【正文】 .......................................... 26 Easy51 軟件及下載器的使用 ............................................................................ 27 調(diào)試過程 .............................................................................................................. 28 調(diào)速器使用方法 ................................................................................................... 29 結(jié) 論 ........................................................................................................................ 29 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 33 致 謝 ........................................................................................................................ 34 聲 明 ........................................................................................................................ 35 附 錄 ........................................................................................................................ 36 第 1頁 共 44頁 1 引言 課題背景及意義 直流電機(jī)由于具有優(yōu)良的調(diào)速性能，因此在很多需要用到變速的場合有很多的應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床，機(jī)械控制，機(jī)車車輛，實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以致機(jī)器人都大量采用直流電機(jī)。特別是現(xiàn)代能源缺乏，為了節(jié)能的要求出現(xiàn)了電動自行車，混合動力汽車太陽能汽車等，這些都以直流電機(jī)為發(fā)動機(jī)，這就需要有優(yōu)秀的調(diào)速方案。 直流電機(jī)的調(diào)速方案一般有下列 3 種方式： (1)改變電樞電壓； (2)改變激磁繞組電壓； (3)改變電樞回路電阻。最常用的是調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，即改變電樞電壓， 這樣是控制性能最好，可近似達(dá)到線性調(diào)速和無極調(diào)速。作為現(xiàn)代應(yīng)用調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，節(jié)能是不可忽視的重點(diǎn)。直流 電機(jī)電樞調(diào)壓 調(diào)速的核心技術(shù)是脈寬調(diào)制 (Pulse Width Modulation)控制技術(shù)，該技術(shù)通常簡稱為 PWM 控制技術(shù) [1]。 PWM 脈沖信號控制驅(qū)動器件的開斷，占空比的變化來調(diào)節(jié)輸出的平均功率，在很大程度上節(jié)約了電能，不像電樞回路串電阻調(diào)速那樣消耗能量來達(dá)到調(diào)速的目的。在直流調(diào)速方面 現(xiàn)代電力電子器件如 IGBT 等 已發(fā)展得很成熟，脈沖寬度調(diào)制 (PWM)直流調(diào)速系統(tǒng) 又 有著許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而具有相當(dāng)廣 闊的發(fā)展前景。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展出許多新的電樞電壓控制方法，如交流供電，使用晶閘管整流器進(jìn)行調(diào)壓；使用硅整流器將交流電整為直流電或直接由蓄電池等直流電源供電，再由 PWM 脈沖寬度調(diào)節(jié)降壓斬波器進(jìn)行斬波調(diào)速等 [1]。直流電動機(jī)的PWM 控制可以用不同的控制方法來實(shí)現(xiàn)，采用集成 PWM 控制器，或者采用微機(jī)進(jìn)行控制，或者使用單片機(jī)控制等多種方法。采用 PWM 脈寬調(diào)制的方法控制他勵直流電動機(jī)的電樞電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的 [1][2]。 PWM 控制技術(shù)主要應(yīng)用在電力電子技術(shù)行業(yè) ， 具體講 ， 包括風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供 電等領(lǐng)域，由于其四象限變流的特點(diǎn)，可以反饋再生制動的能量，對于目前國家提出的節(jié)能減排具有積極意義。 本課題研究方法和目標(biāo) 直流斬波調(diào)速器研究的主要思路： 硬件部分： (1)首先確定電機(jī)驅(qū)動主電路，或采用專用驅(qū)動模塊 ，以及設(shè)計驅(qū)動電路的控制方式 。 (2)要驅(qū)動模塊按照要求驅(qū)動電機(jī)工作，則需要一個控制信號，這個控制信號就是 PWM 信號。設(shè)計 PWM 信號產(chǎn)生電路，以及預(yù)置轉(zhuǎn)速輸入的鍵盤電路。 (3)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 由紅外對管 采樣 ，得到的轉(zhuǎn)速脈沖信號 送單片機(jī)處理后 由LED 數(shù)碼管 顯示 ，并且將這個信號作為速度控制的反饋 信號 。 軟件部分 第 2頁 共 44頁 (1)鍵盤輸入程序用鍵盤掃描程序，將按下鍵的鍵值提交給單片機(jī)作為 PWM信號產(chǎn)生子程序的預(yù)置值。 (2)觸發(fā)脈沖采用單片機(jī)控制片外硬件產(chǎn)生，編寫控制 PWM 信號的 占空比的程序，這個 占空比大小 是可調(diào)的，設(shè)計為鍵盤輸入預(yù)設(shè) 轉(zhuǎn)速與當(dāng)前轉(zhuǎn)速相比較由軟件自動調(diào)節(jié) ，然后產(chǎn)生要求的觸發(fā)信號去控制電機(jī)按照我們要求的轉(zhuǎn)速工作。 (3)顯示程序就設(shè)計 LED 數(shù)碼管顯示程序，通過單片機(jī)對傳感器采樣的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號 和鍵盤輸入的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行 處理，然后在數(shù)碼管上顯示。 本設(shè)計將實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，轉(zhuǎn)速預(yù)置，速度顯示，速 度測量等基本功能。 2 調(diào)速系統(tǒng)原理 直流電機(jī)工作特性及調(diào)速原理 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 RIUneaNN (21) (21)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? (22) (22)式中： p磁極對數(shù)， N 是 導(dǎo)體數(shù)， a 是 電樞支路數(shù)。 KCe ?? (23) (23)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 ?? (24) 在中小功率直流電機(jī)中，電樞回路電阻非常小，式 (24)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 [1][3]。 直流 調(diào)速主要技術(shù) 介紹 直流斬波器介紹 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實(shí)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 [2]。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。 第 3頁 共 44頁 直流斬波器的輸出電壓平均值可以通過改 變占空比，即通過改變開關(guān)器件導(dǎo)通或關(guān)斷時間來調(diào)節(jié)，常用的改變輸出平均電壓的調(diào)制方法有以下三種： (1)脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation，簡稱 PWM)。開關(guān)器件的通斷周期 T 保持不變，只改變器件每次導(dǎo)通的時間，也就是脈沖周期不變，只改變脈沖的寬度，即定頻調(diào)寬。 (2)脈沖頻率調(diào)制 (Pulse Frequency Modulation，簡稱 PFW)。開關(guān)器件每次導(dǎo)通的時間不變，只改變通斷周期 T 或開關(guān)頻率，也就是只改變開關(guān)的關(guān)斷時間，即定寬調(diào)頻，稱為調(diào)頻。 (3)兩點(diǎn)式控制。開關(guān)器件的通 斷周期 T 和導(dǎo)通時間均可變，即調(diào)寬調(diào)頻，亦可稱為混合調(diào)制。當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓高于某一最大值時，使開關(guān)器件關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時間以及通斷周期都是不確定的。 常用的電機(jī)驅(qū)動電路為橋式斬波器，可控制電機(jī)啟停、換向、調(diào)速等，一般使用的橋式斬波器為四象限運(yùn)行斬波器 [2]?，F(xiàn)在市場上出現(xiàn)了許多微型化的斬波器，專用的電機(jī)驅(qū)動芯片，內(nèi)部集成了斬波電路，效率高，具有很好的穩(wěn)定性。小型直流電機(jī)的驅(qū)動已廣泛采用這種集成斬波芯片。如 L298N 就是一中內(nèi)部集成 H 橋式斬波電路的直流電機(jī)驅(qū)動芯片 。 PWM 調(diào)速系統(tǒng) 的 優(yōu)點(diǎn) (1)采用全控型器件的 PWM 調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率高，一般在幾 kHz，因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 (2)由于開關(guān)頻率高，僅靠電動機(jī)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)的低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。 (3)PWM 控制提高了電動機(jī)的運(yùn)行效率 [3]。 PWM 系統(tǒng)中，主回路的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對交流電網(wǎng)的影響小，沒有晶閘管整流器對電網(wǎng)的 “ 污染 ” ，功率 因數(shù)高，效率高。 (4)主電路所需的功率元件少，線路簡單，控制方便。 (5)PWM 系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)智能控制，如在 MCS51 單片機(jī)或 PLC 等控制器 的控制下可實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)節(jié)可預(yù)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。 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)。 3 方案研究與主要芯片選擇 總體方案原理及設(shè)計框圖 本設(shè)計是基于 AT89S52 單片機(jī)為核心的直流斬波調(diào)速器，由單片機(jī)控制和產(chǎn)生適合要求的 PWM 信號，該 PWM 信號通過驅(qū)動芯片或橋式電路進(jìn)行直流斬 第 4頁 共 44頁 波，使輸出電壓平均值和功率可按照 PWM 信號的占空比而 變化，從而達(dá)到對直流電機(jī)調(diào)轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)通過紅外光電對管對電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集和反饋 [3]，并與預(yù)置的轉(zhuǎn)速比較運(yùn)算，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)置轉(zhuǎn)速，構(gòu)成了一個閉環(huán)調(diào)試系統(tǒng) [2][3]。轉(zhuǎn)速的預(yù)置由鍵盤輸入， 4 個鍵分別負(fù)責(zé)千、百、十、個位，按下加一，0—9 循環(huán)，最后一個 按 鍵負(fù)責(zé)確認(rèn)，按下后電機(jī)開始以輸入的預(yù)置轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)調(diào)速，直到穩(wěn)定。 圖 調(diào)速系統(tǒng)框圖 PWM 產(chǎn)生方式 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓 ，從而達(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，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。 在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi) “接通 ”和 “斷開 ”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的 “ 占空比 ” 來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱耍?PWM 又被稱為 “ 開關(guān)驅(qū)動裝置 ” [3]。 PWM 波形如圖 所示： 圖 PWM 波形圖 設(shè)電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設(shè)占空比為： 8 0 5 1 單 片 機(jī) PWM 產(chǎn)生電路 驅(qū)動電路 直流 電機(jī) LED 顯示 按鍵輸入 光電測速電路 第 5頁 共 44頁 TtD 1? (31) 則電機(jī)的平均速度為 DVmaxVa ?? (32) 其中 Va 指的是電機(jī)的平均速度； Vmax 是指電機(jī)在全通電時的最大速度； D是指占空比。 由上面的公式 (32)可見，當(dāng)我們改變占空比 D 時，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說，平均速度 Vd 與占空比 D 并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中可以將其近似地看成是線性關(guān)系。 單片機(jī) 片內(nèi)軟件生成 PWM 信號 PWM 信號可以采用單片機(jī)定時中斷的方式軟件模擬產(chǎn)生，這樣實(shí)現(xiàn)比較容易，電路簡單，也可以節(jié)約硬件成本，也有一些單片機(jī)有了片內(nèi)的專用 PWM 模塊了 ， 但是這樣的單片機(jī)價格稍高。使用軟件模擬產(chǎn)生 PWM 信號時候，會占用單片機(jī)的片內(nèi)資源造成單片機(jī)資源不夠用。最主要的是在 PWM 調(diào)制頻率較高的時候，頻繁的中斷和定時操作，或造成單片機(jī)繁忙，響應(yīng)延遲，嚴(yán)重影響單片機(jī)的性能，達(dá)不到控制要求。 單片機(jī)外硬件生成 PWM 信號 PWM信號可以通過鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波信號與可控的調(diào)制信號經(jīng)比較器比較后可以得到相 應(yīng)占空比的 PWM 信號。這一調(diào)制信號由單片機(jī)發(fā)生后經(jīng)過DAC 芯片 D/A 轉(zhuǎn)換即可產(chǎn)生。使用 TL494 加外圍元件組成鋸齒波發(fā)生器；選用串行 DAC 芯片 TLC5615 為 D/A 轉(zhuǎn)換芯片，僅有 3 個引腳和單片機(jī)的 IO 口相連，可以很大程度上節(jié)約單片機(jī) IO 口資源； D/A 轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)過運(yùn)放 LM358AQ前后級隔離并 整形后得到一個直流電壓即為占空比調(diào)制信號；比較器采用LM311， 調(diào)制信號和鋸齒波信號經(jīng)過比較器比較后得到符合控制要求的 PWM 信號。與軟件產(chǎn)生 PWM 的方案相比不占用單片機(jī)片內(nèi)資源，可以在產(chǎn)生高速的PWM 信號 。 第 6頁 共 44頁 圖 PWM 產(chǎn)生原理圖 （ ） 脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的