基于單片機的直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、96基于單片機的直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計劉 凡(湖南省衡陽市勞動保障局,湖南 衡陽 421000摘 要:電動機作為最主要的動力源或運動源,在生產(chǎn)和生活中占有重要地位。電動機的數(shù)字控制是電動機控制的發(fā)展趨勢,用單片機對電動機進行控制是實現(xiàn)電動機數(shù)字控制的最常用的手段。本文系統(tǒng)地介紹直流電動機的控制原理和采用單片機進行控制、調(diào)節(jié)的方法,結(jié)合脈寬調(diào)試和PID 控制算法控制原理,實現(xiàn)了單片機控制電動機的電流環(huán)和速度環(huán)的控制系統(tǒng)的設(shè)計。 關(guān)鍵詞:直流無刷電機;脈寬調(diào)制;PID 調(diào)節(jié)1 概述傳統(tǒng)直流電機采用機械機構(gòu)(電刷進行換向,因而存在機械摩擦,并由此帶來電磁噪聲、換向火花、以及壽命短等缺點,再加上制造成

2、本高、維修困難,從而極大的限制了它的發(fā)展和應(yīng)用范圍。針對傳統(tǒng)直流電動機的弊病,早在20世紀(jì)30年代就有人開始研制以電子換向代替機械換向的直流無刷電動機。本文以高性能的電機專用控制芯片80C196MC 為控制核心,研制永磁無刷直流電動機數(shù)字化控制系統(tǒng)。實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制,實現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制,利用波形發(fā)生器直接生成PWM 波形,實現(xiàn)對直流電機的脈寬調(diào)制。 2 無刷直流電動機的脈寬調(diào)速本系統(tǒng)采用120°導(dǎo)通電壓型三相逆變器,任一時刻只有兩相通電,因此,無刷直流方波電動機的輸出相電壓平均值為12d U U =對于每相繞組有如下電壓平衡方程式:1122d d U U E I R =+ (

3、式2.1其中e E C n =式中:d U 、d I 為電機兩端的平均電壓與電流;R 為回路的等效總電阻,它包括電機兩相繞組和橋路開關(guān)管管壓降等的等效電阻;e C 電勢常數(shù)。由此得出:1(/2d de n U I R C = (式2.2 01/21/21/2d d dav e e e mU R R n I n T C C C C = (式2.3 (式2.4即為電動機的機械特性方程。式中01/2d eU n C =為空載轉(zhuǎn)速 dav m d T C I = (式2.4式中m C 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。(式2.4表明無刷直流方波電動機的速度公式與普通直流電動機的相同,因此,無刷直流方波電動機的轉(zhuǎn)速可以通過改

4、變平均電壓來調(diào)節(jié),本系統(tǒng)中的平均電壓是通過調(diào)節(jié)PWM 脈沖的占空比來實現(xiàn)的。 3 無刷直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng) 3.1 電流環(huán)系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)內(nèi)存會在電動機反電動勢產(chǎn)生交叉反饋.它代表轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。由于轉(zhuǎn)速環(huán)尚未設(shè)計,要考慮它的影響是比較困難的。但是,在實際系統(tǒng)中,由于電樞回路的電磁時間常數(shù)0T 一般都要比電力拖動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)m T 小的多,因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多,也就是比電動機反電動勢E 的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個緩慢變化的擾動作用,當(dāng)電流調(diào)節(jié)過程結(jié)束時,反電動勢只有很小的變化因此在電流調(diào)節(jié)器得快速調(diào)節(jié)過程中,可以認(rèn)為反電勢E 基本不變。這樣

5、,在設(shè)計電流環(huán)時可以暫時不考慮反電勢變化的影響,將作用于電流環(huán)的電勢反饋作用斷開,從而解除了交叉反饋。再根據(jù)結(jié)構(gòu)圖的等效變換原則,并按近似處理方法將晶閘管觸發(fā)與整流裝置的滯后時間常數(shù)和濾波時間常數(shù)合并成,即將晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)ss e T K 近似成慣性環(huán)節(jié)后同都當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)近似處理,則a T T TS +=,控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 3.2 速度環(huán)系統(tǒng)設(shè)計在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時,可把已經(jīng)設(shè)計好的電流環(huán)當(dāng)作轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的一個環(huán)節(jié),和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象。首先計算電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖1的電流環(huán)2010年第7期2010年7月化學(xué)工程與裝備Chemical Enginee

6、ring & Equipment97劉 凡:基于單片機的直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,可求得電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:*2(1(1(1(11iA i cli i Ai i A i i iK s T s I s W s T U s s s +=+ (式3.1按照=0.707,0.5i Ai K T =選擇參數(shù),則上式可寫成: 1(21cli Ai W s T s + (式3.2 根據(jù)前面提到的近似處理方法,高頻段的高階環(huán)節(jié)可將階近似。近似條件為:cn W (式3.3 故可得到轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的電流環(huán)等效傳遞函數(shù)為:*1(21d i Ai I s b U s T s + (式3.4 由此可知,

7、原來電流環(huán)的控制對象可以近似看成為兩個慣性環(huán)節(jié),時間常數(shù)為T 。和i A T 。電流閉環(huán)之后,整個電流環(huán)等效為一個無阻尼自然振蕩的二階振蕩環(huán)節(jié),或者近似為一個只有小時間常數(shù)i 2A T 的一階慣性環(huán)節(jié)。這表明,引入電流內(nèi)環(huán)后,改造了控制對象,這是多環(huán)控制系統(tǒng)中局部閉環(huán)(內(nèi)環(huán)的一個重要功能,轉(zhuǎn)速控制環(huán)如圖2所示: 4 基于單片機直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 4.1 硬件設(shè)計無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,設(shè)計過程系統(tǒng)主要有電機本體、位置傳感器、主回路和控制回路等組成。 4.2 程序設(shè)計與實現(xiàn)本文根據(jù)位置傳感器的無刷直流電機的控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案,完成相應(yīng)的軟件部分的設(shè)計。在軟件的設(shè)計

8、過程中采用非線性變速積分的PID 算法,非線性變速積分的PID 算法的基本思想是將PID (下轉(zhuǎn)第92頁92 于江波:談橋梁樁基礎(chǔ)施工中旋挖鉆機的應(yīng)用優(yōu)勢新調(diào)制。2.4 鉆機定位在既有瀝青道路上的樁位無須對鉆機站位進3行處理,在道路兩側(cè)邊坡上的樁位要進行填筑平整、穩(wěn)固鉆機平臺,保證足夠的承載力。鉆機行駛就位后,沿護筒口上復(fù)測定位,時做的紅油漆標(biāo)記拉十字線,調(diào)整筒鉆鉆頭位置,精確對中于護筒十字線中心,鉆機記錄對中位置。2.5 鋼筋籠制作11.5 m樁基鋼筋籠主筋為16/32根25HRB335鋼筋, 1.2 ITI樁基鋼筋籠主筋為12/24根唾,25HRB335鋼筋;螺旋筋為睡18R235圓盤條,

9、螺距15 cm;每2 ITI布置一道20R235圓鋼做加強箍筋,并對稱分布4道定位保護層鋼筋。因旋挖鉆機成孔速度較快,正常情況下,8 h10 h即可成孔,因此,強制要求鋼筋籠必須在樁孔開鉆前制作完成并驗收合格,防止成孔靜置時間過長出現(xiàn)坍孔等各種意外情況。3 旋挖鉆機進行樁基礎(chǔ)成孔作業(yè)3.1 安放鉆機鉆機應(yīng)按照放樣的樁位,安裝平穩(wěn),在鉆進中或其他操作時,不產(chǎn)生移動和搖晃。鉆機的鉆頭施工時可配用短螺旋鉆頭、巖心回轉(zhuǎn)斗、巖心鉆頭、巖心回轉(zhuǎn)鉆頭等各種規(guī)格的鉆頭。施工時,根據(jù)不同的土壤、地質(zhì)條件按下列規(guī)定選擇不同的鉆頭,如短螺旋鉆頭,適用于地下水位以上的粘性土、粉土、填土、中等密實以上的砂土、風(fēng)化巖層;

10、巖心回旋鉆頭,適用于碎石土、中等硬度的巖石及風(fēng)化巖層。巖心回轉(zhuǎn)斗。適用于風(fēng)化巖層及有裂紋的巖石。鉆頭規(guī)格應(yīng)根據(jù)實際工程的情況配置與更換。3.2 鉆孔施工鉆機成孔一般為清水施工,無需泥漿護壁;若有地下水分布,且孔壁不穩(wěn)定,可制作護壁泥漿或穩(wěn)定液進行護壁。在鉆孔作業(yè)之前需要對鉆桿進行定位設(shè)置。鉆機一般情況下為直孔作業(yè),所以需要對鉆桿進行調(diào)垂。調(diào)垂可分為手動調(diào)垂、自動調(diào)垂兩種方式。在鉆桿相對零位±5。范圍內(nèi)才可通過顯示器上的自動調(diào)垂按鈕進行自動調(diào)垂作業(yè);而鉆稈超出相對零位±5。范圍時,只能通過顯示器上的點動按鈕或左操作箱上的電氣手柄進行手動調(diào)垂工作。在旋工過程中,有時也需要斜孔作

11、業(yè)。操作人員需要通過顯示器上的自動定位按鈕進行自設(shè)定零位,然后再進行相同的調(diào)垂操作。4 結(jié)束語總之旋挖鉆機樁成孔后要進行成孔檢查,成孔達到設(shè)計標(biāo)高后,對孔深、孔徑、孔壁、垂直度等進行檢查,不合格時采取措施進行調(diào)整和處理。成孔檢查方法應(yīng)根據(jù)鉆孔的情況來定,當(dāng)鉆孔為千孔時,可用重錘將孔內(nèi)的虛土夯實,可直接采用用測繩及測孔器測。隨著國內(nèi)樁基礎(chǔ)工程量的不斷擴大,基礎(chǔ)工程的重要性越來越受到關(guān)注,而旋挖鉆孔機作為灌注樁施工機械新的主力產(chǎn)品,隨著高速公路建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展,其優(yōu)越性必將得到充分發(fā)揮。參考文獻林水利,2004;(11:2 陳風(fēng)云.CHEN Feng-yun 旋挖鉆機成孔工藝探討.山西建筑,2009;35(30:導(dǎo)報,2007;(11:(上接第97頁調(diào)節(jié)器輸出限定在有效的范圍內(nèi),避免P(k超出執(zhí)行機構(gòu)動作范圍而產(chǎn)生飽和,采用這種控制方法消除了大偏差,用積分作用消除小偏差,大部分情況下可基本消除積分飽和現(xiàn)象,同時大大減小了超調(diào)量,容易使系統(tǒng)穩(wěn)定,改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)。程序的框圖如圖4所示。5 結(jié)論本文主要完成了80C196MC單片機的電機控制系統(tǒng)方案的設(shè)計與實現(xiàn),主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測,通過