【正文】 ........................................................... 20 電路設(shè)計(jì) PCB .................................................................................................................. 20 電路設(shè)計(jì)實(shí)物圖 ............................................................................................................... 21 第四章 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................ 23 參 考 文 獻(xiàn) ...................................................................................................................................... 24 致 謝 ................................................................................................................................................ 25 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(jī)的特點(diǎn)及其發(fā)展概況以及直流電機(jī)在工業(yè)控制等領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，同時(shí)闡述了直流電機(jī)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(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來，直流電機(jī)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(jiǎn)單的控制性能、高質(zhì)高效平滑運(yùn)轉(zhuǎn)的特性，盡管近年來不斷受到其他電 動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但到目前為止，就其性能來說仍然無其他電動(dòng)機(jī)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(yùn)算性能，因此可以實(shí)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(dòng)機(jī)控制的發(fā)展現(xiàn)狀 常用的控制直流電動(dòng)機(jī)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(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻大小來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行且設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性不強(qiáng)、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(jī) 電動(dòng)機(jī) (即旋轉(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(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D(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。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(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。第四， 1957 年世界上出現(xiàn)了 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(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(zhǎng)、維修簡(jiǎn)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) [1]。 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，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 [2]。 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)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(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(jiǎn)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(zhǎng)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(jiǎn)單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景 [3]。 國(guó)外主要電氣公司如瑞典的 ABB 公司、德國(guó)的西門子公司、 AEG 公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國(guó)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(guó)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。 我國(guó)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) [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(dòng)簡(jiǎn)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(guó)直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（ Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱 PWM）方向發(fā)展 [5]。 我國(guó)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(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。目前，國(guó)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?jī)?nèi)容 本論文主要是針對(duì)直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究，以 TI 公司的 DSP2812 芯片為控制核心。 對(duì)系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行了詳細(xì)的分析與闡述。首先對(duì)控制系統(tǒng)選擇的 DSP 芯片 2812做了簡(jiǎn)介，設(shè)計(jì)了以 TMS320F2812 為核心的包括供電電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘振蕩電路、外擴(kuò) 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(dòng)電路。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 4 最后，與軟件程序進(jìn)行仿真調(diào)試。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 5 第二章 直流電機(jī)工作原理及 DSP 的選擇 直流電機(jī)工作原理 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)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(dòng)部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組 (其中 2 個(gè)小圓圈是為了方便的表示該位置上的導(dǎo)體電勢(shì)或電流的方向而設(shè)置的 ) 。 圖 直流電機(jī)的物理模型圖 圖 直流電機(jī)的基本工作原理圖 圖 所示是一臺(tái)最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對(duì)直流勵(lì)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(gè)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(duì)固定不動(dòng)的電刷 B1 和 B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jì)（論文）報(bào)告紙 6 直流電機(jī)的基本工作原理 對(duì)圖 所示的直流電機(jī)，如果去掉原動(dòng)機(jī)，并給兩個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)方向是 dcba，從電刷 B 流出。 此時(shí)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)機(jī)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(shí)用中的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，同樣是由多個(gè)線圈連 接而成，以減少電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，繞組形式同發(fā)電機(jī)。 直流電機(jī)的調(diào)速原理 眾所周知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)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(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 由上式可知，直流電機(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)； (2)改變電機(jī)主磁通 只能減弱磁通，使電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn) 速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，雖能無級(jí)平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍??； (3)改變電樞電路電阻 R 在電動(dòng)機(jī)電樞外串電阻進(jìn)行調(diào)速，只能有級(jí)調(diào)速，平滑性差、機(jī)械特性軟、效率低。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 7 改變電樞電路電阻的方法缺點(diǎn)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(dòng)調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，這也是論文中設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組以獲得可調(diào)直流電壓，簡(jiǎn)稱GM 系統(tǒng)，國(guó)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(yùn)行有噪音、維護(hù)不方便。 (2)20 世紀(jì) 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(jī)組，但到 50 年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)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(jìn)而改變整流電壓 Ud的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 VM 在調(diào)速性