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      直流電機(jī)PWM調(diào)速方法探討

      2013-12-31 00:00:00廖廣益
      電子世界 2013年24期

      一、引言

      直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(直流電動(dòng)機(jī))或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能(直流發(fā)電機(jī))的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

      直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑,方便,調(diào)速范圍廣,過載能力強(qiáng),能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn),因?yàn)樾枰獫M足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求,從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求,改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求,這時(shí)候通過PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。

      采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷:模擬電路容易隨時(shí)間飄移,會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗,以及對(duì)噪聲敏感等。而用PWM技術(shù)后,避免上述的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號(hào),可以大幅度減低成本和功耗。

      二、H橋驅(qū)動(dòng)原理

      圖1中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿,而電機(jī)就是H中的橫杠。

      如圖1所示,H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況,電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī),從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

      要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如,如圖2所示,當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí),電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī),然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示,該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí),電流將從左至右流過電機(jī),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)(電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向)。

      另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況,電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí),電流將從右至左流過電機(jī),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)(逆時(shí)針方向)如圖3所示。

      三、L298N H橋驅(qū)動(dòng)芯片介紹

      L298N為SGS所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片,是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器,可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī),內(nèi)含二個(gè)H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器,接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯信號(hào),可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)。其應(yīng)用如圖4所示:

      OUT1~OUT4之間接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。IN1,IN2,IN3,IN4從單片機(jī)引入控制電平,控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),ENA,ENB,接控制使能端,控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。

      對(duì)于電機(jī)的調(diào)速,我們采用PWM調(diào)速的方法。其原理就是開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為t,周期為T,則電機(jī)兩端電壓為U=Vcc*(t/T)=kVcc。

      其中,k是占空比,Vcc是電源電壓,占空比越大,電機(jī)轉(zhuǎn)的越快。PWM配合橋式驅(qū)動(dòng)電路,實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速非常簡單,且調(diào)速范圍大。

      四、軟件設(shè)計(jì)

      編程部分采用KELI-C51語言完成,采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,劃分成成鍵盤輸入、按鍵識(shí)別和功能、PWM脈寬控制等模塊,現(xiàn)將主要函數(shù)做簡單介紹。

      ①PWM脈寬控制:本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制,延時(shí)程序函數(shù)如下:

      delays()

      {

      uchar i;

      for(i=5000;i>0;i--);

      }

      ②鍵盤中斷處理子程序:采用中斷方式,按下鍵,完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。

      要實(shí)現(xiàn)按住加/減速鍵不放時(shí)恒加或恒減速直到放開停止,就需在判斷是否松開該按鍵時(shí),每進(jìn)行一次增加/減少一定的占空比。

      中斷程序?qū)崿F(xiàn)如下:

      uchar f=5;//計(jì)數(shù)的次數(shù)

      sbit P10=P1^0;//PWM輸出波形1

      sbit P11=P1^1;//PWM輸出波形2

      sbit P12=P1^2;//正反轉(zhuǎn)

      sbit P13=P1^3;//加速

      sbit P14=P1^4;//減速

      sbit P15=P1^5;//停止

      sbit P16=P1^6;//啟動(dòng)

      void t0()interrupt 1 using 2

      {

      TH0=0xb1;//重裝t0

      TL0=0xe0;

      f--;

      if(k==0)//控制正反轉(zhuǎn)

      {

      ……

      }

      else

      {

      ……

      }

      if(f==0)//輸出脈沖,重新裝t0初值

      {

      ……

      display();//顯示功能

      }

      }

      五、小結(jié)

      該方法經(jīng)過驗(yàn)證,達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速效果,而且效果良好,用示波器可觀察到PWM驅(qū)動(dòng)波形。

      參考文獻(xiàn)

      [1]高衛(wèi)東.51單片機(jī)原理與實(shí)踐[J].北京航空航天大學(xué),2011.

      [2]王志新.電機(jī)控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

      [3]L298N中文數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].

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