【正文】 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 直流調(diào)速系統(tǒng)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)、自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生翻天覆地的變化。其中電機(jī)的控制部分已經(jīng)由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)，并正向全數(shù)字控制方向快速發(fā)展。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分所用的功率器件亦經(jīng)歷了幾次更新?lián)Q代。目前開關(guān)速度更快、控制更容易的全控型功率器件 MOSFET 和 IGBT 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)。脈寬調(diào)制控制方法在直流調(diào)速中獲得了廣泛的應(yīng)用。 1964 年把 PWM 技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)傳動(dòng)中從此為電機(jī)傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。進(jìn)入 70 年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強(qiáng)、可靠性高的大規(guī)模集成電路微處理器已經(jīng)商品化，把電機(jī)控制推上了一個(gè)嶄新的階段，以微處理器為核心的數(shù)字控制（簡(jiǎn)稱微機(jī)數(shù)字控制）成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制器的主要形式。PWM 常取代數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）用于功率輸出控制，其中，直流電機(jī)的速度控制是最常見的應(yīng)用。通常 PWM 配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大。在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 目前，電機(jī)調(diào)速控制模塊主要有以下三種： （1）采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整直流電機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的； （2）采用繼電器對(duì)直流電機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整； （3）采用由 IGBT 管組成的 H 型 PWM 電路。用單片機(jī)控制 IGBT 管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 直流電機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)從六十年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)開始得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。用于中、小功率的 ～200KW 晶閘管直流調(diào)速裝置已作付蒙：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)4為標(biāo)準(zhǔn)化、系列化通用產(chǎn)品批量生產(chǎn)。目前，提出了許多關(guān)于直流調(diào)速系統(tǒng)的控制算法：（1）直流電動(dòng)機(jī)及直流調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)辯識(shí)的方法。該方法據(jù)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，應(yīng)用最小二乘法，即可獲得系統(tǒng)環(huán)節(jié)的內(nèi)部參數(shù)，所獲得的參數(shù)具有較高的精度，方法簡(jiǎn)便易行。 （2）直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)模控制方法。該方法依據(jù)內(nèi)?？刂圃?，針對(duì)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種內(nèi)?？刂破?，取代常規(guī)的 PI 調(diào)節(jié)器，成功解決了轉(zhuǎn)速超調(diào)問題，能使系統(tǒng)獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，而且設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，控制器容易實(shí)現(xiàn)。 （3）單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制的方法。該方法針對(duì)直流傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制策略。這種單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)不僅具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，而且還具有令人滿意的魯棒性與自適應(yīng)性。 （4）模糊控制方法。該方法對(duì)模糊控制理論在小慣性系統(tǒng)上對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了嘗試。經(jīng) 電機(jī)實(shí)驗(yàn)證明，模糊控制理論可以用于直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的限流起動(dòng)和恒速運(yùn)行控制，并能獲得理想的控制曲線。隨著各種微處理器的出現(xiàn)和發(fā)展，國(guó)外對(duì)直流電機(jī)的數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的研究也在不斷發(fā)展和完善，尤其 80 年代在這方面的研究達(dá)到空前的繁榮。大型直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)一般采用晶閘管整流來實(shí)現(xiàn)，為了提高調(diào)速系統(tǒng)的性能，研究工作者對(duì)晶閘管觸發(fā)脈沖的控制算法作了大量研究，提出了內(nèi)?？刂扑惴?、IP 控制器取代 PI 調(diào)節(jié)器的方法、自適應(yīng)和模糊 PID 算法等等。 直流電機(jī)調(diào)速發(fā)展前景在現(xiàn)代工業(yè)中，電動(dòng)機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油化學(xué)、國(guó)防等工業(yè)部門中，隨著對(duì)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)雖然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較高、維修麻煩等缺點(diǎn)，但由于具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和良好的起、制動(dòng)性能以及易于在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，因此直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)直流電氣傳動(dòng)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用直流調(diào)速系統(tǒng)。因此人們對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究將會(huì)更深一步。由直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制的地位與作用可知，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有著廣泛市場(chǎng)前景。山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）52 總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖顯示A T 8 9 S 5 1鍵盤驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè) 圖 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖 The block diagram of the DC motor speed control system 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求采用光電傳感器做敏感器件，以小型直流電動(dòng)機(jī)為測(cè)控對(duì)象。以 89S51 單片機(jī)為核心的轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。熟悉光電傳感器、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量，速度控制，89S51 定時(shí)器、中斷，應(yīng)用系統(tǒng)等方面的技術(shù)。 基本工作原理 直 流 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié) 原 理直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 和其他參量的關(guān)系可表示為Ua——電樞供電電壓（ V）；Ia ——電樞電流（A）；Ф——?jiǎng)?lì)磁磁通（ Wb）；Ra——電樞回路總電阻（Ω）；CE——電勢(shì)系數(shù)， ，p 為電磁對(duì)數(shù)，a 為電樞并聯(lián)支路數(shù)， N 為導(dǎo)體數(shù)?？芍{(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻 Ra；(2)改變電樞供電電壓 Up；(3)改變勵(lì)磁 Ф。分析可得，當(dāng)分別改變Ra、Up、Ф時(shí)，可以得到不同的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)節(jié)。由于當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，可以改變磁通量的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵(lì)磁線圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)磁飽和的限制，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和磁通量只能在低于付蒙：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)6其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對(duì)于調(diào)節(jié)電樞外加電阻時(shí)，會(huì)使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。故可分析改變電樞供電電壓。理想空載轉(zhuǎn)速，隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機(jī)械特性曲線相互平行，說明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機(jī)帶負(fù)載能力恒定。當(dāng)我們平滑調(diào)節(jié)他勵(lì)直流電機(jī)電樞兩端電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。基于以上特性，改變電樞電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。改變電樞電壓可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，如晶閘管供電速度控制系統(tǒng)、大功率晶體管速度控制系統(tǒng)、直流發(fā)電機(jī)供電速度控制系統(tǒng)及晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等。0MM lnn 1n 2n 3n 4U 1U 2U 3U 4 圖 改變直流電機(jī)電壓調(diào)速特性曲線 The special curve of Voltage DC motor speed PWM 脈寬調(diào)制原理及實(shí)現(xiàn)方法PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制基本原理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。PWM脈寬調(diào)制是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過改變直流電機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有八類方法：相電壓控制PWM、線電壓控制PWM、電流控制PWM、非線性控制PWM，諧振軟開關(guān)PWM、矢量控制PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制PWM、空間電壓矢量控制PWM。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，開關(guān)放大器提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的電壓和電流，通過改變加在電動(dòng)機(jī)上的電壓的平均值來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在開關(guān)放大器中，常采用晶體管作為開關(guān)器件，晶體管如同開關(guān)一樣，總是處在接通和斷開的狀態(tài)。在晶體管處在接通時(shí)，其上的壓降可以略去；當(dāng)晶體管處在斷開時(shí)，其上的壓降很大，但是電流為零，所以山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7不論晶體管導(dǎo)通還是關(guān)斷，輸出晶體管中的功耗都是很小的。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax ，設(shè)占空比為 D=T1／T，則電機(jī)的平均速度為V=Vmax*D 由公式可見，當(dāng)我們改變占空比D 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度n與占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。PWM信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。本文主要介紹利用單片機(jī)對(duì)PWM信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。51系列典型產(chǎn)品89S5l具有兩個(gè)定時(shí)器T0和T1。通過控制定時(shí)器初值T0和T1，從而可以實(shí)現(xiàn)從89S5l的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作方式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。因此，首先必。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時(shí)初值L，從而改變占空比D，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。利用單片機(jī) A\D 轉(zhuǎn)換器輸出控制直流電機(jī)兩端電壓，來控制轉(zhuǎn)速?？刹捎煤?jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)器，其公式 Y=K*e(t) e(t)為偏差電壓，即輸入， K 為比例系數(shù)，Y 為輸出。比例調(diào)節(jié)是最簡(jiǎn)單最基本的方式，調(diào)節(jié)器的輸出與輸入成正比，與調(diào)節(jié)比例系數(shù)成正比。比例系數(shù)越大，動(dòng)態(tài)性能大，調(diào)節(jié)作用好。采用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例放大器后，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定且有足夠的穩(wěn)定裕量，但是比例調(diào)節(jié)存在問題，對(duì)于多數(shù)慣性環(huán)節(jié)，比例調(diào)節(jié)會(huì)引起自激震蕩，而且其控制作用需要用偏差來維持，屬于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，只能設(shè)法減少靜差，無法從根本上消除靜差。控制程序的設(shè)計(jì)有兩種方法：軟件延時(shí)法和計(jì)數(shù)法。軟件延時(shí)法的基本思想是：首先求出占空比D，再根據(jù)周期 T分別給電機(jī)通電M 個(gè)單位時(shí)間t0，所以M=t1 ／ t0然后，再斷電N個(gè)單位時(shí)間，所以 N=t2/t0。改變M和N的值，從而也就改變了占空比D。計(jì)數(shù)法的基本思想是：當(dāng)單位延時(shí)個(gè)數(shù) M求出之后，將其作為給定值存放在某存儲(chǔ)單元中。在通電過程中，對(duì)通電單位時(shí)間t0 的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并與存儲(chǔ)器的內(nèi)容進(jìn)行比較。若不相等，則繼續(xù)輸出控制脈沖，直到計(jì)數(shù)值與給定值相等，使電機(jī)斷電。付蒙：直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)83 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 89S51 單片機(jī) 單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)的全稱為單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChip Microputer）或微型控制器（Microcontroller） 。它在一塊芯片上集成了中央處理單元 CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種輸入/輸出（I/O） ，如并行 I/O、串行 I/O 和A/D 轉(zhuǎn)換器等。就其組成而言一塊單片機(jī)就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。典型的結(jié)構(gòu)如圖所示。由于它具有許多適用于控制的指令和硬件支持而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、外設(shè)控制、順序控制器中，所以又稱為微控制單元（MCU） 。 圖 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 The block diagram of SCMATMEL89 系列單片機(jī)是 ATMEL 公司的以 8031 核構(gòu)成的 8 位 Flash 單片機(jī)系列。這個(gè)系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有 Flash 存儲(chǔ)器。AT89S51 單片機(jī)是一種低功耗高性能的 CMOS8 位微控制器，內(nèi)置 8KB 可在線編程閃存。該器件采用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，其指令與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 80C51 指令集兼容。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)通過 SPI 串行口改寫或用同用的非易失性存儲(chǔ)器改寫。通過把通用的 8 位 CPU 與可在線下載的 Flash 集成在一個(gè)芯片上，AT89S51 便成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)。它的應(yīng)用范圍廣，可用于解決復(fù)雜的控制問題，且成本較低。單 片 機(jī) 是 靠 程 序 運(yùn) 行 的 ， 并 且 可 以 修 改 。 單 片 機(jī) 自 動(dòng) 完 成 賦 予 它 的 任 務(wù) 的 過 程 ，也 就 是 單 片 機(jī) 執(zhí) 行 程 序 的 過 程 ， 即 一 條 條 執(zhí) 行 的 指 令 的 過 程 ， 所 謂 指 令 就 是 把 要 求單 片 機(jī) 執(zhí) 行 的 各 種 操 作 用 的 命 令 的 形 式 寫 下 來 ， 這 是 在 設(shè) 計(jì) 人 員 賦 予 它 的 指 令 系 統(tǒng)所 決 定 的 ， 一 條 指 令 對(duì) 應(yīng) 著 一 種 基 本 操 作 ； 單 片 機(jī) 所 能 執(zhí) 行 的 全 部 指 令 ， 就 是 該 單片 機(jī) 的 指 令 系 統(tǒng) ， 不 同 種 類 的 單 片 機(jī) ， 其 指 令 系 統(tǒng) 亦 不 同 。 為 使 單 片 機(jī) 能 自 動(dòng) 完 成某 一 特 定 任 務(wù) ， 必 須 把 要 解 決 的 問 題 編 成 一 系 列 指 令 （ 這 些 指 令 必 須 是 選 定 單 片 機(jī)能 識(shí) 別 和 執(zhí) 行 的 指 令 ） ， 這 一 系 列 指 令 的 集 合 就 成 為 程 序 ， 程 序 需 要 預(yù) 先 存 放 在 具山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9有 存 儲(chǔ) 功 能 的 部 件 ——存 儲(chǔ) 器 中 。 存 儲(chǔ) 器 由 許 多 存 儲(chǔ) 單 元 （ 最 小 的 存 儲(chǔ) 單 位 ）