【正文】 ................................................................... 21 3． 5 PWM 調(diào)速方法設(shè)計 .......................................................................................................... 21 3． 5． 1 對 PWM 控制的介紹 ............................................................................................. 21 3． 5． 2 PWM 脈沖的產(chǎn)生 .................................................................................................. 24 3． 5． 3 PWM 脈沖產(chǎn)生模塊的程序流程圖 ......................................................................... 25 V 4 總結(jié)與展望 ................................................................................................................................... 25 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 26 致謝 ...................................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 1 前言 隨著生產(chǎn)需求的日新月異，我們對控制系統(tǒng)的要求也越來越高。而對生產(chǎn)而言，電機調(diào)速是人們一直在研究的課題。直到目前為止，電機調(diào)速方法十分多樣、普遍。其中，對直流電機轉(zhuǎn)速的控制方法 可分為兩類：勵磁控制與電樞電壓控制。勵磁控 制調(diào)速法是通過控制磁通，從而控制電機轉(zhuǎn)速。這類方法，控制功率?。?轉(zhuǎn)速較低時 ，收到磁飽和的限制；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，收到換向火花和換向器結(jié) 構(gòu)強度的限制；而且， 由于勵磁線圈存在較大電感，導(dǎo)致了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較差。 所以 ，此法應(yīng)用較少。電樞電壓控制方式也可分為兩種：一為調(diào)節(jié)電壓，二為 調(diào)節(jié)電流 。過去傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)是采用模擬電子電路來實現(xiàn)其功能，這種電路優(yōu)勢在于響應(yīng)快，但是靈活性較差，難易維修。 然而單片機作為一種可編程控制器，已經(jīng) 得到成熟的應(yīng)用。而且基于單片機的直流電機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注，且已有多樣的成果。單片機具有性能高、體積小、速度快、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟、應(yīng)用廣泛、高通用性等優(yōu)點。 隨著單片機性能的日益提高與完善，與此同時，電子電力器件及驅(qū)動技 術(shù)也更加成熟，在前者的基礎(chǔ)上，伴隨著 PWM 控制技術(shù)及電機控制技術(shù)的發(fā)展， PWM 技術(shù)在電機驅(qū)動控制中的應(yīng)用逐漸受到人們更多的關(guān)注。 由于 PWM 控制技術(shù)的控制簡單、靈活和較好的動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點，而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式。 PWM 控制的基本思想很早就已被提出，但受制于電力電子器件的發(fā)展水平，在上世紀(jì)80 年代之前一直未能得到實現(xiàn)。直到邁進(jìn)上世紀(jì) 80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅猛發(fā)展， PWM 控制技術(shù)終于得到了真正的實現(xiàn)與應(yīng)用。 隨著電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展以及各種新的控制理論 方法的提出，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想等。 PWM 控制技術(shù)獲得了空前發(fā)展。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM控制技術(shù)。 在如此多樣的 PWM控制技術(shù)中 SPWM 控制技術(shù)是其中最為成熟的控制方法，而本課題也將采用此種控制方法。 在運動控制系統(tǒng)中，電機的轉(zhuǎn)速控制是一個至關(guān)重要的領(lǐng)域。它的控制手段、算法和方法 很多樣，作為最早發(fā)展起來的控制策略，模擬 PID 控制長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，并且在參數(shù)整定較方便，能夠滿足一般控制的要求。但其缺點是一旦參數(shù)整定完畢后，在整個控制過程中將無法改變，然而在實際應(yīng)用中，由于現(xiàn)場的系 統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境溫度、濕度等客觀條件都會發(fā)生變化，這樣就是的控制系統(tǒng)難易達(dá)到最佳的控制效果。 隨著計算機技術(shù)和終能控制理論的逐步發(fā)展，以軟件實現(xiàn)的數(shù)字 PID 控制技術(shù)逐漸發(fā)展起來。數(shù)字 PID控制技術(shù)不但能完成模擬 PID的控制任務(wù)，而且控制算法靈活、可靠性高，所以應(yīng)用面越來越廣。 本課題 設(shè)計是以 51 系列單片機為控制核心，產(chǎn)生占空比由數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 2 脈沖信號實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。同時利用光電編碼器將電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號反饋到單片機中，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，以達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)。人機界面采用 128? 64LCD顯示器顯示電機當(dāng)前的參數(shù)、 正反轉(zhuǎn)狀態(tài)、轉(zhuǎn)速以及 運行時間 ，通過 4? 4 鍵盤實現(xiàn)：數(shù)字PID 參數(shù)設(shè)置、電機正反轉(zhuǎn)、加速、減速、啟動、停止。 本調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計到的控制算法與指令均通過 C語言編輯完成。 1 調(diào)速 系統(tǒng)總體設(shè)計 1． 1 系統(tǒng)總體 設(shè)計 說明 本文 設(shè)計了 一個直流電機的調(diào)速控制系統(tǒng)，以單片機為控制核心產(chǎn)生 PWM 信號對直流電機的供電電源進(jìn)行控制從而達(dá)到調(diào)速目的。采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，以軟件方式實現(xiàn)數(shù)字 PID，系統(tǒng)可以實現(xiàn)可逆調(diào)速，應(yīng)具備必要的人機界面可對電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，并可以手動調(diào)整控制器的 PID參數(shù)，具備堵轉(zhuǎn)保護(hù)等必要的保護(hù)手段。 其中總體設(shè)計中設(shè)計如下模塊： PWM 產(chǎn)生及控制、功率放大及驅(qū)動電路、電機測速、閉環(huán)速度反饋電路、 PID 控制器、速度顯示、鍵盤控制 、保護(hù)性電路。 1． 2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 圖 3 2 調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計與原理 2． 1 基于 單片機 的電機控制 設(shè)計 2． 1． 1 單片機 簡介 單片機是指 CPU、 RAM、 ROM、定時器 /計數(shù)器以及基本輸入 /輸出（ I/O）借口電 路等部件集成在一塊芯片上，這樣組成的芯片及微型計算機，稱之為單片微型計算機（ Single Chip Microputer） ，簡稱為單片微機或單片機。因為單片機的硬件結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)都是按工業(yè)控制的要求設(shè)計制作的，常用作于工業(yè)的檢測、控制裝置中，因此也稱作微控制器（ MicroController）或嵌入式控制器（ EmbeddedController）。 我國目前廣泛使用的 MCS51 系列單片機，性價比較好， 803 87 8051 都屬于 51系列。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括：中央處理器、只讀存儲器、隨機存取存儲器 、并行輸入 /輸出口、定時 /計時器、中斷系統(tǒng)。 圖 MCS51單片機的結(jié)構(gòu)框圖 MCS51系列單片機為哈佛結(jié)構(gòu)，就是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，相互獨立。它的性能特點有： 1內(nèi)部程序存儲器： 4KB； 3內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器： 128KB； 3外部 程序存儲器：可擴展到 64KB； 4外部數(shù)據(jù)存儲器：可擴展到 64KB； 5輸入 /輸出口線： 32 根（ 4個端口，每個端口 8根）； 6定時 /計數(shù)器： 2 個 16 位可編程的定時 /計數(shù)器； 7串行口：全雙工， 2根； 8寄存器區(qū)：在內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的 128B中劃出一部分作為寄存器區(qū)，分為 4個區(qū)，每個區(qū) 8個通用寄存器； 9中斷源： 5 個中斷源， 2個優(yōu)先級； 10 堆棧：最深 128B； 11布爾 4 處理器：就是處理器，對某些單元的某位做單獨處理； 12指令系統(tǒng)（系統(tǒng)時鐘為 12MHz時）：大部分指令執(zhí)行時間為 1us，少部分指令執(zhí)行時間為 2us，只有乘、除指令的執(zhí)行時間為 4us。 圖 MCS51單片機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 MCS51單片機都采用 40腳雙列直插式封裝， 40個引腳中有： 2個專用于主電源， 2個外接晶振， 4 跳控制或與其他電源復(fù)用的引腳， 32 個 I/O 引腳。 圖 MCS51單片 機的引腳圖 5 2． 1． 2 單片機 在 電機控制 方面的應(yīng)用 從 20 世紀(jì) 80 年代起，微處理器、單片機得到了飛速發(fā)展，其運行速度增快、運算精度增高、處理能力加強、功能更加多樣、結(jié)構(gòu)更加簡單、可靠性也得到提高，已有足夠的能力 完成具有強實時性的電動機控制要求。 20世紀(jì) 80年代中、后期，已經(jīng)有 全數(shù)字控制的交流調(diào)速系統(tǒng)，并應(yīng)用在工業(yè)中。到了 20 世紀(jì) 90 年代，單片機技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了 32位的單片機，它強大的功能已經(jīng)能使單片機全數(shù)字控制的交流調(diào)速系統(tǒng)性能和精度優(yōu)于模擬控制，功能更加完善，具有很強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，使電動機傳 動系統(tǒng)成為工廠自動化系統(tǒng)中的一級執(zhí)行機構(gòu)。目前。工業(yè)先進(jìn) 的國家所應(yīng)用的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)已 經(jīng)基本實現(xiàn)數(shù)字化。 在單片機控制的電機系統(tǒng)中，單片機的輸入信號 一般是：用作頻率或轉(zhuǎn)速設(shè)定的運行指令，用作閉環(huán)控制和過電壓、過電流保護(hù)的電機系統(tǒng)電流、電壓反饋量，用于轉(zhuǎn)速、位置閉環(huán)控制的電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角信號，用作缺相或瞬時 停電保護(hù)的交流電源電壓 信號等。從計算機輸出地信號主要為：交流裝置功率半導(dǎo)體元器件的觸發(fā)信號，用于控制輸出電壓、 電流的頻率、幅值和相位信號，電機系統(tǒng)的運行和故障狀態(tài)指示信號，及上位機或系統(tǒng)的 通信信號等。 單片機在電機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)的主要功能有：邏輯控制功能，運算、調(diào)節(jié)和控制功能、自動保護(hù)功能、故障檢測和實時診斷功能。 電動機系統(tǒng)采用單片機控制具有的優(yōu)越性：容易獲得高精度的穩(wěn)態(tài)調(diào)整性能，可獲得優(yōu)化的控制質(zhì)量，能方便靈活地實現(xiàn)多種控制策略，提高系統(tǒng)工作的可靠性。 本調(diào)速系統(tǒng)的總體外圍電路設(shè)計圖見附圖一。 2． 2 電機驅(qū)動電路設(shè)計 2． 2． 1 驅(qū)動電路原理介紹 在直流電機驅(qū)動方面，普遍應(yīng)用 H橋電路來實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速 ，如圖 31。 圖 H橋驅(qū)動電路 6 由圖可知， H橋驅(qū)動電路由 4個三極管與 電機組成，其形狀與字母 H相似，所以被稱為“ H橋驅(qū)動電路”。 若想要讓電機運行，需要導(dǎo)通對角的兩個三極管， Q1 與 Q4或 Q2與 Q3。 當(dāng) Q1 與 Q4導(dǎo)通時，如圖， 圖 電機順時針運行 電流從從電源正極流出后，從 Q1 由左向右流過電機，再從 Q4流出回來電源的負(fù)極。 此時，電流以從左往右的方向流過電機，從而使電機按順時針方向運轉(zhuǎn)。 當(dāng) Q2 與 Q3導(dǎo)通時，如圖 圖 電機逆時針運行 電流從從電源正極流出后，從 Q3 由右向左流過電機，再從 Q2流出回來電源的負(fù)極。此時，電流以從右往左的方向流過電機 ，從而使電機按 逆 時針方向運轉(zhuǎn)。 7 2． 2． 2 驅(qū)動電路 的專用芯片選用及設(shè)計 為了使驅(qū)動電路更加穩(wěn)定可靠，并且減少布線，決定采用專用芯片來驅(qū)動直流電機工作。 L298N 是一款由 SGS 公司生產(chǎn)的直流電機控制芯片。它的內(nèi)部包含兩個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，可以驅(qū)動 46V、 2A 以下 的電機。以L298N 構(gòu)造組成的 PWM 功率放大器的工作形式為單級可逆模式， 2個 H橋的下側(cè)橋晶體管發(fā)射極連接 在一起。其引腳圖如下圖所示， 1腳 和 15腳可單獨引出 連接電流采用電阻器 ，形成 電流傳號。 L298 可驅(qū) 動 2個電機， OUT OUT2 和 OUT OUT4 之間分別接 2個電動機。 12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)， ENA、 ENB 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。 圖 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 L298引腳圖 8 2． 2． 3 調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計及分析 本調(diào)速系 統(tǒng)的驅(qū)動電路設(shè)計如圖 。 圖 L298驅(qū)動電路 表 L298輸入輸出關(guān)系表 根據(jù)上表 可得， 當(dāng)使能控制端 ENA 為高電平時， 將 PWM 控制 信號 送至輸入端 IN1與 IN2， 便可以控制電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。當(dāng) IN1 端為 PWM 信號，而 IN2 端為低電平時，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng) IN2 端為 PWM 信號，而 IN1 端為低電平時，電機反轉(zhuǎn) 。當(dāng) IN1 端與 IN2 端都為低電平時，驅(qū)動橋路上的 4個晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài)，這樣使正在運行的電機的電樞電流 反向 ，電機便自由停止。 當(dāng)電機正常運行同時，瞬間導(dǎo)通另一組 晶體管 ，將使電機快 9 速停止。 電機的在轉(zhuǎn)速上的調(diào)節(jié)由單片機產(chǎn)生不同占空比的 PWM 信號來實現(xiàn)。 2． 3 電機轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計 2． 3． 1 速度采集的原理及方法 本調(diào)速 系統(tǒng)中由于要將電機 當(dāng)前 采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行 比較， 計算出 偏差 ，然后 進(jìn)行 PID 運算，因此速度采集電路 在 整個系統(tǒng) 中是 不可缺少的。 目前在速度采集技術(shù)上主要有以下三種方法： 方法一：霍爾集成片。這是由三篇霍爾金屬板組成的器件，當(dāng)磁鐵正面朝向金屬板時，便產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，金屬板會產(chǎn)生橫向?qū)ǖ默F(xiàn)象。因此，我們只要把磁片安裝在電機上，并將霍爾集成片安裝在固定軸上，這樣便可以 將電機的速度以脈沖的形