【正文】 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。 隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開(kāi)關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以及自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)控制也裝置不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使直流電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動(dòng)了電氣傳動(dòng)的發(fā)展。近年來(lái)，一些先進(jìn)國(guó)家陸續(xù)推出并 大量使用以微機(jī)為控制核心的直流電氣傳動(dòng)裝置，如西門子公司的 SIMOREG K 6RA2 ABB公司的 PAD/PSD 等等。 隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對(duì)自動(dòng)化的需求也越來(lái)越高，直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。例如，軍事和宇航方面的雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對(duì)太陽(yáng)得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，印刷機(jī)械，繞線機(jī)，紡織機(jī)械，工業(yè)縫紉機(jī)，泵和壓縮機(jī)等設(shè)備的控制；計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤驅(qū)動(dòng)器，各種光盤驅(qū)動(dòng)器， 繪圖儀，掃描儀，打印機(jī)，傳真機(jī)，復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，錄像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱，電扇等的控制。 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(kāi)發(fā)四川大學(xué)錦城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ４ 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。 [17] 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)。 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(guò)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(guò)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。 [18] 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(kāi)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(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，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)。 [19] 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(kāi)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。 [16] 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(kāi)發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。 四川大學(xué)錦城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ５ 單片機(jī)控制 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 全球溫度正呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，更加有效地利用能源成為當(dāng)務(wù)之急。降低能耗的主要對(duì)象之一是電機(jī)。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，電機(jī)消耗了美國(guó)一半以上的能量。在家庭中使用的電機(jī)數(shù)量一般不下 50臺(tái)，一部汽車?yán)锿ǔＳ?70至 80臺(tái)電機(jī)，至于在工業(yè)領(lǐng)域，工廠自動(dòng)化中應(yīng)用的電機(jī)更加比比皆是。 當(dāng)前，單片機(jī)（ MCU）技術(shù)取得的進(jìn)步能夠比以往任何時(shí)候都更加有效地控制電機(jī)，而成本卻更低。這種進(jìn)步對(duì)市場(chǎng)的影響一方面加速了從機(jī)電控制到電子式控制的轉(zhuǎn)變，另一方面可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速控制，優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行。而且，對(duì)整個(gè)市場(chǎng)而言，降低了元器件的整體成本。 隨著控制算法在各個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域中復(fù)雜程度的不斷提高，數(shù)字電機(jī)控制器的處理能力需要從單片機(jī)的性能水平提升到數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）的性能水平。數(shù)字信號(hào)控制器（ DSC）性能更高而價(jià)格適中，采用設(shè)計(jì)人員熟悉的單片機(jī)技術(shù)，適用于更加復(fù)雜的電機(jī)控制設(shè)計(jì)，包括矢量控制設(shè)計(jì)。 DSC的運(yùn)行速度高達(dá) 30MIPS，并具有高達(dá) 144KB的閃存和電機(jī)控制專用的集成外設(shè)，可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的新型電機(jī)控制應(yīng)用。有了基于單片機(jī)和 DSC的電子電機(jī)控制，家用電器、工業(yè)控制及汽車不僅運(yùn)行效率更高、功能更豐富，而價(jià)格也適中。 單片機(jī)控制 PWM 直流調(diào) 速系統(tǒng)基本原理 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和調(diào)速原理 圖 直流電機(jī)的物理模型圖 其中，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 ) 四川大學(xué)錦城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ６ 上圖表示一臺(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(guò)換向片和電刷與外電路接通。 [1] 直流電機(jī)調(diào)速基本原理是比較簡(jiǎn)單的（相對(duì)于交流電機(jī)），只要改變電機(jī)的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。 改變電壓的方法很多，最常見(jiàn)的一定是 PWM 脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。 電機(jī)調(diào)速一般分為三個(gè)級(jí)，控制 級(jí)，驅(qū)動(dòng)級(jí)和反饋級(jí)。 單片機(jī)屬于前端的控制級(jí)，只需要能夠產(chǎn)生可調(diào)的 PWM 波形就可以（很多單片機(jī)都有專用 PWM 輸出功能，有定時(shí)器就能做到）。 驅(qū)動(dòng)級(jí)，在控制級(jí)后。因?yàn)閱纹瑱C(jī)弱電不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)這樣的強(qiáng)電，所以需要用功率開(kāi)關(guān)器件（如 MOSFET 等）來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)?；舅悸肪褪峭ㄟ^(guò)弱點(diǎn)控制強(qiáng)電。 反饋級(jí)是為了實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速的。一般是電流反饋，也有用轉(zhuǎn)速反饋的，也有電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制的。 PWM 輸出的占空比具體是多少由單片機(jī)通過(guò)反饋的信息綜合運(yùn)算得到。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為： n = (UIR)/KΦ ； 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(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng) 。 四川大學(xué)錦城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ７ (2)改變電機(jī)主磁通中只能減弱磁通，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(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小 。 (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。 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(kāi)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(guò)控制電壓的改變來(lái)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)速性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 (3) 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開(kāi)關(guān)器件通斷實(shí)現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時(shí)間比例，將固定的直流電 源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱 DCDC變換器。 絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制 PWM 來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 PWM 基本原理及其實(shí)現(xiàn)方法 理論基礎(chǔ)： 四川大學(xué)錦城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ８ 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 面積等效原理： 分別將如圖 所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（ RL電路）上，如圖。其輸出電流 i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖 。從波 形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各 i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng) i(t)也是周期性的。 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 四川大學(xué)錦城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ９ 用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波 N等分，看成 N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。 圖 用 PWM波代替正弦半波 要改變等效輸出正弦 波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 PWM電流波： 電流型逆變電路進(jìn)行 PWM控制，得到的就是 PWM電流波。 直流斬波電路：等效直流波形 SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM控制相同，也基于等效面積原理。 PWM (Pulse Width Modulation)— 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)通過(guò)對(duì)一系列數(shù)字脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)速度加快，斷電時(shí)速度逐漸變慢，四川大學(xué)錦城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） １０ 只要按一定規(guī)律改變通斷電時(shí)間，即可對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào) 速數(shù)字化，如圖 ： 圖 PWM 調(diào)速原理圖 第 2 章 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的 組成及選擇 本調(diào)速控制系統(tǒng)，主要由 ATmega8單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路和 LCD顯示電路等部分組成。 ATmega8 單片機(jī)簡(jiǎn)介 ATmega8 是 ATMEL 公司在 2022 年第一季度推出的一款新型 AVR 高檔 單片機(jī) 。在 AVR 家族中， ATmega8 是一種非常特殊的 單片機(jī) ，它的芯片內(nèi)部集成四川大學(xué)錦城學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） １１ 了較大 容量的 存儲(chǔ)器 和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備 AVR 高檔單片機(jī) MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)。但由于采用了小 引 腳 封裝（為 DIP 28 和 TQFP/MLF32），所以其價(jià)格僅與低檔 單片機(jī) 相當(dāng)，再加上 AVR 單片機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)可編程特性，使得無(wú)需購(gòu)買昂貴的 仿真器 和 編程器 也可進(jìn)行單片機(jī) 嵌入式系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，同時(shí)也為單片機(jī)的初學(xué)者提供了非常方便和簡(jiǎn)