【正文】 .................................................................................................... 21 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV 第 4 章 軟件程序的設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 22 PWM 信號(hào)發(fā)生器軟件的設(shè)計(jì) .................................................................................. 22 顯示電路軟件設(shè)計(jì) .................................................................................................... 25 字符的顯示 .......................................................................................................... 25 漢字的顯示 .......................................................................................................... 25 LCD1602 的引腳說(shuō)明 ........................................................................................ 25 LCD1602 指令說(shuō)明及時(shí)序 ................................................................................. 26 雙閉環(huán) PI 控制軟件的設(shè)計(jì) ....................................................................................... 28 結(jié)論 .......................................................................................................................................... 31 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 32 附錄 程序清單 ........................................................................................................................ 33 致謝 .......................................................................................................................................... 39 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒 論 研究背景及意義 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，幾乎所有的地方都是用電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為的其他形式的機(jī)械能。在機(jī)械生產(chǎn)、金屬冶煉、化學(xué)等各種工業(yè)部門中，采用了各種各樣的電動(dòng)機(jī)來(lái)傳動(dòng) ,比如在機(jī)床、軋機(jī)、挖掘機(jī)、提升機(jī)、起重機(jī)、水泵、紙機(jī)、輸送機(jī)械等各種生產(chǎn)機(jī)器中。伴隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高和生產(chǎn)量的不斷增大，越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備要求能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。由于生產(chǎn)機(jī)械和工藝流程的不同，對(duì)于電能轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)也提出了各種各樣的控制指標(biāo)，一些要求能迅速啟動(dòng)、制動(dòng)，正傳和反轉(zhuǎn)；一些要求電動(dòng)機(jī)能夠低速穩(wěn)定運(yùn)行； 一些 要求電動(dòng)機(jī)啟、制動(dòng)平穩(wěn)，并能準(zhǔn)確的停在設(shè)定的位置。由此可見(jiàn)這些傳動(dòng)系統(tǒng)都是 通過(guò) 控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn) 對(duì) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。在與交流電動(dòng)機(jī) 相比較，直流電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：直流電機(jī)的調(diào)速性能好、靜差率小、穩(wěn)定性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性好、運(yùn)行效率高，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)， 直流電動(dòng)機(jī) 都被應(yīng)用在了高性能的調(diào)速系統(tǒng)中。 近年來(lái)，直流電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制方式都有了巨大的改變。伴隨著數(shù)字控制系統(tǒng)在脈 寬調(diào)制 中的應(yīng)用，它 已經(jīng) 成為直流調(diào)速系統(tǒng)中新的控制方式。隨著新型高速可關(guān)斷的電力電子器件的飛速發(fā)展，使用全控型晶閘管，場(chǎng)效應(yīng)管等調(diào)速系統(tǒng) 具 有開(kāi)關(guān)頻率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且采用這種方法調(diào)速非常容易在微機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。 隨著邏輯電路電壓的發(fā)展，讓這 類 芯片能夠在低電壓程序邏輯 中 使用，比如 5V的直流電動(dòng)機(jī)速度控制裝置在很多大型機(jī)械中 得 到了廣泛的應(yīng)用，很多半導(dǎo)體制造商都推出了能夠提升工作電壓的專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，如 IR公司的 IR211 IR2105等。但是，這些芯片往往都需要 10V或者更高的電壓，這給系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)增加了負(fù)擔(dān)。此外，為了滿足小功率的直流電動(dòng)機(jī)的使用需求，直流電機(jī)的專用集成芯片被一些廠商設(shè)計(jì)了出來(lái)，例如 Ns公司推出 了專門驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) H橋的 LMDl8200，其最高工作電壓達(dá)到了 55V，最高峰值電流達(dá)到了 6A，連續(xù)輸出的平均電流達(dá)了 3A。雖然集成芯片的應(yīng)用使得電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)變簡(jiǎn)單了，但是專用的驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)芯片的輸出功率有限，無(wú)法滿足大型直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制要求，市場(chǎng)上少數(shù)幾種大功率集成驅(qū)動(dòng)芯片的價(jià)格又很高，例如一片SA01驅(qū)動(dòng)芯片的價(jià)格要 3500元。在應(yīng)用這些芯片驅(qū)動(dòng)大功率直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，因?yàn)槠骷牟粚?duì)稱， H橋的上下橋臂的特性不同，使得上橋臂燒毀和直通現(xiàn)象發(fā)生 [1]。 綜合以上所述研究大功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置意義重大。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 現(xiàn)在，國(guó)外一些電氣公司，都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出成套的 數(shù)字化 直流調(diào)速裝置，它們已經(jīng)有很成熟的模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化 、 系列化的應(yīng)用程序產(chǎn)品可供選擇。近年來(lái)隨著現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，模糊控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)等智能化的控制方法也大量的涌現(xiàn)出來(lái)。集散型的微機(jī)控制系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)有成套的定性產(chǎn)品。對(duì)于那些復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)跟蹤控制，技術(shù)已經(jīng)成熟，特別是使用 PLC單片機(jī)等控制更容易操作、可靠性更強(qiáng)、參數(shù)便于調(diào)節(jié)。所以 數(shù)字 化和 智能 化成為了目前的發(fā)展方向。 全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)由于 是以 微 處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng) ，其 硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，降低了成本，而且避免器件溫度漂移的影響。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)在各方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應(yīng)用越來(lái)越廣泛， 但是我國(guó)自主研發(fā)的全數(shù)字控制的直流調(diào)速裝置很少見(jiàn) 。由于外國(guó)產(chǎn)品價(jià)格昂貴，所以國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展有一定的空間。 目前，國(guó)內(nèi)許多高校、研究所和廠家也都在 開(kāi)發(fā) 基于 PWM波的全數(shù)字直流調(diào)速裝置。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2章 理論分析計(jì)算 PWM脈寬調(diào)制技術(shù) 脈寬調(diào)制（ PWM）控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，輸出一 些列同等幅度的脈沖，來(lái)代替所需的正弦波、方波、鋸齒波等。就是在輸出波形的半周期內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使每個(gè)脈沖的電壓等值為正弦波，這樣得到的波形輸出平滑且低次諧波減少。按照一定規(guī)律調(diào)節(jié)每個(gè)脈沖的寬度，就能控制逆變電路輸出電壓的大小和輸出頻率的高低 [2]。 在采樣控制原理中有一個(gè)非常重要的結(jié)論：如果沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)的控制結(jié)構(gòu)上時(shí)，效果基本相同。這里的沖量就是窄脈沖的面積，效果基本相同是指在本環(huán)節(jié)上輸出響應(yīng)的波形大體相同。若把每個(gè)輸出的波形進(jìn)行分析變換，在低頻段它們的特性非常相似，高頻段上略 有差異。 根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來(lái)代替正弦波，通過(guò)對(duì)矩形波的控制來(lái)模擬輸出不同頻率的正弦波。例如，把正弦波的半周期分成 N等份，這樣就可以把正弦波半周期近似成由 N份相連脈沖組成的波形。這些寬度相等 ,幅值不等且脈沖頂部不是水平線的脈沖，都等于 N/? ，這些脈沖的幅值都按正弦規(guī)律變化。 如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（ 即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是脈寬調(diào)制波形。由此可見(jiàn)，這些脈沖的寬度都是按照正弦波的規(guī)律變化的。 根據(jù)采樣控制原理的結(jié)論：沖量相等效果相等，所以脈寬調(diào)制波形和正弦半波效果是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采用同樣的方法也可以得到脈寬調(diào)制波形。在脈寬調(diào)制波形中，每個(gè)脈沖的幅值相等。要改變等效后正弦波輸出的幅值時(shí)，只要按相同的比例系數(shù)改變各個(gè)脈沖的寬度就可實(shí)現(xiàn)，因此在交－直－交變頻器中，采用不可控二極管就可以進(jìn)行整流，直流側(cè)電壓的幅值就是脈寬調(diào)制逆變電路輸出的脈沖電壓。 綜上所述，如果給出一個(gè)正弦波的頻率 ，幅值和半周期內(nèi)的脈沖數(shù)，脈寬調(diào)制波形的每個(gè)脈沖寬度，時(shí)間間隔就能夠計(jì)算出來(lái)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制電路中晶閘管器件導(dǎo)通和關(guān)斷，就能得到所需波形。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 U ( t )0tTt 0U 直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制控制技術(shù) 直流調(diào)速系統(tǒng)中有三種調(diào)速方法：調(diào)節(jié)電樞兩端的供電電壓、減弱勵(lì)磁磁通和改變電樞回路中的電阻。三種調(diào)速方法各有其特點(diǎn)：其中改變電樞回路中電阻只能對(duì)電動(dòng)機(jī)作有級(jí)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，調(diào)速系統(tǒng)效率低；減弱磁通調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但只能在基速以上的范圍調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速所得到的人為機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性 平行，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好能在轉(zhuǎn)速一下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。所以，直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。其中，在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，以 PWM調(diào)速應(yīng)用最為廣泛。 直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：由于 PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率高，靠電樞電感的濾波作用就能獲得平穩(wěn)的直流電流，速度的穩(wěn)定性強(qiáng)，精度高、低速特性好、調(diào)速范圍寬；同樣，由于其開(kāi)關(guān)頻率高 ,快速響應(yīng)性能好 ,增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)抗干擾能力，還能獲得很寬的頻帶，由于開(kāi)關(guān)器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此主電路損耗小、提高了裝置效率，直流電源采用三相不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器要高，正因?yàn)橹绷?PWM調(diào) 速系統(tǒng)有如上所述的優(yōu)點(diǎn)，并且隨著電力電子器件開(kāi)關(guān)性能的提高，直流脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展?，F(xiàn)在，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。 根據(jù) PWM控制的原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的 PWM脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓是等效的 [3]。 那么如果在短時(shí)間（ T）內(nèi)脈沖寬度為 0t ,幅值是 U，由圖 23可求得在這段時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流的電壓為： 圖 21 PWM 脈沖 TUtU ?? 00 ，如果令 Tt0?? ， 則上式可簡(jiǎn)化為： UU ???0 （ 21） 式中 U—— 脈沖的幅值 ? —— 占空比 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 U ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0如果 PWM 脈沖為如圖 22 所示的周期性矩形脈沖時(shí)，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述相同，即 ： UT UtnT UntU ?????? ?000 （ 22） 由公式 22可知，想要改變等效直流電壓的大小，就可以通過(guò)改變脈沖幅值 U和占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，因此常常通過(guò)控制占空比的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在 0～ U之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到了利用 PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。 圖 22 周期性 PWM矩形脈沖 為了實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的 PWM可逆控制 ， 還 必須 產(chǎn)生四路驅(qū)動(dòng)信號(hào) 來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 當(dāng) PWM控制電路工作時(shí) ， H橋的一測(cè)有相位相反 但占空比相同的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而且隨著控制信號(hào)的變化還具有互鎖功能。