【正文】 范圍呢?zé)o極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。 因?yàn)橹绷麟姍C(jī)調(diào)速主要采用調(diào)壓調(diào)速，電機(jī)電樞電壓需要有專門的可控盒子里電源，所以，以可控直流電源的發(fā)展可把直流電機(jī)分為三個(gè)階段：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈沖寬度調(diào)制變換器。 20世紀(jì) 60年代以前官方使用的是旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，由交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，給需要調(diào)速的直流電機(jī)供電，調(diào)節(jié)的勵(lì)磁電流即可改變輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 靜止式變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)最開始時(shí)時(shí)有的是閘流管 整流器的離子拖動(dòng)系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且還大大縮短了相應(yīng)時(shí)間，但閘流管容量小，維護(hù)麻煩。 到了 20世紀(jì) 70 年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了全控型器件。采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來(lái)逐漸發(fā)展成各種脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)電路，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制變換器。 重慶郵電大學(xué) 本科 畢業(yè)論文 3 雙極性控制的橋式可逆 PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)： 電流連續(xù) 可使電機(jī)在 4象限運(yùn)行 電機(jī)停止是有微震電流，能消除靜摩擦死去 =區(qū)。 低速平穩(wěn)性好。 低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖任然較寬，有利于保證器件的可靠性雙極性控制的橋式可逆 PWM變 換器在工作過(guò)程中， 4個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 80年代以后，以晶閘管為功率開關(guān)器件的斬波調(diào)壓調(diào)速器以其無(wú)級(jí)、高效、節(jié)能而得到大力推廣。 我國(guó)從 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來(lái)，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，用于中、小功率的晶閘管直流調(diào)速裝置已作為標(biāo)準(zhǔn)化，系列化通用產(chǎn)品批量生產(chǎn)，用于大功率的產(chǎn)品也開始在某些大型機(jī)械上應(yīng)用。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。隨著各種新型控制期間的發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)除向大功率發(fā)展外，正在實(shí)現(xiàn)控制單元標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、小型化。對(duì)某些中小功率裝置，正在做到使電動(dòng)機(jī)課控制設(shè)備組合一體化。 國(guó)外主要電氣公司如 ABB公司、西門子公司、 AEG公司、三菱公司等，均已開發(fā)出全數(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)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，很少將模糊控制等智能技術(shù)應(yīng)用于其中。隨著新型電力半導(dǎo)體器件 MOSFET\IGBT等的 發(fā)展，開關(guān)器件具有了開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和可自關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn)，克服了晶閘管的主要缺點(diǎn)。我國(guó)直流調(diào)速整向前發(fā)展。 第二節(jié) 本章小結(jié) 本章節(jié)主要對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)做了一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹，包括我們常用到的一些調(diào)速方法，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的整個(gè)發(fā)展的大致情況，以及就目前而言，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的直流電機(jī)調(diào)速的一些進(jìn)步性的突破與發(fā)展情況做了一些介紹。 重慶郵電大學(xué) 本科 畢業(yè)論文 4 第 二 章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)是 以 STC12C5410AD 單片機(jī)作為主 控制 器， 通過(guò)普通 PI 控制算法和模糊 PI 兩種控制算法來(lái)控制電機(jī)，通過(guò)比較兩種控制算法的優(yōu)劣，來(lái)體現(xiàn)模糊PI 控制算法的優(yōu)越性。該系統(tǒng)是 使用霍爾 傳感器 來(lái)對(duì)直流電機(jī)的速度 進(jìn)行測(cè)量 ，通過(guò) LCD1602 來(lái)顯示 的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用集成霍爾傳感器敏感速率信號(hào)，具有頻率響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)，采用模塊化方法進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。編制了電 機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量設(shè)計(jì)了測(cè)量模塊、轉(zhuǎn)速模塊、顯示模塊等的 C51 程序 ，來(lái) 表明 基于模糊 PI 控制的直流電機(jī)調(diào)速方案是可行的，并且有較好的發(fā)展前景 。 第一節(jié) PI 算法 在工程設(shè)計(jì)運(yùn)用工程中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律是：比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制。 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便因而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 對(duì)于 PID 算法 可以選擇的功能有： 比例控制規(guī)律 P：采用 P 控制規(guī)律的顯著優(yōu)點(diǎn)是克服擾動(dòng)影響的能力比較強(qiáng)，它經(jīng)常用于輸出值較快，但輸出值不能夠穩(wěn)定在一個(gè)有效的數(shù)字上。雖然能有效的 克服擾動(dòng)的影響，但往往還是會(huì)有余差出現(xiàn)。它適用于控制要求不高、控制通道滯后較小、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差、負(fù)荷變化不大的場(chǎng)合。 比例積分控制規(guī)律 (PI)：在工程中，比例積分控制規(guī)律應(yīng)用往往是最為廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于被控參數(shù)不允許有余差、控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、的場(chǎng)合。 對(duì)于 PID 算法，可以選擇的功能有 （ 1）加速的動(dòng)態(tài)過(guò)程 在這個(gè)算法之中，基于 P 和 I 的正負(fù)符合有如下的關(guān)系：相同的符號(hào)的條件是當(dāng)被控制的量一直偏離于給定值；這兩項(xiàng)符號(hào)相反的條件是改變給 定值方向。 接近到一個(gè)給定值時(shí)，積分作用就不及反號(hào)的比例作用大，從而避免了振蕩，這會(huì)起到更加有效的控制。然而，被控制量的值小于給定值， P 和 I 的作用是反向的，那么整個(gè)控制過(guò)程將會(huì)減慢很多。要加快啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)然，我們可以通過(guò)定偏差范圍 v，當(dāng)偏差 E（ t）的絕對(duì)值小于β的時(shí)候，我們就正常的調(diào)節(jié)，來(lái)縮短起步動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間。偏差 E（ t）的絕對(duì)值大于β，調(diào)整的方向會(huì)自動(dòng)重慶郵電大學(xué) 本科 畢業(yè)論文 5 的趨向去給定值的方向，也可以減少起步動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間，從而使整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程得到更快的控制。 （ 2）濾波器選擇 對(duì)于該輸入，可以添加一個(gè)預(yù)過(guò)濾器，訪問(wèn)的控 制算法的一個(gè)給定值不發(fā)生突然的變化，但有一定的慣性變量延遲緩沖器。 （ 3） PID 增量算法飽和效應(yīng) 在增量式的 PID 算法之中，執(zhí)行元件本身的性質(zhì)是物理的存儲(chǔ)性質(zhì)，遇到一些突發(fā)情況的話， PD 的增量部分比較大，往往超過(guò)執(zhí)行器的最大允許范圍，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間將會(huì)變得更長(zhǎng)，那么我們?nèi)绾蝸?lái)彌補(bǔ)呢？我們可以采用累積補(bǔ)償法，通過(guò)累積超出額定承受能力以外的部分，把額定范圍之內(nèi)的部分執(zhí)行完之后，再著手于執(zhí)行累積起來(lái)的部分，這樣就可以彌補(bǔ)整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而使得整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間縮短。 當(dāng)被控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能夠完全掌 握，我們無(wú)法得到精確的數(shù)學(xué)模型，采用其他的技術(shù)就難以實(shí)現(xiàn)。如果應(yīng)用 PID 控制技術(shù)，就會(huì)分成方便。當(dāng)然 PID 控制技術(shù)也有它的不足，那就說(shuō)被控對(duì)象通常要呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系，這種方法才能夠得到很好的控制。所以我們就想法在 PI 算法的基礎(chǔ)上加以改善，來(lái)讓系統(tǒng)得到更好的控制，那便是模糊 PI 控制。 第 二 節(jié) 模糊 PI 控制 模糊 PI 控制是該系統(tǒng)中運(yùn)用到的一種關(guān)鍵控制算法，那么到底什么是模糊PI 控制算法呢？下面對(duì)模糊 PI 控制做一下簡(jiǎn)單的了解。 模糊 PI背景介紹 PI 控制算法不但簡(jiǎn)單，而且易于調(diào)整參數(shù)，它被廣 泛地用于電機(jī)雙閉環(huán)控制，但由于該控制是線性控制 PI，那么當(dāng)被控對(duì)象的非線性特性的時(shí)候，設(shè)計(jì)將不能夠保持性能，魯棒性也就不能夠達(dá)到令我們十分滿意的效果。因此， 在該系統(tǒng)中，我們 提出模糊 PI 控制速度控制回路和閉環(huán)電流控制方法從而達(dá)到令人滿意的效果。令基準(zhǔn)速度的信號(hào)和實(shí)際速度的反饋信號(hào)來(lái)做一個(gè)有效的進(jìn)行比較，把他們所不同的圓周速度調(diào)節(jié)器的模糊輸入，輸出的基準(zhǔn)電流信號(hào)。速度控制器的輸出基準(zhǔn)電流的反饋信號(hào)，比較實(shí)際的電流值的電流調(diào)節(jié)器的輸入圓周率的周期序列，形成一個(gè) PWM的邏輯控制信號(hào)的輸出信號(hào)，然后再根據(jù)換向邏輯模塊 ，順序控制設(shè)備來(lái)打開電源的開關(guān)，從而控制逆變器輸出電壓的振幅，采用相重慶郵電大學(xué) 本科 畢業(yè)論文 6 位電流來(lái)充分控制繞組，使逆變器的輸出電流，根據(jù)一個(gè)給定的電流變化，穩(wěn)態(tài)的靜態(tài)誤差。 模糊 PI理論分析 要想更清楚的了解模糊 PI 控制理論，我們必須要充分的了解 常規(guī) PID 控制算法。 因?yàn)槟：?PI 算法就是在普通 PI控制算法的基礎(chǔ)上做適當(dāng)修正而形成的。要實(shí)現(xiàn) PID算法，必須在硬件上除了要有閉環(huán)控制以外，還得有反饋。比如控制一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就得有一個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制路線上，下面我以轉(zhuǎn)速控制為例，對(duì) PID算法做簡(jiǎn)要分析。 PID是比例、積分、微分控制算法的簡(jiǎn)稱。但事實(shí)上，我們并不是同時(shí)運(yùn)用這三種算法，我們經(jīng)常運(yùn)用其中的兩種或者是一種。比如可以是 PD,PI,甚至只有 P算法控制。當(dāng)我以前開始學(xué)自動(dòng)控制原理的時(shí)候，對(duì)于閉環(huán)控制的一個(gè)最樸素的想法就只有 P控制，那就是把當(dāng)前結(jié)果反饋回來(lái)，與目標(biāo)量相減，為正的話，就減速，為負(fù)的話就加速?，F(xiàn)在知道這只是最簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制算法。 3，比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)控制算法各有作用： 比例，反應(yīng)系統(tǒng)的基本（當(dāng)前）偏差 e(t)，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過(guò)大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下 降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定； 積分，反應(yīng)系統(tǒng)的累計(jì)偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度，因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)誤差； 微分，反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率 e(t)e(t1)，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是微分對(duì)噪聲干擾有放大作用，加強(qiáng)微分對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。 積分和微分都不能單獨(dú)起作用，必須與比例控制配合。 FuzzyPI實(shí)際上就是在常規(guī) PID控制器的基礎(chǔ)上 ,應(yīng)用 Fuzzy建立參數(shù) KP、KI與 KD同 偏差絕對(duì)值 |E|和偏差變化 |EC|間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系 : KP=f1 (|E|,|EC|) KI=f2 (|E|,|EC|) KD=f3 (|E|,|EC|)。 第三節(jié) 直流電機(jī)調(diào)速原理 在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系式中，電機(jī)速度只和電壓電流有關(guān)，我們通常都會(huì)采用重慶郵電大學(xué) 本科 畢業(yè)論文 7 改變電樞電壓的方式來(lái)對(duì)直流電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這里我們常用都就是 PWM調(diào)速。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是英文“ Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于 測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸 出 電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。 PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無(wú) (OFF)。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復(fù)脈 沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進(jìn)行編碼。 第四節(jié) 無(wú)刷直流電機(jī) 該系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的部分就是無(wú)刷直流電機(jī)部分，下面就對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)座一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。 無(wú)刷直流電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù) (P)影響： n=60* f / P。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無(wú)刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制 (驅(qū)動(dòng) 器 )，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率 并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說(shuō)直流無(wú)刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子 維持一定的轉(zhuǎn)速。 普通直流電機(jī)的磁場(chǎng)做定子，給轉(zhuǎn)子通電，所以必須用電刷給轉(zhuǎn)子通電。 直流無(wú)刷電機(jī)正好反過(guò)來(lái)，定子做成線圈，轉(zhuǎn)子做成永磁體，靠定子磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子永磁體旋轉(zhuǎn)，所以不需要給轉(zhuǎn)子通電，也就不需要碳刷了。換相的時(shí)候，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通過(guò)電子換向根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體地位置改變定子磁場(chǎng)的方向吸引永磁體旋轉(zhuǎn)。 取消了碳刷，效率高，壽命長(zhǎng) ，功率 體積比高，噪音小。但是永磁體采用稀土合金制造，成本較高，還需要額外的電子換向器控制，所以成本比直流電機(jī)更高。 重慶郵電大學(xué) 本科 畢業(yè)論文 8 無(wú)刷直流電機(jī)可以想象成與刷式直流電機(jī)截然相反，其中永久磁性在轉(zhuǎn)子上，而繞線在定子上。因此，該電機(jī)沒有刷子和換向器，消除了與刷式直流電機(jī)產(chǎn)生火花相關(guān)的劣勢(shì)。 該電機(jī)被稱為直流電機(jī)，是因?yàn)槠渚€圈通過(guò)直流電源驅(qū)動(dòng)，而直流電源是按預(yù)定順序的形式應(yīng)用到不同的定子線圈。這一過(guò)程稱為換向。但是，無(wú)刷直流并不恰當(dāng)，因?yàn)樵撾姍C(jī)實(shí)際上屬于交流電機(jī)。在電路循環(huán)過(guò)程中，每個(gè)線圈中的電流正負(fù)交替。定子一般是凸 極結(jié)構(gòu)，旨在產(chǎn)生梯形反電動(dòng)勢(shì)波形，盡可能符合所應(yīng)用的換向電壓波形。但是實(shí)際上很難做到，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形通常更像正弦，而非梯形。因此， PMSM 電機(jī)使用的許多控制技術(shù)（如場(chǎng)定向控制）同樣適用于無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)。 對(duì) BLDC 電機(jī)的另一個(gè)誤解是關(guān)于其如何驅(qū)動(dòng)。不同于開環(huán)步進(jìn)應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)的定子線圈決定轉(zhuǎn)子位置，在 BLDC 電機(jī)中，轉(zhuǎn)子位置決定要驅(qū)動(dòng)哪個(gè)定子線圈。定子磁通矢量位置必須與轉(zhuǎn)子磁通矢量位置保持同步（而非相反），以使電機(jī)操作順暢。要實(shí)現(xiàn)