【正文】 電路；然后進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。目前使用的電機(jī)模擬控制電路都比較復(fù)雜，測(cè)量范圍與精度不能兼顧，且采樣時(shí)間較長(zhǎng)，難以測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。本文介紹的電機(jī)控制系統(tǒng)利用PWM控制原理， 同時(shí)結(jié)合霍爾傳感器來采集電機(jī)轉(zhuǎn)速，并經(jīng)單片機(jī)檢測(cè)后在顯示器上顯示出轉(zhuǎn)速值，而單片機(jī)則根據(jù)傳感器輸出的脈沖信號(hào)來分析轉(zhuǎn)速的過程量本系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置有按鍵操作儀表，可用于調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?！　≈绷麟姍C(jī)控制系統(tǒng)主要是以AT80C52單片機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此，由MCU內(nèi)部的可編程計(jì)數(shù)器陣列輸出PWM波，以調(diào)整電機(jī)兩端電壓與控制波形的占空比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。本系統(tǒng)通過紅外傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件設(shè)計(jì)包括方案選定、電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB繪制；軟件設(shè)計(jì)包括內(nèi)存空間的分配，直流電機(jī)控制應(yīng)用程序模塊的設(shè)計(jì)，程序調(diào)試等。本系統(tǒng)先由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)給H橋再驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)通過傳感器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)并傳送給單片機(jī)，單片機(jī)再通過軟件將測(cè)速信號(hào)與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，從而決定電機(jī)轉(zhuǎn)速，將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速值送LED顯示。此外，也可以通過設(shè)置鍵盤來設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置由紅外傳感器組成，并通過反相器將高、低電壓互相轉(zhuǎn)換， 再以脈沖形式傳給單片機(jī)。這種設(shè)計(jì)方法具有頻率響應(yīng)高(響應(yīng)頻率達(dá)20 kHz以上)、輸出幅值不變、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其中霍爾傳感器輸入為脈沖信號(hào)，十分容易與微處理器相連接，也便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析處理。單片機(jī)的T0口可對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。， 本系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation)原理是：脈沖寬度調(diào)制波由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成 其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。2直流電機(jī)調(diào)速控制概述 直流電機(jī)調(diào)速方法通常有機(jī)械的、電氣的、液壓的、氣動(dòng)的幾種，僅就機(jī)械與電氣調(diào)速方法而言，也可采用電氣與機(jī)械配合的方法來實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。電氣調(diào)速有許多優(yōu)點(diǎn)，如可簡(jiǎn)化機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)效率，操作簡(jiǎn)單，易于獲得無極調(diào)速，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和自動(dòng)控制，因此在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛采用電氣方法調(diào)速。 由于直流電動(dòng)機(jī)具有極好的運(yùn)動(dòng)性能和控制特性，盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但是長(zhǎng)期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。所以，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國(guó)許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動(dòng)的場(chǎng)合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 根據(jù)電磁學(xué)基本知識(shí)可知，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用。如果導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度，其中流過的電流為，導(dǎo)體所在處的磁通密度為B，那末導(dǎo)體受到的電磁力的值為式（21） (21) 如圖21中N、S極下各根導(dǎo)體所受電磁力的方向，如圖中箭頭所示。電磁力對(duì)轉(zhuǎn)軸形成順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子而使其旋轉(zhuǎn)。由于每個(gè)磁極下元件中電流方向不變，故此轉(zhuǎn)矩方向恒定，稱為直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。如果直流電動(dòng)機(jī)軸上帶有負(fù)載，它便輸出機(jī)械能，可見直流電動(dòng)機(jī)是一種將電能夠轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的電氣裝置。 直流電動(dòng)機(jī)是可逆的，他根據(jù)不同的外界條件而處于不同的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)外力作用使其旋轉(zhuǎn)，駛?cè)霗C(jī)械能時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，輸出電能；當(dāng)在電刷兩端施加電壓輸入電能時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)械能。圖1 直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖 根據(jù)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)分析可得到等效的模型，包括電樞繞組及其等效的電阻等。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其它參數(shù)的關(guān)系可用下式來表示： (22)(22)式中：UN是電樞電壓，IN是電樞電流，Ra是電樞回路總電阻，Ce是電勢(shì)常數(shù)，Φ是勵(lì)磁磁通。 (23)(23)式中：p磁極對(duì)數(shù)，N是導(dǎo)體數(shù)，a是電樞支路數(shù)。 (24)(24)式中：當(dāng)電機(jī)型號(hào)確定后，CeΦ為常數(shù)，故式式(21)改為 (25) 在中小功率直流電機(jī)中，電樞回路電阻非常小，式(25)中INRa項(xiàng)可省略不計(jì)，由此可見，當(dāng)改變電樞電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速n隨之改變，達(dá)到直流電機(jī)的調(diào)速的目的。改變直流電機(jī)電樞電壓，可通過PWM控制的降壓斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓。 根據(jù)直流電機(jī)的基本原理，由感應(yīng)電勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩以及機(jī)械特性方程式可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 （2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。 （3）改變電樞回路電阻。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用。 調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵(lì)磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種： （1）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)的直流電壓。 （2）靜止可控整流器（簡(jiǎn)稱VM系統(tǒng)）。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。 （3）直流斬波器（脈寬調(diào)制變換器）。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以GM系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。且技術(shù)落后，因此擱置不用。 靜止可控整流器（簡(jiǎn)稱VM系統(tǒng)） VM系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。VM系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。圖2 晶閘管－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（VM系統(tǒng)） 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時(shí)間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流－直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車、城市無軌電車以及電瓶搬運(yùn)車等電力牽引設(shè)備的變速拖動(dòng)中。 圖3為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中VT代表開關(guān)器件。當(dāng)開關(guān)VT接通時(shí)，電源電壓U。加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT斷開時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓為零。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖23（b）所示。 （a）原理圖 （b）電壓波型 圖3 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速。 PWM調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 與VM系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)： （1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1：10000左右。由于電流波形比VM系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 （2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 （3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。脈寬調(diào)速也可通過單片機(jī)控制繼電器的閉合來實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。目前，受到器件容量的限制，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)。 PWM信號(hào)是由脈寬調(diào)制器（一個(gè)電壓——脈沖變換裝置）生成的，常用的脈寬調(diào)制器有以下幾種：用鋸齒波或三角波作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器；用多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈寬調(diào)制器；數(shù)字式脈寬調(diào)制器。這里簡(jiǎn)要介紹一下用三角波作調(diào)制信號(hào)的脈寬調(diào)制器生成PWM波的方法。脈寬調(diào)制器由恒頻率波形發(fā)生器和脈沖寬度調(diào)制電路組成。恒頻率波形發(fā)生器的作用就是產(chǎn)生頻率恒定的振蕩源作為比較的基準(zhǔn)，如三角波。脈沖寬度調(diào)制電路，實(shí)際上就是電壓/脈寬轉(zhuǎn)換電路(簡(jiǎn)稱V/W電路)，是PWM信號(hào)的形成電路。調(diào)制產(chǎn)生PWM信號(hào)的工作原理如圖4(a)所示。圖4 調(diào)制產(chǎn)生PWM信號(hào)的工作原理 圖4(a)是電壓比較器，輸入信號(hào)為圖4(b)中的。在電壓比較器的兩個(gè)輸入端輸入控制信號(hào)和三角波信號(hào)，則比較器的輸出將按以下規(guī)律變化：時(shí)，輸出正的電壓；時(shí)，輸出負(fù)的電壓。由此即可產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)。 直流電機(jī)電樞的PWM調(diào)壓調(diào)速原理 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為式（26）： (26)式中：U——電樞端電壓；I——電樞電流；R——電樞電路總電阻；——每極磁通量；K——電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 本設(shè)計(jì)采用電樞控制方法。對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離不開半導(dǎo)體功率器件。在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體功率器件的使用可分為兩種方式：線形放大驅(qū)動(dòng)方式和開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。實(shí)際生活中，絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式/開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 脈寬調(diào)制占空比調(diào)節(jié) 脈寬調(diào)制即PWM控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需波形。圖25是利用開關(guān)管對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖25(a)中，當(dāng)開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓。秒后，柵極變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。這樣，對(duì)應(yīng)者輸入的電平高低，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖25(b)所示。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值為式（27）： （27）式中：——占空比。圖5 PWM調(diào)速控制原理和電壓波形圖 占空比表示了在一個(gè)周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。的變化范圍為?？芍?，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變的值就可以改變電樞兩端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。 在PWM調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要的參數(shù)，以下三種方法都可以改變占空比的值。 （1）定寬調(diào)頻法。這種方法是保持不變，只改變，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 （2）調(diào)寬調(diào)頻法。這種方法是保持不變，而改變，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 （3）定頻調(diào)寬法。這種方法是使周期T(或頻率)保持不變，而同時(shí)改變和。 前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此這兩種方法很少用。目前，在直流電動(dòng)機(jī)控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 PWM控制信號(hào)產(chǎn)生的方法 （1）分立電子元件組成的PWM信號(hào)電路。它是最早期的方法，現(xiàn)在已被淘汰了。 （2）軟件模擬法。利用單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳，通過軟件對(duì)該引腳不斷地輸出高低電平來實(shí)現(xiàn)PWM波輸出。這種方法要占用CPU大量時(shí)間，使單片機(jī)無法進(jìn)行其它工作，因此也逐漸被淘汰。 （3）專用PWM集成電路。從PWM控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的PWM集成電路芯片，現(xiàn)在市場(chǎng)上已有許多中。這些芯片除了有PWM信號(hào)發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護(hù)功能等。在單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)中，使用專用的 PWM集成電路可以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，工作可靠。 （4）單片機(jī)的PWM。新一代單片機(jī)增加了許多功能，其中包括PWM功能。單片機(jī)通過初始化設(shè)置，使其能自動(dòng)地發(fā)出PWM脈沖波，只有在改變占空比是CPU才進(jìn)行干預(yù)。 根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩（電流）與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可以做一個(gè)圖來表示電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，如圖6所示。從圖中可以看出，第一象限是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)；第三象限是