【正文】 來(lái)改變直流電機(jī)的速度。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)光電編碼器，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為一些列的方波電信號(hào)，反饋到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行誤差分析，通過(guò)PID控制對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行改善提高，最后七段數(shù)碼管將設(shè)定的速度和光電編碼器測(cè)出來(lái)的速度顯示出來(lái)，進(jìn)行比對(duì)。整個(gè)設(shè)計(jì)可以分為4個(gè)小模塊：a) 直流電機(jī)的H橋驅(qū)動(dòng)；b) PWM信號(hào)占空比的控制；c) 光電編碼測(cè)速器的測(cè)速；d) 數(shù)字PID算法的實(shí)現(xiàn)。電位器設(shè)定初速度單片機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路直流電動(dòng)機(jī)光電編碼器測(cè)速器產(chǎn)生0～PWM信號(hào)Ｈ橋電路控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)反饋速度到單片機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)M0集成A/D模塊顯示電路 系統(tǒng)整體方案流程 模塊設(shè)計(jì) H橋的驅(qū)動(dòng)原理模塊H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開(kāi)關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)。SS2為一組，SS4為一組，這兩組狀態(tài)互補(bǔ)，當(dāng)一組導(dǎo)通時(shí)，另一組必須關(guān)斷。當(dāng)SS2導(dǎo)通時(shí)，SS4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)SS4導(dǎo)通時(shí)，SS2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。MS1S3S2S4GNDVCC H橋功率驅(qū)動(dòng)原理 產(chǎn)生PWM信號(hào)的設(shè)計(jì)思路電位器兩端信號(hào)由單片機(jī)提供，A/D為單片機(jī)的集成模塊，采集電位器兩端的電壓，用單片機(jī)的集成A/D將電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后單片機(jī)將光電編碼器測(cè)出來(lái)的速度信號(hào)和電位器兩端的數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)PID原理來(lái)對(duì)PWM信號(hào)的占空比經(jīng)行控制。PWM信號(hào)通過(guò)H橋?qū)﹄妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在進(jìn)行改進(jìn)，形成閉環(huán)系統(tǒng)。因?yàn)锳/D集成模塊的精度為10位，則電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的范圍為0～1024，傳遞到單片機(jī)中，通過(guò)歸一原理，將其轉(zhuǎn)化為0～5000之內(nèi)的轉(zhuǎn)速或者0～10000之內(nèi)的頻率，并通過(guò)七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示。電位器設(shè)定速度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊單片機(jī)電壓信號(hào)數(shù)字信號(hào)電動(dòng)機(jī)光電編碼測(cè)速H橋驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)數(shù)字由PID的反饋值調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)的占空比 PWM信號(hào)設(shè)計(jì)框圖 測(cè)速設(shè)計(jì)思路單片機(jī)利用脈沖式光電編碼器測(cè)速思路：將光關(guān)電編碼器固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器切割紅外線，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為一系列的方波數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)方波信號(hào)的下降沿在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行捕捉計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速通過(guò)七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示。電動(dòng)機(jī)光電編碼器單片機(jī)顯示電路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)方波對(duì)方波進(jìn)行計(jì)數(shù)并轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速 測(cè)速設(shè)計(jì)思路 數(shù)字PID算法為設(shè)定的速度，為電機(jī)的實(shí)際測(cè)量速度,為設(shè)定的速度跟實(shí)際電機(jī)速度的誤差值，=。將反饋到PID控制器里，PID控制根據(jù)算法將轉(zhuǎn)換為響應(yīng)的控制量，傳遞給PWM模塊，從而改變PWM的占空比，來(lái)改變電機(jī)的速度，使的電機(jī)的速度跟設(shè)定的速度相同。PID控制器+_直流電機(jī) 增量式PID控制算法示意圖3 測(cè)速系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 直流電機(jī)的介紹 直流電機(jī)的定義和特性定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱(chēng)為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。 直流電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：a) 調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。b) 起動(dòng)力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負(fù)載下起動(dòng)或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機(jī)械，例如大型可逆軋鋼機(jī)，卷?yè)P(yáng)機(jī)，電力機(jī)車(chē)，電車(chē)等，都用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造：分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子，定子包括：主磁極，機(jī)座，換向極，電刷裝置等。 轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸等。 直流電機(jī)基本方程直流電機(jī)的幾個(gè)基本方程式，即電磁轉(zhuǎn)矩： ()電機(jī)電路電動(dòng)勢(shì)平衡方程： () 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： ()直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性：（） () 把電磁轉(zhuǎn)矩方程代入轉(zhuǎn)速特性方程式()中，得機(jī)械特性方程式： ()式中: — 電樞電壓()；— 電樞電流()；—電樞電路總電阻()； — 磁通量（）； — 電動(dòng)勢(shì)常量， () — 轉(zhuǎn)矩常量， ()有上式可知，直流電機(jī)的調(diào)速方法分為三種。 直流電動(dòng)機(jī)三種調(diào)速方法比較調(diào)速指標(biāo)調(diào)節(jié)電源電壓電樞串聯(lián)電阻減弱勵(lì)磁調(diào)速方向從向下調(diào)速?gòu)南蛳抡{(diào)速?gòu)南蛏险{(diào)速在一般靜差率要求下的調(diào)速范圍4～82～3～2調(diào)速平滑性好差差調(diào)速相對(duì)穩(wěn)定性好差較好容許輸出橫轉(zhuǎn)矩橫轉(zhuǎn)矩恒功率電能損耗較小大小設(shè)備投資多少少較少：改變電樞回路的串聯(lián)電阻這種調(diào)速方法只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，平滑性差、機(jī)械特性軟、效率低，這種方法缺點(diǎn)很多，所以目前很少采用；改變磁通φ進(jìn)行調(diào)速，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，這種方法往往與高壓調(diào)速配合使用；調(diào)節(jié)電樞電壓，這種方法屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，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)目前，大多數(shù)氣動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)都使用電樞控制法。隨著大規(guī)模集成電路功能的不斷完善以及電力電子功率元件的不斷出現(xiàn)，目前采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制的PWM控制方式已經(jīng)成為了調(diào)壓調(diào)速的主流。 驅(qū)動(dòng)電路介紹長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)成為大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。 特別隨著計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域，高開(kāi)關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)小型直流電機(jī)的使用需求，各半導(dǎo)體廠商推出了直流電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路，構(gòu)成基于微處理器控制的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)。但是，專(zhuān)用集成電路構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。因此采用N溝道和P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)建H橋，實(shí)現(xiàn)大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。該驅(qū)動(dòng)電路能夠滿(mǎn)足各種類(lèi)型直流電機(jī)需求，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點(diǎn)，可直接與微處理器接口，可應(yīng)用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速控制。 PWM的調(diào)制方法PWM有三種調(diào)制方法：a) 定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變，這樣使周期T也隨著而改變。b) 定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變，這樣使周期T也隨著而改變。c) 定頻調(diào)寬法：使周期T保持不變，而同時(shí)改變和。T PWM波形圖前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)，改變了控制脈沖的周期和頻率，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起震蕩，因此這兩種方法很少用到。目前在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮一下幾點(diǎn)：a) 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，速度的調(diào)制范圍，調(diào)速時(shí)間。b) H橋的輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。c) 驅(qū)動(dòng)橋的效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通。d) 驅(qū)動(dòng)電路死區(qū)的解決方法。e) 對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。f) 可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。 H橋驅(qū)動(dòng)原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開(kāi)關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)。SS2為一組，SS4為一組，這兩組狀態(tài)互補(bǔ)，當(dāng)一組導(dǎo)通時(shí)，另一組必須關(guān)斷。當(dāng)SS2導(dǎo)通時(shí)，SS4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)SS4導(dǎo)通時(shí)，SS2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。實(shí)際控制中，需要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在SS2導(dǎo)通且SS4關(guān)斷到SS2關(guān)斷且SS4導(dǎo)通這兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。這種情況理論上要求兩組控制信號(hào)完全互補(bǔ)，但是由于實(shí)際的開(kāi)關(guān)器件都存在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，絕對(duì)的互補(bǔ)控制邏輯會(huì)導(dǎo)致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個(gè)開(kāi)關(guān)管動(dòng)作的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號(hào)理論上要求互為倒相，而實(shí)際必須相差一個(gè)足夠長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間，這個(gè)校正過(guò)程既可通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號(hào)之間增加延時(shí)，也可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。 ，可為線圈繞組提供續(xù)流回路。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)主開(kāi)關(guān)管流過(guò)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過(guò)續(xù)流二極管流通，否則電機(jī)就會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀。MS1S3S2S4GNDVCC H橋功率驅(qū)動(dòng)原理，當(dāng)Q1與Q4導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流所示，該流向的電流將驅(qū)使電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)或者反向制動(dòng)。M++__Q1Q2Q3Q4 H橋驅(qū)動(dòng)電路順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，電流從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從電源正極經(jīng)Q3右至左流過(guò)電機(jī)，再經(jīng)過(guò)Q2返回電源負(fù)極，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)或者正向制動(dòng)。M++__Q1Q2Q3Q4 H橋驅(qū)動(dòng)電路逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)在直流電機(jī)控制中常用H橋電路作為驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，滿(mǎn)足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作需求，因此常用功率MOSFET構(gòu)成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個(gè)功率MOSFET分別采用N溝道型和P溝道型，而P溝道功率MOSFET一般不用于下橋臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣就有兩種可行方案：一種是上下橋臂分別用2個(gè)P溝道功率MOSFET和2個(gè)N溝道功率MOSFET；另一種是上下橋臂均用N 溝道功率MOSFET。相對(duì)來(lái)說(shuō)，利用2個(gè)N溝道功率MOSFET和2個(gè)P溝道功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方案，控制電路簡(jiǎn)單、成本低,因此在本設(shè)計(jì)中采用該方案。PWM調(diào)速原理:PWM控制是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)解，來(lái)有效的獲得所需要的波形。基于PWM控制的調(diào)速電路是把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來(lái)獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷?，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)速系統(tǒng)中，通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值(即占空比)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。用脈寬調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。，在脈沖作用下，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，就能夠?qū)崟r(shí)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。當(dāng)電機(jī)通電時(shí)速度增加,電機(jī)斷電時(shí)速度減小。 電壓占空比設(shè)電機(jī)直接接電源時(shí)(即占空比為100%)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為，設(shè)占空比為，則電機(jī)的平均速度為 ()式中： ——平均速度；——全速(即直接通電時(shí)的速度)；—— 占空比(0 ～100%)。是直流電機(jī)直接通電時(shí)的速度(全速)，只跟電機(jī)本身的特性相關(guān)，電機(jī)一定時(shí)，為一個(gè)定值。改變占空比，就能得到不同的平均速度，從而就能夠?qū)﹄姍C(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 H橋驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) H橋的Proteus仿真仿真和硬件電路調(diào)試a) 在仿真過(guò)程中，由于PWM是由單片機(jī)產(chǎn)生的，但因M0是最新的16位單片機(jī)，仿真軟件proteus中沒(méi)有M0，因此用激勵(lì)源來(lái)代替PWM信號(hào)。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是由兩路PWM信號(hào)控制，即PWM1和PWM2信號(hào)。H橋的上峭壁是由PNP型的MOS管構(gòu)成，MOS管的型號(hào)為T(mén)IP127，該管基極在高電平時(shí)截止，低電平時(shí)導(dǎo)通；H橋的下峭壁是由NPN型的MOS管構(gòu)成，MOS管的型號(hào)為T(mén)IP122，該管基極在高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)截止。當(dāng)輸入PWM1信號(hào)時(shí),三極管Q5導(dǎo)通，Q1基極接地，電壓為0，所以MOS管Q1導(dǎo)通，此時(shí)MOS管Q1和Q4導(dǎo)通，Q2和Q3截止，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正傳；同樣，當(dāng)輸入PWM2信號(hào)時(shí)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真圖：。 電機(jī)正傳仿真圖 電機(jī)反轉(zhuǎn)仿真圖b) H橋的驅(qū)動(dòng)電路。 通用板制作的H橋驅(qū)動(dòng)電路 產(chǎn)生PWM信號(hào)的硬件電路a) 開(kāi)關(guān):使產(chǎn)生上升沿中斷用來(lái)控制flag的狀態(tài)；b) 電位器：，產(chǎn)生0～；c) 消抖電路：使開(kāi)關(guān)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的上升沿中斷；開(kāi)關(guān)、電位器、。 消抖電路和開(kāi)關(guān)實(shí)物圖 消抖電路原理圖 消抖電路波形圖d) 產(chǎn)生頻率為5KHz、占空比為50%的方波信號(hào) PWM信號(hào)實(shí)物圖 示波器顯示頻率平率為5KHZ、占空比50﹪的PWM信號(hào) H橋的硬件器件介紹a) 三