直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器姓名： 學(xué)號(hào)：201006040103指導(dǎo)老師：日期：2013/12/25目錄1 前言31.1直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究意義31.2直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展趨勢(shì)32 直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)42.1設(shè)計(jì)方案綜述42.1.1 h橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案62.1.2調(diào)速設(shè)計(jì)方案72.2硬件設(shè)計(jì)82.2.1電源電路82.2.2 h橋驅(qū)動(dòng)電路92.2.3 基于霍爾傳感器的測(cè)速模塊92.3.4 lcd顯示模塊103 直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)113.1 pwm技術(shù)簡(jiǎn)介113.1.1 pwm介紹113.1.2 pwm控制的基本原理123.1.3 pwm調(diào)速原理133.2調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)14

2、3.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)143.2.2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)153.2 軟件設(shè)計(jì)173.2.1 系統(tǒng)總控制流程圖及說明173.2.2 pwm波軟件設(shè)計(jì)183.2.2 測(cè)速軟件設(shè)計(jì)195 結(jié)論20參考文獻(xiàn)201 前言1.1直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究意義在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，自動(dòng)控制系統(tǒng)，電子儀器設(shè)備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機(jī)都得到了廣泛的應(yīng)用。大家熟悉的錄音機(jī)、電唱機(jī)、錄相機(jī)、電子計(jì)算機(jī)等，都不能缺少直流電機(jī)。所以直流電機(jī)的控制是一門很實(shí)用的技術(shù)。直流電機(jī)，大體上可分為四類：幾相繞組的步進(jìn)電機(jī)、永磁式換流器直流電機(jī)、伺服電機(jī)、 兩相低電壓交流電機(jī)。直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，它的特點(diǎn)

3、是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。與交流調(diào)速相比，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，維護(hù)工作量大。隨著大功率晶體管的問世以及矢量控制技術(shù)的成熟，使得矢量控制變頻技術(shù)獲得迅猛發(fā)展，從而研制出各種類型、各種功率的變頻調(diào)速裝置，并在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。適用范圍：直流調(diào)速器在數(shù)控機(jī)床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設(shè)備、包裝機(jī)械、電工機(jī)械、食品加工機(jī)械、橡膠機(jī)械、生物設(shè)備、印制電路板設(shè)備、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、焊接切割、輕工機(jī)械、物流輸送設(shè)備、機(jī)車車輛、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、雷達(dá)設(shè)備、衛(wèi)星地面接受系統(tǒng)等行業(yè)廣泛應(yīng)用。高性能的交流傳動(dòng)應(yīng)用比重逐年上升，在工業(yè)部門中，用

4、可調(diào)速交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)將成為歷史的必然。1.2直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展趨勢(shì)(1) 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)數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的研究也在不斷的發(fā)展和完善，尤其在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:有的提出了內(nèi)?？刂频乃惴?有的提出了用i-p控制器取代pi調(diào)節(jié)器的方法;有的提出了自適應(yīng)pid算法和模糊pid算法，等等。 (2) 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況我國(guó)在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的水平還遠(yuǎn)落后于于發(fā)達(dá)國(guó)家，在電機(jī)調(diào)速的很多裝備方面都還不夠成熟。全數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)并沒

5、有得到廣泛的應(yīng)用。目前 ，國(guó)內(nèi)各大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)數(shù)字直流調(diào)速裝置。因此國(guó)內(nèi)調(diào)速系統(tǒng)的研究也非?；钴S，但很多電機(jī)調(diào)速的市場(chǎng)還是被國(guó)外公司所占據(jù)。在國(guó)家十五計(jì)劃中，對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方面的研究投入將高達(dá)500億元，所以電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)將有非常巨大的市場(chǎng)需求?；谀壳皣?guó)內(nèi)外的研究狀況，本設(shè)計(jì)主要研究的是用數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬調(diào)速系統(tǒng)。雖然本設(shè)計(jì)研究的調(diào)速系統(tǒng)無法與國(guó)外先進(jìn)的調(diào)速系統(tǒng)相比擬，但相對(duì)國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)研究還是具有一定的實(shí)用價(jià)值的。設(shè)計(jì)要求：表1 直流電機(jī)技術(shù)參數(shù)表額定功率pn額定轉(zhuǎn)速弱磁轉(zhuǎn)速nf電樞電流in勵(lì)磁功率pf電樞回路電阻r電樞回路電感l(wèi)a磁場(chǎng)電感l(wèi)f外接

6、電感l(wèi)h效率eff.慣量矩gd2160v400vkwr/minr/minaw(20)mhhmh%kg.m22.21490300017.93151.1911.2221567.80.0441. 要求電機(jī)轉(zhuǎn)速控制為可調(diào)，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示。2. 超調(diào)量10%。2 直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)方案綜述方案一：pwm波調(diào)速采用由達(dá)林頓管組成的h型pwm電路（圖2.1）。用單片機(jī)控制達(dá)林頓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。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；h型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的pwm調(diào)

7、速技術(shù)4。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生pwm脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍。圖2.1 pwm波調(diào)速電路其結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)（速度的測(cè)量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）單片機(jī)（pid運(yùn)算控制器、pwm模擬發(fā)生器）電機(jī)速度采集電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路鍵 盤顯示器圖2.2電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖方案二：晶閘管調(diào)速采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止式變流裝置供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系

8、統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）。如圖2-3，vt是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓來移動(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。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（g-m系統(tǒng)），得

9、到了廣泛的應(yīng)用6。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的與都十分敏感，若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。另外，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”，因此必須添置無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。圖2.3 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（v-m系統(tǒng)）兼于方案一 調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案一。2.1.1 h橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案圖2-4所示的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)，電路得名于“h橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜竓。如圖2-4所示，要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

10、，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。圖2.4 h橋驅(qū)動(dòng)電路要使電機(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2-5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）。圖2.5 h橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖2-6所示為另一對(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

11、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)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向）。圖2.6 h橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)2.1.2調(diào)速設(shè)計(jì)方案調(diào)速采用pwm（pulse width modulation）脈寬調(diào)制，工作原理：通過產(chǎn)生矩形波，改變占空比，以達(dá)到調(diào)整脈寬的目的。pwm的定義:脈寬調(diào)制(pwm)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒有限制。9v電池就是一種模擬器件，因?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9v，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類似，從電池吸收的

12、電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在0v,5v這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變?。涣鹘?jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。盡管模擬控制看起來可能直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式

13、的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和dsp已經(jīng)在芯片上包含了pwm控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。2.2硬件設(shè)計(jì)2.2.1電源電路1）芯片介紹78xx,xx就代表它所輸出的電壓值，能降低電壓4-5v電子產(chǎn)品中常見到的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負(fù)電壓輸出的79系列。故名思義，三端ic是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/7

14、9系列三端穩(wěn)壓ic來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少,電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路。該系列集成穩(wěn)壓ic型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6v，7909表示輸出電壓為負(fù)9v。有時(shí)在數(shù)字78或79后面還有一個(gè)m或l，如78m12或79l24,用來區(qū)別輸出電流和封裝形式等，其中78l調(diào)系列的最大輸出電流為100ma，78m系列最大輸出電流為1a，78系列最大輸出電流為1.5a。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。2）電路原理圖電源電路采用78系列

15、芯片產(chǎn)生+5v、+15v。電路圖如圖2.7： ic采用集成穩(wěn)壓器7805和7815，c2、c3、c5、c6分別為輸入端和輸出端濾波電容，穩(wěn)壓二極管d1串接在7805穩(wěn)壓器2腳與地之間，可使輸出電壓u得到一定的提高，輸出電壓u為7805穩(wěn)壓器輸出電壓與穩(wěn)壓二極管d1穩(wěn)壓值之和。d2是輸出保護(hù)二極管，一旦輸出電壓低于d1穩(wěn)壓值時(shí)，d2導(dǎo)通，將輸出電流旁路。圖2.7 78系列的電源電路2.2.2 h橋驅(qū)動(dòng)電路基于三極管的使用機(jī)理和特性，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)中采用h橋功率驅(qū)動(dòng)電路，h橋功率驅(qū)動(dòng)電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動(dòng)永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞

16、組有時(shí)需正向電流，有時(shí)需反向電流，這樣繞組電源需用h橋驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)控制使用h橋驅(qū)動(dòng)電路（圖2.8），當(dāng)pwm1為低電平,通過對(duì)pwm2輸出占空比不同的矩形波使三極管q1、q6同時(shí)導(dǎo)通q5截止，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速的控制；同理，當(dāng)pwm2為高電平,通過對(duì)pwm1輸出占空比不同的矩形波使三極管q1、q6同時(shí)導(dǎo)通，q6截止，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速的控制。圖2.8 h橋的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.2.3 基于霍爾傳感器的測(cè)速模塊1）霍爾傳感器的工作原理 霍爾效應(yīng)：在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長(zhǎng)度為l，寬度為b，厚度為d,當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流i，且磁場(chǎng)方向與電

17、流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流i和磁感應(yīng)強(qiáng)度b乘積成正比的電勢(shì)uh，即uh=khib，其中kh為霍爾元件的靈敏度。該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。 工作原理：霍爾開關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓uh放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個(gè)齒。單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)n，因此可求出單位時(shí)間內(nèi)的速度vnt。2）霍爾傳感器的電路原理圖當(dāng)電流流過霍爾傳感器時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過磁環(huán)氣隙中霍爾元件進(jìn)行測(cè)量并放大輸出，其輸出電壓v精確的反映原

18、邊電流。圖2.9 霍爾傳感器的測(cè)速電路2.3.4 lcd顯示模塊1）1602芯片介紹1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（cgrom)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“a”的代碼是01000001b（41h），顯示時(shí)模塊把地址41h中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a”。因?yàn)?602識(shí)別的是ascii碼，試驗(yàn)可以用ascii碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如a。2）電路原理圖圖2.10 lcd顯示電路3 直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1 pwm

19、技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.1 pwm介紹脈沖寬度調(diào)制（pwm）是英文“pulse width modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定。脈沖寬度調(diào)制（pwm）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。pwm信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何

20、時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(on)，要么完全無(off)。電壓或電流源是以一種通(on)或斷(off)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用pwm進(jìn)行編碼。pwm的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是pwm相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)wm用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向pwm可

21、以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)膔c或lc網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。 3.1.2 pwm控制的基本原理 沖量相等而形狀不同的 窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖3-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 分別將如圖3-1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（r-l電路）上，如圖3-1a所示。其輸出電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖3-1b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響

22、應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。圖3-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波n等分，看成n個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。3.1.3 pwm調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=(u-ir)/k 其中u為電樞端電壓，i為電樞電流，r為電樞電路總電阻,為每極磁通量，k為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法是控制

23、磁通，其控制功率小，低速時(shí)受到磁飽和限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中pwm(脈寬調(diào)制)便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。 pwm調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來改變直流電機(jī)電樞上電壓的占空比，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

24、而且采用pwm技術(shù)構(gòu)成的無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。圖3.3 電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系圖如圖3.3所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為vmax，設(shè)占空比為d=tt，則電機(jī)的平均速度為vd=vmaxd 式中，vd-電機(jī)的平均速度；vmax-電機(jī)全通電時(shí)的速度（最大）；d=t1/t-占空比。由公式可見，當(dāng)我們改變占空比d=t1/t時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比d并不

25、是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以其近似地看成線性關(guān)系。本次設(shè)計(jì)中pwm信號(hào)是由單片機(jī)em78p156輸出的，然后通過控制導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度的控制。其電路圖如圖所示圖3.4單片機(jī)控制單元電路圖3.2調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)3.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即de0。這時(shí)，電流環(huán)如下圖3.5所示。 圖3.5 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成u*i(s) /b ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)（圖3.6所示）。 圖3.6 等效單位負(fù)反饋系統(tǒng)3.2.2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1） 電流環(huán)節(jié)的等

26、效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)wcli(s).電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為: 式中 。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為u*i(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為： （2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr中。現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后加了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。其傳遞函數(shù)為： 其中 kn-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超調(diào)時(shí)間常數(shù)； 3.7 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) 3.8 等效成單

27、位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處 3.9 校正后成為典型 ii 型系統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 令轉(zhuǎn)速開環(huán)增益kn為則有調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 3.2 軟件設(shè)計(jì)3.2.1 系統(tǒng)總控制流程圖及說明圖3.10 系統(tǒng)總控制流程圖如流程圖所示（1）單片機(jī)控制電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)入中斷保護(hù)過程。中斷保護(hù)過程將完成如下5方面的工作：保存端口的狀態(tài)值。保存中斷前的片內(nèi)寄存器值。保存存儲(chǔ)器的尋址地址。保存主程序的執(zhí)行代碼斷點(diǎn)。初始化脈沖寬度、延時(shí)長(zhǎng)度和狀態(tài)信息。（2）完成中斷保護(hù)后，系統(tǒng)將檢查脈沖寬度計(jì)時(shí)時(shí)間是否達(dá)到。脈沖寬度計(jì)時(shí)用于開啟可控硅，控制電機(jī)運(yùn)行。如果既定時(shí)間寬度的脈沖已完成（即判定結(jié)果為是），則必須撤銷脈沖；如果既定時(shí)間寬度的脈沖已完成（即判定結(jié)果為否），則不撤銷脈沖。（3）判斷電機(jī)是否正在運(yùn)行。如果電機(jī)沒有運(yùn)行，則恢復(fù)寄存器初始值，完成中斷，返回系統(tǒng)主程序；如果電機(jī)正在運(yùn)行，則繼續(xù)執(zhí)行。（4）判斷脈沖延時(shí)時(shí)間是否到達(dá)。如果延時(shí)到達(dá)，中斷將重新開啟脈沖，并給出脈沖初始值，重新決定是否開啟可控硅，控制電機(jī)運(yùn)行；如果延時(shí)不到，則恢復(fù)