基于單片機(jī)的直流伺服電機(jī)PWM控制系統(tǒng)

1、1運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計課程設(shè)計題題 目目: : 基于單片機(jī)的直流伺服電機(jī)基于單片機(jī)的直流伺服電機(jī) pwmpwm 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 院系名稱院系名稱: : 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級專業(yè)班級: : xxxxxx 學(xué)生姓名學(xué)生姓名: : xxxxxx 學(xué)學(xué) 號號: : xxxxxxxx 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師: : 石慶生石慶生 評語：成績2摘摘 要要單片機(jī)是應(yīng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的要求而出現(xiàn)的，隨著單片機(jī)的迅速發(fā)展，起應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。盡管目前已經(jīng)發(fā)展眾多種類的單片機(jī)，但是應(yīng)用較廣、也是最成熟的還是最早有 intel 開發(fā)的 mcs-51 系列單片機(jī)（51 系列單片機(jī)） 。51 系列單片機(jī)

2、應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)成為目前主流的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation簡稱 pwm）調(diào)速產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 70 年代中期，最早用于自動跟蹤天文望遠(yuǎn)鏡，自動記錄儀表等的驅(qū)動，后來用于晶體管器件水平的提高及電路技術(shù)的發(fā)展，pwm 技術(shù)得到了高速發(fā)展，各式各樣的脈寬調(diào)速控制器，脈寬調(diào)速模塊也應(yīng)運而生，許多單片機(jī)也都有了 pwm 輸出功能。而 mcs51 系列單片機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)之一，卻沒有 pwm 輸出功能，本課設(shè)采用配合軟件的方法實現(xiàn)了 mcs51 單片機(jī)的pwm 輸出調(diào)速功能，這對精度要求不高的場合時非常實用的。3目目 錄錄1 1、前言、前言.3

3、31.1 單片機(jī)的發(fā)展史 .31.2 本設(shè)計任務(wù) .42 2、總體設(shè)計方案、總體設(shè)計方案.5 53 3、硬件電路設(shè)計、硬件電路設(shè)計.5 53.1 硬件組成 .53.2 主要器件功能介紹 .63.2.1 直流伺服電機(jī)簡介.63.2.2 pwm 簡介及調(diào)速原理.73.2.3 傳感器選擇 .83.3 電路組成 .93.3.1 晶振電路 .93.3.2 復(fù)位電路 .93.3.3 單相橋式整流電路 .103.3.4 調(diào)制電路 .104 4、系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計.11114.1 系統(tǒng)簡介及原理 .114.2 系統(tǒng)設(shè)計原理 .114.3 程序流程圖 .135 5、建模、建模.14145.1 控制框圖

4、.145.2 參數(shù)計算 .155.3 pwm 變換器環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型.165.4 仿真結(jié)果圖 .17總總 結(jié)結(jié).1818參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).1818附件附件 1 1：匯編設(shè)計：匯編設(shè)計 .1919附件附件 2 2： .212101 1、前言前言1.11.1 單片機(jī)的發(fā)展史單片機(jī)的發(fā)展史單片機(jī)作為微型計算機(jī)的一個重要分支,應(yīng)用面很廣,發(fā)展很快。自單片機(jī)誕生至今以發(fā)展為上百種系列的近千個分支。如果將 8 位單片機(jī)的推出作為起點，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個階段：（1）第一階段（19761978）：單片機(jī)的控索階段。以 intel 公司的 mcs48的推出是在工控領(lǐng)域的控索，參與這一控索的公

5、司還有 motorola、zilog 等，都取 得了滿意的效果。這就是 scm 的誕生年代， “單片機(jī)”一詞由此而來。（2）第二階段（19781982）：單片機(jī)的完善階段。intel 公司在 mcs48 的基礎(chǔ)上推出了完善的，典型的單片機(jī)系列 mcs51.它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。 完善的外部總線。mcs51 設(shè)置了經(jīng)典的 8 位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括 8位數(shù)據(jù)總線 16 位地址總線控制總線及具有很多通信功能的串行通信接口。 cpu 外圍功能單元的集中管理模式。 體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。（3）

6、第三階段（19821990）：8 位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及 16 位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。intel 公司推出的 mcs96 系列單片機(jī)，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器的特征。隨著 mcs51 系列的廣泛應(yīng)用，許多電氣廠商競相使用 80c51 為內(nèi)核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多通道 a/d 轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等應(yīng)用到單片機(jī)中，增強(qiáng)了外圍電路的功能，強(qiáng)化了智能控制的特征。（4）第四階段（1990）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機(jī)在各個領(lǐng)域全面深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運

7、算能力的 8 位/16 位/32 位通用型單片機(jī)，以及小型廉價的專用型單片機(jī)。 1.21.2 本設(shè)計任務(wù)本設(shè)計任務(wù)任務(wù): 單片機(jī)為控制核心的直流電機(jī) pwm 調(diào)速控制系統(tǒng)。1功能主要包括：1)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)；2)直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)；3)直流電機(jī)的加速；4)直流電機(jī)的減速；5)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示；6)直流電機(jī)的啟動；7)直流電機(jī)的停止；2 2、總體設(shè)計方案、總體設(shè)計方案總體設(shè)計方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。圖 1鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過 p1.0 與 p1.1 其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 pwm 脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅(qū)動 h 型橋式電動機(jī)控制

8、電路，實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機(jī)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過數(shù)碼管顯示出來。電動機(jī)所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“三” ，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時最高位顯示“f” ，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。每次電動機(jī)啟動后開始顯示，停止時數(shù)碼管顯示出“0000” 。 3 3、硬件電路設(shè)計、硬件電路設(shè)計3.13.1 硬件組成硬件組成本系統(tǒng)由 pc 機(jī)、mcs-51 單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)、 、pwm 脈寬調(diào)制控制板以及直流伺服電動機(jī)等組成。具體相關(guān)硬件如下所示：單片機(jī)pwm 電機(jī)驅(qū)動數(shù)碼管顯示按鍵控制2二極管（1n4077）4 個，場效應(yīng)管（2sj50）4 個，非門 74ls04 1 個，與門74ls08 2 個

9、，電容（capacitor） 2 個，芯片（at89c51） 1 個，開關(guān)（button）3 個，直流伺服電動機(jī)（motor）1 個，電阻（res）4 個，電源 3 個，地（ground）4 個。如表 3.1 所示：硬件型號數(shù)量硬件型號數(shù)量1n40774motor12sj504res474ls041capacitor274ls082ground4at89c511vcc3button3表 3.1 元件表3.23.2 主要器件功能介紹主要器件功能介紹3.2.13.2.1 直流伺服電機(jī)簡介直流伺服電機(jī)簡介伺服電機(jī)也稱執(zhí)行電機(jī)，它具有一種服從控制信號的要求而動作的電機(jī)，在信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；信

10、號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)信號小時，轉(zhuǎn)子能即使自行停轉(zhuǎn)，由于這種“伺服”性能，因此而得名。按照在自動控制系統(tǒng)中的功用所要求，伺服電機(jī)具備可控性好、穩(wěn)定性高和速應(yīng)性強(qiáng)等基本性能?？煽刂菩院檬侵笇ず孟б院螅芰⒓醋孕型＾D(zhuǎn)；穩(wěn)定性高是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而均勻下降，速應(yīng)性強(qiáng)是指反應(yīng)快，靈敏。直流伺服電動機(jī)在自動控制系統(tǒng)中常用作執(zhí)行元件,對它的要求是要有下垂的機(jī)械特性、線性的調(diào)節(jié)特性和對控制信號能作出快速反應(yīng)。該系統(tǒng)采用的是電磁式直流伺服電動機(jī),其型號為 45sy01 型,其轉(zhuǎn)速 n 的計算公式如下:n=e/k=(ua-iara)/k式中 n 為轉(zhuǎn)速; 為磁通;e 為電樞反電勢;ua 為外加電壓;i

11、ara 為電樞電流和電阻。3 直流伺服電機(jī)與普通直流電機(jī)以及交流伺服電機(jī)的比較：直流伺服電機(jī)的工作原理和普通直流電機(jī)相同。只要在其勵磁繞組中有電流通過且產(chǎn)生了磁通，當(dāng)電樞繞組中通過電流時，這個電樞電流與磁通互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使伺服電機(jī)投入工作。這兩個繞組其中的一個斷電時，電動機(jī)立即停轉(zhuǎn)，它不象交流伺服電動機(jī)那樣有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。所以我們選擇直流伺服電動機(jī)來進(jìn)行自動門的拖動。3.2.23.2.2 pwmpwm 簡介及調(diào)速原理簡介及調(diào)速原理（1）簡介：pwm 控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等待地獲得所需要波形。pwm 的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)

12、字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持在數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。pwm 控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式。（2）調(diào)速原理：占空比表示了在一個周期 t 里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。其變化范圍為 01。如圖 2.1，在電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值 u 取決于占空比的大小。改變其值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在 pwm 調(diào)速時，占空比是一個重要的參數(shù)。以下是 3 種方式都可以改變占空比的值：圖 2.1 占空比示意圖計算公式：占空比=ton/ta)定寬調(diào)頻法b)調(diào)寬調(diào)頻法c)定頻調(diào)寬法目前，在直流伺服電機(jī)的控

13、制中，主要使用定頻調(diào)寬法。（3）與 v-m 系統(tǒng)相比，pwm 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：4由于 pwm 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用可能就足以獲得脈沖動很小的直流電流，電樞容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá) 1：10000 左右。又由于電流波形比 v-m 系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。 同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。 由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率比較高。3.2.33.2.3 傳感器選擇傳感器選擇霍爾器件是一種磁傳感器。按照霍

14、爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量，可用于磁場的測量和控制?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點，它們的體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá) 1 mhz) ,耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻栭_關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高。此外，其工作溫度范圍寬。其中最常用的有以下幾種：（1）霍爾元件式位置傳感器霍爾元件式位置傳感器是磁敏式位置傳感器的一種。它是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場中，即輸出霍爾電勢信號，當(dāng)其不受外磁場作用時，其輸出端無信號。用霍爾

15、元件作轉(zhuǎn)子位置傳感器通常有兩種方式。第一種方式是將霍爾元件粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝在與電機(jī)軸同軸的永磁體。對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)，三個霍爾元件在空間彼此相隔 120電角度，永磁體的極弧寬度為 180電角度。這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，三個霍爾元件便交替輸出三個寬度為 180電角、相位互差 120電角的矩形波信號。第二種方式是直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體主極作為傳感器的永磁體，根據(jù)霍爾元件的輸出信號即可判斷轉(zhuǎn)子磁極位置，將信號放大處理后便可驅(qū)動逆變器工作。（2）電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器

16、的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成。轉(zhuǎn)子由5扇形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成。電機(jī)運行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯耦合，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器工作。這種傳感器具有較高的強(qiáng)度，可經(jīng)受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動開關(guān)管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。由于這種傳感器過于笨重復(fù)雜，因而大大限制了其在普通條件下的應(yīng)用。3.33.3 電路組成電路組成3.3.13.3.1 晶振電路晶振電路圖 2.3.1 晶振電路圖，由兩個電容和

17、一個晶振組成，晶振頻率為 12mhz。xtal218xtal119u1x1crystalc130pfc230pfc3vcc圖 2.3.1 晶振電路圖3.3.23.3.2 復(fù)位電路復(fù)位電路圖 2.3.2 為復(fù)位電路圖，由直流電源，電容和電阻組成，其主要功能是對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位功能。6r410kc330uvccvcc圖 2.3.2 復(fù)位電路圖3.3.33.3.3 單相橋式整流電路單相橋式整流電路圖 2.3.3 是單相橋式整流電路圖，由 4 個場效應(yīng)管 igbt 和四個二極管組成，其功能是將交流電轉(zhuǎn)化成直流電。其負(fù)載為伺服直流電機(jī)，通過門控信號的改變可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向圖 2.3.3 單相橋式整流

18、電路圖3.3.43.3.4 調(diào)制電路調(diào)制電路圖 2.3.4 是調(diào)制電路圖，由兩個與門和一個非門組成，其功能主要是產(chǎn)生pwm 脈沖來控制 igbt。7123u2:a74ls08456u2:b74ls0812u3:a74ls04vcc/vddvcc/vdd圖 2.3.4 調(diào)制電路圖4 4、系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計4.14.1 系統(tǒng)簡介系統(tǒng)簡介及原理及原理該課設(shè)是基于單片機(jī)利用脈沖寬度調(diào)制來控制伺服直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向，是一個典型的控制系統(tǒng)。脈沖寬度調(diào)制主要是改變脈沖信號的占空比來實現(xiàn)控制的。當(dāng)增加脈沖的占空比，伺服直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加；反之，其速度降低。所以通過控制脈沖的占空比可以控制伺服直流

19、電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。單片機(jī) at89c51，其主要功能就是將開關(guān)的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并通過固定程序，通過對信號的識別，輸出相應(yīng)的控制信號。采用 igbt 作為開關(guān)器件的單相橋式 pwm 逆變電路。以電動機(jī)作為負(fù)載，工作時 q1,q3 的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，q2,q4 的通斷狀態(tài)也互補(bǔ)。pwm 逆變電路中間是調(diào)制電路，輸入信號分別是信號波和載波，輸出的信號分別送至 4 個 igbt 的門極，對其控制。4.24.2 系統(tǒng)設(shè)計原理系統(tǒng)設(shè)計原理（1）正反轉(zhuǎn)控制原理該系統(tǒng)中利用開關(guān) k3 控制伺服直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)開關(guān)閉合時既輸入信號為 1，通過單片機(jī)編程處理后，控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)；反之，控制電動機(jī)的反轉(zhuǎn)。

20、實現(xiàn)該功能的子程序為：loop: jb k3,loopzf ；高電平逆時針轉(zhuǎn)，低電平順時針轉(zhuǎn)8 clr zf ；針轉(zhuǎn) ljmp loopk1loopzf: setb zf（2）加速控制原理該系統(tǒng)中利用開關(guān) k1 控制伺服直流電動機(jī)的加速。當(dāng)開關(guān)閉合時既輸入信號為 1，通過單片機(jī)編程處理后，增加控制脈沖的占空比，從而增大了電動機(jī)兩側(cè)的電壓，使伺服直流電動機(jī)加速；反之，電動機(jī)保持勻速轉(zhuǎn)動。實現(xiàn)該功能的子程序為：loopk1: jb k1,loopk2 ；k1 按下加速 lcall delay mov a,pwml add a,#1 ；調(diào)寬值低 4 位加 1 mov pwml,a mov a,pwm

21、h addc a,#0 ；調(diào)寬值高 4 位加 1 mov pwmh,a jnc loopk2 ；最大值時 mov pwmh,#0ffh（3）減速控制原理該系統(tǒng)中利用開關(guān) k2 控制伺服直流電動機(jī)的加速。當(dāng)開關(guān)閉合時既輸入信號為 1，通過單片機(jī)編程處理后，減少控制脈沖的占空比，從而減小了電動機(jī)兩側(cè)的電壓，使伺服直流電動機(jī)減速；反之，電動機(jī)保持勻速轉(zhuǎn)動。實現(xiàn)該功能的子程序為：loopk2: jb k2,over ；k2 按下減速 lcall delay mov a,pwml clr c subb a,#1 ；調(diào)寬值低 4 位減 19 mov pwml,a mov a,pwmh subb a,#0

22、；調(diào)寬值高 4 位減 1 mov pwmh,a jnc over mov pwmh,#00h ；最小值時4.34.3 程序流程圖程序流程圖由以下流程圖可知，系統(tǒng)先檢測開關(guān) 3（正反轉(zhuǎn)開關(guān)）的信號。如果是 0 信號（開的狀態(tài)） ，則發(fā)出正轉(zhuǎn)信號，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反之電動機(jī)反轉(zhuǎn)。檢測完開關(guān)3，接下來檢測開關(guān) 1（加速開關(guān)） ，若信號為 1（關(guān)的狀態(tài)） ，發(fā)出加速的信號，電動機(jī)加速，若信號為 0（開的狀態(tài)） ，速度保持不變。再檢測開關(guān) 2（減速開關(guān)） ，若信號為 1（關(guān)的狀態(tài)） ，發(fā)出減速的信號，電動機(jī)減速，若信號為 0（開的狀態(tài)） ，速度保持不變。系統(tǒng)一直對三個開關(guān)信號循環(huán)檢測，循環(huán)的執(zhí)行程序。10開

23、始設(shè)置定時計數(shù)器k3正轉(zhuǎn)信號反轉(zhuǎn)信號k1，加速增加計數(shù)器k2，減速減少計數(shù)器高低nyn圖 4.3 程序流程圖5 5、建模、建模5.15.1 控制框圖控制框圖 根據(jù)設(shè)計要求，所設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，選定轉(zhuǎn)速為反饋量，采用變電壓調(diào)節(jié)方式，實現(xiàn)對直流電機(jī)的無極平滑調(diào)速。 轉(zhuǎn)速用與電動機(jī)同軸相連的測速電機(jī)產(chǎn)生的正比于轉(zhuǎn)速的電壓信號反11饋到輸入端，再與給定值比較，經(jīng)放大環(huán)節(jié)產(chǎn)生控制電壓，再通過電力電子變換器來調(diào)節(jié)電機(jī)回路電流，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。這里，電壓放大環(huán)節(jié)采用集成電路運算放大器實現(xiàn)，主電路用晶閘管可控整流器調(diào)節(jié)對電機(jī)的電源供給。有了原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結(jié)

24、構(gòu)圖 5.1 表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖 5.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 同理，用各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，表示成結(jié)構(gòu)圖形式，就得到了系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。由所學(xué)的相關(guān)課程知：放大環(huán)節(jié)可以看成純比例環(huán)節(jié)，電力電子變換環(huán)節(jié)是一個時間常數(shù)很小的滯后環(huán)節(jié)，這里把它看作一階慣性環(huán)節(jié)，而額定勵磁下的直流電動機(jī)是一個二階線性環(huán)節(jié)。所以，可以得到 5.2 的框圖：圖 5.2 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖5.25.2 參數(shù)計算參數(shù)計算 設(shè)計完系統(tǒng)框圖，就可以用已知的傳遞函數(shù)結(jié)合設(shè)計要求中給定的參數(shù)進(jìn)行對系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)兩套參數(shù)的計算。以便于后續(xù)步驟利用經(jīng)典控制論對系統(tǒng)的分析。為

25、了方便以下的計算，每個參數(shù)都采用統(tǒng)一的符號，這里先列出設(shè)計要求中給出的參數(shù)及大?。?2nadnnnceriu 電動機(jī)：pn=10kw un=220v idn=55a nn=1000rpm ra=0.5 晶閘管整流裝置：二次線電壓 e2l=230v ks=44 主回路總電阻：r=1 測速發(fā)電機(jī)：pnc=23.1kw unc=110v idn=0.21a nnc=1900rpm 系統(tǒng)運動部分：飛輪矩 gd2=10nm2 電樞回路總電感量：要求在主回路電流為額定值 10時，電流仍連續(xù) 生產(chǎn)機(jī)械：d=10 s51、靜態(tài)參數(shù)設(shè)計計算 a、空載到額定負(fù)載的速降 nn由公式： （其中 d，s 已知） 得：n

26、n5.26rpm b、系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù) k由公式： （由公式 算出 ce =0.1925vmin/r） 得：k=53.3 c、測速反饋環(huán)節(jié)放大系數(shù) a設(shè)：測速發(fā)電機(jī)電動勢系數(shù)= unc/ nnc=0.0579 vmin/r測速發(fā)電機(jī)輸出電位器 rp2 分壓系數(shù) a2根據(jù)經(jīng)驗，人為選定 a2=0.2則 a=cec a2=0.01158 2、rp2 的選擇主要從功耗方面考慮，以不致過熱為原則。d、運算放大器的放大系數(shù) kp由公式 （其中 即 a） kp 20.14 取 kp=21 （若向小方向取，可能影響快速性，由于后加限幅電路，略大無妨）此處的近似，使 k 由 53.3 變?yōu)?55.58)1 (

27、edkcrin)1 (nnsnsndespckkk132、動態(tài)參數(shù)設(shè)計計算 在經(jīng)典控制論中，動態(tài)分析基于確定系統(tǒng)的傳函，所以要求出傳函并根據(jù)已知求的傳函中的未知參數(shù)，再用勞斯判據(jù)得出系統(tǒng)穩(wěn)定性，在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上再加校正以優(yōu)化系統(tǒng)，使穩(wěn)、準(zhǔn)、快指標(biāo)平衡在要求范圍內(nèi)的值上。5.35.3 pwmpwm 變換器環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型變換器環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型圖 5.3 繪出了 pwm 控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動電壓都由 pwm 控制器發(fā)出，pwm 控制與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。按照上述對 pwm 變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓改變時，pwm 變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律

28、變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一個開關(guān)周期 t 。pwm變換器pwm控制器ucugud圖 5.3 pwm 變換器環(huán)節(jié)框圖根據(jù)其工作原理，當(dāng)控制電壓改變時，pwm 變換器的輸出電壓要到下一cu個周期方能改變。因此，脈寬調(diào)制器和 pwm 變換器合起來可以看成一個滯后環(huán)節(jié)，它的延時最大不超過一個開關(guān)周期 t。則，當(dāng)整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截至頻率滿足因此 pwm 控制與變換器（簡稱 pwm 裝置）也可以看成是一個c3t滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成 sdssc( )( )e( )t susw skus當(dāng)開關(guān)頻率為 10khz 時，t = 0.1ms ，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)這么小的

29、滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此 pw(s)s1ktkp脈寬調(diào)制器和 pwm 變換器的放大系數(shù)。 145.45.4 仿真結(jié)果圖仿真結(jié)果圖下圖是系統(tǒng)的仿真圖，圖中左下方是三個控制開關(guān)，分別控制直流伺服電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速。開關(guān)按下時，是高電平信號，開關(guān)開時，是低電平信號（信號為高電平時有效）。開關(guān)右側(cè)的單片機(jī) at89c51，其主要功能就是將開關(guān)的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并通過固定程序，通過對信號的識別，輸出相應(yīng)的控制信號。系統(tǒng)圖的最右側(cè)是采用 igbt 作為開關(guān)器件的單相橋式 pwm 逆變電路。以電動機(jī)作為負(fù)載，工作時 q1,q3 的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，q2,q4 的通斷狀態(tài)也互補(bǔ)。p

30、wm 逆變電路下方是調(diào)制電路，輸入信號分別是信號波和載波，輸出的信號分別送至 4 個 igbt 的門極，對其控制。圖 5.4 仿真結(jié)果圖15總總 結(jié)結(jié)通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)電機(jī)技術(shù)方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手設(shè)計與仿真調(diào)試，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。本設(shè)計的中心思想就是結(jié)合各課的知識，來完成一個綜合的設(shè)計。通過單片機(jī)產(chǎn)生 pwm 脈沖，來控制單相橋式整流電路，從而實現(xiàn)了對直流伺服電動機(jī)的調(diào)速控制。在今后的學(xué)習(xí)中，我不但要將理論知識學(xué)好，還要將其應(yīng)用到實踐，并且將各科知識聯(lián)系起來應(yīng)用。16參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)【1】蔣輝平 基于 proteus 的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與仿真實例(m)。機(jī)械工業(yè)出版社，2009【2】李群芳 單片微機(jī)計算機(jī)與接口技術(shù)(m)北京。電子工業(yè)出版社，2008【3】余國衛(wèi) 單片微機(jī)計算機(jī)與接口技術(shù)實驗指導(dǎo)書17附件附件 1 1：匯編設(shè)計：匯編設(shè)計k1 bit