临近期末,各式各样的课程也迎来了结课,而其中的一门电子技术及工艺课程设计直到上周才“粉墨登场”,并且要求上交一份“小组合作”形式的课程设计,期限是为两周。说实话,不是很明白大学里小组合作的意义何在,大多数时候只是一两个人出力,其他人则在浑水摸鱼罢了。没有合适的监管制度,我想这样的“合作学习”也只是徒有其表的形式主义。

虽然谈不上喜欢这种形式,但倘若只是如此,我倒也不会过于反感,毕竟自己一个人完成这样的课题也并非多么困难,而其余的人则视他们为不存在就行了。这次我们的课题是直流电机脉宽调速电路的设计,是其他人挑剩下的相对比较难的一个课题,也正因此具有了些许乐趣。

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设计思路

在这次设计的一开始,这个课题对我而言是非常的陌生。我想“未知是最可怕”的这个命题只有从他的反面来论述才最具说服力。当有了尝试,挡在面前的就不再是大山而是土堆。首先我不知道什么叫做脉宽调速,于是我上网搜索,了解到了脉宽调制(PWM)技术。在这之后,我又在仿真上出现了问题,我不知道要如何测试直流电机的转速,经过一番折腾,我顺利解决了这些问题,同时还了解到了H桥(H-Bridge)驱动电路的基本结构和原理,某种意义上来说,这波不亏。

PWM设计

脉宽调制(PWM)基本原理:

脉宽调制(PWM)基本原理:控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波形,所获得的输出平滑且低次谐波少。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。
例如,把正弦半波波形分成N等份,就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于 π/n ,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合,且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(即冲量)相等,就得到一组脉冲序列,这就是PWM波形。可以看出,各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理,PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。

简单解释一下,就是使用n个方波产生与正弦波等效的效果。这样一来设计起来也不困难,可以使用两个不同频率的方波通过与非门叠加成为上半部分,下半部分同理,只需要反相一下即可。这里的与非门使用74LS00N二极管,基础的方波则由函数发生器产生。


测试结果

我设计的电路一切从简,因此没有用驱动电路,而是直接将信号接入了直流电机的正极,同时用电压表测量转速,需要调节输入信号的占空比时,只需要调节相应信号的占空比或频率即可。最终显示当占空比达到80%的时候电压大约为652V,而当占空比为50%时,电压只有416V。