【正文】 有以下公式： n=U/CcTR內(nèi)/CrCc (11)其中：U—電壓；—勵磁繞組本身的電阻；—每極磁通(Wb)Cc—電勢常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量直流電動機轉(zhuǎn)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，其控制功率雖然小但低速時受到磁場飽和的限制，高速時受到換向火花和轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態(tài)響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控法。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機的電樞上，以控制電機的轉(zhuǎn)速。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制(PWM)應用更為廣泛。脈寬調(diào)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”和“斷開”時間的長短，即改變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(zhuǎn)速，因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 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(qū)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(nèi)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(diào)速控制。單片機直流電機調(diào)速簡介：單片機直流調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)速。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(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(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。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(diào)速。本系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調(diào)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(zhuǎn)速為依據(jù)，實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)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(diào)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。系統(tǒng)總體設計框圖驅(qū)動電路 AT89S52單片機（速度的測量計算、輸入設定及系統(tǒng)控制）LED顯示PWM 直流電機轉(zhuǎn)速檢測反饋鍵盤控制 圖12 直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設計方框圖2 PWM脈寬調(diào)制原理 PWM調(diào)速原理PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術(shù)。下式是占空比計算公式：式中t1表示一個周期內(nèi)開關(guān)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(guān)管導通的時間與周期的比值，變化范圍為0≤D≤1。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，因此改變占空比D就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。如圖所示： 圖21 PWM信號的占空比根據(jù)上圖，如果電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為，占空比為D=/T，則電機的平均速度為：，可見只要改變占空比D，就可以得到不同的電機速度，從而達到調(diào)速的目的。 PWM 調(diào)速方法在PWM調(diào)速時，占空比是一個重要參數(shù)。以下是三種可改變占空比的方法： （1）定寬調(diào)頻法:保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 （2）調(diào)寬調(diào)頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 （3）定頻調(diào)寬法：保持周期（或頻率）不變，同時改變、。 前2種方法由于在調(diào)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，因此應用較少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用第3種方法。定頻調(diào)寬法是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”和“斷開”時間的長短，即改變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(zhuǎn)速，因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 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(chǎn)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。同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應的控制作用去消除偏差。因此，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(chǎn)生PWM矩形波，PWM矩形波經(jīng)過驅(qū)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。單片機控制器驅(qū)動電路直流電機光電編碼器r被控量y給定量+速度反饋PWM矩形波 圖22直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖3硬件部分：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，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(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)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為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。與MCS51單片機產(chǎn)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：0Hz～33Hz；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；八個中斷源；全雙工UART串行通道；低功耗空閑和掉電模式；掉電后中斷可喚醒；看門狗定時器；雙數(shù)據(jù)指針；掉電標識符。AT89S52主要功能擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash晶片內(nèi)部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz）內(nèi)部程序存儲器（ROM）為 8KB內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）為 256字節(jié)32 個可編程I/O 口線8 個中斷向量源三個 16 位定時器/計數(shù)器三級加密程序存儲器全雙工UART串行通道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(guān)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(nèi)部具有看門狗定時器及3個16位可編程定時器/計數(shù)器。16位是指他們都是由16個觸發(fā)器構(gòu)成，故最大計數(shù)模值為。可編程是指它們的工作方式由指令來設置，或者當計數(shù)器用，或者當定時器用，并且記數(shù)（定時）的范圍也可以由指令來設置。這種控制功能是通過定時器方式控制器TMOD來完成的。功率放大驅(qū)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(qū)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(diào)速使用起來更加簡便，因此該驅(qū)動電路采用了IR2110集成芯片，使得該集成電路具有較強的驅(qū)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利用自身獨有的高壓集成電路以及無閂鎖CMOS技術(shù)，于1990年前后開發(fā)并且投放市場的，是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動的單片式集成驅(qū)動器。它把驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點在于，將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動信號，可以驅(qū)動同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，可以達到600V，其內(nèi)設欠壓封鎖，成本低、易于調(diào)試。高壓側(cè)驅(qū)動采用外部自舉電容上電，與其他驅(qū)動電路相比，它在設計上大大減少了驅(qū)動變壓器和電容的數(shù)目，使得MOSFET和IGBT的驅(qū)動電路設計大為簡化，而且它可以實現(xiàn)對MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，還具有快速完整的保護功能。與此同時，IR2110的研制成功并且投入應用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。 IR2110的引腳圖以及功能圖32 IR2110管腳圖IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標準的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達500V，du/dt=177。50V/ns，；輸出的柵極驅(qū)動電壓范圍為10～20V，邏輯電源電壓范圍為5～15V，邏輯電源地電壓偏移范圍為－5V～＋5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅(qū)動輸出峰值電流≥2A，負載為1000pF時，開關(guān)時間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導通延時為120ns，關(guān)斷延時為94ns。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流。 圖33 IGBT驅(qū)動電路 元器件的選擇比較、選型 本設計采用IGBT，IGBT作為大功率的電路驅(qū)動器件，具有以下優(yōu)點：（1）IGBT在正常工作時，導通電阻較低，增大了器件的電流容量。（2） IGBT的輸出電流和跨導都大于相同尺寸的功率MOSFET。（3）較寬的低摻雜漂移區(qū)（n區(qū)）能夠承受很高的電壓，因而可以實現(xiàn)高耐壓的器件。（4）IGBT利用柵極可以關(guān)斷很大的漏極電流。（5）與MOSFET一樣，IGBT具有很大的輸入電阻和較小的輸入電容，則驅(qū)動功率低，開關(guān)速度高。雖然當IGBT關(guān)斷（柵極電壓降為0）時，IGBT的漏極電流也就相應地不能馬上關(guān)斷，即漏極電流波形有一個較長時間的拖尾——關(guān)斷時間較長（10～50ms），所以IGBT的工作頻率較低。但這本設計中IGBT仍然是本設計驅(qū)動的最理想器件。 IGBT型號選擇：（1）IGBT承受的正反向峰值電壓：Uirm﹦ （31）　　，可選IGBT的電壓為900V?！　。?）IGBT導通時承受的峰值電流: Iirm= （32） 額定電電壓按220V供電電壓、額定功率10kVA容量算。在計算出（或測出）最大電壓后，再留有20%~30%的裕量，選用的IGBT型號為三菱公司的CT60AM18F，其耐壓值為900V，最大峰值電流30A，完全滿足設計要求。　 H橋雙極性主電路從上面的原理可以看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門極驅(qū)動電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(guān)的動作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。因此在這個電路中，VTVT4或者VT VT 3是不可能持續(xù)、不間斷的導通的。我們可以采取雙PWM信號來控制直流電機的正轉(zhuǎn)以及它的速度。將IC1的HIN端與IC2的LIN端相連，而把IC1的LIN端與IC2的HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號恰好相反。在HIN為高電平期間，VT VT 4導通，在直流電機上加正向的工作電壓。其具體的操作步驟如下：電源經(jīng)VT 1至電動機的正極經(jīng)過整個直流電機后再通過VT 4到達零電位，完成整個的回路。此時直流電機正轉(zhuǎn)。在HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，VT VT 3導通，在直流電機上加反向工作電壓。其具體的操作步驟如下：電源經(jīng)VT 3至電動機的負極經(jīng)過整個直流電機后再通過VT 2到達零電位，完成整個的回路。此時，直流電機反轉(zhuǎn)。因此電樞上的工作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。設PWM波的周期為T，HIN為高電平的時間為t1，這里忽略死區(qū)時間，那么LIN為高電平的時間就為Tt1。HIN信號的占空比為D=t1/T。設電源電壓為V，那么電樞電壓的平均值為：Vout= [ t1 ( T t1 ) ] V / T = ( 2 t1 – T ) V / T = ( 2D – 1 )V (33)定義負載電壓系數(shù)為λ，λ= Vout / V, 那么 λ= 2D – 1 ；當T為常數(shù)時，改變HIN為高電平的時間t1，也就改變了占空比D，從而達到了改變Vout的目的。D在0—1之間變化，因此λ在177。1之間變化。如果我們聯(lián)系改變λ，那么便可以實現(xiàn)電機正向的無級調(diào)速。當λ=，Vout=0,此時電機的轉(zhuǎn)速為0；λ1時，Vout為正，電機正轉(zhuǎn)；當λ=1時，Vout=V,電機正轉(zhuǎn)全速運行。 圖34 橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖8所示。圖35 PWM變換器的驅(qū)動電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當時，晶體管、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時。在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動機