【正文】 二 45 第 1 章 緒 論 本章主要介紹了直流電機調速目前在國內外的發(fā)展狀況，以及本課題的研究意義和主要的設計內容。 課題研究的背景 隨著社會的發(fā)展和各種技術的更新，以及生產質量和工藝的不斷增長和改善 ，自動調速已經廣 泛應用到各行各業(yè)中并且對其要求也越來越高。 對調速系統(tǒng)的控制 ， 可分為直流調速和交流調速。 直流電機的調速具有很好的調速特性，有很大的過載能力，并且可以平滑，快速 地 調速?？梢詫崿F多次正 、 反轉 ， 并且能夠適應生產和生活中的各種控制要求， 至今在機床、造紙機等需要高性能可控電力拖動的領域一直都有廣泛的應用 ， 到目前為止仍是調速系統(tǒng)的主要形式。 雖然直流電機在價格，性能，維護等方面不如交流電動機，但是直流電動機具有調速性能好，啟動容易，能夠重載啟動等優(yōu)點，所以目前直流電動機 的 應用很廣泛。直流電動機 就是 因其轉速比較靈活，方法 簡單， 且有很多優(yōu)點 。 因此 在傳動 控制 領域占有 很高的 地位。研究并制造高性能、高可靠性的直流電機控制系統(tǒng)有著十分重要的現實意 義，為此對直流電機的速度調節(jié)，我們可以采用多種辦法，而有一種通過使用價格低廉、通用性很強單片機為控制芯片的方法，以 PI 調節(jié)控制算法為基礎，完成直流電機轉速的調節(jié)，達到了控制性能好、成本低的目的。另外，以單片機為核心的電機調速系統(tǒng)還有維修簡單、柔性強等優(yōu)點。 在直流電機的測速系統(tǒng)中，隨著現代技術的發(fā)展已經廣泛使用 PWM 技術來對電機的轉速進行控制，而且在電機的調速模塊中，是從最初的用電位器 調整直流電壓從而達到電機調速的目的；然后是采用繼電器的開關切換對電機進行速度的控制；現在是用封裝集成好的 H 型器件，或是 IGBT 組成的 H 型電路，從而對電機進行調速。通過比較發(fā)展過程中的電機控制方法可知， 在以上三種控制模塊里主要以 H 型電路的驅動最為簡單，可以簡單控制電機的速度和轉向的變化，因此也出現了 L298N 這些內部 H 橋型的芯片的封裝，從而可以直接利用 L298N 這些類似芯片直接來驅動電機 。 直流調速系統(tǒng)在國內外的發(fā)展狀況 直流電機是生產和使用直流電能的機電能量轉換機械。它一般應用于啟動和調速要求 較高的 機械上，例如， 機床、電車、電氣軌道牽引、挖掘機械、紡織機械等。與交流 電機相比，直流電機的主要不足在換向的問題上，它限制了直流電機的極限容量，又使直流電機的結構復雜，消耗較多有色金屬，維護比較麻煩，致使直流電機的應用受到一定的限制。 直流電機的出現可追溯到由 Michael Faraday 所發(fā)明的碟型馬達 ，直到 1833 年，皮克西在電磁力和電磁感應定律的基礎上，利用永久磁鐵和線圈之間的相對運動和一個換向裝置支撐了一臺旋轉磁極式直流發(fā)電機?；陔姍C的可逆原理，直流電動機也就應運而生，當時直流電動機制造的指導思想是 電磁鐵之間的相互作用并需要用蓄電池供電，因此直流電源就是直流電動機所必須的。然后經過了長時間的發(fā)展，直流電機的勵磁、電樞方面都在進行不斷的改良和創(chuàng)新。至于電機理論方面， 1886 年霍普金斯兄弟確定了磁路的歐姆定律。 1891 年阿諾特在此基礎上建立了直流電樞繞組理論。這些理論的誕生，讓直流電機的設計和計算建立在更加科學，精確的基礎之上。直到 19 世紀 90 年代，直流電機已然擁有了現代直流電機的主要結構特點。 說到我國的直流電機的發(fā)展，相對其他國家起步還是較晚的。生產規(guī)模小、設備差、能力欠佳，就連材料也多數依賴于進口。 有數據顯示，解放前我國的最高年產量發(fā)電機僅 2 萬千瓦，電動機為 萬千瓦。但在改革開放以后，電機業(yè)得到了飛速發(fā)展，有了自己的體系和標準，并生產出了一系列產品。我國通過自主研發(fā)生產出的電機不僅滿足了內需，而且還有部分可供出口。目前，在我國，在功率較大要求較高的現代化自動控制系統(tǒng)中，交流電機是很難達到的，一般還是采用直流電機驅動。在不同性質的工業(yè)生產中，直流電機也以不同形式發(fā)揮著關鍵作用，例如利用它在不同轉速下能承受的沖擊過載，頻繁起、制動的特點，在冶金工業(yè)中可以驅動各種軋鋼機；又如，利用它良好的調速性和高的過 載力，在礦業(yè)中驅動卷揚機和電鏟。總之，直流電機憑借它優(yōu)良的性能，被廣泛應用在了各個領域。 基于直流電機的電氣系統(tǒng)一般都用于調速， 最初的直流調速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電機 的 電樞繞組供電， 經過 改變 電機 電樞回路 當 中的電阻 值 來 達到 調速 的 目的。這種調速方法的優(yōu)點在于簡單易行 ，且 設備 的 制造價格低 且方便 ，但 其 缺點是 有 效率低，機械特性過軟 ， 且 不 可以 在較寬 的 范圍內實現 較平滑的 調速 ， 所以目前很少使用。之后，出現了旋轉變流機組調速系統(tǒng)，該系統(tǒng)的制動特性較為平滑，損耗的能量少，可以提高系統(tǒng)的效率，但是主要缺點在于要增加兩臺 與調速電動機相當的旋轉電機和一些輔助勵磁設備，體積龐大維修起來較為困難。 其后由于汞弧變流器的出現，利用汞弧變流器代替上面發(fā)電機 電動機系統(tǒng)，使電機的調速性能指標進一步提高。 隨著微電子技術的發(fā)展，微機功能的不斷提高以及電力電子、計算機控制技術的發(fā)展，電氣傳動領域出現了以微機為核心的數字控制系統(tǒng)。計算機的發(fā)展可以使復雜的控 制規(guī)律較方便的實現，以計算機為核心的數字控制技術成為自控領域的主流，也給直流電氣傳動的發(fā)展注入了新的活力，使電氣傳動進入了更新的發(fā)展階段 [1]。 目前， 變頻技術 及 脈寬調制 （ PWM） 技術已經成 為電動機控制的主流技術。 PWM 控制很早就 被 提出 了 ，但 受到當時 電力電子器件 技術 水平的 束縛 ，一直 都 未能 得到 實現。一 直到上世紀 80 年代，全控型電力電子器件出現 ，并且得到 迅速 的 發(fā)展， PWM 技術才真正 開始得到 應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展 及 各種新的理論方法， 像 現代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應用， PWM 控制技術 得 得了 迅速的發(fā)展，到目前為止，已經 有了很 多種 的 PWM 控制技術 [2]。 正是這些技術的 快速 發(fā)展使得電動機控制技術在近二十年內發(fā)生了很大的變化。首先是模擬實現電動機控制策略慢慢 退出 了 歷史舞臺， 但 微處理器、通用計算機、 DSP 控制器等數字控制系統(tǒng) 迅 速的發(fā)展 了起來 。 本課題研究的目的和意義 直流調速系統(tǒng)研究意義 直流電機是 最早出現的電動機，也是最早能實現調速的電動機。長期以來，直流電機一直占據著調速控制系統(tǒng)的統(tǒng)治 性 地位。直流電機憑借自身優(yōu)良的性能在驅動、控制、牽引等許多場合起到了十分重要的作用。 目前，直流電動機調速系統(tǒng)數字化已經走向實用化，伴隨著電子技術的高度發(fā)展，促使直流電機調速逐步從模擬化向數字化轉變，特別是單片機的應用，使直流電機調速技術又進入到一個新的階段，智能化 ，高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。 直流電動機的數學模型簡單，轉矩易于控制。其換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦。 1960 年以來，晶閘管整流器的應用，使得直流拖動控制技術得到了飛速的發(fā)展，對直流拖動控制系統(tǒng)調節(jié)器的設計也有了一套使用的工程設計方法 [3,4]。 如今，單片機有著廣泛的應用。單片機全稱為單片微型計算機（ Single Chip Microputer） ,簡稱 SCM，又稱微控制器（ Microcontroller Unit, MCU）或嵌入式控制器（ Embedded Controller） 。單片機是相對于單板機而言的，是指將 CPU、并行 I/O 接口、定時 /計數器、 RAM、 ROM 等功能部件集成在一塊芯片上的計算機。單片機具有結構簡單、控制功能強、可靠性高、性價比高、易于推廣應用等顯著優(yōu)點。這些優(yōu)點使得其應用領域越來越廣泛，在通信產品、家電用品、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等領域都有它的身影。然而單片機的應用遠不限于它的應用范疇或由此帶來的經濟效益，更重要的是它已經從根本上改變了傳統(tǒng)的 控制方法和設計思想，是控制技術的一次革命，是一座重要的里程碑。 鑒于直流調速系統(tǒng)的重要地位，因此對直流調 速系統(tǒng)的轉速控制 要求尤為嚴格和精確，大致涵蓋了調速，加減速，穩(wěn)速這三大方面。因此，依靠單片機來控制直流電機調速，已經是一種趨勢，有著非常重要的意義。 研究內容和技術要求 本 論文主要的研究內容就是在對直流電機的調速原理和方法有了一定了解的基礎之上，采用 PWM 脈沖調制控制占空比從而改變電壓，實現對直流電動機的控制調速。系統(tǒng) 主要是利用單片機的定時器產生 PWM 脈沖 ,通過驅動電路進行直流電機調速，鍵盤操縱電機進行停、轉、正反轉、加速、減速。另一方面通過測速電路把電機的轉速送給單片機在通過液晶顯示出來， 從而可以直觀的控制電機轉速。 系統(tǒng) 主要可 劃分為主 控制模塊 （單片機 STC89C52）、直流電機驅動 模塊 （采用 L298N 驅動電路）、液晶顯示按鍵功能 模塊 （ LCD1602）、電源 模塊 、測速 模塊 等，以硬件電路為基礎， C 語言進行程序編寫， 軟硬 件 聯調后實現以下功能： （ 1）通過 L298 H 橋驅動，實現控制和調整直流電機轉速和轉向的功能。并 通過按鍵設置 實現直流電動機的 啟動、 加速、減速、正轉、反轉、急停。 （ 2）用 1602 液晶顯示模塊簡單的實現電機速度的顯示，在 LCD 上顯示電機的工作狀態(tài)，觀察轉速的變化。 （ 3）實現閉環(huán)調速，測出電機的實際轉速，與設定的值相比較形成偏差并且根據偏差調節(jié)轉速。 第 2 章 控制系統(tǒng)及其控制方法 直流調速系統(tǒng)概述 直流電動機具有良好的啟動、制動性能，在比較寬的范圍內能夠很好的調速，在調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。直流拖動 目前 在技術上 和理論上都是比較成熟的。根據生產實踐 的要求，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電動機同步控制系統(tǒng)等多種類型。各種系統(tǒng)都是通過轉速控制來實現的，綜上所述，直流調速系統(tǒng)是電力拖 動控制系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)各模塊設計 根據畢業(yè)設計計劃任務的要求，本設計要求設計一個 轉速反饋控制的 直流電機 調速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 PWM 脈寬調速，并且實時顯示電機的實時運行速度。該控制系統(tǒng)是以 STC89C52 單片機為核心控制單元， L298N 芯片驅動電機 ， 單片機用軟件產生的 PWM信號來控制電機的啟動，停止，正轉，反轉，加速，減速，用霍爾元件測得脈沖信號，再把最終的轉速反饋給單片機， 對電機轉速進行 顯示 并進行控制 。單片機系統(tǒng)硬件簡單，結構緊湊，性能穩(wěn)定，能夠適應各種不同的環(huán)境，容易提高和擴展系統(tǒng)功能， 得到極為廣泛的應用。 控制系統(tǒng)的數學模型 控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖 根據自動控制原理，將系統(tǒng)的被調節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進行比較，用比較后的偏差值通過控制器對系統(tǒng)進行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動造成的影響，而維持被調節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。自動控制系統(tǒng)結構框圖如圖 2— 1 說所示。 圖 2— 1 自動 控制系統(tǒng) 控制規(guī)律其實是指系統(tǒng)輸出信號與輸入信號之間的關系?？刂破鞯妮斎胄盘柺亲兯推魉蛠淼臏y量信號與人工內定的或外部輸入的設定信號。設定信號和測量信號經比較 環(huán) 節(jié)比較后得到偏差信號 e，它是設定值信號 r 與測量信號 x 之差。有 e=rx 或 e=xr。反饋理論及其在自動控制中應用的關鍵是：做出正確測量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調節(jié) 。 本次設計的控制器是 STC89C52 單片機，執(zhí)行機構是 L298N 芯片，被控對象是小型有刷直流電機。 控制系統(tǒng)的靜態(tài)結構圖和動態(tài)結構圖 為了能實現負載變化時穩(wěn)定轉速，根據反饋控制原理，要穩(wěn)定哪一個參數，就引入相應的參數的負反饋，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此，對直流調速系統(tǒng)我們引入轉速負反饋，構成轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。 由系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的 輸入、輸出關系，我們可以畫出該系統(tǒng)的靜態(tài)結構框圖，如圖 2— 2 所示。 ?nUnU U? cU dU n比 較 環(huán) 節(jié) 比 例 調 節(jié) 器 觸 發(fā) 整 流 裝 置轉 速 反 饋 環(huán) 節(jié)pK sK ?eC1? RI d+ E+ 圖 2— 2 轉速負反饋直流調速系統(tǒng)靜態(tài)結構框圖 其中， Kp 為調節(jié)器放大倍數； Ks 為觸發(fā)整流裝置的比例系數； ? 為轉速反饋系數；可參照上圖，建立系統(tǒng)的靜特性方程，即 )K1(C RI)K1(C UKKn de SP ??????? en （ 公式 2— 1） 而開環(huán)系統(tǒng)的機械特性方程式為 ?? ee SP C RIC UKKn dn ??? （ 公式 2— 2） 比較以上兩式，從特性曲線硬度、靜差率、調速范圍等方面來進行分析，則有 (1)相同理想空載轉速時，閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。 (2)相同理想空載轉速時，閉環(huán)系統(tǒng)靜差率比開環(huán)系統(tǒng)的靜差率小。 (3)相同靜差率要求時，閉環(huán)系統(tǒng)的調速范圍比開環(huán)系統(tǒng)的調速范