【正文】 參考文獻 ............................................................................................................ 26 附錄 .................................................................................................................... 27 XXX 論文 1 第 1章 緒論 直流調速的意義 現(xiàn)在電氣傳動的主要方向之一是電動機調速系統(tǒng)采用微處理器實現(xiàn)數(shù)字化控制。從上世紀 80 年代中后期起，世界各大電氣公司如 ABB、通用、西屋、西門子等都在競相開發(fā)數(shù)字式調速傳動裝置，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，當前直流調速已發(fā)展到一個很高的技術水平：功率元件采用 可控硅；控制板采用表面安裝技術；控制方式采用電源換相、相位控制。特別是采用了微處理器及其他先進電力電子技術，使數(shù)字式直流調速裝置在精度的準確性、控制性能的優(yōu)良性和抗干擾的性能有很大的提高和發(fā)展，在國內(nèi)外得到廣泛的應用。數(shù)字化直流調速裝置作為目前最新控制水平的傳動方式顯示了強大優(yōu)勢。全數(shù)字化直流調速系統(tǒng)不斷升級換代，為工程應用和工業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)越的條件。 采用微處理器控制，使整個調速系統(tǒng)的數(shù)字化程度，智能化程度有很大改觀；采用微處理器控制，使調速系統(tǒng)在結構上簡單化，可靠性提高，操作維護變得簡捷，電動機 穩(wěn)態(tài)運行時轉速精度等方面達到較高水平。由于微處理器具有較佳的性價比，所以微處理器在工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。近年來，盡管交流調速系統(tǒng)發(fā)展很快，但是直流電動機憑借其良好的啟動、制動性能，在金屬切削機床、軋鋼機、海洋鉆機、挖掘機、造紙機、礦井卷揚機、電鍍、高層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調速的高性能可控電力拖動領域中仍得到了廣泛的應用。 現(xiàn)階段，我國還沒有自主的全數(shù)字化直流調速控制裝置生產(chǎn)商，而國外先進的控制器價格昂貴，且技術轉讓受限，為此研究及更好的使用國外先進的控制器，吸收國外先進的數(shù)字化直流電動 機調速裝置的優(yōu)點，具有重要的實際意義和重大的經(jīng)濟價值。 直流電動機的發(fā)展 直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟 件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高XXX 論文 2 的性能。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 在實際應用中，電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，一是要具有較高的能量轉換效率；二是應能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調整轉速。電動機的調速性能如何對提高產(chǎn)品質量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調速技術一直是研究的熱點。直流電動機在冶金、礦山、化工、交通、機械、紡織、航空等領域中已經(jīng)得到廣泛的應用。而以往直流電動機的控制只是簡單的控制， 很難進行調速，不能實現(xiàn)智能化。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。 如今，直流電動機的調速控制已經(jīng)離不開單片機的支持，單片機應用技術的飛速發(fā)展促進了自動控制技術的發(fā)展，使人類社會步入了自動化時代，單片機應用技術與其他學科領域交叉融合，促進了學科發(fā)展和專業(yè)更新，引發(fā)了新興交叉學科與技術的不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，改變了世 界，也改變了人類的生活。由于單片機的體積小、重量輕、功能強、抗干擾能力強、控制靈活、應用方便、價格低廉等特點，計算機性能的不斷提高，單片機的應也更加廣泛特別是在各種領域的控制、自動化等方面。 目前，直流電動機調速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向實用化，伴隨著電子技術的高度發(fā)展，促使直流電動機調速逐步從模擬化向數(shù)字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電動機調速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。 近年來，隨著科技的進步，電力電子技術得到了迅速的發(fā)展，直流電動機得到了越來越廣泛的應用。直流它具有優(yōu) 良的調速特性 ,調速平滑、方便 ,調速范圍廣 。過載能力大 ,能承受頻繁的沖擊負載 ,可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉 。需要能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，從而對直流電動機的調速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調速，改變電樞電壓調速等技術已遠遠不能滿足要求，這時通過 PWM方式控制直流電動機調速的方法應運而生。 脈寬調速系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展概況 電力電子技術、功率半導體器件的發(fā)展對電動機控制技術的發(fā)展影響極大，它們是密切相關、相互促進的。近 30 年來，電力電子技術的迅猛發(fā)展，帶動和改變著電動機控制的面貌 和應用。驅動電動機的控制方案有三種：工作在通斷兩個狀態(tài)的開關控制、相位控制和脈寬調制控制，在單向通用電動機的電子驅動電路中，主要的器件是晶閘管，后來是用相位控XXX 論文 3 制的雙向可控硅。在這以后，這種半控型功率器件一直主宰著電動機控制市場。到 70 和 80 年代才先后出現(xiàn)了全控型功率器件 GTO 晶閘管、GTR、 POWERMOSFET、 IGBT 和 MCT 等。利用這種有自關斷能力的器件，取消了原來普通晶閘管系統(tǒng)所必需的換相電路，簡化了電路結構，提高了效率，提高了工作頻率，降低了噪聲，也縮小了電力電子裝置的體積和重量。后來，諧波成分 大、功率因數(shù)差的相控變流器逐步由斬波器或PWM 變流器所代替，明顯地擴大了電動機控制的調運范圍，提高了調速精度，改善了快速性、效率和功率因數(shù)。 直流電動機脈沖寬度調制 (Pulse Width Modulation簡稱 PWM)調速系統(tǒng)產(chǎn)生于 70 年代中期。最早用于不可逆、小功率驅動，例如自動跟蹤天文望遠鏡、自動記錄儀表等 。近十多年來，由于晶體管器件水平的提高及電路 技術的發(fā)展，同時又因出現(xiàn)了寬調速永磁直流電動機，它們之間的結合促使 PWM 技術的高速發(fā)展，并使電氣驅動技術推進到一個新的高度。 在國外， PWM 最早 是在軍事工業(yè)以及空間技術中應用。它以優(yōu)越的性能，滿足那些高速度、高精度隨動跟蹤系統(tǒng)的需求。近八、九年來，進一步擴散到民用工業(yè)，特別是在機床行業(yè)、自動生產(chǎn)線及機器人等領域中廣泛應用。 如今，電子技術、計算機技術和電動機控制技術相結合的趨勢更為明顯，促進電動機控制技術以更快的速度發(fā)展著。隨著市場的發(fā)展，客戶對電動機驅動控制要求越來越高，希望它的功能更強、噪聲更低、控制算法更復雜，而可靠性和系統(tǒng)安全操作也擺上了議事日程，同時還要求馬達恒速向變速發(fā)展，還要符合全球環(huán)保法規(guī)所要求的嚴格環(huán)境標準。進入 21世紀后，可以預 期新的更高性能電力電子器件還會出現(xiàn)，已有的各代電力電子元件還會不斷地改進提高。 本文主要研究內(nèi)容 本文主要研究了利用 MC51 系列單片機控制 PWM 信號從而實現(xiàn)對直流電動機轉速進行控制的方法。 文章中采用了專門的芯片組成了 PWM 信號的發(fā)生系統(tǒng)，并且對 PWM 信號的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對 PWM 信號占空比進行調節(jié)，從而控制其輸入信號波形等均作了詳細的闡述。XXX 論文 4 第 2章 直流電動機的調速系統(tǒng)設計 直流電動機調速原理 直流電動機根據(jù)勵磁方式不同，直流電動機分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電動機機械特性曲線有所不 同。但是對于直流電動機的轉速有以下公式： Tn CCCc ?? rcRU ?? （ 21） 其中： U — 電壓； R— 勵磁繞組本身的電阻； ? — 每極磁通 (Wb)； Cc— 電勢常數(shù)； Cr— 轉矩常量。由上式可知，直流電動機的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場控制法。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的方法是電樞控制法。 圖 21 直流電動機的工作原理圖 電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下 ，把控制電壓信號加到電動機的電樞上，以控制電動機的轉速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻，通過調節(jié)電阻改變電樞電壓，達到調速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟效益低，而且轉速越慢，能耗越大。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進行相控調壓；脈寬調制(PWM)調壓等等。調壓調速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調制 (PWM)應用更為廣泛。脈寬調速利用一個固定的頻率來控制電源的接通 或斷開，并通過改變一個周期內(nèi)“接通”XXX 論文 5 和“斷開”時間的長短，即改變直流電動機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速，因此， PWM 又被稱為“開關驅動裝置”。 直流調速的實現(xiàn)方法 Ⅰ、基于晶閘管作為主電路的調速系統(tǒng) 基于晶閘管的調速系統(tǒng)是采用分離元件設計的調速系統(tǒng)占用的空間大，控制角難于調整，且模擬器件的固有缺陷如：溫漂、零漂電壓等，導致電動機的調速無法達到滿意的結果。 晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難 ，性能較差，自動化控制程度差，調速過程較為復雜，不利于工 業(yè)生產(chǎn)和小功率電路中采用。 另一問題是當晶閘管導通角很小時，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動殃及同電網(wǎng)中的用電設備，造成“電力公害”。 Ⅱ 、基于 PWM 為主控電路的調速系統(tǒng) 與傳統(tǒng)的直流調速技術相比較， PWM(脈寬調制技術 )直流調速系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需要的功率元件少；開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電動機損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，快速響應性能好，動態(tài)抗干擾能力強；主電路元件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，裝置效 率高。 本文是采用方法 Ⅱ進行直流電動機調速系統(tǒng)的設計。采用 MC51 單片機、 IR2110 功率驅動芯片構成整個系統(tǒng)的核心實現(xiàn)對直流電動機的調速。MC51 單片機具有兩個定時器 T0 和 T1。通過控制定時器初值 T0 和 T1，從而可以實現(xiàn)從任意端口輸出不同占空比的脈沖波形。 MC51 控制簡單，價格廉價，且利用 MC51 構成單片機最小應用系統(tǒng)，可縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。 IR2110 是專門的 MOSFET 管和 IGBT 的驅動芯片，帶有自舉電路和隔離作用，有利于和單片機聯(lián)機工作，且 IGBT 的工作電流可達 50A，電壓可 達 1200V，適合工業(yè)生產(chǎn)應用。 PWM脈寬調制原理 PWM調速原理 PWM（脈沖寬度調制）是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，改變負載兩端的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調整方法。 在 PWM 驅動控制的調整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電動機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。 XXX 論文 6 如下圖所示： 圖 22 時序圖 占空比計算公式： TD 1t? （ 22） 如果電動機始終接通電源時，電動機轉速最大為 Vmax，占空比為Tt1D? ，則電動機的平均速度為： DVV ?? maxD ，可見只要改變占空比 D ，就可以得到不同的電動機速度，從而達到調速的目的。 PWM調速方法 基于單片機類由軟件來實現(xiàn) PWM：在 PWM 調速系統(tǒng)中占空比 D 是一個重要參數(shù)在電源電壓 Ud不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比 D 的大小，改變 D 的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達到調速的目的。改變占空比 D 的值有三種 方法： A、定寬調頻法：保持 t1 不變，只改變 t2 ，這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變。 B、調寬調頻法：保持 t2 不變，只改變 t1 ，這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變 。 C、 定頻調寬法：保持周期 T(或頻 率 )不變，同時改變 t1 和 t2 。 前兩種方法在調速時改變了控制脈沖的周期 (或頻率 )，當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此常采用定頻調寬法來改變占空比從而改變直流電動機電樞兩