【正文】 51F020為控制核心的直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 （3）、以該系統(tǒng)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，使用PWM控制電機(jī)調(diào)速，并由實(shí)驗(yàn)得到合適的PI控制及相關(guān)參數(shù)。 （4）、對(duì)該數(shù)字式直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能做出總結(jié)。第二章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器工作原理 直流電機(jī)調(diào)速方法及原理直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和各參量的關(guān)系可用下式表示： 由上式可以看出，要想改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即調(diào)速，可有三種不同的方式：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U，改變電樞回路電阻R，調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通Φ。3種調(diào)速方式的比較表21所示.表21 3種電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式對(duì)比調(diào)速方式和方法控制裝置調(diào)速范圍轉(zhuǎn)速變化率平滑性動(dòng)態(tài)性能恒轉(zhuǎn)矩或恒功 率效率改變電樞電阻串電樞電阻變阻器或接觸器、電阻器2:1低速時(shí)大用變阻器較好用接觸器、電阻器較差無(wú)自動(dòng)調(diào)節(jié)能力恒轉(zhuǎn)矩低改變電樞電壓電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)組或電機(jī)擴(kuò)大機(jī)（磁放大器）10:1～20:1小好較好恒轉(zhuǎn)矩60%～70%靜止變流器晶閘管變流器50:1～100:1小好好恒轉(zhuǎn)矩80%～90%直流脈沖調(diào)寬晶體管或晶閘管直流開(kāi)關(guān)電路50:1～100:1小好好恒轉(zhuǎn)矩80%～90%改變磁通串聯(lián)電阻或可變直流電源直流電源變阻器3:1～5:1較大差差恒功率80%～90%電機(jī)擴(kuò)大機(jī)或磁放大器好較好晶閘管變流器好 由表21知，對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最佳，而變電樞電壓調(diào)速方法亦是應(yīng)用最廣的調(diào)速方法。(脈寬調(diào)制)調(diào)速工作原理在直流調(diào)速系統(tǒng)中，開(kāi)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(guò)改變加在電動(dòng)機(jī)上的電壓的平均值來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在開(kāi)關(guān)放大器中，常采用晶體管作為開(kāi)關(guān)器件，晶體管如同開(kāi)關(guān)一樣，總是處在接通和斷開(kāi)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(kāi)時(shí)，其上的壓降很大，但是電流為零，所以不論晶體管導(dǎo)通還是關(guān)斷，輸出晶體管中的功耗都是很小的。一種比較簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)放大器是按照一個(gè)固定的頻率去接通和斷開(kāi)放大器，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”的相位寬窄，這樣的放大器被稱(chēng)為脈沖調(diào)制放大器。PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術(shù)。根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有八類(lèi)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(kāi)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。 利用開(kāi)關(guān)管對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制原理圖及輸入輸出電壓波形如圖2圖22所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端由電壓。秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_(kāi)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(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。這樣，對(duì)應(yīng)著輸入的電平高低，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖22所示。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值為： 式21式中 ——占空比，占空比表示了在一個(gè)周期里，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。的變化范圍為0≤≤1。由式21可知，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，改變值就可以改變端電壓的平均值，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(shí)改變、。前2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，因此應(yīng)用較少。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用第3種方法。圖21 PWM調(diào)速控制原理ttT 圖22 輸入輸出電壓波形產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的方法有4種，分別為：（1）、分立電子元件組成的PWM信號(hào)發(fā)生器這種方法是用分立的邏輯電子元件組成PWM信號(hào)電路。它是最早期的方式，現(xiàn)在已經(jīng)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(guò)軟件對(duì)該引腳不斷地輸出高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出。這種方法要占用CPU大量時(shí)間，需要很高的單片機(jī)性能，易于實(shí)現(xiàn)，目前也逐漸被淘汰。（3）、專(zhuān)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(zhuān)用的PWM集成電路芯片，現(xiàn)在市場(chǎng)上已有許多種。這些芯片除了由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)系統(tǒng)中，使用專(zhuān)用PWM集成電路可以減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)，工作也更可靠。（4）、單片機(jī)PWM口新一代的單片機(jī)增加了許多功能，其中包括PWM功能。單片機(jī)通過(guò)初始化設(shè)置，使其能自動(dòng)地發(fā)出PWM脈沖波，只能在改變占空比時(shí)CPU才進(jìn)行干預(yù)。其中常用后兩中方法獲得PWM信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中使用方法（4）獲得PWM信號(hào)。 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 只通過(guò)改變觸發(fā)或驅(qū)動(dòng)電路的控制電壓來(lái)改變功率變換電路的輸出平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，稱(chēng)為開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。但開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有局限性：（1）、通過(guò)控制可調(diào)直流電源的輸入信號(hào)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑無(wú)極調(diào)速，但是，在啟動(dòng)或大范圍階躍升速時(shí)，電樞電流可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電機(jī)額定電流，可能會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，也會(huì)使直流可調(diào)電源因過(guò)流而燒毀。因此必須設(shè)法限制電樞動(dòng)態(tài)電流的幅值。（2）、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的額定速降一般都比較大，使得開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍D都很小，對(duì)于大部分需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械都無(wú)法滿(mǎn)足要求。因此必須采用閉環(huán)反饋控制的方法減小額定動(dòng)態(tài)速降，以增大調(diào)速范圍。（3）、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)于負(fù)載擾動(dòng)是有靜差的。必須采用閉環(huán)反饋控制消除擾動(dòng)靜差為克服其缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，方框圖如圖23所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，把系統(tǒng)輸出量通過(guò)檢測(cè)裝置（傳感器）引向系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的輸入量進(jìn)行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號(hào)。利用此偏差信號(hào)通過(guò)控制器（調(diào)節(jié)器）產(chǎn)生控制作用，自動(dòng)糾正偏差。因此，帶輸出量負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)能提高系統(tǒng)抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用于各類(lèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。調(diào)節(jié)器被控對(duì)象擾動(dòng)量檢測(cè)裝置輸出量反饋量偏差輸入量+ －圖23 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸出量是轉(zhuǎn)速，通常引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，引出與輸出量——轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與轉(zhuǎn)速給定電壓進(jìn)行比較，得到偏差電壓，經(jīng)過(guò)放大器A，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)或觸發(fā)裝置的控制電壓，去控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如圖24所示。圖24 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)框圖由圖24，按照梅森公式可以直接寫(xiě)出轉(zhuǎn)速給定電壓Un*和負(fù)載擾動(dòng)電流IL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式如下： 式22 其中,閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為： 式23開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的負(fù)載速降為： 式24由式22閉環(huán)時(shí)的負(fù)載速降為： 式25上式表明采用速度閉環(huán)控制后，其負(fù)載速降減小了（1+Kol）倍，使得閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性比開(kāi)環(huán)時(shí)硬得多；因而，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多，可以大大增加閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍。 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下基本特征，也是反饋控制的基本規(guī)律。 （1）、具有比例放大器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的。由式24中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)中的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響很大。K越大，穩(wěn)態(tài)速降越小，但當(dāng)放大器只是比例放大器時(shí)，只有當(dāng)K=∞才能使=0，顯然不可能實(shí)現(xiàn)，因此，穩(wěn)態(tài)速降只能減少而不可能消除。這樣的調(diào)速系統(tǒng)屬于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)正是依靠偏差來(lái)保證實(shí)現(xiàn)控制作用的。（2）、具有較強(qiáng)的抗干擾性能 反饋閉環(huán)系統(tǒng)具有很好的抗擾性能，對(duì)于作用在被負(fù)反饋所包圍的前向通道上的一切擾動(dòng)都能有效地抑制。除給定信號(hào)外，作用在控制系統(tǒng)上一切能使輸出量發(fā)生變化的因素都叫做“擾動(dòng)作用”。除了負(fù)載擾動(dòng)所引起的穩(wěn)態(tài)速降之外，還有許多因素會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。而所有被反饋環(huán)所包圍的加在閉環(huán)系統(tǒng)前向通道各環(huán)節(jié)上的擾動(dòng)作用對(duì)輸出量的影響都會(huì)受到反饋控制的抑制。這一性質(zhì)是閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)最突出的特征。（3）、對(duì)給定信號(hào)和檢測(cè)裝置中的擾動(dòng)無(wú)能為力 在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，給定作用如果由細(xì)微的變化，輸出轉(zhuǎn)速就會(huì)立即隨之變化，絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种?。如果給定電源發(fā)生了不應(yīng)有的波動(dòng)，則輸出轉(zhuǎn)速也要跟著發(fā)生變化，反饋控制系統(tǒng)無(wú)法區(qū)分是正常的調(diào)節(jié)給定電壓還是給定電源的變化。因此，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的精度依賴(lài)于給定穩(wěn)壓電源的精度。此外，閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于檢測(cè)裝置本身的誤差也是無(wú)法克服的。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁發(fā)生變化，也會(huì)引起反饋電壓的改變，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏離原應(yīng)保持的數(shù)值。因?yàn)閷?shí)際轉(zhuǎn)速變化引起的反饋電壓的變化與其他因素（如測(cè)速機(jī)勵(lì)磁變化、換向紋波、安裝不良造成的轉(zhuǎn)子和定子間的偏心）引起的反饋電壓的變化，反饋控制也是區(qū)分不出來(lái)的。因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度還依賴(lài)于反饋檢測(cè)裝置的精度。（1）、響應(yīng)速度慢由于電氣的時(shí)間常數(shù)一般較大，使得Rn(s)的調(diào)節(jié)作用要經(jīng)過(guò)的延時(shí)才能產(chǎn)生相應(yīng)的電樞電流Id(電磁轉(zhuǎn)矩Te)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速偏差，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的速度受到限制。（2）、抗擾性能差主要是當(dāng)可調(diào)直流電源參數(shù)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，例如電網(wǎng)電壓變化會(huì)引起電源放大倍數(shù)Ks的變化；或者相控整流電源電流斷續(xù)時(shí)使得電源放大倍數(shù)Ks和電樞電阻等效大幅變化，使得閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)發(fā)生變化。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。（3）、電樞電流動(dòng)態(tài)過(guò)沖大由于電樞的大慣性，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中很容易發(fā)生電樞電流大幅過(guò)沖，對(duì)電動(dòng)機(jī)和直流電源的安全運(yùn)行不利。因此，工程中為改善轉(zhuǎn)速單閉環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)性能而加入電流環(huán)，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。增設(shè)電流內(nèi)環(huán)后，帶來(lái)下列好處：（1）、電樞電流的快速變化不再受大的電氣時(shí)間常數(shù)的限制，使響應(yīng)速度更快。（2）、在電流內(nèi)環(huán)前向通道中的各種擾動(dòng)量，都會(huì)被有效抑制。（3）、使得系統(tǒng)抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的能力更強(qiáng)，也使得電樞電流斷續(xù)引起的系統(tǒng)非線性不再會(huì)威脅閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（4）、利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅特性，可自然實(shí)現(xiàn)“電流截止特性”。但負(fù)載電流擾動(dòng)在電流閉環(huán)之外，因此電流內(nèi)環(huán)對(duì)改善系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)特性的作用是有限的。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中考慮到電流量不容易檢測(cè)并反饋，鑒于實(shí)驗(yàn)人員能力有限而將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)。 采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)前面所述的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用的是比例調(diào)節(jié)器，其控制作用需要用偏差來(lái)，只能減少靜差，但不能消除靜差。對(duì)于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求計(jì)算出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)性能可能較差，或根本達(dá)不到穩(wěn)態(tài)，也就談不上是否滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)要求。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)定且足夠的穩(wěn)定欲量，并改善動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。圖25為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。利用結(jié)構(gòu)圖的運(yùn)算法則，可以得到采用不同的調(diào)節(jié)器時(shí)，輸出量與擾動(dòng)量之間的關(guān)系如下。