【正文】 ........................................................... 20 電路設(shè)計 PCB .................................................................................................................. 20 電路設(shè)計實物圖 ............................................................................................................... 21 第四章 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................ 23 參 考 文 獻 ...................................................................................................................................... 24 致 謝 ................................................................................................................................................ 25 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 1 第一章 引 言 本章介紹了本課題的選題背景和意義，然后介紹了直流電機的特點及其發(fā)展概況以及直流電機在工業(yè)控制等領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，同時闡述了直流電機控制中有待研究的一些問題。最后列出了本文研究的主要內(nèi)容及全文的結(jié)構(gòu)安排。 研究背景及意義 直流電動機是最早出現(xiàn)的電動機，也是最早能實現(xiàn)調(diào)速的電動機。長期以來，直流電機一直占據(jù)著調(diào)速控制和位置控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、高質(zhì)高效平滑運轉(zhuǎn)的特性，盡管近年來不斷受到其他電 動機的挑戰(zhàn)，但到目前為止，就其性能來說仍然無其他電動機能比。 在直流調(diào)速控制系統(tǒng)中，可以采用各種控制器， DSP 是其中的一種選擇。由于 DSP具有高速運算性能，因此可以實現(xiàn)諸如模糊控制等復(fù)雜的控制算法。另外它可以產(chǎn)生有死區(qū)的 PWM 輸出，所以可以使外圍硬件最少。 直流電動機控制的發(fā)展現(xiàn)狀 常用的控制直流電動機方式有以下幾種：第一，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機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻大小來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行且設(shè)備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機械特性不強、不能在 較寬范圍內(nèi)完成平滑調(diào)速，所以目前采用的較少。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機 電動機 (即旋轉(zhuǎn)變流組 )，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制元器件，可完成優(yōu)良的調(diào)速，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，特別是當電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機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特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機、電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。第三 ，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、電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標又進一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機、電動機系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點 :維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。第四， 1957 年世界上出現(xiàn)了 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 2 第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(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，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標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，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級 [1]。 從 20 世紀 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)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。同時，控制電路也實現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。 隨著計算機，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)，電動機的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。電動機控制技術(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)已成為電動機控制的主流技術(shù)。正是這些技術(shù)的進步使電動控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。其中，電動機控制策略的模擬實現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺，而采用微處理器，通用計算機， 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。電動機的驅(qū)動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機控制方法能夠得到實現(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機，如永磁直流電動機，交流伺服電動機，超聲波電動機等。由于有微處理器和傳感器作為新一代運動控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運動控制系統(tǒng)為智能運動控制系統(tǒng)。所以應(yīng)用先進控制算法，開發(fā)全數(shù)字化智能運動控制系統(tǒng)將成為新一代運動控制系統(tǒng)設(shè)計 的發(fā)展方向 [2]。 在那些對電動機控制系統(tǒng)的性能要求較高的場合（如數(shù)控機床，工業(yè)縫紉機，磁盤驅(qū)動器，打印機，傳真機等設(shè)備中，要求電動機實現(xiàn)精確定位，適應(yīng)劇烈負載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。為了適應(yīng)時代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動機控制系統(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。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 3 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、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟 件版本對不同類型的被控對象進行控制，強大的通訊功能使它易和 PLC 等各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強等特點，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，彌補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護功能不完善、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，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護簡單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景 [3]。 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)出多個數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標準化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。 我國從 20 世紀 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，補償 PID 控制， PID算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù) [4]。 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)動簡單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點，克服了晶閘管的主要缺點。因 此我國直流電機調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（ Pulse Width Modulation，簡稱 PWM）方向發(fā)展 [5]。 我國現(xiàn)在大部分數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進口。但由于進口設(shè)備價格昂貴，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 [6]。 研究內(nèi)容 本論文主要是針對直流電機控制系統(tǒng)的研究，以 TI 公司的 DSP2812 芯片為控制核心。 對系統(tǒng)的硬件組成進行了詳細的分析與闡述。首先對控制系統(tǒng)選擇的 DSP 芯片 2812做了簡介，設(shè)計了以 TMS320F2812 為核心的包括供電電路、復(fù)位電路、時鐘振蕩電路、外擴 FLASH 電路、 JTAG 接口電路、 SCI 串口通訊電路、 AD 轉(zhuǎn)換電路、 PWM 驅(qū)動電路。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 4 最后，與軟件程序進行仿真調(diào)試。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 5 第二章 直流電機工作原理及 DSP 的選擇 直流電機工作原理 直流電機的結(jié)構(gòu) 直流電機的物理模型圖中，固定部分有磁鐵，這里稱為主磁極；固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組 (其中 2 個小圓圈是為了方便的表示該位置上的導(dǎo)體電勢或電流的方向而設(shè)置的 ) 。 圖 直流電機的物理模型圖 圖 直流電機的基本工作原理圖 圖 所示是一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極 N 和 S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由 A 和 X 兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首 端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷 B1 和 B2，當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通 [7]。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 6 直流電機的基本工作原理 對圖 所示的直流電機，如果去掉原動機，并給兩個電刷加上直流電源，如圖 所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab 和 cd 收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定， 兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（ b）所示的位置，電刷 A和換向片 2 接觸，電刷 B 和換向片 1 接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是 dcba，從電刷 B 流出。 此時載流導(dǎo)體 ab 和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的 [8]。 實用中的直流電動機轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構(gòu)成，同樣是由多個線圈連 接而成，以減少電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機。 直流電機的調(diào)速原理 眾所周知，直流電機轉(zhuǎn)速 n 的表達式為： ??? KIRUn (21) 式中： U電樞端電壓 I電樞電流 R電樞電路總電阻 Φ每極磁通量 K與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 由上式可知，直流電機轉(zhuǎn)速 n 的控制方法有三種： (1)調(diào)節(jié)電樞電壓 U 改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)； (2)改變電機主磁通 只能減弱磁通，使電動機從額定轉(zhuǎn) 速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)較慢，雖能無級平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小； (3)改變電樞電路電阻 R 在電動機電樞外串電阻進行調(diào)速，只能有級調(diào)速，平滑性差、機械特性軟、效率低。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 7 改變電樞電路電阻的方法缺點很多，目前很少采用弱磁調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用；因此，自動調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，這也是論文中設(shè)計系統(tǒng)所采用的方法。 改變電樞電壓主要有三種方式：旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止變流裝置、脈寬調(diào)制（ PWM）變換器 (或稱直流斬波器 )。 (l)旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱GM 系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱 WardLeonard 系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。 GM 系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護不方便。 (2)20 世紀 50 年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機組，但到 50 年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱 VM 系統(tǒng)，又稱靜止的 WardLeonard 系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角 α。進而改變整流電壓 Ud的大小，達到調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的目的。 VM 在調(diào)速性