電氣自動(dòng)化技術(shù)畢業(yè)論文

1 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 THESIS OF BACHELOR （） 題 目 直流大電機(jī)控制器畢業(yè)設(shè)計(jì) 學(xué) 科 部： 電力工程系 專 業(yè)： 電氣自動(dòng)化技術(shù) 班 級(jí)： 電氣 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起訖日期： 2 摘 要 - 直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合 ,為使機(jī)械設(shè)備以合理速度進(jìn)行工作則需要對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。該實(shí)驗(yàn)中搭建了基于 MCS-96 單片機(jī)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，利用 PWM 信號(hào)改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓，并由軟件完成轉(zhuǎn)速單閉環(huán) PI 控制，旨在實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并對(duì) PI 控制原理及其參數(shù)的確定進(jìn)行更深的理解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，控制 8 位 PWM 信號(hào)輸出可平滑改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)升速、降速及 反轉(zhuǎn)等功能。實(shí)驗(yàn)中使用霍爾元件進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)、反饋。期望轉(zhuǎn)速則可通過(guò)功能按鍵給定。當(dāng)選擇比例參數(shù)為 0.08、積分參數(shù)為 0.01 時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以在 3 秒左右達(dá)到穩(wěn)定。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，該單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，達(dá)到預(yù)期效果。 然而 電子技術(shù)的高速發(fā)展 ,促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變 ,特別 是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用 ,使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的階段。傳統(tǒng)的晶閘管直 流調(diào)速系統(tǒng) ,其控制回路都是采用模擬電子線路構(gòu)成的 ,晶閘管觸發(fā)器多數(shù)還是 采用分立元件組成的 ,這使得控制回路的硬件設(shè)備極其復(fù)雜 ,安裝調(diào)試?yán)щy ,相對(duì) 故障率較高。而采用單片機(jī)控制的調(diào)速系統(tǒng) ,其控制方案是依靠軟件實(shí)現(xiàn)的 ,控制 器由可編程功能模塊組成 ,配置和參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單方便 ,工作穩(wěn)定。 本文使用價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛的 mcs-96 系列單片機(jī)作為控制芯 片 ,PWM 調(diào)幅控制為基礎(chǔ) ,完成對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) ,達(dá)到了較好的控制性能 ,而 且成本低廉。 關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)、 mcs-96、 PWM、調(diào)速系統(tǒng) 3 第一章：緒論 - 1.1 開發(fā)背景 1.1.1、直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況 在現(xiàn)代工業(yè)中，電動(dòng)機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換的傳 動(dòng)裝置被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油化學(xué)、國(guó)防等工業(yè)部門中，隨著對(duì)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。 在可調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，按照傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型來(lái)分，可分為兩大類：直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。交流電動(dòng)機(jī)直流具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維修簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，但主要缺點(diǎn)為調(diào)速較為困難。相比之下，直流電動(dòng)機(jī)雖然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較高、維修麻煩等缺點(diǎn)，但由于具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和良好的起、制動(dòng)性能以及易于在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，因此直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主 要形式。 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生翻天覆地的變化。其中電機(jī)的控制部分已經(jīng)由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)，并正向全數(shù)字控制方向快速發(fā)展。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分所用的功率器件亦經(jīng)歷了幾次更新?lián)Q代。目前開關(guān)速度更快、控制更容易的全控型功率器件 MOSFET和 IGBT 成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動(dòng)機(jī) 控制方法能夠得到實(shí)現(xiàn)。脈寬調(diào)制控制方法在直流調(diào)速中獲得了廣泛的應(yīng)用。 1964 年 A.Schonung 和 H.stemmler 首先提出把 PWM 技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)傳動(dòng)中從此為電機(jī)傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。進(jìn)入 70 年代以來(lái)，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強(qiáng)、可靠性高的大規(guī)模集成電路微處理器已經(jīng)商品化，把電機(jī)控制推上了一個(gè)嶄新的階段，以微處理器為核心的數(shù)字控制（簡(jiǎn)稱微機(jī)數(shù)字控制）成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制器的主要形式。 PWM 常取代數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ DAC）用于功率輸出控制，其中，直流電機(jī)的速度控制是最常見(jiàn)的應(yīng)用。通常 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(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大。在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 目前，電機(jī)調(diào)速控制模塊主要有以下三種： （ 1）、采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整直流電機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的； （ 2）、采用繼電器對(duì)直流電機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整； （ 3）、采用由 IGBT 管組成的 H 型 PWM 電路。用單片機(jī)控制 IGBT 管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 1.1.2、國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 1.1.2.1、 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 4 我國(guó) 從六十年代初試制成功第一只硅晶閘管以來(lái)，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)開始得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。用于中、小功率的 0.4 200KW 晶閘管直流調(diào)速裝置已作為標(biāo)準(zhǔn)化、系列化通用產(chǎn)品批量生產(chǎn)。 目前，全國(guó)各大專院校、科研單位和廠家都在進(jìn)行數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)，提出了許多關(guān)于直流調(diào)速系統(tǒng)的控制算法： （ 1）、直流電動(dòng)機(jī)及直流調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)辯識(shí)的方法。該方法據(jù)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，應(yīng)用最小二乘法，即可獲得系統(tǒng)環(huán)節(jié)的內(nèi)部參數(shù)。所獲得的參數(shù)具有較高的精度，方法簡(jiǎn)便易行。 （ 2）、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)模控制方法 。該方法依據(jù)內(nèi)模控制原理，針對(duì)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種內(nèi)?？刂破?，取代常規(guī)的 PI 調(diào)節(jié)器，成功解決了轉(zhuǎn)速超調(diào)問(wèn)題，能使系統(tǒng)獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，而且設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，控制器容易實(shí)現(xiàn)。 （ 3）、單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制的方法。該方法針對(duì)直流傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制策略。這種單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)不僅具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，而且還具有令人滿意的魯棒性與自適應(yīng)性。 （ 4）、模糊控制方法。該方法對(duì)模糊控制理論在小慣性系統(tǒng)上對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了嘗試。經(jīng) 1.5kw 電機(jī)實(shí)驗(yàn)證明，模糊控制理論可 以用于直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的限流起動(dòng)和恒速運(yùn)行控制，并能獲得理想的控制曲線。 上訴的控制方法僅是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用和研究的一個(gè)側(cè)面，國(guó)內(nèi)外還有許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了不同程度的研究。 1.1.2.2、 國(guó)外發(fā)展概況 隨著各種微處理器的出現(xiàn)和發(fā)展，國(guó)外對(duì)直流電機(jī)的數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的研究也在不斷發(fā)展和完善，尤其 80 年代在這方面的研究達(dá)到空前的繁榮。大型直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)一般采用晶閘管整流來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了提高調(diào)速系統(tǒng)的性能，研究工作者對(duì)晶閘管觸發(fā)脈沖的控制算法作了大量研究，提出了內(nèi)?？刂扑惴?、 I-P 控制器取代 PI 調(diào)節(jié)器的方法、自適應(yīng)和模糊 PID 算法等等。 目前，國(guó)外主要的電氣公司，如瑞典 ABB 公司，德國(guó)西門子公司、 AEG 公司，日本三菱公司、東芝公司、美國(guó) GE 公司等，均已開發(fā)出數(shù)字式直流調(diào)裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模版化的應(yīng)用產(chǎn)品供選用。如西門子公司生產(chǎn)的SIMOREG-K 6RA24 系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數(shù)字控制裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊，用于直流電機(jī)電樞和勵(lì)磁供電，完成調(diào)速任務(wù)。設(shè)計(jì)電流范圍為 15A至 1200A，并可通過(guò)并聯(lián) SITOR 可控硅單元進(jìn)行擴(kuò)展。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可選擇單象限或四象 限運(yùn)行的裝置，裝置本身帶有參數(shù)設(shè)定單元，不需要其它任何附加設(shè)備便可以完成參數(shù)設(shè)定。所有控制調(diào)節(jié)監(jiān)控及附加功能都由微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，可選擇給定值和反饋值為數(shù)字量或模擬量。 1.1.2.3、總結(jié) 隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)直流電氣傳動(dòng)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用直流調(diào)速系統(tǒng)。因此人們對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究將會(huì)更深一步。 1.1.2.4、本課題研究目的及意義 5 直流 電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。因此研究直流電機(jī)的速度控制，有著非常重要的意義。 隨著單片機(jī)的發(fā)展，數(shù)字化直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，控制方法也日益成熟。它對(duì)單片機(jī)的要求是：具有足夠快的速度；有 PWM 口，用于自動(dòng)產(chǎn)生 PWM 波；有捕捉功能，用于測(cè)頻；有 A/D 轉(zhuǎn)換器、用來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、輸出電壓和電流的模擬量進(jìn)行 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換；有各種同步串行接口、足夠的內(nèi)部 ROM 和 RAM，以減小控制系統(tǒng)的無(wú)力尺寸；有看門狗、電源管理功能等。因此該實(shí)驗(yàn)中選用單片機(jī) MCS-96。 通過(guò)設(shè)計(jì)基于 MCS-96單片機(jī)的直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)并調(diào)試得出結(jié)論，在掌握MCS-96的同時(shí)進(jìn)一步加深對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法、 PI 控制器的理解，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行鞏固。 1.2、 本文工作 1.2.1、 論文主要研究?jī)?nèi)容 本課題的研究對(duì)象為直流電動(dòng)機(jī)，對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制?；舅枷胧抢?MCS-96自帶的 PWM 口，通過(guò)調(diào)整 PWM 的占空比，控制電機(jī)的電樞 電壓，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為：以 MCS-96為核心，由轉(zhuǎn)速環(huán)、顯示、按鍵控制等電路組成。 具體內(nèi)容如下： （ 1）、介紹直流電動(dòng)機(jī)工作原理及 PWM 調(diào)速方法。 （ 2）、完成以 MCS-96為控制核心的直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 （ 3）、以該系統(tǒng)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，使用 PWM 控制電機(jī)調(diào)速，并由實(shí)驗(yàn)得到合適的 PI 控制及相關(guān)參數(shù)。 （ 4）、對(duì)該數(shù)字式直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能做出總結(jié)。 第二章 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的控制基礎(chǔ) 2.1 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 6 2.1.1 直流電動(dòng)的結(jié)構(gòu) 要了解直流電機(jī)的工作原理，先要了解直流電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)。 定子的主要部件包括 ：直流電機(jī)的定子由主磁極、機(jī)座、換向極、端蓋和電刷裝置等部件組成。 主磁極 ： 主磁極的作用是建立主磁場(chǎng)。絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵(lì)磁繞組通以直流電流來(lái)建立磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴(kuò)大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙 磁阻減小，改善主磁極磁場(chǎng)分布，并使勵(lì)磁繞組容易固定。為了減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于齒槽移動(dòng)引起的鐵耗，主磁極鐵心采用 1 1.5mm 的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上裝有勵(lì)磁繞組，整個(gè)主磁極用螺桿固定在機(jī)座上。主磁極的個(gè)數(shù)一定是偶數(shù)，勵(lì)磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按 N， S 極交替出現(xiàn)。 機(jī)座 ： 機(jī)座有兩個(gè)作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。 機(jī)座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機(jī)座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小型機(jī)座用鑄鐵件）制成。機(jī)座的兩端裝有端蓋 換向極 ： 換 向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個(gè)小磁極，它的作用是改善直流電機(jī)的換向情況，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生有害的火花。換向極結(jié)構(gòu)和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成，并用螺桿固定在機(jī)座上。換向極的個(gè)數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，在功率很小的直流電機(jī)中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯(lián)的，要流過(guò)較大的電流，因此和主磁極的串勵(lì)繞組一樣，導(dǎo)線有較大的截面 端蓋 ： 端蓋裝在機(jī)座兩端并通過(guò)端蓋中的軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。同時(shí)端蓋對(duì)電機(jī)內(nèi)部還起防護(hù)作用。 電刷裝置 ： 電刷裝置是電樞電路 的引出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成，右圖所示，電刷是石墨或金屬石墨組成的導(dǎo)電塊，放在刷握內(nèi)用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉(zhuǎn)時(shí)與換向器表面形成滑動(dòng)接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個(gè)電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動(dòng)的刷桿座上，以便調(diào)整電刷的位置。 7 轉(zhuǎn)子的主要部件包括 ：直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為轉(zhuǎn)子，又稱電樞。轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、軸承、風(fēng)扇等。 電樞鐵心 ： 電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組 支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚 0.5mm 且沖有齒、槽的型號(hào)為 DR530 或 DR510 的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖所示。小型電機(jī)的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機(jī)的電樞鐵心沖片先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上，然后再將支架固定在軸上。為改善通風(fēng)，沖片可沿軸向分成幾段，以構(gòu)成徑向通風(fēng)道。 電樞繞組 ： 電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，他是直流電機(jī)的電路部分，也是感生電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，分上下兩層嵌 放在電樞鐵心槽內(nèi)，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。大型電機(jī)電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。 換向器 ： 前面已經(jīng)指出，在直流發(fā)電機(jī)中，換向器起整流作用，在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機(jī)的關(guān)鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個(gè)圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個(gè) V 形環(huán)夾緊而構(gòu)成，如圖 3 10 所示。每個(gè)電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應(yīng)換向片的升高片內(nèi)。小型電機(jī)常用塑料換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再用塑料通過(guò)熱壓制成。 2.1.2 直流電機(jī)的工作原理 直流電動(dòng)機(jī)的原理圖 對(duì)上一頁(yè)所示的直流電機(jī)，如果去掉原動(dòng)機(jī)，并給兩個(gè)電刷加上直流電源，如上圖（ a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過(guò)線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab 和 cd 收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針 轉(zhuǎn)動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（ b）所示的位置，電刷 A 和換向片 2 接觸，電刷 B 和換向片 1 接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動(dòng)方向是 dcba，從電刷 B 流出。 此時(shí)載流導(dǎo)體 ab和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過(guò)的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。 實(shí)用中的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，同樣是由多個(gè)線圈連接而成，以減少電動(dòng)機(jī) 電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，繞組形式同發(fā)電機(jī)。 8 1. 將直流電源通過(guò)電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過(guò)。 2. 電機(jī)內(nèi)部有磁場(chǎng)存在。 3. 載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體將受到電磁力 f 的作用 f=Blia （左手定則） 4. 所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以 n(轉(zhuǎn) /分 )旋轉(zhuǎn)，以便拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載 歸納 ： 1.所有的直流電機(jī)的電樞繞組總是自成閉路。 2.電樞繞組的支路數(shù)（ 2a）永遠(yuǎn)是成對(duì)出現(xiàn)，這是由于磁極數(shù) (2p)是一個(gè)偶數(shù) . 注： a支路對(duì)數(shù) p極對(duì)數(shù) 3為了得到最大的直流電勢(shì)， 電刷總是與位于幾何中線上的導(dǎo)體相接觸。 - - 2.1.3 直流電機(jī)的特性及基本公式 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n和其他參量的關(guān)系可表示為 式中 Ua 電樞供電電壓（ V）； Ia 電樞電流（ A）； 勵(lì)磁磁通（ Wb）； Ra 電樞回路總電阻（ ）； CE 電勢(shì)系數(shù)， ， p為電磁對(duì)數(shù)， a為電樞并聯(lián)支路數(shù)， N為導(dǎo)體數(shù)。 由 上 式可以看出，式中 Ua、 Ra、 三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有 四 種基本調(diào)速方法： (1) 9 改變電樞回路總電阻 Ra； (2)改變 電樞供電電壓 Ua； (3) 采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法 ；(4)改變勵(lì)磁磁通 。 1.改變電樞回路電阻調(diào)速 各種直流電動(dòng)機(jī)都可以通過(guò)改變電樞回路電阻來(lái)調(diào)速，如圖 1(a)所示。此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為 ： 式中 Rw為電樞回路中的外接電阻（ ）。 圖 1(a) 改變電樞電阻調(diào)速電路 圖 1(b) 改變電樞電阻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻 Rw 的增大，電樞回路總電阻 R=(Ra+Rw)增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就降低。其機(jī)械特性如圖 1(b)所示。 Rw的改變可 用接觸器或主令開關(guān)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這種調(diào)速方法為有級(jí)調(diào)速，調(diào)速比一般約為 2： 1左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在已極少采用。 2.改變電樞電壓調(diào)速 連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使直流電動(dòng)機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。如前所述，改變電樞供電電壓的方法有兩種，一種是采用發(fā)電機(jī) -電動(dòng)機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)；另一種是采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)。下面分別介紹這兩種調(diào)速系統(tǒng)。 a.采用發(fā)電機(jī) -電動(dòng)機(jī)組調(diào)速方法 10 圖 2a(a)發(fā)電機(jī) -電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路 圖 2a(b)發(fā)電機(jī) -電動(dòng)機(jī)組調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 如圖 2a(a)所示，通過(guò)改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流 IF來(lái)改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓 Ua，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n。在不同的電樞電壓 Ua時(shí)，其得到的機(jī)械特性便是一簇完全平行的直線，如圖 2a(b)所示。由于電動(dòng)機(jī)既可以工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，又可以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，所以改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的方向，如圖 2a(a)中切換接觸器 ZC和 FC，就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個(gè)象限內(nèi)。 由圖可知，這種調(diào)速方法需要兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和另一臺(tái)容量小一些的勵(lì)磁發(fā)電機(jī) (LF)，因而設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需打基礎(chǔ)、運(yùn)行噪聲大、維護(hù)不方便。為克服這些缺點(diǎn)， 50年代開始采用水銀整流器（大容量）和閘流管這樣的靜止交流裝置來(lái)代替上述的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。目前已被更經(jīng)濟(jì)、可靠的晶閘管變流裝置所取代。 b.采用晶閘管變流器供電的調(diào)速方法 圖 2b(a) 晶閘管供電的調(diào)速電路 圖 2b(b) 晶閘管供電時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 有晶閘管變流器供電的調(diào)速電路如圖 2b(a)所示。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。在此調(diào)速方法下可得到與發(fā)電機(jī) -電動(dòng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)類似的調(diào)速特性。其開環(huán)機(jī)械特性示于圖2b(b)中。 11 圖 2b(b)中的每一條機(jī)械特性曲線都 由兩段組成，在電流連續(xù)區(qū)特性還比較硬，改變延遲角 a時(shí)，特性呈一簇平行的直線，它和發(fā)電機(jī) -電動(dòng)機(jī)組供電時(shí)的完全一樣。但在電流斷續(xù)區(qū)，則為非線性的軟特性。這是由于晶閘管整流器在具有反電勢(shì)負(fù)載時(shí)電流易產(chǎn)生斷續(xù)造成的。 變電樞電壓調(diào)速是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。在此方法中，由于電動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通都不變，只是改變電動(dòng)機(jī)的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速下通風(fēng)惡化的影響（也就是假定電動(dòng)機(jī)是強(qiáng)迫通風(fēng)或?yàn)榉忾]自冷式），則不論在高速還是低速下，電動(dòng)機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，故稱這種調(diào)速方法為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 。這是它的一個(gè)極為重要的特點(diǎn)。如果采用反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達(dá) 50:1 150： 1,甚至更大。 3.采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法 脈寬調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的歷史久遠(yuǎn)，但因缺乏高速大功率開關(guān)器件而未能及時(shí)在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。今年來(lái)，由于大功率晶體管 (GTR)，特別是 IGBT 功率器件的制造工藝成熟、成本不斷下降，大功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)才獲得迅猛發(fā)展，目前其最大容量已超過(guò)幾十兆瓦數(shù)量級(jí)。 4. 改變勵(lì)磁電流調(diào)速 當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由式 轉(zhuǎn)速特性公式 可看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通 （也就是勵(lì)磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速 n升高；反之，則 n降低。與此同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 Te是磁通 和電樞電流 Ia的乘積（即 Te=CTIa ），電樞電流不變時(shí)，隨著磁通 的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動(dòng)機(jī)磁通 的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。 為了使電動(dòng)機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才采用這種調(diào)速方法。采用弱 磁調(diào)速時(shí)的范圍一般為 1.5:1 3:1，特殊電動(dòng)機(jī)可達(dá)到 5:1。 - - 2.1.4 直流電機(jī)的調(diào)速 為了確保產(chǎn)品質(zhì)量并提高生產(chǎn)率，要求生產(chǎn)機(jī)械能夠經(jīng)常在不同的轉(zhuǎn)速場(chǎng)合下運(yùn)行。對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)可以通過(guò)生產(chǎn)機(jī)械本身實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)如減速機(jī)構(gòu)的換檔等，也可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)滿足系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速的要求；而大多數(shù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)則是通過(guò)兩者的配合來(lái)滿足調(diào)速要求的。隨著各種控制策略的不斷完善和實(shí)現(xiàn)手段（如微處理器技術(shù)、電力電子以及微電子技術(shù)等）的采用，生產(chǎn)機(jī)械自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性降低，而相應(yīng)的電氣系統(tǒng)的復(fù)雜性卻在大幅度提高。最終 結(jié)果是，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的性能不斷提高，所加工的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率大幅度提高，而生產(chǎn)機(jī)械本身的體積卻在不斷減小。目前這已成為電力拖動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。一般把具有速度調(diào)節(jié)功能的電力拖動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)所采用電動(dòng)機(jī)的類型不同，調(diào)速系統(tǒng)又可分為直流調(diào)速系統(tǒng)與交流調(diào)速系統(tǒng)。 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 對(duì)于一般調(diào)速系統(tǒng)，主要通過(guò)如下幾個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的優(yōu)劣：（ 1）調(diào)速范圍；（ 2）靜差 12 率；（ 3）調(diào)速的平滑性；（ 4）原始投資與運(yùn)行成本。前三項(xiàng)為技術(shù)指標(biāo)，最后一項(xiàng)為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。 - 2.2 直流電機(jī)的調(diào)速控制 - 2.2.1 直流電動(dòng)機(jī)的 PWM 調(diào)壓調(diào)速原理 - 2.2.2 直流電動(dòng)機(jī) H型驅(qū)動(dòng)可逆 PWM 系統(tǒng) - 第三章 單片機(jī)控制器模塊 3.1 96 單片機(jī)特性及基本結(jié)構(gòu) 96單片機(jī)引腳介紹 MCS-96 單片機(jī)的主要性能特點(diǎn) 1 16 位的 CPU 它的最大特點(diǎn)是沒(méi)有采用累加器結(jié)構(gòu)，而改用寄存器 -寄存器結(jié)構(gòu)， CPU 的操作直接面向 256 字節(jié)的寄存器空間，消除了一般結(jié)構(gòu)中存在的累加器的瓶頸效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)的吞吐能力。 2 256 個(gè)字節(jié)寄存器陣列和專用寄存器 其中 232 字節(jié)為寄存器陣列，它兼具一般單片機(jī)通用寄存器和 RAM 的功能，又都可用作累加器。另外 24 個(gè)字節(jié)為專用寄存器。 8 9 JF 還具有額外的 256 字節(jié)的內(nèi)部 RAM，但不能作通用寄存器用。 3總線寬度可控 它的外部數(shù)據(jù)總線可工作于 8 位或 16 位，以便適應(yīng)對(duì)片外存儲(chǔ)器進(jìn)行字節(jié)操作或字操作的不同需要。 4 8KB 片內(nèi) ROM 總存儲(chǔ)器空間為 64KB， ROM 與 RAM 統(tǒng)一編址。系列中帶片內(nèi) ROM 或EPROM 的芯片，其容量為 8KB， 8 9 JF 容量為 16KB。 5高效的指令系統(tǒng) 該指令系統(tǒng)可以對(duì)帶符號(hào)數(shù)和不帶符號(hào)數(shù)進(jìn)行操作，有 16 位乘 16 位和 32 位除 16 位的乘除指令，有符號(hào)擴(kuò)展指令，還有數(shù)據(jù)規(guī) 格化指令（有利于浮點(diǎn)計(jì)算）等。此外，三操作數(shù)指令大大提高了編程效率。 6高速輸入 /輸出器 特別適用于測(cè)量和產(chǎn)生分辨力高達(dá) 2 s的脈沖（用 l2MHz 晶體時(shí)）。 7 5 個(gè) 8 位輸入 /輸出口 8全雙工串行口 9 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 10脈寬調(diào)制輸出器 PWM 11 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 12 4 個(gè) 16 位軟件定時(shí)器 13 16 位監(jiān)視定時(shí)器 14 9 個(gè)中斷源 9 個(gè)中斷源中有 8 個(gè)留給用戶使用，這 8 個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)有 8 個(gè)中斷矢量，而有些中斷矢量又對(duì)應(yīng)著多個(gè)中斷事件，共對(duì)應(yīng) 20 多種事件。 13 內(nèi)部結(jié)構(gòu) MCS-96 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)框圖見(jiàn)圖 10-1，它主要由寄存器算術(shù)邏輯單元RALU、 232B 寄存器陣列以及一些外圍子系統(tǒng)構(gòu)成。外圍子系統(tǒng)主要包括以下部分：高速輸入 /輸出 （ HIS/HSO）、帶有采樣 /保持電路的 A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制輸出器（ PWM）、定時(shí)器、監(jiān)視定時(shí)器、中斷控制、 I/O口（串行口和 5個(gè)并行口）及時(shí)鐘脈沖發(fā)生器等功能部件。 圖 10-1 MCS-96 的結(jié)構(gòu)圖 14 MCS-96 系列單片機(jī)有 68 腳和 48 腳兩種芯片。 48 腳與 68 腳芯片相比， 48 腳芯片不提供下述引腳： P0.0 P0.3 四個(gè)引腳； P1.0 P1.7 八個(gè)引腳； P2.3、P2.4 和 P2.7 四個(gè)引腳及控制信號(hào)中的 CLKOUT、 INST、 NMI和 BUSWIDTH（ TEST ）四個(gè)引腳。 MCS- 96 的 48引腳如圖所示。 96單片機(jī)的引腳圖 對(duì) 68 個(gè)引腳功能分別說(shuō)明如下： VCC 主電源電壓（ +5V）。 VSS 數(shù)字電路地（ 0V）。 VPD 內(nèi)部 RAM 備用電源電壓（ +5V）。 VREF A/D 轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓（ +5V）。 ANGND A/D 轉(zhuǎn)換器參考地，應(yīng)與 VSS 保持同電平。 VPP 或 VBB 對(duì) 8 9 BH 系列 EPROM 型產(chǎn)品為 VPP，是編程電源（ +12.5V）； XTAL1 內(nèi)部振蕩器反相器的輸入，也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入，常接外部晶體。 XTAL2 內(nèi)部振蕩器反相器的輸出，接外部晶體。 CLKOUT 內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸出，其頻率是振蕩器頻率的 1/3，占空比為 33。 接地端 接地端 主電源 脈寬調(diào)制信號(hào)輸出端 15 INST 在讀外部存儲(chǔ)器時(shí)，此引腳輸出高電平，表示是取指周期。 11 NMI 非屏蔽中斷信號(hào)輸入端。當(dāng)此引腳有正跳變時(shí)，監(jiān)視定時(shí)器復(fù)位，同時(shí)形成一個(gè)指向片外存儲(chǔ)器 0000H 單元 的中斷矢量，而外部存儲(chǔ)器 0000H00FFH 是保留給 Intel 開發(fā)系統(tǒng)用的。 12 BUSWIDTH或 TEST 對(duì) 8 9 BH、 8 9 JF系列產(chǎn)品為 BUSWIDTH，是總線寬度選擇輸入端。若芯片配置寄存器 CCR.l=1，則運(yùn)行中總線寬度取決于BUSWIDTH 的邏輯值：為“ 1”，選擇 16 位總線；為“ 0”，選擇 8 位總線。若CCR.l=0，則總線寬度總是 8 位。此引腳不連時(shí)，靠?jī)?nèi)部把它拉到 VCC 電平。對(duì)其余產(chǎn)品為 TEST