毕 业 设 计 论 文
直流电机的PWM 调速控制器
专 业 名 班 级 学
年 月 日
摘要:本文介绍的是一种脉冲宽度调制（PWM ）控制的双环可逆直流调速系统，它采用场效应晶体管（FET ）脉宽调制（PWM ），这是一种新型的控制系统。它可以方便的控制其通断。因此它组成的调速系统除结构简单外，更具有开关频率高、主电路脉动成分小、低速运行性能好。本设计的意义在于运用PWM 原理能有效地提高装置的功率因素，有效地控制和消除谐波。从而达到节约能量，经济高效的效果。
关键词:脉冲宽度调制，直流调速系统，结构简单
Abstract: The text is about a inverted double-circle direct-current system that is controlled by pulse width modulation（PWM ）. It adopts FET-PWM. It is a new kind of controlling system. It is convenient to control its working or not. Besides its simple structure, it also has the high switch frequency, low pulse float in the power circuit and excellent low speed function. The significance designing that originally depends on the principle wielding PWM can improve the device power factor effectively, controls and removes a harmonic effectively. Reach the economy energy, economy high-effect effect thereby.
KEYWORD ：pulse width modulation，direct-current system ，simple structure
目录
绪论 ........................................................................................................................................................... 1
第一章 脉宽调制(PWM)直流调速控制概述 ..................................................................................... 2
1.1 直流电机调速原理 ............................................................................................................ 2
1.2 PWM 控制技术的应用 . ........................................................................................................ 2
1.2.1 PWM 在直流调速中的应用 . ........................................................................................ 2
1.2.2 PWM相关概念 . .......................................................................................................... 3
1.2.3 PWM 控制电机转速的原理 . ................................................................................... 3
1.3 设计目标 ............................................................................................................................... 4
第二章 元器件应用介绍 ................................................................................................................... 5
2.1 二极管 ....................................................................................................................................... 5
2.1.1 整流二极管 . ................................................................................................................... 6
2.1.2 稳压二极管 ................................................................................................................. 6
2.1.3 续流二极管 . ................................................................................................................... 6
2.2 整流桥堆.................................................................................................................................. 7
2.3 三端稳压器 ............................................................................................................................. 7
2.2.1固定输出三端稳压器 ................................................................................................. 7
2.3 运算放大器 ............................................................................................................................. 8
2.3.1 LM324运算放大器 ..................................................................................................... 8
2.4 电压比较器 ............................................................................................................................. 9
2.4.1 LM393比较器 ............................................................................................................ 10
2.5 三极管 . ................................................................................................................................... 11
2.5.1 NPN型、PNP 型三极管的结构和符号 .................................................................. 11
2.5.2 NPN型三极管电流放大原理 . ...................................................................................... 11
2.5.3 晶体三极管的三种工作状态 ................................................................................. 12
2.6 场效应管 ................................................................................................................................. 13
2.6.1 场效应管的作用与特点 . ............................................................................................. 13
2.6.2 场效应管的分类 ...................................................................................................... 13
2.6.4 关于MOSFET —IRF740 . ............................................................................................ 14
2.7 光电耦合器 ............................................................................................................................. 14
第三章 电路设计 ............................................................................................................................. 16
3.1 直流电源 ................................................................................................................................. 16
3.1.1 ±12V直流稳压电源 . .................................................................................................. 16
3.1.2 为直流电机供电的+36V直流电压 . ............................................................................. 18
3.1.3 为H 型桥式驱动电路上桥和下桥供电的+12V和-5V 直流电压 . ............................. 18
3.2 三角波电路 ............................................................................................................................. 20
3.2.1三角波电路工作原理 . .................................................................................................. 20
3.2.2 参数计算...................................................................................................................... 21
3.2.2 元器件参数选择 . ......................................................................................................... 21
3.3 方波输出 ................................................................................................................................. 22
3.4 H桥驱动电路........................................................................................................................... 23
3.4.1 H桥驱动电路原理 . ...................................................................................................... 23
3.5 单双极性可逆变换器比较 . ..................................................................................................... 24
3.4.2 PWM控制H 桥功率驱动电路 . ...................................................... 错误！未定义书签。
3.4.3 PWM控制H 桥功率驱动电路工作原理 . ...................................... 错误！未定义书签。
3.4.4 H桥驱动电路器件 . ...................................................................................................... 27
第四章 总结 ..................................................................................................................................... 28
致谢 ......................................................................................................................................................... 29
参考文献 ................................................................................................................................................. 30
附表A ...................................................................................................................................................... 31
附表B ...................................................................................................................................................... 32
附表C ...................................................................................................................................................... 33
附表D ...................................................................................................................................................... 34
毕业设计论文 直流电机的PWM 调速控制器
绪论
在当今社会生活中，电子科学技术的运用越来越深入到各个行业之中，并得到了长期的发展和进步，自动化控制更是得到了广泛的应用，其中一项重要的应用就是——自动调速系统。
直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在脉宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制；而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R 即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。
伴随着电力电子技术的不断发展，开关速度更快、控制更容易的全控型电力电子器件（GTR 、MOSFET 、IGBT 、PIC ）逐渐成为主流，由他们组成的各种功率变换装置也随之发展，从而使直流电动机调速装置的种类不断拓展，性能不断提高。其中PWM （脉宽调制）是常用的一种调速方法。
PWM （脉宽调制）具有极大的优越性：主电路简单，需要的功率器件少：开关频率高，快速响应性好，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小；波形系数好，对电网功率因数高；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右。若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。
本设计采用PWM 技术对直流电机进行调速，与一般直流调速相比，既减少了对电源的污染，而且使控制过程更简单方便，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的维护、维修变得更加简单，同时动、静态性能却提高了。
第一章 脉宽调制(PWM)直流调速控制概述 毕业设计论文
第一章 脉宽调制(PWM)直流调速控制概述
1.1 直流电机调速原理
当改变励磁电流时，可以改变磁通量的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。
而对于调节电枢外加电阻R 时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。
当改变电枢电压理想空载转速随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。
1.2 PWM 控制技术的应用
PWM 是Pulse Width Modulation的缩写，即脉冲宽度调制，是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) 。
调速可分为直流调速和交流调速。尽管直流电机比交流电机结构复杂、成本较高、维修保养贵，但是其调速性能好，所以在调速传动领域中一直占主导地位。
1.2.1 PWM 在直流调速中的应用
PWM 广泛应用于直流调速系统，例如，以往普遍应用的晶闸管相控整流—直流电机调压调速系统，现在也发展了全波步控整流PWM 斩波—直流电压调速系统，开关磁阻电动机也是有直流斩波器供电的。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。
直流电动机转速n 的表达式为：
n= Ua-IaΣRa∕C e ·φ（r/min） （1—1）
式中，Ua 为电枢端电压（V ），Ia 为电枢电流（Α），ΣRa为电枢电路总电阻（Ω），Φ为每级磁通量（Wb ），Ce 为与电机结构有关的常数。
由式1—1可知，直流电动机转速n 的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制励磁通Φ，其控制功率虽然小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制。而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的是电枢电压控制法。Ua=Ud-IaR，虽然调节电阻R 即可改变端电压达到调速目的，但这种方法效率很低。随着电力电子技术的进步，可
毕业设计论文 直流电机的PWM 调速控制器 由PWM 斩波器进行斩波调压。本文主要介绍PWM 实现的直流调速系统。
1.2.2 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。如图1—1所示，
占空比D 关系式：
D=t/T ﹪
图1—1 占空比图例
图1—2所示为PWM 矩形波，PWM 调速就是通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”（D=t/T）来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
u
O
t T 2T 3T t
图1—2 PWM波
1.2.3 PWM 控制电机转速的原理
PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM 可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
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、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为V ，当我们改变占空比D 时，就可以得到不同的电机平均速度 ，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D 并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。
第一章 脉宽调制(PWM)直流调速控制概述 毕业设计论文
1.3 设计目标
本设计需要实现直流电机的正、反双向转动，同时能够实现电机的调速。要使电机能够正、反转双向转动可以通过使用4个场效应管组成的H 桥电路实现，而电机的调速则可通过使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM （脉冲宽度调制）调速。
第二章 元器件应用介绍
2.1 二极管
二极管又称晶体二极管, 简称二极管(diode)。它只往一个方向传送电流，我们称之为二极管的单向导电性。它具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。
P 区的载流子是空穴，N 区的载流子是自由电子，在靠近交界处，P 区出现带负电的粒子区，N 区出现带正电的粒子区，于是产生了内部电场。
当电源正极接P 端且负极接N 端时，称PN 结外加正向电压。此时外电场方向与内电场方向相反，削弱了内电场，使空间电荷区变窄，多数载流子就能越过空间电荷区形成电流。此时PN 结处于正向导通状态。加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍不能导通，通过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到门槛电压（鍺管约为0.3V ，硅管约为0.6V ）以后二极管才能真正导通，导通后二极管两端电压基本不变（鍺管约为0.3V ，硅管约为0.6V ），称为二极管的“正向压降”。
若PN 结外加反向电压，此时外电场方向与内电场方向相同，则使内电场增强。使空间电荷区变宽，有利于少数载流子漂移运动的进行，形成漂移电流即反向电流。但少数载流子很少，故反向电流很小。通常可认为PN 结处于反向偏置时不导电。此时PN 结处于截止状态。二极管处于反向偏置时，任然会有微弱的电流通过二极管，成为漏电流。当二极管两端反向电压增加到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单向导电性，这种状态称为二极管的击穿。
二极管的应用主要有：整流二极管、开关元件、限幅元件、继流二极管、检波二极管、变容二极管、显示元件和稳压二极管。
图2—1为二极管的伏安特性曲线
图2—1 二极管的伏安特性曲线
2.1.1 整流二极管
整流二极管利用二极管的单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成方向单一的脉动直流电。
通常它包含一个PN 结，有阳极和阴极两个端子。其结构如图2—2所示。
图2—2 整流二极管结构
2.1.2 稳压二极管
稳压管的结构同整流二极管一样。当加在稳压二极管的反向电压增加到一定数值时，将可能有大量载流子隧穿伪结的位垒，形成大的反向电流，此时电压基本不变，称为隧道击穿。当反向电压比较高时，在位垒区内将可能产生大量载流子，受强电场作用形成大的反向电流，而此时电压亦基本不变。因此，反向电压临近击穿电压时，反向电流迅速增加，而反向电压几乎不变。此时稳压二极管工作在反向击穿区。
图2—3为稳压二极管的电路符号。
图2—3 稳压二极管电路符号
稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。 这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
2.1.3 续流二极管
续流二极管在电路中一般用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏，以并联
的方式接到产生感应电动势的元件两端，并与其形成回路，使其产生的高电动
势在回路以续电流方式消耗，从而起到保护电路中的元件不被损坏。
续流二极管都是并联在线圈的两端，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的元件产生反向电压。当反向电压高于元件的反向击穿电压时，会使元件如三极管、晶闸管等造成损坏。续流二极管并联在线两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。从而保护了电路中的其它原件的安全。 续流二极管在电路中反向并联在继电器或电感线圈的两端，当电感线圈断电时其两端的电动势并不立即消失，此时残余电动势通过二极管释放。
2.2 整流桥堆
整流桥是将整流管封在一个壳内的器件。分为全桥和半桥。全桥是由四只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的。半桥是将两个二极管按桥式整流半波整流电路的形式封装在一起的。
有多种方法可以用整流二极管将交流电转换为直流电，包括半波整流、全波整流以及桥式整流等。本设计中使用的KBP307整流桥，就是将桥式整流的四个二极管封装在一起，只引出四个引脚。四个引脚中，两个直流输出端标有＋或－，两个交流输入端有～标记。
一般整流桥命名中有3个数字, 第一个数字代表额定电流A ；后两个数字代表额电压(数字*100)，V 。
如:KBL410 即4A ，1000V
RS507 即5A ，700V
本设计中选用的整流桥型号为KBP307，其额定电流为3A ，额定电压为700V 。
2.3 三端稳压器
三端稳压器的内部集成了一个串联型稳压电路，引入了电压负反馈稳定输出电压，同时采用多种措施提高性能，如提高温度稳定性、稳压系数、过流及过压保护等。
三端稳压器，主要有两种，一种是输出电压为固定的固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。
2.2.1固定输出三端稳压器
本设计中使用的是固定三端稳压器，其通用产品有78系列（正电源）和79
系列（负电源），输出电压由具体型号中的后面两个数字代表，有5V ，6V ，8V ，9V ，12V ，15V ，18V ，24V 等档次。输出电流以78（或79）后面加字母来区分L 表示0.1；AM 表示0.5A ，无字母表示1.5A ，如78L05表求5V 0.1A。
根据设计要求，电源电路要求输出稳定的 12V 直流电，以驱动后面的三角波电路，以及PWM 电路，三端稳压器选择7812和7912作为正负电流电路稳压器。
7812为正三端稳压，1脚输入，2脚接地，3脚输出，输入电压接+12V。
7912为负三端稳压，2脚输入，1脚接地，3脚输出，输入电压接-12V 。
两者在电路中的接法如下图2—4、图2—5所示。
输输出
输出
图2—4 7806电路连接图 图2-5 7906电路连接图
2.3 运算放大器
运算放大器（简称运放）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out ）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。
运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。本设计中使用的运放LM324的供电方式即为双电源供电。
2.3.1 LM324运算放大器
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。每一组运算放大器可用图2—6所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为信号输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。
同相输入端
输出
反相输入端
图2—6 运算放大器
LM324内部由四个独立的运算放大器组成，共同用同一个驱动电源 12V 电源 LM324的内部结构见图2—7，引脚排列图见图2—8。
图2—7 LM324内部结构图 图2—8 LM324引脚排列图 1OUT 1IN-1IN+VCC 2IN+2IN-2OUT 4OUT 4IN-4IN+GND 3IN+3IN-
3OUT
2.4 电压比较器
电压比较器是将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。
如图2—9所示。
（1）当Ui ＜U R 时，运放输出高电平，稳压管Dz 反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压Uz ，即U o ＝Uz 。
（2）当Ui ＞U R 时，运放输出低电平，Dz 正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降U D ，即Uo ＝－U D 。
图2—9 电压比较器电路图
因此，以U R 为界，当输入电压Ui 变化时，输出端分别反映出高电位和低电位。
2.4.1 LM393比较器
LM393 是双电压比较器集成电路。其内部结构如图2—10所示。
图2—10 LM393内部结构图
LM393主要功能是比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系) ：
当“＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平；
LM393管脚排列如图2—11所示，各引脚功能如表2—1所示。
表 2—1 LM393管脚功能表
图2—11 LM393管脚排列图
LM393具有以下特点：内部含有两个比较器，工作温度范围：0℃～70℃；工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：2～36V ，双电源:±1～±18V ；消耗电流小，Icc=0.8mA；输入失调电压小，VIO=±2mV ；共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V ；输出与TTL ，DTL ，MOS ，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门。
2.5 三极管
三极管，全称应为半导体三极管，也称晶体三极管或晶体管，是构成各种电子电路的基本原件，其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。三极管的分类有很多，按结构可分为NPN 和PNP 型两类。目前生产的硅管多为NPN 型，鍺管多为PNP 型，其中硅管的使用率远大于鍺管。三极管除了有对电流放大作用外，还有开关作用(即通、断作用) ，当基极加上正偏压时，NPN 型三极管即导通处于饱和状态反之，三极管就不导通。本设计中使用的三极管为S9014，其为NPN 型硅管，在本设计中具有开关作用。
2.5.1 NPN型、PNP 型三极管的结构和符号
NPN 型三极管的结构如图所示，它在N 型半导体的基片上通过杂质补偿，在中间长生一个很薄的P 型层，并与两端的N 型半导体紧密结合而构成的管子。整个三极管是有两个PN 结构成的三层半导体，中间一层称为基区，两边分别称为发射区和集电区。从这三个区引出的电极分别称为基极b 、发射极e 和集电极c 。发射区和基区之间之间的PN 结称为发射结J e ，基区和集电区之间的PN 结称为集电结J c 。图2—12为NPN 型三极管的电路符号，其中箭头方向表示发射结正偏是发射极电流的实际方向。发射极箭头指向也是PN 结在正向电压下的导通方向。
PNP 型三极管的结构与PNP 型相似，也是有两个PN 结构成的三层半导体，不过这种管子是在P 型半导体的基片上通过杂质补偿在中间产生一个很薄的N 型层，并与两端的P 型半导体紧密结合而构成的管子，图2—13为PNP 型三极管的电路符号，箭头方向与NPN 型相反，但意义相同。
图2—12 NPN型三极管符号 图2—13 PNP型三极管符号
2.5.2 NPN型三极管电流放大原理 三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。根据电流连续性原理得：
Ie=Ib+Ic （2—1a ） 这就是说，在基极补充一个很小的Ib ，就可以在集电极上得到一个较大的Ic ，这就是所谓电流放大作用，Ic 与Ib 是维持一定的比例关系，即：
β1=Ic/Ib （2—1b ） 式中β1称为直流放大倍数，。
集电极电流的变化量△Ic 与基极电流的变化量△Ib 之比为：
β= △Ic/△Ib （2—1c ）
式中β称为交流电流放大倍数。由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。
2.5.3 晶体三极管的三种工作状态
图2—14为三极管的输出特性曲线，由图分析可知晶体三极管的三种工作状态 ：
图2—14 三极管的输出特性曲线
（1）截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN 结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用且呈高阻状态，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。
（2）放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN 结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数β＝ΔIc/ΔIb，这时三极管处于放大状态。
（3）饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN 结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，
而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，而电流却较大，三极管呈现低阻状态，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。
2.6 场效应管
场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子, 即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电, 因此称为双极型晶体管。而FET 仅是由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
2.6.1 场效应管的作用与特点
场效应管属于电压控制元件，这一点类似于电子管的三极管，但它的构造与工作原理和电子管是截然不同的，与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有如下特点：
（1）场效应管是电压控制器件，它通过U GS 来控制I D ；
（2）场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很大。
（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；
（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；
（5）场效应管的抗辐射能力强；
（6）由于不存在杂乱运动的少子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。
功率场效应管是根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的作用如下：
1、场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。
2、场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。
3、场效应管可以方便地用作恒流源。
4、场效应管可以用作电子开关。
2.6.2 场效应管的分类
场效应管分结型、绝缘栅型(MOS ) 两大类。按沟道材料型和绝缘栅型各分N
沟道和P 沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS 场效应晶体管，而MOS 场效应晶体管又分为N 沟耗尽型和增强型；P 沟耗尽型和增强型四大类。如下表所示：
表2—2 场效应管分类
2.6.4 关于MOSFET —IRF740
由于MOSFET 的栅极与源极、漏极都是绝缘的，故又称绝缘栅型场效应管。目前应用最广泛的的绝缘栅型场效应管是用二氧化硅作为金属（铝）栅极和半导体之间的绝缘层，由于这种绝缘栅型场效应管是由金属（metal ）、氧化物（oxide ）和半导体（semiconductor ）组成的，所以称为MOSFET ，简称MOS 管。 MOS 管也有N 沟道和P 沟道两类，其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。
本设计中使用的MOS 管IRF740为N 沟道增强型MOS 管。当U GS =0时，没有导电沟道。不论U DS 大小多少，均有I D =0，只有当U GS >0时才可能出现导电沟道。
2.7 光电耦合器
光耦合器（optical coupler ，英文缩写为OC ）亦称光电隔离器，简称光耦。它由发光源和受光器两部分组成。是将一个发光二极管和一个光敏三极管组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。
光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、
用途最广的光电器件
之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED ），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
在光电耦合器输入端加电信号使发光二极管发光，此光照射到封装在一起的光敏三极管上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。
其内部结构如图2—15所示
图2—15 光电耦合器内部结构
第三章 电路设计
3.1 直流电源
3.1.1 ±12V 直流稳压电源
本次设计要求，采用桥式整流电路将变压器T1和T2输出的交流12V 电流变化成直流12V 电源，之后运用三端稳压器7812、7912输出电压稳定的直流 12V 电压，其原理图如图3-1所示。
V
图3-1 ±12V 直流稳压电源
1) 桥式整流电路
整流电路是利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动电压的电路。在交流电源的作用下，整流二极管周期性地导通和截止，使负载得到脉动直流电。在电源的正半周，二级管导通，使负载上的电流与电压波形形状完全相同；在电源电压的负半周，二极管处于反向截止状态，承受电源负半周电压，负载电压几乎为零。
单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路，如图3—2所示。整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，根据图3-2的电路图可知：
图3—2 单相桥式整流电路
当交流电源电压进入正半周时，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4均承受反向电
压而处于阻断状态。由于二极管导通时管压降可视为零，则负载两端的整流电压等于交流输入电压，当电源电压降到零时，VD1、VD3截止。所以在交流电源电压处于正半周时在负载电阻上得到正弦波的正半周；
当交流电源电压进入负半周时，二极管VD2、VD4导通， VD1、TVD3均承受反向电压而处于阻断状态截止。所以在交流电源电压处于负半周时在负载电阻上得到正弦波的正半周；
所以，在交流电源的正、负半周里，VD1、VD3和VD2、VD4轮流导通，将交流电变成直流电。工作波形图如图3—3所示。
图3—3单相桥式整流电路电压波形
根据图3-3可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。其输出平均电压为
U 0=U
L =1π
⎰o
2U
2
sin ωtd (ωt ) =0. 9U
（3-1）
π
2
流过二极管的平均电流为
I D =
I L 2U 20. 45U 2
==2πR L R L
（3-2）
二极管所承受的最大反向电压
U R max =2U 2
2) ±12V 三端稳压器直流稳压电路
（3-3）
如图3—4所示为本设计中使用的±12V 直流稳压电源电路，其中A 、B 、C 分别为桥式整流电源输出的直流电源
A
C
图3—4 三端稳压电路
正常工作时，稳压器的输入输出电压差为2～3V 。电路中接入C1、C2和C7、C8是电解电容，在电路中起滤波作用，以减小稳压电源输出端有输入电源引入的低频干扰。电容C3、C5和C4、C6用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激震荡并抑制电路引入高频干扰。
3.1.2 为直流电机供电的+36V直流电压
t3
图3-5 直流电机供电的+36V直流电压
图3-5为直流电机供电的+36V直流电压，也为桥式整流电路。电容起滤波作用，电阻为负载。
3.1.3 为H 型桥式驱动电路上桥和下桥供电的+12V和-5V 直流电压
本次设计采用变压器供电如图3-6所示驱动电源。半波整流电路为上桥电源，下桥电路在工作中必有一个场效应管任意一个都会导通，所以采用全桥整流，提供足够的电压。
T3
T4
图3-6 H桥上桥和下桥供电的+12V和-5V 直流电压
本次设计中用到的单向半波整流电路，它是最简单的一种整流电路，通过电源变压器T r 将原边的单相220 V 交流电压变换成所需要的副边电压u ，二极管D 是整流元件，R L 是负载电阻。单向半波整流电路如图3—7所示。
图3—7单相半波整流电路
在半波整流电路中，输出平均电压值
U 0=U
L =
12π
⎰o
π
2U
2
sin ωtd (ωt ) =0. 45U
2
（3-4）
流过二极管的平均电流为
I D =
2U 20. 45U 2
=πR L R L
（3-5）
二极管所承受的最大反向电压
U R max =2U 2
单相半波整流电路的电压与电流的波形如图3—8所示
（3-6）
图3—8单相半波整流电路的电压与电流的波形
3.2 三角波电路
在本次设计中为了实现PWM 调速变化，以LM324运放电路为基础，设计三角波发生电路，其原理图如下图3-9所示。
Uo
图3—9 三角波发生电路
3.2.1三角波电路工作原理
控制电路是由LM324集成运放组成的三角波发生电路如图3-10所示。
由于采用运放组成的积分电路，因此可以实现恒流充电，使三角波线性大大改善。U5A 的电路为积分电路，电阻R 1和R 2为比较电路中的比较电阻，U5A 集成块的1脚输出脉冲经过R 3和R 2形成正反馈回到U5A 形成稳定的脉冲，在U `o 处形成方波脉冲经
过U5B 积分电路形成三角波，图中U5B 的1脚经过R 1形成正反馈以及C9充放电为三角波提供频率脉冲，电路中D9和D10两个对接稳压二极管为积分电路提供稳定的正负脉冲电压。则比较器A 1输出的方波经积分器A 2积分可得三角波，图3-10为三角波发生器输出波形。
图3-10 三角波发生器输出波形
-R1Uz/R2
-Uz +Uz
U'o
+R1Uz/R2
t
Uo
u
3.2.2 参数计算
电路震荡频率
方波幅值
三角波幅值
角波发生器输出波形。
3.2.2 元器件参数选择
在三角波电路中主要运用器件LM324为运放，完成发生三角波的功能。直流±12V 电压经过LM324芯片中的第一组运放A 1，在上图3-9中U 0处产生一个方波，其频率由电阻R 1和R 2得阻值大小决定。方波电压经过滑动变阻器RP 1的分压后经过LM324内第二组运放A 2积分后得到了三角波，在输出的三角波其频率因为电路中的滑动变阻器RP 1有分压的作用，从而达到可调的效果，本次设计中要求的PWM 波形的频率高于2kHz 。
f 0=
R 2
4R 1(R 1+R P ) C f
（3-7）
U ' om =±U Z
（3-8）
式中，U Z 为D Z 的导通电压。
U om =
R 1
U Z R 2
（3-9）
调节R P1可以改变震荡频率，改变比值R 1/R2可调节三角波的幅值。图3-10为三
此次课题设计所需要的三角波发生电路能够产生频率高于2kHz 的三角波形，幅度可调，根据公式计算后选用下表3-1的各个元器件，来完成电路。
表3-1 三角波电路元器件清单
控制电路图3-9为三角波发生电路，由电源电路提供稳定的±12V 电压来驱动运放器LM324的U5A 输出方波，经LM324的U5B 积分得到三角波，其频率由R1、R2、R4、Rp 以及C9的取值决定，经公式（3-3a ）计算得：
20K 20
f ==kHz （3-10） 4⨯10K (10K +R P ) ⨯0. 022uF 0. 88(10+R P )
3.3 方波输出
如图3—11所示，此电路中的方波是通过电压比较器产生的。它是通过比较“+”“—”输入端的电压信号从而得到PWM 所需的方波。
当“＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平；
图3—11 方波输出电路
该电路中“+”输入端为三角波发生电路中的三角波模拟信号，“—”输入端为一
可调的参考电压（电压范围：—12V ～+12V）。
本实验中方波输出的完整电路如图附录A 所示，器件列表见附表C 。 3.4 H桥驱动电路
图3—12中所示为一个典型的直流电机控制电路。（注意：图3—12及随后的图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中MOS 管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H 桥式电机驱动电路包括4个MOS 管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对MOS 管。根据不同MOS 管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图 3—12 H 桥驱动电路
3.4.1 H桥驱动电路原理
要使电机运转，必须使对角线上的一对MOS 管导通。
例如，如图3—13所示，当TV1管和TV3管导通时，电流就从电源正极经TV1从左至右穿过电机，然后再经TV3回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当MOS 管TV1和TV3导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图3—13 H桥电路驱动电机顺时针转动
图3—14所示为另一对MOS 管TV2和TV4导通的情况，电流将从右至左流过电机。当MOS 管TV2和TV4导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）
图3—14 H桥电路驱动电机逆时针转动
驱动电机时，保证H 桥上两个同侧的MOS 管不会同时导通非常重要。如果MOS 管TV1和TV4同时导通，那么电流就会从正极穿过两个MOS 管直接回到负极。此时，电路中除了MOS 管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏MOS 管。
本设计中H 桥驱动电路是由四个MOS 管IRF740组成的，为了防止H 桥上同侧的MOS 管导通使MOS 管烧坏，电路中使用三极管和光耦合器控制四个MOS 管的导通。
3.5 单双极性可逆变换器比较 （1）双极式可逆变换器
双极式工作制的特点是：四个功率开关管的控制极的驱动电压分为两组，图3-13中的VT1和VT3为一组同时导通和关断，其驱动电压Ug1=Ug3；VT2和VT4为另一组导通和关断，Ug2=Ug4=-Ug1。
双极式工作制时，电动机电枢两端平均电压用公式表示为 仍以
U d =
τ
T
U s -
ρ=来定义PWM 电压的占空比，则Ud 与Us 的关系为
T -τ2τ
U s =(-1) U s T T
（3-11）
ρ为大于0.5时，Ud 为正，电动
机正转；ρ为小于0.5时，Ud 为负，电动机反转；ρ=0.5时，Ud 为0V 。电动机停转。在ρ=0.5，Ud 为0V 时，虽然电动机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流
调速时，ρ的变化范围变成0≤ρ≤1。当
却都不是零，而且是交变的，这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，但增加电动机的损耗。图3-15双极型电压PWM 控制方式。
双极式工作制的优点是：电流一定连续；电动机可在四个象限中运行；电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速时，每个功率开关管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证功率开关管可靠导通。其缺点是：在工作过程中，四个功率开关管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通的事故，降低了装置的可靠性。
Ud =(2ρ-1) Us
（3-12）
图3-15双极型电压PWM 控制方式
（2）单极式可逆变换器
单极式PWM 变换器主电路和双极式一样, 不同之处在于驱动脉冲信号。在单极式工作制中，左边两个管VT1和VT4的驱动脉冲Ug1=-Ug4，与双极式一样的正负交替的脉冲波形。右边两个管子VT2和VT3的驱动信号因电动机的转向施加不同的直流控制信号。当电动机正转时，控制信号Ug3恒为正，使VT3常通，而Ug2恒为负，则VT2截止。
单极式工作制时，电动机电枢两端平均电压用公式表示为
ρ=来定义PWM 电压的占空比，则Ud 与Us 的关系为
Ud =T Us （3-13）
Ud =ρUs （3-14）
ρ≤1, 当ρ=0时, Ud=0，电机停转。当 ρ=1
调速时，ρ的变化范围变成0≤
时，Ud=Us，电机以满电压运转。图3-16为单极型电压PWM 控制方式波行图。
当负载较重而电流方向连续不变时各管的开关状态和电枢电压变化情况列于表3-2，同时列出双极式工作制的情况进行比较。
表中单极式工作制的U AB 一栏表明，在电动机朝一方向旋转时，变化器只在一个阶段中输出某一极性的脉冲电压，在另一阶段中U AB =0，这时称为“单极性”工作制的原因。
图3-16单极型电压PWM 控制方式
表3-2 单极式和双极式可逆PWM 变换器工作情况（负载较重时）表
由于单极式工作制中，电动机运行时，功率管VT2和VT3两者之中总有一个常
通，一个常截止，因此管的开关损耗可以减少，装置可靠性有所提高。
综合上述，因为本设计中制作的PWM 波可正可负，故本设计决定采用双极式工作制的H 桥控制电路，来完成此次直流电动机PWM 速度调制设计课题。
3.4.4 H桥驱动电路器件
在课题设计中，直流电动机驱动电路采用H 桥功率驱动电路，由四个MOS 管IRF740组成，其元器件列表见附表1
第四章 总结
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 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。
本次设计利用开关来控制单双极性部分。
对于PWM 调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。
(1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。
(2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H 桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。
(3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。
(4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。
(5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。
而大功率场效应管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管，接成H 桥使用时，相当于输出端已经并联了消除电压尖峰用的四个二极管，因此这里就没有外接二极管。输出端并联一个小电容(out1和out2之间) 对降低电机产生的尖峰电压有一定的好处，但是在使用PWM 时有产生尖峰电流的副作用，因此容量不宜过大。在使用小功率电机时这个电容可以略去。如果加这个电容的话，一定要用高耐压的，普通的瓷片电容可能会出现击穿短路的故障。
输出端并联的由电阻和发光二极管, 电容组成的电路指示电机的转动方向. 同样，我们也可以利用三极管代替场效应管，其效果也是相似的。
致谢
感谢学校给我们一个机会，将所学的专业知识运用到实处，通过制作实物检验自己在校所学的知识。通过这次毕业设计的制作，我发现真正的设计远没有我们想象的那么简单，我们在学校所学的东西只是前人的积累，通俗一点也就是别人的作业，而我们学习的过程中要做的是什么？
很多人只是单纯的完成了抄作业这个步骤，作业抄过就完就算了，并没有真正吸收并且将前人的成果收为己用，仅仅只是停留在了表面。这样学习没有任何收获，我们也学不到知识。在校学习的真正目的是要我们充分吸收前人的研究成果，并且能够熟练运用转变，做到举一反三，而后从中发现新的东西，以此为出发点创新。
毕业设计制作初期，我们首先需要就毕业设计的课题列出大的思考方向。而后大量搜集资料，列出设计方案，并且从理论上验证案的可行性。仔细地对电路原理及各器件的参数进行分析。在理论成立的基础上开始实践运用。
在这次毕业设计中，我的毕业指导老师认真的指导和监督我们。陈老师不仅仅是要求我们完成毕业设计，还要求我们真正理解我们所研究得这个课题的内涵，从多方面设计可行方案。在毕业设计制作过程中，陈老师孜孜不倦的教导我们，遇到阻碍的时候和我们一起研究探讨，帮助我们开启思路，寻找问题，解决问题，做到了真正意义上的教育指导。
同时，我要感谢我们我们这个团队的每个成员，因为大家的参与和积极配合才有了我们现在的成果，成功是属于我们每个人的。衷心的希望我们每个成员在今后的人生道路上依旧能够奋勇前进，一往无前。
至此，在论文的最后，衷心的对评审论文的各位专家、老师表示感谢！祝你们工作顺利，身体健康！
参考文献
[1] 沈任元、吴勇—模拟电子技术基础[M]. 北京:机械工业出版社，2001 [2]陈伯时.PWM 与电机控制[M]. 第3版. 北京：机械工业出版社，2003.
[3] 浣喜明，姚为正-电力电子技术（第2版）[M]. 北京:高等教育出版社，2004 [4]李锡雄. 脉宽调制技术[M]. 第1版. 武汉：华中理工大学出版社，2000.
[5]吴守箴. 电气传动的脉宽调制控制技术[M]. 第1版. 北京：机械工业出版社，2002. [6] 孔凡才-自动控制系统[M]. 北京:机械工业出版社，2003
[7]华永平. 模拟电路设计与制作[M]. 第1版. 北京：电子工业出版社，2007. [8]http://www.21ic.com [9] http://www.中国电子网. com
附图一
附图二
附表1
附表A 原理图元器件列表
附表B
原理图元器件列表
附表D
项目设计实物图
毕 业 设 计 论 文
直流电机的PWM 调速控制器
专 业 名 班 级 学
年 月 日
摘要:本文介绍的是一种脉冲宽度调制（PWM ）控制的双环可逆直流调速系统，它采用场效应晶体管（FET ）脉宽调制（PWM ），这是一种新型的控制系统。它可以方便的控制其通断。因此它组成的调速系统除结构简单外，更具有开关频率高、主电路脉动成分小、低速运行性能好。本设计的意义在于运用PWM 原理能有效地提高装置的功率因素，有效地控制和消除谐波。从而达到节约能量，经济高效的效果。
关键词:脉冲宽度调制，直流调速系统，结构简单
Abstract: The text is about a inverted double-circle direct-current system that is controlled by pulse width modulation（PWM ）. It adopts FET-PWM. It is a new kind of controlling system. It is convenient to control its working or not. Besides its simple structure, it also has the high switch frequency, low pulse float in the power circuit and excellent low speed function. The significance designing that originally depends on the principle wielding PWM can improve the device power factor effectively, controls and removes a harmonic effectively. Reach the economy energy, economy high-effect effect thereby.
KEYWORD ：pulse width modulation，direct-current system ，simple structure
目录
绪论 ........................................................................................................................................................... 1
第一章 脉宽调制(PWM)直流调速控制概述 ..................................................................................... 2
1.1 直流电机调速原理 ............................................................................................................ 2
1.2 PWM 控制技术的应用 . ........................................................................................................ 2
1.2.1 PWM 在直流调速中的应用 . ........................................................................................ 2
1.2.2 PWM相关概念 . .......................................................................................................... 3
1.2.3 PWM 控制电机转速的原理 . ................................................................................... 3
1.3 设计目标 ............................................................................................................................... 4
第二章 元器件应用介绍 ................................................................................................................... 5
2.1 二极管 ....................................................................................................................................... 5
2.1.1 整流二极管 . ................................................................................................................... 6
2.1.2 稳压二极管 ................................................................................................................. 6
2.1.3 续流二极管 . ................................................................................................................... 6
2.2 整流桥堆.................................................................................................................................. 7
2.3 三端稳压器 ............................................................................................................................. 7
2.2.1固定输出三端稳压器 ................................................................................................. 7
2.3 运算放大器 ............................................................................................................................. 8
2.3.1 LM324运算放大器 ..................................................................................................... 8
2.4 电压比较器 ............................................................................................................................. 9
2.4.1 LM393比较器 ............................................................................................................ 10
2.5 三极管 . ................................................................................................................................... 11
2.5.1 NPN型、PNP 型三极管的结构和符号 .................................................................. 11
2.5.2 NPN型三极管电流放大原理 . ...................................................................................... 11
2.5.3 晶体三极管的三种工作状态 ................................................................................. 12
2.6 场效应管 ................................................................................................................................. 13
2.6.1 场效应管的作用与特点 . ............................................................................................. 13
2.6.2 场效应管的分类 ...................................................................................................... 13
2.6.4 关于MOSFET —IRF740 . ............................................................................................ 14
2.7 光电耦合器 ............................................................................................................................. 14
第三章 电路设计 ............................................................................................................................. 16
3.1 直流电源 ................................................................................................................................. 16
3.1.1 ±12V直流稳压电源 . .................................................................................................. 16
3.1.2 为直流电机供电的+36V直流电压 . ............................................................................. 18
3.1.3 为H 型桥式驱动电路上桥和下桥供电的+12V和-5V 直流电压 . ............................. 18
3.2 三角波电路 ............................................................................................................................. 20
3.2.1三角波电路工作原理 . .................................................................................................. 20
3.2.2 参数计算...................................................................................................................... 21
3.2.2 元器件参数选择 . ......................................................................................................... 21
3.3 方波输出 ................................................................................................................................. 22
3.4 H桥驱动电路........................................................................................................................... 23
3.4.1 H桥驱动电路原理 . ...................................................................................................... 23
3.5 单双极性可逆变换器比较 . ..................................................................................................... 24
3.4.2 PWM控制H 桥功率驱动电路 . ...................................................... 错误！未定义书签。
3.4.3 PWM控制H 桥功率驱动电路工作原理 . ...................................... 错误！未定义书签。
3.4.4 H桥驱动电路器件 . ...................................................................................................... 27
第四章 总结 ..................................................................................................................................... 28
致谢 ......................................................................................................................................................... 29
参考文献 ................................................................................................................................................. 30
附表A ...................................................................................................................................................... 31
附表B ...................................................................................................................................................... 32
附表C ...................................................................................................................................................... 33
附表D ...................................................................................................................................................... 34
毕业设计论文 直流电机的PWM 调速控制器
绪论
在当今社会生活中，电子科学技术的运用越来越深入到各个行业之中，并得到了长期的发展和进步，自动化控制更是得到了广泛的应用，其中一项重要的应用就是——自动调速系统。
直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在脉宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制；而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R 即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。
伴随着电力电子技术的不断发展，开关速度更快、控制更容易的全控型电力电子器件（GTR 、MOSFET 、IGBT 、PIC ）逐渐成为主流，由他们组成的各种功率变换装置也随之发展，从而使直流电动机调速装置的种类不断拓展，性能不断提高。其中PWM （脉宽调制）是常用的一种调速方法。
PWM （脉宽调制）具有极大的优越性：主电路简单，需要的功率器件少：开关频率高，快速响应性好，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小；波形系数好，对电网功率因数高；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右。若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。
本设计采用PWM 技术对直流电机进行调速，与一般直流调速相比，既减少了对电源的污染，而且使控制过程更简单方便，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的维护、维修变得更加简单，同时动、静态性能却提高了。
第一章 脉宽调制(PWM)直流调速控制概述 毕业设计论文
第一章 脉宽调制(PWM)直流调速控制概述
1.1 直流电机调速原理
当改变励磁电流时，可以改变磁通量的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。
而对于调节电枢外加电阻R 时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。
当改变电枢电压理想空载转速随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。
1.2 PWM 控制技术的应用
PWM 是Pulse Width Modulation的缩写，即脉冲宽度调制，是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) 。
调速可分为直流调速和交流调速。尽管直流电机比交流电机结构复杂、成本较高、维修保养贵，但是其调速性能好，所以在调速传动领域中一直占主导地位。
1.2.1 PWM 在直流调速中的应用
PWM 广泛应用于直流调速系统，例如，以往普遍应用的晶闸管相控整流—直流电机调压调速系统，现在也发展了全波步控整流PWM 斩波—直流电压调速系统，开关磁阻电动机也是有直流斩波器供电的。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。
直流电动机转速n 的表达式为：
n= Ua-IaΣRa∕C e ·φ（r/min） （1—1）
式中，Ua 为电枢端电压（V ），Ia 为电枢电流（Α），ΣRa为电枢电路总电阻（Ω），Φ为每级磁通量（Wb ），Ce 为与电机结构有关的常数。
由式1—1可知，直流电动机转速n 的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制励磁通Φ，其控制功率虽然小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制。而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的是电枢电压控制法。Ua=Ud-IaR，虽然调节电阻R 即可改变端电压达到调速目的，但这种方法效率很低。随着电力电子技术的进步，可
毕业设计论文 直流电机的PWM 调速控制器 由PWM 斩波器进行斩波调压。本文主要介绍PWM 实现的直流调速系统。
1.2.2 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。如图1—1所示，
占空比D 关系式：
D=t/T ﹪
图1—1 占空比图例
图1—2所示为PWM 矩形波，PWM 调速就是通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”（D=t/T）来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
u
O
t T 2T 3T t
图1—2 PWM波
1.2.3 PWM 控制电机转速的原理
PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM 可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
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、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为V ，当我们改变占空比D 时，就可以得到不同的电机平均速度 ，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D 并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。
第一章 脉宽调制(PWM)直流调速控制概述 毕业设计论文
1.3 设计目标
本设计需要实现直流电机的正、反双向转动，同时能够实现电机的调速。要使电机能够正、反转双向转动可以通过使用4个场效应管组成的H 桥电路实现，而电机的调速则可通过使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM （脉冲宽度调制）调速。
第二章 元器件应用介绍
2.1 二极管
二极管又称晶体二极管, 简称二极管(diode)。它只往一个方向传送电流，我们称之为二极管的单向导电性。它具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。
P 区的载流子是空穴，N 区的载流子是自由电子，在靠近交界处，P 区出现带负电的粒子区，N 区出现带正电的粒子区，于是产生了内部电场。
当电源正极接P 端且负极接N 端时，称PN 结外加正向电压。此时外电场方向与内电场方向相反，削弱了内电场，使空间电荷区变窄，多数载流子就能越过空间电荷区形成电流。此时PN 结处于正向导通状态。加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍不能导通，通过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到门槛电压（鍺管约为0.3V ，硅管约为0.6V ）以后二极管才能真正导通，导通后二极管两端电压基本不变（鍺管约为0.3V ，硅管约为0.6V ），称为二极管的“正向压降”。
若PN 结外加反向电压，此时外电场方向与内电场方向相同，则使内电场增强。使空间电荷区变宽，有利于少数载流子漂移运动的进行，形成漂移电流即反向电流。但少数载流子很少，故反向电流很小。通常可认为PN 结处于反向偏置时不导电。此时PN 结处于截止状态。二极管处于反向偏置时，任然会有微弱的电流通过二极管，成为漏电流。当二极管两端反向电压增加到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单向导电性，这种状态称为二极管的击穿。
二极管的应用主要有：整流二极管、开关元件、限幅元件、继流二极管、检波二极管、变容二极管、显示元件和稳压二极管。
图2—1为二极管的伏安特性曲线
图2—1 二极管的伏安特性曲线
2.1.1 整流二极管
整流二极管利用二极管的单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成方向单一的脉动直流电。
通常它包含一个PN 结，有阳极和阴极两个端子。其结构如图2—2所示。
图2—2 整流二极管结构
2.1.2 稳压二极管
稳压管的结构同整流二极管一样。当加在稳压二极管的反向电压增加到一定数值时，将可能有大量载流子隧穿伪结的位垒，形成大的反向电流，此时电压基本不变，称为隧道击穿。当反向电压比较高时，在位垒区内将可能产生大量载流子，受强电场作用形成大的反向电流，而此时电压亦基本不变。因此，反向电压临近击穿电压时，反向电流迅速增加，而反向电压几乎不变。此时稳压二极管工作在反向击穿区。
图2—3为稳压二极管的电路符号。
图2—3 稳压二极管电路符号
稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。 这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
2.1.3 续流二极管
续流二极管在电路中一般用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏，以并联
的方式接到产生感应电动势的元件两端，并与其形成回路，使其产生的高电动
势在回路以续电流方式消耗，从而起到保护电路中的元件不被损坏。
续流二极管都是并联在线圈的两端，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的元件产生反向电压。当反向电压高于元件的反向击穿电压时，会使元件如三极管、晶闸管等造成损坏。续流二极管并联在线两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。从而保护了电路中的其它原件的安全。 续流二极管在电路中反向并联在继电器或电感线圈的两端，当电感线圈断电时其两端的电动势并不立即消失，此时残余电动势通过二极管释放。
2.2 整流桥堆
整流桥是将整流管封在一个壳内的器件。分为全桥和半桥。全桥是由四只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的。半桥是将两个二极管按桥式整流半波整流电路的形式封装在一起的。
有多种方法可以用整流二极管将交流电转换为直流电，包括半波整流、全波整流以及桥式整流等。本设计中使用的KBP307整流桥，就是将桥式整流的四个二极管封装在一起，只引出四个引脚。四个引脚中，两个直流输出端标有＋或－，两个交流输入端有～标记。
一般整流桥命名中有3个数字, 第一个数字代表额定电流A ；后两个数字代表额电压(数字*100)，V 。
如:KBL410 即4A ，1000V
RS507 即5A ，700V
本设计中选用的整流桥型号为KBP307，其额定电流为3A ，额定电压为700V 。
2.3 三端稳压器
三端稳压器的内部集成了一个串联型稳压电路，引入了电压负反馈稳定输出电压，同时采用多种措施提高性能，如提高温度稳定性、稳压系数、过流及过压保护等。
三端稳压器，主要有两种，一种是输出电压为固定的固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。
2.2.1固定输出三端稳压器
本设计中使用的是固定三端稳压器，其通用产品有78系列（正电源）和79
系列（负电源），输出电压由具体型号中的后面两个数字代表，有5V ，6V ，8V ，9V ，12V ，15V ，18V ，24V 等档次。输出电流以78（或79）后面加字母来区分L 表示0.1；AM 表示0.5A ，无字母表示1.5A ，如78L05表求5V 0.1A。
根据设计要求，电源电路要求输出稳定的 12V 直流电，以驱动后面的三角波电路，以及PWM 电路，三端稳压器选择7812和7912作为正负电流电路稳压器。
7812为正三端稳压，1脚输入，2脚接地，3脚输出，输入电压接+12V。
7912为负三端稳压，2脚输入，1脚接地，3脚输出，输入电压接-12V 。
两者在电路中的接法如下图2—4、图2—5所示。
输输出
输出
图2—4 7806电路连接图 图2-5 7906电路连接图
2.3 运算放大器
运算放大器（简称运放）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out ）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。
运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。本设计中使用的运放LM324的供电方式即为双电源供电。
2.3.1 LM324运算放大器
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。每一组运算放大器可用图2—6所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为信号输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。
同相输入端
输出
反相输入端
图2—6 运算放大器
LM324内部由四个独立的运算放大器组成，共同用同一个驱动电源 12V 电源 LM324的内部结构见图2—7，引脚排列图见图2—8。
图2—7 LM324内部结构图 图2—8 LM324引脚排列图 1OUT 1IN-1IN+VCC 2IN+2IN-2OUT 4OUT 4IN-4IN+GND 3IN+3IN-
3OUT
2.4 电压比较器
电压比较器是将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。
如图2—9所示。
（1）当Ui ＜U R 时，运放输出高电平，稳压管Dz 反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压Uz ，即U o ＝Uz 。
（2）当Ui ＞U R 时，运放输出低电平，Dz 正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降U D ，即Uo ＝－U D 。
图2—9 电压比较器电路图
因此，以U R 为界，当输入电压Ui 变化时，输出端分别反映出高电位和低电位。
2.4.1 LM393比较器
LM393 是双电压比较器集成电路。其内部结构如图2—10所示。
图2—10 LM393内部结构图
LM393主要功能是比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系) ：
当“＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平；
LM393管脚排列如图2—11所示，各引脚功能如表2—1所示。
表 2—1 LM393管脚功能表
图2—11 LM393管脚排列图
LM393具有以下特点：内部含有两个比较器，工作温度范围：0℃～70℃；工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：2～36V ，双电源:±1～±18V ；消耗电流小，Icc=0.8mA；输入失调电压小，VIO=±2mV ；共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V ；输出与TTL ，DTL ，MOS ，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门。
2.5 三极管
三极管，全称应为半导体三极管，也称晶体三极管或晶体管，是构成各种电子电路的基本原件，其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。三极管的分类有很多，按结构可分为NPN 和PNP 型两类。目前生产的硅管多为NPN 型，鍺管多为PNP 型，其中硅管的使用率远大于鍺管。三极管除了有对电流放大作用外，还有开关作用(即通、断作用) ，当基极加上正偏压时，NPN 型三极管即导通处于饱和状态反之，三极管就不导通。本设计中使用的三极管为S9014，其为NPN 型硅管，在本设计中具有开关作用。
2.5.1 NPN型、PNP 型三极管的结构和符号
NPN 型三极管的结构如图所示，它在N 型半导体的基片上通过杂质补偿，在中间长生一个很薄的P 型层，并与两端的N 型半导体紧密结合而构成的管子。整个三极管是有两个PN 结构成的三层半导体，中间一层称为基区，两边分别称为发射区和集电区。从这三个区引出的电极分别称为基极b 、发射极e 和集电极c 。发射区和基区之间之间的PN 结称为发射结J e ，基区和集电区之间的PN 结称为集电结J c 。图2—12为NPN 型三极管的电路符号，其中箭头方向表示发射结正偏是发射极电流的实际方向。发射极箭头指向也是PN 结在正向电压下的导通方向。
PNP 型三极管的结构与PNP 型相似，也是有两个PN 结构成的三层半导体，不过这种管子是在P 型半导体的基片上通过杂质补偿在中间产生一个很薄的N 型层，并与两端的P 型半导体紧密结合而构成的管子，图2—13为PNP 型三极管的电路符号，箭头方向与NPN 型相反，但意义相同。
图2—12 NPN型三极管符号 图2—13 PNP型三极管符号
2.5.2 NPN型三极管电流放大原理 三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。根据电流连续性原理得：
Ie=Ib+Ic （2—1a ） 这就是说，在基极补充一个很小的Ib ，就可以在集电极上得到一个较大的Ic ，这就是所谓电流放大作用，Ic 与Ib 是维持一定的比例关系，即：
β1=Ic/Ib （2—1b ） 式中β1称为直流放大倍数，。
集电极电流的变化量△Ic 与基极电流的变化量△Ib 之比为：
β= △Ic/△Ib （2—1c ）
式中β称为交流电流放大倍数。由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。
2.5.3 晶体三极管的三种工作状态
图2—14为三极管的输出特性曲线，由图分析可知晶体三极管的三种工作状态 ：
图2—14 三极管的输出特性曲线
（1）截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN 结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用且呈高阻状态，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。
（2）放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN 结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数β＝ΔIc/ΔIb，这时三极管处于放大状态。
（3）饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN 结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，
而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，而电流却较大，三极管呈现低阻状态，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。
2.6 场效应管
场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子, 即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电, 因此称为双极型晶体管。而FET 仅是由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
2.6.1 场效应管的作用与特点
场效应管属于电压控制元件，这一点类似于电子管的三极管，但它的构造与工作原理和电子管是截然不同的，与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有如下特点：
（1）场效应管是电压控制器件，它通过U GS 来控制I D ；
（2）场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很大。
（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；
（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；
（5）场效应管的抗辐射能力强；
（6）由于不存在杂乱运动的少子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。
功率场效应管是根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的作用如下：
1、场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。
2、场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。
3、场效应管可以方便地用作恒流源。
4、场效应管可以用作电子开关。
2.6.2 场效应管的分类
场效应管分结型、绝缘栅型(MOS ) 两大类。按沟道材料型和绝缘栅型各分N
沟道和P 沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS 场效应晶体管，而MOS 场效应晶体管又分为N 沟耗尽型和增强型；P 沟耗尽型和增强型四大类。如下表所示：
表2—2 场效应管分类
2.6.4 关于MOSFET —IRF740
由于MOSFET 的栅极与源极、漏极都是绝缘的，故又称绝缘栅型场效应管。目前应用最广泛的的绝缘栅型场效应管是用二氧化硅作为金属（铝）栅极和半导体之间的绝缘层，由于这种绝缘栅型场效应管是由金属（metal ）、氧化物（oxide ）和半导体（semiconductor ）组成的，所以称为MOSFET ，简称MOS 管。 MOS 管也有N 沟道和P 沟道两类，其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。
本设计中使用的MOS 管IRF740为N 沟道增强型MOS 管。当U GS =0时，没有导电沟道。不论U DS 大小多少，均有I D =0，只有当U GS >0时才可能出现导电沟道。
2.7 光电耦合器
光耦合器（optical coupler ，英文缩写为OC ）亦称光电隔离器，简称光耦。它由发光源和受光器两部分组成。是将一个发光二极管和一个光敏三极管组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。
光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、
用途最广的光电器件
之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED ），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
在光电耦合器输入端加电信号使发光二极管发光，此光照射到封装在一起的光敏三极管上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。
其内部结构如图2—15所示
图2—15 光电耦合器内部结构
第三章 电路设计
3.1 直流电源
3.1.1 ±12V 直流稳压电源
本次设计要求，采用桥式整流电路将变压器T1和T2输出的交流12V 电流变化成直流12V 电源，之后运用三端稳压器7812、7912输出电压稳定的直流 12V 电压，其原理图如图3-1所示。
V
图3-1 ±12V 直流稳压电源
1) 桥式整流电路
整流电路是利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动电压的电路。在交流电源的作用下，整流二极管周期性地导通和截止，使负载得到脉动直流电。在电源的正半周，二级管导通，使负载上的电流与电压波形形状完全相同；在电源电压的负半周，二极管处于反向截止状态，承受电源负半周电压，负载电压几乎为零。
单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路，如图3—2所示。整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，根据图3-2的电路图可知：
图3—2 单相桥式整流电路
当交流电源电压进入正半周时，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4均承受反向电
压而处于阻断状态。由于二极管导通时管压降可视为零，则负载两端的整流电压等于交流输入电压，当电源电压降到零时，VD1、VD3截止。所以在交流电源电压处于正半周时在负载电阻上得到正弦波的正半周；
当交流电源电压进入负半周时，二极管VD2、VD4导通， VD1、TVD3均承受反向电压而处于阻断状态截止。所以在交流电源电压处于负半周时在负载电阻上得到正弦波的正半周；
所以，在交流电源的正、负半周里，VD1、VD3和VD2、VD4轮流导通，将交流电变成直流电。工作波形图如图3—3所示。
图3—3单相桥式整流电路电压波形
根据图3-3可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。其输出平均电压为
U 0=U
L =1π
⎰o
2U
2
sin ωtd (ωt ) =0. 9U
（3-1）
π
2
流过二极管的平均电流为
I D =
I L 2U 20. 45U 2
==2πR L R L
（3-2）
二极管所承受的最大反向电压
U R max =2U 2
2) ±12V 三端稳压器直流稳压电路
（3-3）
如图3—4所示为本设计中使用的±12V 直流稳压电源电路，其中A 、B 、C 分别为桥式整流电源输出的直流电源
A
C
图3—4 三端稳压电路
正常工作时，稳压器的输入输出电压差为2～3V 。电路中接入C1、C2和C7、C8是电解电容，在电路中起滤波作用，以减小稳压电源输出端有输入电源引入的低频干扰。电容C3、C5和C4、C6用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激震荡并抑制电路引入高频干扰。
3.1.2 为直流电机供电的+36V直流电压
t3
图3-5 直流电机供电的+36V直流电压
图3-5为直流电机供电的+36V直流电压，也为桥式整流电路。电容起滤波作用，电阻为负载。
3.1.3 为H 型桥式驱动电路上桥和下桥供电的+12V和-5V 直流电压
本次设计采用变压器供电如图3-6所示驱动电源。半波整流电路为上桥电源，下桥电路在工作中必有一个场效应管任意一个都会导通，所以采用全桥整流，提供足够的电压。
T3
T4
图3-6 H桥上桥和下桥供电的+12V和-5V 直流电压
本次设计中用到的单向半波整流电路，它是最简单的一种整流电路，通过电源变压器T r 将原边的单相220 V 交流电压变换成所需要的副边电压u ，二极管D 是整流元件，R L 是负载电阻。单向半波整流电路如图3—7所示。
图3—7单相半波整流电路
在半波整流电路中，输出平均电压值
U 0=U
L =
12π
⎰o
π
2U
2
sin ωtd (ωt ) =0. 45U
2
（3-4）
流过二极管的平均电流为
I D =
2U 20. 45U 2
=πR L R L
（3-5）
二极管所承受的最大反向电压
U R max =2U 2
单相半波整流电路的电压与电流的波形如图3—8所示
（3-6）
图3—8单相半波整流电路的电压与电流的波形
3.2 三角波电路
在本次设计中为了实现PWM 调速变化，以LM324运放电路为基础，设计三角波发生电路，其原理图如下图3-9所示。
Uo
图3—9 三角波发生电路
3.2.1三角波电路工作原理
控制电路是由LM324集成运放组成的三角波发生电路如图3-10所示。
由于采用运放组成的积分电路，因此可以实现恒流充电，使三角波线性大大改善。U5A 的电路为积分电路，电阻R 1和R 2为比较电路中的比较电阻，U5A 集成块的1脚输出脉冲经过R 3和R 2形成正反馈回到U5A 形成稳定的脉冲，在U `o 处形成方波脉冲经
过U5B 积分电路形成三角波，图中U5B 的1脚经过R 1形成正反馈以及C9充放电为三角波提供频率脉冲，电路中D9和D10两个对接稳压二极管为积分电路提供稳定的正负脉冲电压。则比较器A 1输出的方波经积分器A 2积分可得三角波，图3-10为三角波发生器输出波形。
图3-10 三角波发生器输出波形
-R1Uz/R2
-Uz +Uz
U'o
+R1Uz/R2
t
Uo
u
3.2.2 参数计算
电路震荡频率
方波幅值
三角波幅值
角波发生器输出波形。
3.2.2 元器件参数选择
在三角波电路中主要运用器件LM324为运放，完成发生三角波的功能。直流±12V 电压经过LM324芯片中的第一组运放A 1，在上图3-9中U 0处产生一个方波，其频率由电阻R 1和R 2得阻值大小决定。方波电压经过滑动变阻器RP 1的分压后经过LM324内第二组运放A 2积分后得到了三角波，在输出的三角波其频率因为电路中的滑动变阻器RP 1有分压的作用，从而达到可调的效果，本次设计中要求的PWM 波形的频率高于2kHz 。
f 0=
R 2
4R 1(R 1+R P ) C f
（3-7）
U ' om =±U Z
（3-8）
式中，U Z 为D Z 的导通电压。
U om =
R 1
U Z R 2
（3-9）
调节R P1可以改变震荡频率，改变比值R 1/R2可调节三角波的幅值。图3-10为三
此次课题设计所需要的三角波发生电路能够产生频率高于2kHz 的三角波形，幅度可调，根据公式计算后选用下表3-1的各个元器件，来完成电路。
表3-1 三角波电路元器件清单
控制电路图3-9为三角波发生电路，由电源电路提供稳定的±12V 电压来驱动运放器LM324的U5A 输出方波，经LM324的U5B 积分得到三角波，其频率由R1、R2、R4、Rp 以及C9的取值决定，经公式（3-3a ）计算得：
20K 20
f ==kHz （3-10） 4⨯10K (10K +R P ) ⨯0. 022uF 0. 88(10+R P )
3.3 方波输出
如图3—11所示，此电路中的方波是通过电压比较器产生的。它是通过比较“+”“—”输入端的电压信号从而得到PWM 所需的方波。
当“＋”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当“＋”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平；
图3—11 方波输出电路
该电路中“+”输入端为三角波发生电路中的三角波模拟信号，“—”输入端为一
可调的参考电压（电压范围：—12V ～+12V）。
本实验中方波输出的完整电路如图附录A 所示，器件列表见附表C 。 3.4 H桥驱动电路
图3—12中所示为一个典型的直流电机控制电路。（注意：图3—12及随后的图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中MOS 管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H 桥式电机驱动电路包括4个MOS 管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对MOS 管。根据不同MOS 管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图 3—12 H 桥驱动电路
3.4.1 H桥驱动电路原理
要使电机运转，必须使对角线上的一对MOS 管导通。
例如，如图3—13所示，当TV1管和TV3管导通时，电流就从电源正极经TV1从左至右穿过电机，然后再经TV3回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当MOS 管TV1和TV3导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图3—13 H桥电路驱动电机顺时针转动
图3—14所示为另一对MOS 管TV2和TV4导通的情况，电流将从右至左流过电机。当MOS 管TV2和TV4导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）
图3—14 H桥电路驱动电机逆时针转动
驱动电机时，保证H 桥上两个同侧的MOS 管不会同时导通非常重要。如果MOS 管TV1和TV4同时导通，那么电流就会从正极穿过两个MOS 管直接回到负极。此时，电路中除了MOS 管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏MOS 管。
本设计中H 桥驱动电路是由四个MOS 管IRF740组成的，为了防止H 桥上同侧的MOS 管导通使MOS 管烧坏，电路中使用三极管和光耦合器控制四个MOS 管的导通。
3.5 单双极性可逆变换器比较 （1）双极式可逆变换器
双极式工作制的特点是：四个功率开关管的控制极的驱动电压分为两组，图3-13中的VT1和VT3为一组同时导通和关断，其驱动电压Ug1=Ug3；VT2和VT4为另一组导通和关断，Ug2=Ug4=-Ug1。
双极式工作制时，电动机电枢两端平均电压用公式表示为 仍以
U d =
τ
T
U s -
ρ=来定义PWM 电压的占空比，则Ud 与Us 的关系为
T -τ2τ
U s =(-1) U s T T
（3-11）
ρ为大于0.5时，Ud 为正，电动
机正转；ρ为小于0.5时，Ud 为负，电动机反转；ρ=0.5时，Ud 为0V 。电动机停转。在ρ=0.5，Ud 为0V 时，虽然电动机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流
调速时，ρ的变化范围变成0≤ρ≤1。当
却都不是零，而且是交变的，这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，但增加电动机的损耗。图3-15双极型电压PWM 控制方式。
双极式工作制的优点是：电流一定连续；电动机可在四个象限中运行；电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速时，每个功率开关管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证功率开关管可靠导通。其缺点是：在工作过程中，四个功率开关管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通的事故，降低了装置的可靠性。
Ud =(2ρ-1) Us
（3-12）
图3-15双极型电压PWM 控制方式
（2）单极式可逆变换器
单极式PWM 变换器主电路和双极式一样, 不同之处在于驱动脉冲信号。在单极式工作制中，左边两个管VT1和VT4的驱动脉冲Ug1=-Ug4，与双极式一样的正负交替的脉冲波形。右边两个管子VT2和VT3的驱动信号因电动机的转向施加不同的直流控制信号。当电动机正转时，控制信号Ug3恒为正，使VT3常通，而Ug2恒为负，则VT2截止。
单极式工作制时，电动机电枢两端平均电压用公式表示为
ρ=来定义PWM 电压的占空比，则Ud 与Us 的关系为
Ud =T Us （3-13）
Ud =ρUs （3-14）
ρ≤1, 当ρ=0时, Ud=0，电机停转。当 ρ=1
调速时，ρ的变化范围变成0≤
时，Ud=Us，电机以满电压运转。图3-16为单极型电压PWM 控制方式波行图。
当负载较重而电流方向连续不变时各管的开关状态和电枢电压变化情况列于表3-2，同时列出双极式工作制的情况进行比较。
表中单极式工作制的U AB 一栏表明，在电动机朝一方向旋转时，变化器只在一个阶段中输出某一极性的脉冲电压，在另一阶段中U AB =0，这时称为“单极性”工作制的原因。
图3-16单极型电压PWM 控制方式
表3-2 单极式和双极式可逆PWM 变换器工作情况（负载较重时）表
由于单极式工作制中，电动机运行时，功率管VT2和VT3两者之中总有一个常
通，一个常截止，因此管的开关损耗可以减少，装置可靠性有所提高。
综合上述，因为本设计中制作的PWM 波可正可负，故本设计决定采用双极式工作制的H 桥控制电路，来完成此次直流电动机PWM 速度调制设计课题。
3.4.4 H桥驱动电路器件
在课题设计中，直流电动机驱动电路采用H 桥功率驱动电路，由四个MOS 管IRF740组成，其元器件列表见附表1
第四章 总结
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 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。
本次设计利用开关来控制单双极性部分。
对于PWM 调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。
(1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。
(2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H 桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。
(3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。
(4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。
(5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。
而大功率场效应管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管，接成H 桥使用时，相当于输出端已经并联了消除电压尖峰用的四个二极管，因此这里就没有外接二极管。输出端并联一个小电容(out1和out2之间) 对降低电机产生的尖峰电压有一定的好处，但是在使用PWM 时有产生尖峰电流的副作用，因此容量不宜过大。在使用小功率电机时这个电容可以略去。如果加这个电容的话，一定要用高耐压的，普通的瓷片电容可能会出现击穿短路的故障。
输出端并联的由电阻和发光二极管, 电容组成的电路指示电机的转动方向. 同样，我们也可以利用三极管代替场效应管，其效果也是相似的。
致谢
感谢学校给我们一个机会，将所学的专业知识运用到实处，通过制作实物检验自己在校所学的知识。通过这次毕业设计的制作，我发现真正的设计远没有我们想象的那么简单，我们在学校所学的东西只是前人的积累，通俗一点也就是别人的作业，而我们学习的过程中要做的是什么？
很多人只是单纯的完成了抄作业这个步骤，作业抄过就完就算了，并没有真正吸收并且将前人的成果收为己用，仅仅只是停留在了表面。这样学习没有任何收获，我们也学不到知识。在校学习的真正目的是要我们充分吸收前人的研究成果，并且能够熟练运用转变，做到举一反三，而后从中发现新的东西，以此为出发点创新。
毕业设计制作初期，我们首先需要就毕业设计的课题列出大的思考方向。而后大量搜集资料，列出设计方案，并且从理论上验证案的可行性。仔细地对电路原理及各器件的参数进行分析。在理论成立的基础上开始实践运用。
在这次毕业设计中，我的毕业指导老师认真的指导和监督我们。陈老师不仅仅是要求我们完成毕业设计，还要求我们真正理解我们所研究得这个课题的内涵，从多方面设计可行方案。在毕业设计制作过程中，陈老师孜孜不倦的教导我们，遇到阻碍的时候和我们一起研究探讨，帮助我们开启思路，寻找问题，解决问题，做到了真正意义上的教育指导。
同时，我要感谢我们我们这个团队的每个成员，因为大家的参与和积极配合才有了我们现在的成果，成功是属于我们每个人的。衷心的希望我们每个成员在今后的人生道路上依旧能够奋勇前进，一往无前。
至此，在论文的最后，衷心的对评审论文的各位专家、老师表示感谢！祝你们工作顺利，身体健康！
参考文献
[1] 沈任元、吴勇—模拟电子技术基础[M]. 北京:机械工业出版社，2001 [2]陈伯时.PWM 与电机控制[M]. 第3版. 北京：机械工业出版社，2003.
[3] 浣喜明，姚为正-电力电子技术（第2版）[M]. 北京:高等教育出版社，2004 [4]李锡雄. 脉宽调制技术[M]. 第1版. 武汉：华中理工大学出版社，2000.
[5]吴守箴. 电气传动的脉宽调制控制技术[M]. 第1版. 北京：机械工业出版社，2002. [6] 孔凡才-自动控制系统[M]. 北京:机械工业出版社，2003
[7]华永平. 模拟电路设计与制作[M]. 第1版. 北京：电子工业出版社，2007. [8]http://www.21ic.com [9] http://www.中国电子网. com
附图一
附图二
附表1
附表A 原理图元器件列表
附表B
原理图元器件列表
附表D
项目设计实物图