【正文】 給單片機(jī)，單片機(jī)再通過軟件將測速信號與給定轉(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，十分容易與微處理器相連接，也便于實現(xiàn)信號的分析處理。單片機(jī)的 T0口可對該脈沖信號進(jìn)行計數(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 其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。 基于 H 橋驅(qū)動直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計 3 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)械配合的方法來實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。電氣調(diào)速有許多優(yōu)點(diǎn)，如可簡化機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，提高傳動效率，操作簡單，易于獲得無極調(diào)速，便于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和自動控制，因此在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛采用電氣方法調(diào)速。 由于直流電動機(jī)具有極好的運(yùn)動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡單、價 格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但是長期以來，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)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(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的場合，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)。 直流電機(jī)的工作原理 根據(jù)電磁學(xué)基本知識可知，載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用。如果導(dǎo)體在磁場中的長度 l ，其中流過的電流為 i ，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） BliF? (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。電磁力對轉(zhuǎn)軸形成順時針方向的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子而使其旋轉(zhuǎn)。由于每個磁極下元件中電流方向不變，故此轉(zhuǎn)矩方向恒定，稱為直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。如果直流電動機(jī)軸上帶有負(fù)載，它便輸出機(jī)械能，可見直 流電動機(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，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，電機(jī)處于電動機(jī)狀態(tài)，帶動負(fù)載旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)械能。 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 NSFF 圖 1 直流電動機(jī)工作原理圖 直流電機(jī)的調(diào)速特性 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。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n和其它參數(shù)的關(guān)系可用下式來表示： ??? C RIUn e aNN (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是電勢常數(shù)，Φ是勵磁磁通。 aPNCe 60? (23) (23)式中： p磁極對數(shù)， N 是導(dǎo)體數(shù)， a是電樞支路數(shù)。 KCe ?? (24) (24)式中：當(dāng)電機(jī)型號確定后， CeΦ為常數(shù)，故式式 (21)改為 K RaIUn NN ?? (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 項可省略不計，由此可見，當(dāng)改變電樞電壓時，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。 直流電機(jī)的幾種調(diào)速方法 根據(jù)直流電機(jī)的基本原理，由感應(yīng)電勢、電磁轉(zhuǎn)矩以及機(jī)械特性方程式可知，直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種： 基于 H 橋驅(qū)動直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計 5 （ 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，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。 變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 （ 2）改變電動機(jī)主磁通 。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡稱弱磁調(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。 變化時間遇到的時間常數(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 。在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(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)時間不長的傳動系統(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)拖動直流電動機(jī)實現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以 GM 系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)， 還要一臺勵磁發(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。 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 靜止可控整流器（簡稱 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，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，電源電壓 U。加到電動機(jī)上；當(dāng) VT 斷開時，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(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，電源電壓加到電動機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度 基于 H 橋驅(qū)動直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計 7 調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡稱 PWM。脈沖周期 不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時間，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現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。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)。 直流電機(jī)調(diào)速 PWM 信號形成原理 PWM 信號是由脈寬調(diào)制器（一個電壓 —— 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。這里簡要介紹一下用三角波作調(diào)制信號的脈寬調(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，實際上就是電壓 /脈寬轉(zhuǎn)換電路 (簡稱 V/W 電路 )，是 PWM 信號的形成電路。調(diào)制產(chǎn)生 PWM信號的工作原理如圖 4(a)所示。 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 4 調(diào)制產(chǎn)生 PWM信號的工作原理 圖 4(a)是電壓比較器，輸入信號為圖 4(b)中的 Ui 。在電壓比較器的兩個輸入端輸入 控制信號和三角波信號，則比較器的輸出將按以下規(guī)律變化： Ui Ud 時，輸出正的電壓 Ucc? ； Ui Ud? 時，輸出負(fù)的電壓 Udd? 。由此即可產(chǎn)生 PWM 脈沖信號。 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）： ??? K IRUn (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—— 電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 本設(shè)計采用電樞控制方法。對電動機(jī)的驅(qū)動離不開半導(dǎo)體功率器件。在對直流電動機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動中，對半導(dǎo)體功率器件的使用可分為兩種方式：線形放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式。實際生活中，絕大多數(shù)直流電動機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動方式 /開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體 功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 PWM 來控制電動機(jī)電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。 脈寬調(diào)制占空比調(diào)節(jié) 脈寬調(diào)制即 PWM 控制就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對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)管對直流電動機(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，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端有電壓 Us 。 1t 秒后，柵極變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機(jī)電樞兩端電壓為 0。 2t 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。這樣，對應(yīng)者輸入的電平高低，直流電動機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖25(b)所示。電動機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值 0U 為式（ 27）： 基于 H 橋驅(qū)動直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的電路設(shè)計 9 SSS UUTtttUtU ???? ?? 12110 0 （ 27） 式中： ? —— 占空比， Tt1?? 。 圖 5 PWM 調(diào)速控制原理和電壓波形圖 占空比 8279SL1+5VIRQCLKA0CSRDWRD0D7CNTLSHIGTRESET1512 141311109876543210RL3RL2RL1RL0SL0SL2SL3A03B0 3驅(qū)動器P0WRRDALEINT183C5521KAT89S51表示了在一個周期 T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。 8279SL1+5VIRQCLKA0CSRDWRD0D7CNTLSHIGTRESET1512 141311109876543210RL3RL2RL1RL0SL0SL2SL3A0