ （1.5） 由1.1式和1.2式得 n =Ea/Ce （1.6） 由式子1.6可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由电枢电压Ea 决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V 时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。总之电机的调速可以通过控制电枢电压实现 错误！未找到引用源。。 说明: U ………………> 电压 Ea ……… >电枢电动势 n …………………>转速 I ………………>电枢电流 r a ……… >电枢回路电阻 Rc ……… >外在电枢电阻 T1，T2………>负载转矩 T0………… > 空载转矩 Φ………………> 磁通量 图1-3 PWM 调速原理 §1.1.2 直流电机PWM 调速原理 所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。 对于直流电机调速系统，使用FPGA进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。PWM调速原理如图1-3所示。 在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为 Vd=Vmax?D （1.7）式中，Vd——电机的平均速度 Vmax——电机全通时的速度（最大） D=t1/T——占空比 平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图1.4所示。 图1-4 平均速度和占空比的关系 由图1-4可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），理想情况下，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。 由以上叙述可知：电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。 (《嵌入式系统及接口技术》课程大作业) 课程名称：嵌入式系统及接口技术 班级专业： 姓名学号： 指导老师： 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。 直流电机的P W M控制 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020 设计报告 课程名称在系统编程技术 任课教师 设计题目直流电机的PWM控制班级 姓名 学号 日期 2011年6月13日 一、题目分析 本实验设计的直流电机的PWM控制系统需要满足以下两点要求： ○1直流电机的转速具有4个档位可供调节； ○2通过按键控制直流电机的转向。 二、方案选择 方案一：采用AT89S52单片机控制产生PWM信号。一般的，通过模拟比较器产生PWM波，比较器的一端接给定的参考电压，另一端接周期性线性增加的锯齿波电压。当锯齿波的电压小于比较器的参考电压（阈值电压）时输出低电平，反之输出高电平。通过改变比较器的参考电压来改变PWM波形中高电平的宽度，即占空比。系统具体框图如下图所示： 图1单片机实现PWM控制系统框图 方案二：利用FPGA内部资源实现产生PWM波。用VHDL语言描述设计数字比较器，数字比较器的一端接设定值计数器输出，另一端接线性递增计数器输出端。当线性计数器的计数值小于设定值时输出低电平，反之输出高电平。 方案一需要通过D/A转换器产生锯齿波电压和设置参考电压，通过外接模拟比较器输出PWM波形，因此外围电路比较复杂。方案二省去了外接D/A转 化器和模拟比较器，FPGA外部连线很少，电路更加简单、便于控制。所以本系统选择方案二。 三、系统细化框图 基于FPGA的直流电机PWM控制电路主要由以下三个部分组成： （1）FPGA中PWM脉宽调制信号产生电路。 （2）FPGA中的正/反转方向控制电路。 （3）H桥功率驱动电路。 目录 目录......................................................................................................... - 1 - 一、前言 .................................................................................................. - 2 - 二、设计任务 ............................................................................................ - 2 - 三、设计原理 .......................................................................................... - 2 - 3.1 电机调速原理 ..................................................................................... - 2 - 3.2 H 桥功率驱动原理 .......................................................................... - 3 - 3.3 IR2111外围电路及器件选择 .......................................................... - 4 - 3.4 IR2111死区延迟特性 ...................................................................... - 4 - 四、方案与论证 ...................................................................................... - 4 - 五、设计内容 .......................................................................................... - 5 - 5.1 系统框图和设计原理图 ..................................................................... - 5 - 5.2 软件设计流程图 ................................................................................. - 7 - 8.1 PWM波形在线仿真效果图............................................................... - 8 - 8.2 PWM驱动电机调速PCB图............................................................. - 9 - 8.3 PWM驱动电机调速程序................................................................. - 10 -PWM控制直流电机(重要资料)
直流电机PWM调速与控制设计报告
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简述基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计
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