PWM控制電機調(diào)速系統(tǒng)

摘要：提出一個基于PWM控制的直流電機控制系統(tǒng)，從硬件電路和軟件設(shè)計兩方面進行系統(tǒng)設(shè)計，介紹了調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計思路、硬件電路和控制算法。下位機采用MPC82G516實現(xiàn)硬件PWM的輸出，從而控制電機的電樞電壓，并顯示電機調(diào)速結(jié)果。上位機采用LABVIEW軟件，實現(xiàn)實時跟蹤與顯示。最后對控制系統(tǒng)進行實驗，并對數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果說明該系統(tǒng)調(diào)速時間短，穩(wěn)定性能好，具有較好的控制效果。隨著計算機控制技術(shù)的開展，微處理器已經(jīng)廣泛使用于直流傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制。電機采用微處理器控制的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，實現(xiàn)全數(shù)字直流調(diào)速，控制精度、可靠性、穩(wěn)定性、電機的性能得到提高。目前，PWM調(diào)速成為電機調(diào)速的新方式，并憑借開關(guān)頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)[1-6][5-6]性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點，在電機調(diào)速中被普遍運用。但很多文獻提到的PWM信號，多采用軟件PWM調(diào)速，即通過單片機的中斷實現(xiàn)，缺點是占系統(tǒng)資源，易受系統(tǒng)中斷影響和干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文將針對這一點，設(shè)計一種基于硬件PWM控制，調(diào)速時間更短的電機調(diào)速系統(tǒng)，并具有較好的穩(wěn)定性能。一、電機控制系統(tǒng)的整體設(shè)計1.1系統(tǒng)整體設(shè)計原理圖系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示，主要原理框圖包括：LCD顯示、按盤輸入、測速模塊、PWM調(diào)速模塊四局部。電路原理圖如圖2所示：圖1圖21.2PWM信號PWM信號的產(chǎn)生采用硬件PWM信號，即不采用中斷實現(xiàn)PWM信號，而是利用單片機MPC82G516的PCA模式，PCA設(shè)置成PWM模式直接產(chǎn)生PWM信號。頻率取決于PCA定時器的時鐘源，占空比取決于模塊捕獲存放器CCAPNL與擴展的第9位ECAPNL的值。由于使用9位比擬，輸出占空比可以真正實現(xiàn)0%到100%可調(diào)，占空比計算公式為:占空比=1-{ECAPnH，[CCAPnH]}/256在電源電壓Ud不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比η的大小。通過改變η的值可以改變電樞端電壓的平均值，從而到達調(diào)速的目的。1.3測速模塊測速模塊采用自帶霍爾傳感器并具有整形功能的直流電機調(diào)速板J1，該模塊能實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)、測速、調(diào)速功能，并自帶整形芯片，調(diào)試效果較好。通過霍爾傳感器把測速脈沖信號送單片機P3.2，由單片機P1.0送到測速模塊第5腳，控制電機正反轉(zhuǎn)。PWM信號由P1.2送到測速模塊第3腳，實現(xiàn)電機的調(diào)速。1.4I/O接口電路輸入模塊采用4個按鍵S1、S2、S3、S4，接在單片機P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，分別實現(xiàn)啟動、加速、擴展功能、減速功能。電機正反轉(zhuǎn)控制由P1.0送到測速模塊第1腳。輸出顯示模塊采用LCD1602，是一種內(nèi)置8192個16*16點漢字庫和128個16*8點ASCII字符集圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及128×32全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示7.5×2個(16×16點陣)漢字，與外部CPU接口采用并行或串行方式控制。二、電機調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計2.1程序流程圖當系統(tǒng)啟動后，單片機進行初始化設(shè)置，單片機檢測是否有鍵按下，再執(zhí)行按鍵子程序，讀取鍵值，調(diào)用中斷，主單片機將傳感器輸入的信號進行計算，控制PWM的輸出，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，依次循環(huán)使電機趨于穩(wěn)定值。系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。圖32.2上位機軟件系統(tǒng)由計算機控制單片機，從而控制直流電機的速度，PC機做為上位機，單片機作為下位機。為了便于查詢和保存數(shù)據(jù)以及通過PC機調(diào)直流電機速度。上位機采用美國NI公司LabVIEW軟件。LabVIEW是一種圖形編程語言，通常稱為G語言，具有開放的環(huán)境，能和第系統(tǒng)通過PC機與單片機串口實現(xiàn)三方軟件輕松連接通訊，構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。4為LabVIEW軟件程圖序框圖。圖4三、系統(tǒng)測試與分析PWM信號的輸出，實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行控制的方法。利用上位機LabVIEW軟件，可得到電機調(diào)速結(jié)果。圖5為電機空載情況下的調(diào)速結(jié)果，測量數(shù)據(jù)結(jié)果如表1。圖5數(shù)據(jù)分析：啟動段，電機轉(zhuǎn)速從零上升到53r/s，只需用6s，并很快趨于穩(wěn)定；加速段，電機轉(zhuǎn)速從53r/s上升到86r/s，只需用5s，并很快趨于穩(wěn)定；減速段，電機轉(zhuǎn)速從86r/s下降到53r/s，只需用7s，并很快趨于穩(wěn)定。從數(shù)據(jù)中看出，通過PWM調(diào)速，電機轉(zhuǎn)速變化至穩(wěn)定，假設(shè)不考慮按鈕靈敏度，根本保持在5s左右，并能很快趨于穩(wěn)定，較好地滿足設(shè)計要求。四、PWM調(diào)速程序介紹PWM調(diào)速通過改變一定頻率方波脈沖的占空比來改變電機速度，本設(shè)計脈沖周期恒定,本設(shè)計通過把方波分成160份，改變上下脈沖的份數(shù)來改變PWM的波形，單片機PWM調(diào)速的程序代碼如下所示：void

control()

{

EA=1;

while(1)

{

if(a>=150)

a=150;if(a<=10)

a=10;

P1_1=0;

delay(160-a);P1_1=1;

delay(a);

key=GeyKey();

if(key=='-')

a-=n;else

if(key=='+')

a+=n;else

if(key=='='){P1_0=1;dprintf(0,72,"方向:順時針");}

else

if(key=='c'){

P1_0=0;dprintf(0,72,"方向:逆時針");}

else

if(key=='*')

{

P1_1=0;

break;}

else

if(key!=0)break;

}

EA=0;

}總結(jié)本設(shè)計中，調(diào)速是系統(tǒng)的主要功能，通過研究直流電動機的機械特性，得出了幾種常見的改變轉(zhuǎn)速的方法，因調(diào)壓調(diào)速可實現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大范圍平滑調(diào)速，并且在整個調(diào)速范圍內(nèi)機械特性硬度不變。這種方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛采用。為了使系統(tǒng)能保證穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，且能夠快速起制動，重點介紹了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速負反應得到的反應電壓，與給定值進行比擬后，產(chǎn)生了頻率一定，占空比可調(diào)的脈寬序列，并通過功率放大后，對主電路變換器的電力電子元件的導通和關(guān)斷進行驅(qū)動控制，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速，本設(shè)計，為了實現(xiàn)PWM控制，介紹了PWM調(diào)制技術(shù)的原理，并對PWM變換器進行了詳細介紹，為了使系統(tǒng)能正反轉(zhuǎn)運行，主電路采用雙極式橋式變換器。最后，通過計算機仿真軟件MATLAB對系統(tǒng)進行了仿真，通過對波形的分析驗證了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點。通過本次設(shè)計，加強了我對知識的掌握，使我對設(shè)計過程有了全面地了解。通過學習控制系統(tǒng)工作原理以及如何利