直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(共20頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)：測控技術(shù)與儀器姓名： 學(xué)號：3指導(dǎo)老師：日期：2013/12/25目錄專心-專注-專業(yè)1 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)具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，它的特點是啟動轉(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)

2、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、實驗設(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。高性能的交流傳動應(yīng)用比重逐年上升，在工業(yè)部門中，用可調(diào)速交流傳動取代直流傳動將成為歷史的必然。1.2直流電機(jī)調(diào)速

3、的發(fā)展趨勢(1) 國外發(fā)展概況隨著各種微處理器的出現(xiàn)和發(fā)展，國外對直流電機(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現(xiàn)，為了提高調(diào)速系統(tǒng)的性能，研究工作者對晶閘管觸發(fā)脈沖的控制算法作了大量研究:有的提出了內(nèi)模控制的算法;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) 國內(nèi)發(fā)展概況我國在電機(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)在國內(nèi)并沒有得到廣泛的應(yīng)用。目前 ，國內(nèi)各大專院校、科研單位和廠家也都在

4、開發(fā)數(shù)字直流調(diào)速裝置。因此國內(nèi)調(diào)速系統(tǒng)的研究也非?；钴S，但很多電機(jī)調(diào)速的市場還是被國外公司所占據(jù)。在國家十五計劃中，對電機(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)在我國將有非常巨大的市場需求?；谀壳皣鴥?nèi)外的研究狀況，本設(shè)計主要研究的是用數(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)計研究的調(diào)速系統(tǒng)無法與國外先進(jìn)的調(diào)速系統(tǒng)相比擬，但相對國內(nèi)的現(xiàn)狀，本設(shè)計研究還是具有一定的實用價值的。設(shè)計要求：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勵磁功率PF電樞回路電阻R電樞回路電感LA磁場電感LF外接電感LH效率Eff.慣量矩GD2160V400VkWr/min

5、r/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)計轉(zhuǎn)速實時顯示。2. 超調(diào)量10%。2 直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1設(shè)計方案綜述方案一：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單地實現(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)速技術(shù)4。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機(jī)在運

6、轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定，并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。且對于直流電機(jī)，采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許范圍。圖2.1 PWM波調(diào)速電路其結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示：單片機(jī)（速度的測量計算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）單片機(jī)（PID運算控制器、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系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止式變流裝置供電的直流電動機(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)用于直流電動機(jī)調(diào)速系統(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

7、-3，VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現(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，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(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)組直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)），得到了廣泛的應(yīng)用6。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向

8、，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難；晶閘管對過電壓、過電流和過高的與都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(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)計采用方案一。2.1.1 H橋驅(qū)動電路設(shè)計方案圖2-4所示的H橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機(jī)，電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。如圖2-4所示，要使電機(jī)運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電

9、流可能會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)動電路要使電機(jī)運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，如圖2-5所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，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)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)按特定方向 轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時針方向）。圖2.5 H橋驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動圖2-6所示為另一對三極管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，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭

10、頭表示為逆時針方向）。圖2.6 H橋驅(qū)動電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動2.1.2調(diào)速設(shè)計方案調(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)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時間發(fā)生變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別

11、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，如對汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變小；流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動揚聲器的電流值，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單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對

12、于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。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)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。2.2硬件設(shè)計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78/79系列三端穩(wěn)壓

13、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。有時在數(shù)字78或79后面還有一個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，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系列芯片產(chǎn)生+5V

14、、+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，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)動電路基于三極管的使用機(jī)理和特性，在驅(qū)動電機(jī)中采用H橋功率驅(qū)動電路，H橋功率驅(qū)動電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞組有時需正向電流，有

15、時需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動。直流電機(jī)控制使用H橋驅(qū)動電路（圖2.8），當(dāng)PWM1為低電平,通過對PWM2輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時導(dǎo)通Q5截止，從而實現(xiàn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)速的控制；同理，當(dāng)PWM2為高電平,通過對PWM1輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時導(dǎo)通，Q6截止，從而實現(xiàn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)速的控制。圖2.8 H橋的電機(jī)驅(qū)動電路2.2.3 基于霍爾傳感器的測速模塊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的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)

16、體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。 工作原理：霍爾開關(guān)集成電路中的信號放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號變換器、驅(qū)動器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。信號輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個齒。單位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N，因此可求出單位時間內(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，產(chǎn)生的磁場聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過磁環(huán)氣隙中霍爾元件進(jìn)行測量并放大輸出，其輸出電壓V精確的反映原邊電流。圖2.9 霍

17、爾傳感器的測速電路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)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。因為1602識別的是ASCII碼，試驗可以用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3.1 PWM技術(shù)簡介3.1.1 PWM

18、介紹脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用的數(shù)字輸出來對進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，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，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號進(jìn)行數(shù)字的方法。通過高分辨率的使用，的被用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或

19、電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(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，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方

20、波并將信號還原為模擬形式。 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，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)對不同窄脈沖時的響應(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。

21、用傅里葉級數(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正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，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為電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時受到磁飽和限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)

22、度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態(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固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開的時間比(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)通電時其速度增加，電機(jī)斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng)啟停時對直流系

23、統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。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，速度增加；電機(jī)斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，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，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，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

24、線性關(guān)系。本次設(shè)計中PWM信號是由單片機(jī)EM78P156輸出的，然后通過控制導(dǎo)通角實現(xiàn)對直流電機(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3.2.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即DE0。這時，電流環(huán)如下圖3.5所示。 圖3.5 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成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（1） 電流環(huán)節(jié)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)

25、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。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必有一個積分環(huán)節(jié)，它包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中?，F(xiàn)在擾動作用點后加了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也滿足動態(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 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處 3.9 校正后成為典

26、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，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。保存存儲器的尋址地址。保存主程序的執(zhí)行代碼斷點。初始化脈沖寬度、延時長度和狀態(tài)信息。（2）完成中斷保護(hù)后，系統(tǒng)將檢查脈沖寬度計時時間是否達(dá)到。脈沖寬度計時用于開啟可控硅，控制電機(jī)運行。如果既定時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)是否正在運行。如果電機(jī)沒有運行，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)正在運行，則繼續(xù)執(zhí)行。（4）判斷脈沖延時時間是否到達(dá)。如果延時到達(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)運行；如果延時不到，則恢復(fù)寄存器初始值，完成中斷，返回系統(tǒng)主系統(tǒng)。（5）完成中斷，返回系統(tǒng)主