【正文】 的性能指標之一 ,因而測量電機的轉速和電機的調速 ,使它滿足人們的各種需要 ,更顯得重要 ，而且 隨著科技的發(fā)展 ,PWM調速成為電機調速的新方式 。 隨著技術的高速進步，越來越多的行業(yè)開始采用控制系統(tǒng)的自動化，現(xiàn)代化生產變得越來越重要的是主流開始變?yōu)殡姎鈧鲃硬捎弥绷黩寗涌刂?。直流電動機之所以能在傳動領域統(tǒng)治地位中占有重要的一席之地，原因在于它不僅控制性能好，調節(jié)方法簡單 ，而且能夠大范圍平滑調速，轉速調節(jié)非常靈活。現(xiàn)在社會生產中，只要是工廠自動化設備，不管是機器人還是數(shù)控機床都在廣泛應用直流電動機。稍加思索我們就會知道，隨著社會生產規(guī)模的繼續(xù)加大，直流電機各方面的性能和直流電機的需求量都會需要提出一些新的要求，那就是更好的性能，更大規(guī)模的需求量。因此，對直流電機控制系統(tǒng)進行高可靠性的，高性能的研究工作對現(xiàn)實生活具有非常重要的意義。 直流電機調速原理 直流電機電路模型如圖 11 所示，磁極 N 、 S 間裝著一個可以轉動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈。當線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，從而產生旋轉。根據(jù)左手定則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的方向也將改變，因此通過改變線圈電路的方向實現(xiàn)改變電機的方向。直流電機模型見圖 11。 圖 11 直流電動機電路模型 不同勵磁方式的直流電動機機械特性曲線有所不同。但是對直流電動機的轉速有以下 公式： ?e aaa C RIUn ?? （ 11） 式 aU 電樞供電電壓（ V） aI 電樞電流（ A） ? 勵磁磁通（ Wb) R 電樞回路總電阻（ Ω ） eC 電勢系數(shù)， apNCe 60?， p 為電磁對數(shù)， a 為電樞并聯(lián)支路數(shù)， N 為導體數(shù)。 直流電動機轉速的控制方法可分為兩類：勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，容易因 磁場飽和而受到影響 。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調速的電樞電壓控法。 其中脈寬調制 (PWM)就是保持頻率不變，通過控制占空比來改變 “占空比”的百分比，從而改變電樞電壓的大小，實現(xiàn)對 電動機轉速的控制。 系統(tǒng)方案與分析 本文主要研究了利用 AT89S52 單片機，通過 PWM 方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。文章中采用了通過編程實現(xiàn) PWM 信號的發(fā)生，然后通過 IR2110來驅動電機。利用光電編碼器測得電機速度，把電壓信號反饋給單片機，在內部進行PID運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機的調速控制。 單片機直流電機調速簡介：單片機直流調速系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電動機的平滑調速。 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，改變電樞兩端電壓的大小，從而使電壓變?yōu)橐蟮囊环N控制方 法。在調整系統(tǒng)中， PWM 的作用表現(xiàn)為控制電動機的轉速。控制過程為在固定頻率的前提下，即保持周期不變的情況下，根據(jù)設計要求來接通和斷開電源，通過改變“接通”和“斷開”時間的長短。從而使輸出的平均電壓發(fā)生變化，也就是因為改變了電樞電壓的“占空比”，從而實現(xiàn)了控制平均電壓的大小。因此，“開關驅動裝置”也是 PWM 一個別稱。本系統(tǒng)以 AT89S52 單片機為核心，通過單片機控制， C 語言編程實現(xiàn)對直流電機的平滑調速。 本系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為依托，根據(jù) PWM 調速的基本原理，以直流電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為依據(jù)，實現(xiàn)對直流電動機的平滑調速，并通過單片機控制速度的變化。本文所研究的直流電機調速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動對電機速度的有效控制。 總體硬件電路設計 系統(tǒng)總體設計框圖 圖 12 直流電 機 PWM調速系統(tǒng)設計方框圖 直流電機 AT89S52 單片機（速度的測量計算、輸入設定及系統(tǒng)控制） 轉速檢測 驅動電路 鍵盤控制 LED 顯示 PWM 2 PWM 脈寬調制原理 PWM 調速原理 PWM 脈沖寬度調制技術就是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術。 下式是占空比計算公式： TtD 1? (21) 式中 1t 表示一個周期內開關管導通的時間， T 表示一個周期的時間。 占空比 D 表示了在一個周期里，開關管導通的時間與周期的比值，變化范圍為10 ??D 。由上式可知，當電源電壓不變的情況下， 電樞的端電壓的平均值為DVVD ?? max ，因此占空比如果變化的話就可以改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的，這就是 PWM調速原理。如圖所示： 圖 21 PWM信號的占空比 根據(jù)上圖，假如是一直接通電源的話，電機的轉速為最大，設為 maxV ?，F(xiàn)在我們可以通過改變占空比 來獲得不同的轉速，因為 DVVD ?? max 。所以取不同的占空比就能得到不同的轉速，即通過占空比來達到調速的目的。 PWM 調速方法 調速原理如圖 21所示。通過控制脈沖占空比來改變電機的電樞電壓。通常有 3種方法改變占空比： (1)定寬調頻法：就是使 1t 的寬度保持不變，改變 2t 的寬度，此時周期 T（即頻率）也發(fā)生了變化，也就是所謂的寬度的大小不變，調整頻率的大?。? (2)調寬調頻法： 就是使 2t 的寬度保持不變，改變 1t 的寬度，此時的周期 T（即頻率）也發(fā)生了變化，也就是所謂的調整寬度的大小和調整頻率的大??； (3)定頻調寬法：就是使 T（即頻率）的寬度保持不變，改變 1t 的寬度，此時 2t 的寬度也會發(fā)生變化，也就是所謂的保持頻率不變，調整寬度的大小。 從以上三種方法的分析中，選擇哪種方法將影響系統(tǒng)的性能，一二種方法比較類似，都是通過改變周期（即頻率）的大小來控制占空比，但這樣會出現(xiàn)一個問題，一旦系統(tǒng)的固有頻率和選擇的控制頻率比較靠近時，就會引起不必要的振蕩，一般很少采用，所以本系統(tǒng)用的是第三種方法。因此，只要控制好脈沖的通電時間，就可以很容易實現(xiàn)控制轉速。 PWM 實現(xiàn)方式 方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產生的脈沖寬度極其精確 ，誤差只在幾個 us。 方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。故采用方案一。 本設計采用單閉環(huán)系統(tǒng)，之所以會選擇閉環(huán)還沒采用開環(huán)，原因在于閉環(huán)相對于開環(huán)具有一些比較突出的一些優(yōu)點，閉環(huán)的主要特點在于存在反饋控制，反饋控制的作用表現(xiàn)為如果被控制量偏離給定值，這樣的偏差就會被反饋控制通過自己的修正作用去消除。從這一角度看，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。 如圖 22，通過單片機控 制器產生 PWM 矩形波， PWM矩形波經過驅動電路的放大對直流電機進行 PWM 控制，由速度傳感器對電機進行測速，并將測得的速度反饋到輸入端即讓反饋信號與給定量進行比較。從而達到對直流電機的較為精確的控制。 圖 22 直流電機 PWM調速系統(tǒng)原理圖 被控量 單片機 控制器 光電編碼器 直流電機 驅動電路 + _ r 給定量 PWM 矩形波 速度反饋 y + 3 硬件部分 單片機的選型 綜合各方面考慮本次設計采用低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器 AT89S52。 它具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲器 技術制造，與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許 程序存儲器 在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。 AT89S52 主要性能： 與 MCS51單片機 產品兼容 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作： 0Hz33MHz 三級加密 程序存儲器 32 個可編程 I/O 口線 三個 16 位 定時器 /計數(shù)器 8 個 中斷源 全雙工 UART 串行通道 低功耗空閑和掉電模式 1 掉電后中斷可喚醒 1看門狗定時器 1 雙數(shù)據(jù)指針 1掉電標識符 AT89S52 引腳圖 圖 31 單片機引腳圖 AT89S52 有 6 個中斷源：兩個外部中斷（ INT0 和 INT1），三個定 時中斷（定時器 0、 2）和一個串行中斷。這些中斷每個中斷源都可以通過置位或清除特殊寄存器 IE 中的相關中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無效。 IE還包括一個中斷允許總控制位 EA，它能一次禁止所有中斷。 AT89S52 內部包括了 3個 16 位可編程定時器 /計數(shù)器及看門狗定時器。 16個觸發(fā)器構成了定時器 /計數(shù)器的 16 位，因此可以算出 1216? 為它的最大計數(shù)模值。當定時器還是當計數(shù)器用，或者當計數(shù)器用時它的計數(shù)范圍，或者當定時器用時它的定時范圍，都可以通過它們的工作方式指令 來設置，這就是通常所說的可編程。這種可編程是通過 TMOD 控制器來完成的。 驅動電路 功率放大驅動芯片有多種，其中較常用的芯片有 IR2110和 EXB841，但由于 IR2110具有雙通道驅動特性，且電路簡單，使用方便，價格相對 EXB841 便宜，具有較高的性價比，且對于直流電機調速使用起來更加簡便，因此該驅動電路采用了 IR2110 集成芯片，使得該集成電路具有較強的驅動能力和保護功能。 芯片 IR2110 性能及特點 IR2110是美國國際整流器公司 (International Rectifier Company )于 1990年前后推出的，它采用了兩種技術，分別是無門鎖 CMOS技術和 高壓集成電路，它相當于是IGBT和大功率 MOSFET的專用驅動集成電路 ,正是因為具有這種優(yōu)勢，他被廣泛應用于馬達調速、電源變換等功率驅動領域。這個電路芯片的特點是成本低，偏值電壓高 ( 600V)，集成度高 (可驅動同一橋臂兩路 ) ，體積小 (DIP14 )，響應快 ( ton/tof= 120/94 ns)，而且驅動能力強 , 內設欠壓封鎖，易于調試 ,除此之外，它還擁有外部保護封鎖端口。為了使得驅動電源路數(shù)目較其他 IC驅 動大大減小，它的上管驅動采用外部自舉電容上電。只需一路 10一 20V電源， 2片 IR2110驅動 2個橋臂就能應對 4管構成的全橋電路，這樣做的優(yōu)點很多，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了產品成本，大大減小了控制變壓器的體積和電源數(shù)目。 IR2110 的引腳圖以及功能 HOUBUsNcV c cC O MNCV SSLINSDH INV DDNCLO 圖 32 IR2110管腳圖 IR2110 使用了兩種工藝，分別是閂鎖抗干擾 CMOS 工藝和 HVIC，不管是高端還是低端，他們的輸出通道都是獨立的；但是與標準的 CMOS 輸出比較起來，它的邏輯輸入是兼容的；并且自舉電路用于浮置電源， 500V 是它工作電壓可以達到的最大值，du/dt=177。 50V/ns，當條件為小于等于 15V時，只有 是它的靜態(tài)功耗； 10～ 20V的電壓范圍為輸出的柵極驅動電壓， 5～ 15V 的電壓范圍就是它的邏輯電源電壓，存在電壓偏移的是邏輯電源，－ 5V～＋ 5V 就是它的電壓偏移范圍。 CMOS