【正文】 .................29 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)象分析 ...............................................................................30 PROTUES 簡(jiǎn)介 ...............................................................................................30 PROTEUS 設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái) ...........................................................................31 PROTEUS 設(shè)計(jì)與單片機(jī)傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程比較 ...............................................31 仿真結(jié)果 .......................................................................................................32 本章小結(jié) .......................................................................................................35 第 7 章 結(jié)束 ...........................................................................................................36 致 謝 .......................................................................................................................37 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................38 附 錄 I ....................................................................................................................39 附 錄 II ....................................................................................................................41 附錄 III .....................................................................................................................48 鄧賢彥：直流電機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 引 言 直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的背景 隨著人們對(duì)控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高 ,電機(jī)調(diào)速成了人們研究的課題 ,現(xiàn)在對(duì)于普通直流 電機(jī)的調(diào)速已經(jīng)有了一些比較成熟的方法 .直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法 .勵(lì)磁控制法控制磁通 ,其控制功率雖然小 ,但低速時(shí)受到磁飽和的限制 ,高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制 ,而且由于勵(lì)磁線圈電感較大 ,動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差 ,所以使用較少 .電樞電壓控制法總體上可以分為兩種 ,一種是調(diào)節(jié)電壓 ,一種是調(diào)節(jié)電流 .傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)是用模擬電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ,這種電路雖然響應(yīng)快 ,但是靈活性較差 ,維修復(fù)雜 .單片機(jī)作為一種可編程控制器技術(shù)上已經(jīng)比較成熟 .通過(guò)單片機(jī)對(duì)普通直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的系統(tǒng)已經(jīng)存在 .單片機(jī) 具有性能高、速度快、體積小、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛、通用性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn) . 直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的發(fā)展歷史 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 50 年代，美國(guó)首先研究出了用于軍事領(lǐng)域的測(cè)試系統(tǒng)。 20 世紀(jì) 70 年代后期，隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，誕生了有采集器、儀表同計(jì)算機(jī)一起溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能優(yōu)良，超過(guò)了系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)儀表和專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此獲得了驚人的發(fā)展。 70 年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中逐漸分成兩類，一類用于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一類用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 20 世紀(jì) 90 年代至今，國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用到了軍事、航空電子設(shè)備以及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。由于集成電路制造技術(shù)不斷提高，出現(xiàn)了高性能，高可靠的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ DAS）。數(shù)據(jù)采集技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)成為了一種專門(mén)的技術(shù)，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 [1]。 直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的發(fā)展趨勢(shì) 通過(guò)調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的大小和方向即可方便地調(diào)節(jié)其輸出電壓大小和方向，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速方法。調(diào)壓調(diào)速方法常采用可控直流電源供電。早期這種電源來(lái)自于旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，但因其設(shè)備多，體積大，效率低，運(yùn)行有噪音等 不足，在 20 世紀(jì) 50 年代已被靜止變流裝置取代。隨著電力電子器件的發(fā)展，四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 靜止變流裝置主要有靜止可控整流器和直流斬波或脈寬調(diào)制變換器兩種調(diào)速系統(tǒng)。 (1)靜止可控整流器又稱之為晶閘管 —— 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (v— M 系統(tǒng) )，通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)器的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而調(diào)節(jié)整流器輸出直流電壓的大小和方向，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。這種調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)快，功放大，經(jīng)濟(jì)可靠，靜止無(wú)噪聲，但必須設(shè)置多種可靠的保護(hù)裝置和符合散熱條件，且易產(chǎn)生電力公害，危及電網(wǎng)以及機(jī)械特性的不穩(wěn)定性。 (2)直流斬波或脈寬調(diào)制變換器是利用開(kāi)關(guān)器件 的通斷實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的。它具有效率高，體積小，重量輕，成本低的特點(diǎn)?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車、電瓶車等電力牽引設(shè)備的變速拖動(dòng)中。其中，最主要的調(diào)速方法是脈寬調(diào)制 (PWM)，即保持通斷周期 T 不變，只改變開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 ton。此調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)抗干擾性強(qiáng)，系統(tǒng)低速性能好，調(diào)速范圍寬，損耗小，效率高，所需元件少。線路簡(jiǎn)單，控制方便，但受容量的限制， PWM 調(diào)速系統(tǒng)目前只用于中小功率負(fù)載。 直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的 要求 任務(wù) ： 單片機(jī)為控制核心的直流電機(jī) PWM 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容以及技術(shù)參數(shù) ： 功能主要包括： 1：直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)。 2：直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)。 3：直流電機(jī)的加速。 4： 直流電機(jī)的減 速。 5： 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在液晶顯示器 上顯示 。 6：直流電機(jī)的啟動(dòng) 7：直流電機(jī)的停止 。 本章小結(jié) 本章主要介紹了直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的產(chǎn)生 的 歷史背景、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。概要講解 單片機(jī)控制電機(jī) 系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)抗干擾性強(qiáng)，系統(tǒng)低速性能好，調(diào)速范圍寬，損耗小，效率高，所需元件少。線路簡(jiǎn)單，控制方便、適用于中小功率負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)。 以及電機(jī)控制的兩種發(fā)展趨勢(shì)， 并且提出本次直流電動(dòng)機(jī)控制鄧賢彥：直流電機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 直流調(diào)速系統(tǒng)概述 調(diào)速方法通常有機(jī)械的、電氣的、液壓的、氣動(dòng)的幾種，僅就機(jī)械與電氣調(diào)速方法而言，也可采用電氣與機(jī)械配合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。電氣調(diào)速有許多優(yōu)點(diǎn)，如可簡(jiǎn)化機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)效率，操作簡(jiǎn)單，易于獲得無(wú)極調(diào)速，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和自動(dòng)控制，因此在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛采用電氣方法調(diào)速。 由于直流電動(dòng)機(jī)具有極好的運(yùn)動(dòng)性能和控制特性，盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、 維護(hù)容易，但是長(zhǎng)期以來(lái)，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。所以，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國(guó)許多工業(yè)部門(mén)，如軋鋼、礦山 采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動(dòng)的場(chǎng)合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，我們先著重討論直流調(diào)速系統(tǒng)。 直流電機(jī)的工作原理 直流電動(dòng)機(jī)，多年來(lái)一直用作基本的換能器。絕大多數(shù)的直流電動(dòng)機(jī)都是由電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。圖 21 為直流電機(jī)的物理模型圖，其中，固定部分（定子）由磁鐵（稱為主磁極）和電刷組成；轉(zhuǎn)動(dòng)部分（轉(zhuǎn)子）由環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞 組組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由 A 和 B 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(guò)換向器和電刷與外電路接通。 給兩個(gè)電刷加上直流電源，如圖 21(a)所示，有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過(guò)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)到圖 21(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。 鄧賢彥：直流電機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 圖 21 直流電機(jī)的物理模型圖 給兩個(gè)電刷加上直流電源，如圖 22(a)所示，有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過(guò)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)到圖 22(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)。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下時(shí)，總是從電刷 B 流出的方向，這就保證了每個(gè)磁極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，這樣的結(jié)構(gòu)，就可使電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn) [2]。 如圖 22 所示。 圖 22 直流電機(jī)原理圖 直流電機(jī)的調(diào)速方法 根據(jù)直流電機(jī)的基本原理，由感應(yīng)電勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩以及機(jī)械特性方程式可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種： 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。 變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 （ 2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通 。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同 變化遇到的相比要大得 多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。 （ 3）改變電樞回路電阻 。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。 改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少 采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來(lái)使用。 調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵(lì)磁磁通，都需要有專門(mén)的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種： （ 1）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)的直流電壓。 （ 2）靜止可控整流器 （簡(jiǎn)稱 VM 系統(tǒng)） 。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。 （ 3）直流斬波器 （ 脈寬調(diào)制變換器 ） 。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以 GM 系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、 體積大、鄧賢彥：直流電機(jī) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。且技術(shù)落后，因此擱置不用。 VM 系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 VM 系統(tǒng)