PWM DC Motor Speed Control

Report 11 Downloads 337 Views
Laboratory Final Design Project PWM DC Motor Speed Control

Bowen Wang, Siyang Xia, Renhao Xie, E E 331 Lab, Winter 2013

 

TABLE  OF  CONTENTS  

Purpose  of  project,  features,  ratings  …………………….…………3     Block  diagram  …………………………………...………..…………….……  4     Complete  schematic  ………….……………………..………………………5    

Circuit  simulation……………………………  ……...………  ……..….…..  6     Test  results……………………………  ……...…………..……  ………...…..  7     Bill  of  materials  and  Cost  estimate  ……...……….…  ……….…..  11    

Summary/Conclusion……………………….…………………….……  11                                                    

 

2  

1.Purpose  of  project,  features,  ratings    

1.1  Purpose:     It  is  important  for  engineers  to  control  a  higher  power  load  with  a  lower  power   circuit.  However,  if  we  perform  a  direct  modulation,  it  will  create  a  rather  inefficient   design  with  the  control  device  (transistor).  Thus  a  better  way  with  a  high  power   efficiency  is  to  rapidly  switch  the  control  device  on  and  off  at  a  frequency  which  is   high  enough  that  the  load  effectively  sees  only  the  average  over  many  cycles.  And   this  is  also  the  basic  idea  of  this  project.  The  purpose  of  this  design  project  is  to   develop  and  prototype  a  high  efficiency  pulse  width  modulation  (PWM)  speed   control  for  a  small  DC  motor.     1.2  Features:     VDD  power  supply  (5V  and  15V)   Resistor:  1k,  100k,  potentiometer  (maximum  10k)   Zener  Diode:  1N4007   Capacitor:  100nF,  47nF   NMOS:  2N7000   LM555  timer:  LM555CN   Comparator:  LM339N   Motor   Jump  wires   Breadboards     1.3  Ratings   Input  Voltage:  5V  for  the  chips,  15V  for  the  motor   Output  voltage:  triangle  wave  0-­‐3V  for  the  saw  tooth,  square  wave  0-­‐5V  for  the   motor  

                           

 

3  

Block  diagram    

Figure  2.1  Block  Diagram  of  the  PWM  DC  motor  speed  control     There  are  four  parts  for  the  whole  system:  oscillator,  PWM  modulator,  motor  driver   and  the  DC  motor.  The  oscillator  will  create  a  triangle  saw  tooth  waveform  drive  the   motor  control  circuit.  We  build  this  by  powering  a  555-­‐timer  chip  with  5  volt  DC   Source,  which  will  create  a  linear  waveform  with  a  10kHz  frequency.  And  this  signal   will  be  sent  to  the  next  part:  the  pulse  width  modulation  (PWM).  In  this  part,  we   setup  a  control  voltage  input  and  compares  it  to  the  saw  tooth  wave,  and  get  an   output  of  a  square-­‐pulse  wave.  Then  the  square  wave  is  sent  to  the  motor  driver   that  is  comprised  of  a  buffered  transistor.  The  pulse  is  turning  the  switch  on  and  off   rapidly  to  keep  the  motor  running  while  conserving  power.  In  the  end,  we  power   the  motor  by  a  15-­‐volt  DC  source  and  the  whole  system  works.        

 

                 

4  

Complete  schematic  (Circuit  Design)    

Figure  3.1  Schematic  Diagram  of  the  whole  system     Figure  3.1  shows  a  complete  schematic  diagram  of  the  whole  system.  The  left  part  is   oscillator,  the  up  part  is  PWM,  the  right  part  is  the  motor  driver  and  finally  the  big  3-­‐ D  motor  is  in  the  middle.  In  order  to  build  exact  the  same  circuit,  we  buy  some  new   components  from  the  E  E  store  beside  the  given  lab  kit.       First  for  the  oscillator,  we  setup  the  power-­‐supply  to  5V  which  is  V1.  And  we  use  the   100k-­‐ohm  resistor  for  R1  and  R3,  and  connect  2  100k-­‐ohm  resistors  in  series,  which   is  200k  ohm  for  R3.  Also  we  connect  100nF  and  47nF  in  parallel,  which  is  147  nF  for   C1.  And  we  buy  the  LM555CN  chip  for  U1  and  connect  the  circuit  as  shown  above.       Then  for  the  comparator  (PWM),  we  bought  the  LM339  chip  from  the  E  E  store,  and   use  the  same  power  supply  (V1)  as  for  the  oscillator.  Also  we  use  the  1k-­‐ohm   resistor  for  R4  and  the  potentiometer  for  X1.  Then  we  connect  the  circuit  as  shown   above.     Then  for  the  motor  driver,  we  bought  the  diode  1N4007GP  and  the  transistor   2N7000  from  the  E  E  store,  and  connect  them  as  the  circuit  shown  above.     Finally  for  the  motor,  we  bought  it  from  the  E  E  store  and  power  it  by  a  15-­‐volt   power  supply,  and  then  connect  it  as  the  circuit  shown  above.    

5  

 

Circuit  simulation    

 

Figure  4.1  Simulation  of  the  oscillator  and  the  PWM      

Parameter   Power  Supply     Oscillator         PWM   modulator    

 

Design  Specification   +5V  for  speed  control   +15V  for  motor   10KHz  +/-­‐5%  frequency  

Test  Results   5.0V   15.0V   9.7KHz,  which  is  3%  lower   than  10KHz,  within  the  5%   range.   Saw  tooth  asymmetrical   Yes,  it’s  saw  tooth   ramp   asymmetrical  ramp