【正文】 二 45 第 1 章 緒 論 本章主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速目前在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，以及本課題的研究意義和主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。 課題研究的背景 隨著社會的發(fā)展和各種技術(shù)的更新，以及生產(chǎn)質(zhì)量和工藝的不斷增長和改善 ，自動調(diào)速已經(jīng)廣 泛應(yīng)用到各行各業(yè)中并且對其要求也越來越高。 對調(diào)速系統(tǒng)的控制 ， 可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。 直流電機(jī)的調(diào)速具有很好的調(diào)速特性，有很大的過載能力，并且可以平滑，快速 地 調(diào)速?？梢詫?shí)現(xiàn)多次正 、 反轉(zhuǎn) ， 并且能夠適應(yīng)生產(chǎn)和生活中的各種控制要求， 至今在機(jī)床、造紙機(jī)等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域一直都有廣泛的應(yīng)用 ， 到目前為止仍是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 雖然直流電機(jī)在價(jià)格，性能，維護(hù)等方面不如交流電動機(jī)，但是直流電動機(jī)具有調(diào)速性能好，啟動容易，能夠重載啟動等優(yōu)點(diǎn)，所以目前直流電動機(jī) 的 應(yīng)用很廣泛。直流電動機(jī) 就是 因其轉(zhuǎn)速比較靈活，方法 簡單， 且有很多優(yōu)點(diǎn) 。 因此 在傳動 控制 領(lǐng)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(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意 義，為此對直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，我們可以采用多種辦法，而有一種通過使用價(jià)格低廉、通用性很強(qiáng)單片機(jī)為控制芯片的方法，以 PI 調(diào)節(jié)控制算法為基礎(chǔ)，完成直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，達(dá)到了控制性能好、成本低的目的。另外，以單片機(jī)為核心的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)還有維修簡單、柔性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 在直流電機(jī)的測速系統(tǒng)中，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)廣泛使用 PWM 技術(shù)來對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，而且在電機(jī)的調(diào)速模塊中，是從最初的用電位器 調(diào)整直流電壓從而達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的；然后是采用繼電器的開關(guān)切換對電機(jī)進(jìn)行速度的控制；現(xiàn)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(jī)進(jìn)行調(diào)速。通過比較發(fā)展過程中的電機(jī)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(qū)動最為簡單，可以簡單控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向的變化，因此也出現(xiàn)了 L298N 這些內(nèi)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(qū)動電機(jī) 。 直流調(diào)速系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 直流電機(jī)是生產(chǎn)和使用直流電能的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換機(jī)械。它一般應(yīng)用于啟動和調(diào)速要求 較高的 機(jī)械上，例如， 機(jī)床、電車、電氣軌道牽引、挖掘機(jī)械、紡織機(jī)械等。與交流 電機(jī)相比，直流電機(jī)的主要不足在換向的問題上，它限制了直流電機(jī)的極限容量，又使直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，消耗較多有色金屬，維護(hù)比較麻煩，致使直流電機(jī)的應(yīng)用受到一定的限制。 直流電機(jī)的出現(xiàn)可追溯到由 Michael Faraday 所發(fā)明的碟型馬達(dá) ，直到 1833 年，皮克西在電磁力和電磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上，利用永久磁鐵和線圈之間的相對運(yùn)動和一個換向裝置支撐了一臺旋轉(zhuǎn)磁極式直流發(fā)電機(jī)?；陔姍C(jī)的可逆原理，直流電動機(jī)也就應(yīng)運(yùn)而生，當(dāng)時(shí)直流電動機(jī)制造的指導(dǎo)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(jī)所必須的。然后經(jīng)過了長時(shí)間的發(fā)展，直流電機(jī)的勵磁、電樞方面都在進(jìn)行不斷的改良和創(chuàng)新。至于電機(jī)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(chǔ)上建立了直流電樞繞組理論。這些理論的誕生，讓直流電機(jī)的設(shè)計(jì)和計(jì)算建立在更加科學(xué)，精確的基礎(chǔ)之上。直到 19 世紀(jì) 90 年代，直流電機(jī)已然擁有了現(xiàn)代直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 說到我國的直流電機(jī)的發(fā)展，相對其他國家起步還是較晚的。生產(chǎn)規(guī)模小、設(shè)備差、能力欠佳，就連材料也多數(shù)依賴于進(jìn)口。 有數(shù)據(jù)顯示，解放前我國的最高年產(chǎn)量發(fā)電機(jī)僅 2 萬千瓦，電動機(jī)為 萬千瓦。但在改革開放以后，電機(jī)業(yè)得到了飛速發(fā)展，有了自己的體系和標(biāo)準(zhǔn)，并生產(chǎn)出了一系列產(chǎn)品。我國通過自主研發(fā)生產(chǎn)出的電機(jī)不僅滿足了內(nèi)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(xiàn)代化自動控制系統(tǒng)中，交流電機(jī)是很難達(dá)到的，一般還是采用直流電機(jī)驅(qū)動。在不同性質(zhì)的工業(yè)生產(chǎn)中，直流電機(jī)也以不同形式發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如利用它在不同轉(zhuǎn)速下能承受的沖擊過載，頻繁起、制動的特點(diǎn)，在冶金工業(yè)中可以驅(qū)動各種軋鋼機(jī)；又如，利用它良好的調(diào)速性和高的過 載力，在礦業(yè)中驅(qū)動卷揚(yáng)機(jī)和電鏟?？傊?，直流電機(jī)憑借它優(yōu)良的性能，被廣泛應(yīng)用在了各個領(lǐng)域。 基于直流電機(jī)的電氣系統(tǒng)一般都用于調(diào)速， 最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電機(jī) 的 電樞繞組供電， 經(jīng)過 改變 電機(jī) 電樞回路 當(dāng) 中的電阻 值 來 達(dá)到 調(diào)速 的 目的。這種調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡單易行 ，且 設(shè)備 的 制造價(jià)格低 且方便 ，但 其 缺點(diǎn)是 有 效率低，機(jī)械特性過軟 ， 且 不 可以 在較寬 的 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 較平滑的 調(diào)速 ， 所以目前很少使用。之后，出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組調(diào)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(diǎn)在于要增加兩臺 與調(diào)速電動機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵磁設(shè)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(xiàn)，利用汞弧變流器代替上面發(fā)電機(jī) 電動機(jī)系統(tǒng)，使電機(jī)的調(diào)速性能指標(biāo)進(jìn)一步提高。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)功能的不斷提高以及電力電子、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以使復(fù)雜的控 制規(guī)律較方便的實(shí)現(xiàn)，以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字控制技術(shù)成為自控領(lǐng)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(jìn)入了更新的發(fā)展階段 [1]。 目前， 變頻技術(shù) 及 脈寬調(diào)制 （ PWM） 技術(shù)已經(jīng)成 為電動機(jī)控制的主流技術(shù)。 PWM 控制很早就 被 提出 了 ，但 受到當(dāng)時(shí) 電力電子器件 技術(shù) 水平的 束縛 ，一直 都 未能 得到 實(shí)現(xiàn)。一 直到上世紀(jì) 80 年代，全控型電力電子器件出現(xiàn) ，并且得到 迅速 的 發(fā)展， PWM 技術(shù)才真正 開始得到 應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展 及 各種新的理論方法， 像 現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用， PWM 控制技術(shù) 得 得了 迅速的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng) 有了很 多種 的 PWM 控制技術(shù) [2]。 正是這些技術(shù)的 快速 發(fā)展使得電動機(jī)控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。首先是模擬實(shí)現(xiàn)電動機(jī)控制策略慢慢 退出 了 歷史舞臺， 但 微處理器、通用計(jì)算機(jī)、 DSP 控制器等數(shù)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(diào)速系統(tǒng)研究意義 直流電機(jī)是 最早出現(xiàn)的電動機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動機(jī)。長期以來，直流電機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制系統(tǒng)的統(tǒng)治 性 地位。直流電機(jī)憑借自身優(yōu)良的性能在驅(qū)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)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(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單，轉(zhuǎn)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(yīng)用，使得直流拖動控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對直流拖動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)也有了一套使用的工程設(shè)計(jì)方法 [3,4]。 如今，單片機(jī)有著廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)全稱為單片微型計(jì)算機(jī)（ 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(jī)是相對于單板機(jī)而言的，是指將 CPU、并行 I/O 接口、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 RAM、 ROM 等功能部件集成在一塊芯片上的計(jì)算機(jī)。單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制功能強(qiáng)、可靠性高、性價(jià)比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，在通信產(chǎn)品、家電用品、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等領(lǐng)域都有它的身影。然而單片機(jī)的應(yīng)用遠(yuǎn)不限于它的應(yīng)用范疇或由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是它已經(jīng)從根本上改變了傳統(tǒng)的 控制方法和設(shè)計(jì)思想，是控制技術(shù)的一次革命，是一座重要的里程碑。 鑒于直流調(diào)速系統(tǒng)的重要地位，因此對直流調(diào) 速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制 要求尤為嚴(yán)格和精確，大致涵蓋了調(diào)速，加減速，穩(wěn)速這三大方面。因此，依靠單片機(jī)來控制直流電機(jī)調(diào)速，已經(jīng)是一種趨勢，有著非常重要的意義。 研究內(nèi)容和技術(shù)要求 本 論文主要的研究內(nèi)容就是在對直流電機(jī)的調(diào)速原理和方法有了一定了解的基礎(chǔ)之上，采用 PWM 脈沖調(diào)制控制占空比從而改變電壓，實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)的控制調(diào)速。系統(tǒng) 主要是利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 脈沖 ,通過驅(qū)動電路進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速，鍵盤操縱電機(jī)進(jìn)行停、轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)、加速、減速。另一方面通過測速電路把電機(jī)的轉(zhuǎn)速送給單片機(jī)在通過液晶顯示出來， 從而可以直觀的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng) 主要可 劃分為主 控制模塊 （單片機(jī) STC89C52）、直流電機(jī)驅(qū)動 模塊 （采用 L298N 驅(qū)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(chǔ)， C 語言進(jìn)行程序編寫， 軟硬 件 聯(lián)調(diào)后實(shí)現(xiàn)以下功能： （ 1）通過 L298 H 橋驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的功能。并 通過按鍵設(shè)置 實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)的 啟動、 加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停。 （ 2）用 1602 液晶顯示模塊簡單的實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的顯示，在 LCD 上顯示電機(jī)的工作狀態(tài)，觀察轉(zhuǎn)速的變化。 （ 3）實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速，測出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與設(shè)定的值相比較形成偏差并且根據(jù)偏差調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 第 2 章 控制系統(tǒng)及其控制方法 直流調(diào)速系統(tǒng)概述 直流電動機(jī)具有良好的啟動、制動性能，在比較寬的范圍內(nèi)能夠很好的調(diào)速，在調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流拖動 目前 在技術(shù)上 和理論上都是比較成熟的。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐 的要求，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電動機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型。各種系統(tǒng)都是通過轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)的，綜上所述，直流調(diào)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(shè)計(jì) 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)劃任務(wù)的要求，本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個 轉(zhuǎn)速反饋控制的 直流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 PWM 脈寬調(diào)速，并且實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。該控制系統(tǒng)是以 STC89C52 單片機(jī)為核心控制單元， L298N 芯片驅(qū)動電機(jī) ， 單片機(jī)用軟件產(chǎn)生的 PWM信號來控制電機(jī)的啟動，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，用霍爾元件測得脈沖信號，再把最終的轉(zhuǎn)速反饋給單片機(jī)， 對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行 顯示 并進(jìn)行控制 。單片機(jī)系統(tǒng)硬件簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，能夠適應(yīng)各種不同的環(huán)境，容易提高和擴(kuò)展系統(tǒng)功能， 得到極為廣泛的應(yīng)用。 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)自動控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值通過控制器對系統(tǒng)進(jìn)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(diào)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(jié)構(gòu)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(shí)是指系統(tǒng)輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系。控制器的輸入信號是變送器送來的測量信號與人工內(nèi)定的或外部輸入的設(shè)定信號。設(shè)定信號和測量信號經(jīng)比較 環(huán) 節(jié)比較后得到偏差信號 e，它是設(shè)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(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié) 。 本次設(shè)計(jì)的控制器是 STC89C52 單片機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是 L298N 芯片，被控對象是小型有刷直流電機(jī)。 控制系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 為了能實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，根據(jù)反饋控制原理，要穩(wěn)定哪一個參數(shù)，就引入相應(yīng)的參數(shù)的負(fù)反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此，對直流調(diào)速系統(tǒng)我們引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，構(gòu)成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 由系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的 輸入、輸出關(guān)系，我們可以畫出該系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 2— 2 所示。 ?nUnU U? cU dU n比 較 環(huán) 節(jié) 比 例 調(diào) 節(jié) 器 觸 發(fā) 整 流 裝 置轉(zhuǎn) 速 反 饋 環(huán) 節(jié)pK sK ?eC1? RI d+ E+ 圖 2— 2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 其中， Kp 為調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)； Ks 為觸發(fā)整流裝置的比例系數(shù)； ? 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；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(jī)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(diào)速范圍等方面來進(jìn)行分析，則有 (1)相同理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。 (2)相同理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，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(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍比開環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范