【正文】 器程序流程 ................................................................................................ 42 定時(shí)器程序 ....................................................................................................... 42 ................................................................................................... 44 顯示器程序 ..................................................................................................... 45 定時(shí)器程序 ..................................................................................................... 47 第五章 系統(tǒng)仿真 ....................................................................................................... 49 第六章 結(jié)論 ................................................................................................................ 50 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 51 附錄 .............................................................................................................................. 52 辭謝 .............................................................................................................................. 67 1 第一 章 緒論 緒論 1 現(xiàn)在電氣傳動(dòng)的主要方向之一是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，近年來，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，它具有調(diào)速平滑 、方便、調(diào)速范圍廣的特點(diǎn)，并且過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，在生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中需要直流電機(jī)能滿足各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，并且隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個(gè)行業(yè)對(duì)直流電機(jī)的需求日益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求，為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本課題正是以此為出發(fā)點(diǎn)，利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)和控制。 單片微 型計(jì)算機(jī)的誕生是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，以及市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分重要，為了能夠適應(yīng)發(fā)展的要求，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心 — 單片機(jī)，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng) I/O 功能等方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片機(jī)已越來越廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化、智能化 等方面， 特別是在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有體積小、功能全、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)合理、指令豐富、控制功能強(qiáng)、 造價(jià)低等 眾多優(yōu)點(diǎn) 。 微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)基于微機(jī)控制的雙閉環(huán)可逆直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個(gè)將微機(jī)和電力拖動(dòng)控制相結(jié)合的控制方法， 本文 重點(diǎn)對(duì)控制部分展開研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的 2 探討等內(nèi) 容。在硬件方面充分利用微機(jī)外設(shè)接口豐富，運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。 直流電機(jī)常用調(diào)速方法以及調(diào)速發(fā)展方向 常用的控制直流電動(dòng)機(jī)有以下幾種 ： 一． 最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定 的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電 通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。 二 .三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī) (也稱為旋轉(zhuǎn)變流組 )，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍 (十比一至數(shù)十比一 )較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男?轉(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。 三 .自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn)維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。 四 .1957 年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不 僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在 10000 以上，比機(jī)組 (放大倍數(shù) 10)高 1000 倍，比汞弧變流器 (放大倍數(shù) 1000)高 10 倍 ， 在響應(yīng)快速性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。從 20世紀(jì) 80 年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動(dòng)完成一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路也實(shí)現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及 3 低成本。 以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，直流 調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以及自動(dòng)控 制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)控制 裝置 也 不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使直流電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動(dòng)了電氣傳動(dòng)的發(fā)展。近年來，一些先進(jìn)國家陸續(xù)推出并大量使用以微機(jī)為控制核心的直流電氣傳動(dòng)裝置，如西門子公司的 SIMOREG K6RA2 ABB 公司的 PAD/PSD 等等。隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對(duì)自動(dòng)化的需求也越來越高，直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也不斷 擴(kuò)大。例如，軍事和宇航方面的雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對(duì)太陽得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，印刷機(jī)械，繞線機(jī)，紡織機(jī)械，工業(yè)縫紉機(jī)，泵和壓縮機(jī)等設(shè)備的控制；計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤驅(qū)動(dòng)器，各種光盤驅(qū)動(dòng)器，繪圖儀，掃描儀，打印機(jī)，傳真機(jī)，復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，錄像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱，電扇等的控制。隨著計(jì)算機(jī)，微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的控制策略也發(fā)生了深刻 的變化。電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)，微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)已成為電動(dòng)機(jī)控制的主流技術(shù)。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。其中，電動(dòng)機(jī)控制策略的模擬實(shí)現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺(tái)，而采用微處理器，通用計(jì)算機(jī)， FPGA/CPLD、 DSP 控制器等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分所采用的功率器件經(jīng)歷了幾次的更新?lián)Q代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流。功 率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動(dòng)機(jī)控制方法能夠得到實(shí)現(xiàn)。其中，脈寬調(diào)制（ PWM）方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動(dòng)機(jī)，如永磁直流電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)，超聲波電動(dòng)機(jī)等。由于有微處理器和傳感器作為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。所以應(yīng)用先進(jìn)控制算法， 4 開發(fā)全數(shù)字化智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將成為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。 在那些對(duì)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求較高的場(chǎng)合（如數(shù)控機(jī) 床，工業(yè)縫紉機(jī)，磁盤驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)，傳真機(jī)等設(shè)備中，要求電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位，適應(yīng)劇烈負(fù)載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡(luò)化，信息化，模糊化的方向不斷前進(jìn)。 直流調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上，它能成功地做到從給定信號(hào)、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺(tái)附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機(jī)，同一臺(tái)控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對(duì)不同類型的被控對(duì)象進(jìn)行控制 ，強(qiáng)大的通訊功能使它易和 PLC 等各種器件通訊組成整個(gè)工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長期工作的高可靠性和整個(gè)控制器體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點(diǎn)，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景。國外主要電氣公司如瑞典的 ABB 公司、德國的西門子公司、 AEG 公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的 GE 公司、西屋公司等，均已經(jīng)開發(fā)出多個(gè)數(shù)字直流調(diào) 速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。我國從 20世紀(jì) 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。我國關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有 :綜合性最優(yōu)控制，補(bǔ)償 PID 控制 PID 算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)。隨著新型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展， IGBT(絕緣柵雙極型晶體管 )具有開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)簡單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn)，克服了晶閘管的主要缺點(diǎn)。因此我國直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（ pulse width modulation,簡稱PWM）方向發(fā)展。我國現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進(jìn)口。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。目前，國內(nèi)許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。 5 直流電動(dòng)機(jī)介紹 直流電機(jī)簡介 直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。在磁場(chǎng)中放如通有電流的導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)效應(yīng)。直流電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，其轉(zhuǎn)子和定子分別由繞組和永久磁鐵組成。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能較好和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大等優(yōu)點(diǎn)。 直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制 (PWM) 直流調(diào)速技術(shù) ,它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)。 直流電機(jī)工作原理 在直流電動(dòng)機(jī)中，外加電壓并不是直接加在線圈兩端，而是通過電刷 BB2 和換向器再加到線圈上。由于電刷固定不動(dòng)，對(duì)于圖中的情況，電流 i 總是從電刷 B1 流人，從電刷 B2 流出。所以當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)， A、 x 兩個(gè)導(dǎo)體輪流交替地處于 N 極和 s極下時(shí)，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時(shí)改變方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，使 電動(dòng)機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)換向器起到將外電路的直流改變?yōu)榫€圈內(nèi)交流的“逆變”作用。 圖 直流電機(jī)模型 直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常用下式表示 ： 6 T=KTφ Ia 式中 KT—— 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)系數(shù)； φ —— 每個(gè)磁極下的磁通 (wb)； Ia—— 電樞電流 (A)