【正文】 有以下公式： n=U/CcTR內/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；Cr—轉矩常量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，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向器結構強度的限制，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，以控制電機的轉速。在工業(yè)生產中廣泛使用其中脈寬調制(PWM)應用更為廣泛。脈寬調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“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速，因此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。 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直流電機速度的控制。文章中采用了通過編程實現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，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整方法。在PWM驅動控制的調整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內“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速。因此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。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，實現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的信號，加以采集、分析、處理，最終實現控制器所要實現的各項功能，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 直流電機轉速檢測反饋鍵盤控制 圖12 直流電機PWM調速系統(tǒng)設計方框圖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：式中t1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信號的占空比根據上圖，如果電機始終接通電源時，電機轉速最大為，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，從而達到調速的目的。 PWM 調速方法在PWM調速時，占空比是一個重要參數。以下是三種可改變占空比的方法： （1）定寬調頻法:保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 （2）調寬調頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 （3）定頻調寬法：保持周期（或頻率）不變，同時改變、。 前2種方法由于在調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“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速，因此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。 PWM 實現方式方案一：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。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)內部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產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。單片機控制器驅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；雙數據指針；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晶片內部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz）內部程序存儲器（ROM）為 8KB內部數據存儲器（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內部具有看門狗定時器及3個16位可編程定時器/計數器。16位是指他們都是由16個觸發(fā)器構成，故最大計數模值為?？删幊淌侵杆鼈兊墓ぷ鞣绞接芍噶顏碓O置，或者當計數器用，或者當定時器用，并且記數（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利用自身獨有的高壓集成電路以及無閂鎖CMOS技術，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動的單片式集成驅動器。它把驅動高壓側和低壓側MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點在于，將輸入邏輯信號轉換成同相低阻輸出驅動信號，可以驅動同一橋臂的兩路輸出，驅動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，可以達到600V，其內設欠壓封鎖，成本低、易于調試。高壓側驅動采用外部自舉電容上電，與其他驅動電路相比，它在設計上大大減少了驅動變壓器和電容的數目，使得MOSFET和IGBT的驅動電路設計大為簡化，而且它可以實現對MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅動，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。推挽式驅動輸出峰值電流≥2A，負載為1000pF時，開關時間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導通延時為120ns，關斷延時為94ns。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流。 圖33 IGBT驅動電路 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，因而可以實現高耐壓的器件。（4）IGBT利用柵極可以關斷很大的漏極電流。（5）與MOSFET一樣，IGBT具有很大的輸入電阻和較小的輸入電容，則驅動功率低，開關速度高。雖然當IGBT關斷（柵極電壓降為0）時，IGBT的漏極電流也就相應地不能馬上關斷，即漏極電流波形有一個較長時間的拖尾——關斷時間較長（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，產生高壓側門極驅動電壓的前提是低壓側必須有開關的動作，在高壓側截止期間低壓側必須導通，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VT 1至電動機的正極經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。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VT 3至電動機的負極經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。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，電動機轉向和轉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)定義負載電壓系數為λ，λ= Vout / V, 那么 λ= 2D – 1 ；當T為常數時，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，那么便可以實現電機正向的無級調速。當λ=，Vout=0,此時電機的轉速為0；λ1時，Vout為正，電機正轉；當λ=1時，Vout=V,電機正轉全速運行。 圖34 橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅動電壓波形如圖8所示。圖35 PWM變換器的驅動電壓波形他們的關系是：。在一個開關周期內，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、續(xù)流，這時。在一個周期內正負相間，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