【正文】 濟地調(diào)節(jié) [2]。 高性能的微處理器如 DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR 即數(shù)字信號處理器 )的出現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，使電機傳動的自動化程度大為提高。在先進的數(shù)控機床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如 DSP 等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達數(shù)百萬兆以上每秒，且具有適合的矩陣運算 [2]。 直流電動機調(diào)速概述 直流電機調(diào)速原理 c r cn RU TC C C???? 內(nèi)直流電動機根據(jù)勵磁方式不同，直流電動機分為 自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電動機機械特性曲線有所不同。但是對于直流電動機的轉(zhuǎn)速有以下公式： 其中： u — 電壓； R內(nèi)— 勵磁繞組本身的電阻； ? — 每極磁通 (Wb)；Cc— 電勢常數(shù)； Cr— 轉(zhuǎn)矩常量 [3]。由上式可知，直流電機的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場 控制法。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制 [4]，而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差 [5]。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的方法是電樞控制法。 圖 11 直流電機的工作原理圖 電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機的電樞上，以控制電機的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻，通過調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達到調(diào)速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而 經(jīng)濟效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大 [6]。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓等等。調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制 (PWM)應(yīng)用更為廣泛。脈寬調(diào)速利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，因此， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 圖 12 電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖 根據(jù)圖 1，如果電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為 maxV ，占空比為 D= 1t /T，則電機的平均速度為： D maxV =V *D ，可見只要改變占空比 D，就可以得到不同的電機速度，從而達到調(diào)速的目的 [7]。 直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)方式 Ⅰ、 基于晶閘管作為主電路的調(diào)速系統(tǒng) 晶閘管的調(diào)速系統(tǒng)是采用分離元件設(shè) 計的調(diào)速系統(tǒng)占用的空間大，控制角難于調(diào)整，且模擬器件的固有缺陷如：溫漂、零漂電壓等，導(dǎo)致電機的調(diào)速無法達到滿意的結(jié)果。晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難，性能較差，自動化控制程度差，調(diào)速過程較為復(fù)雜，不利于工業(yè)生產(chǎn)和小功率電路中采用。另一問題是當(dāng)晶閘管導(dǎo)通角很小時，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動殃及同電網(wǎng)中的用電設(shè)備，造成 ―電力公害 ‖。 Ⅱ 、 基于 PWM 為主控電路的調(diào)速系統(tǒng) 與傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)相比較， PWM(脈寬調(diào)制技術(shù) )直流調(diào)速 系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需要的功率元件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強；主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。 PWM 信號的產(chǎn)生通常有兩種方法 :一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。 基于單片機類由軟件來實現(xiàn) PWM：在 PWM 調(diào)速系統(tǒng)中占空比 D 是一個重要參數(shù)在電源電壓 dU 不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比 D 的大小 ，改變 D 的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達到調(diào)速的目的。改變占空比 D 的值有三種方法： A、定寬調(diào)頻法：保持 1t 不變，只改變 t，這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變 [7]。（ 圖 1） B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持 t 不變，只改變 1t ，這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變[7]。（ 圖 1） C、 定頻調(diào)寬法：保持周期 T(或頻率 )不變，同時改變 1t 和 t[7]。（ 圖 1） 前兩種方法在調(diào)速時改變 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，將會引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來改變占空比從而改變直流電動機電樞兩端電壓。利用單片機的定時計數(shù)器外加軟件延時等方式來實現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡化硬件電路，操作性強等優(yōu)點。 系統(tǒng)方案比較與選擇 方案一：采用專用 PWM 集成芯片、 IR2110 功率驅(qū)動芯片構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心，現(xiàn)在市場上已經(jīng)有很多種型號，如 Tl 公司的 TL494 芯片，東芝公司的 ZSK313I 芯片等。這些芯片除了有 PWM 信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)” 調(diào)節(jié)功能、過流過壓保護功能等。這種專用 PWM 集成芯片可以減輕單片機的負(fù)擔(dān)，工作更可靠，但其價格相對較高，難于控制工業(yè)成本不宜采用。 方案二：采用 MC51 單片機、功率集成電路芯片 L298 構(gòu)成直流調(diào)速裝置。 L298 是雙 H 高電壓大電流功率集成電路，直接采用 TTL邏輯電平控制，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電動機、步進電動機等電感性負(fù)載。其驅(qū)動電壓為 46V，直流電流總和為 4A。該方案總體上是具有可行性，但是 L298 的驅(qū)動電壓和電流較小，不利于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)實踐中大電壓、大電流的直流電機調(diào)速。 方案三： 采用 MC51 單片機、 IR2110 功率驅(qū)動芯片構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速。 MC51 具有兩個定時器 T0 和 T1[9]。通過控制定時器初值 T0 和 T1，從而可以實現(xiàn)從任意端口輸出不同占空比的脈沖波形。 MC51 控制簡單，價格廉價，且利用 MC51 構(gòu)成單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，可縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。 IR2110 是專門的 MOSFET 管和 IGBT 的驅(qū)動芯片，帶有自舉電路和隔離作用，有利于和單片機聯(lián)機工作，且 IGBT 的工作電流可達 50A，電壓可達 1200V[10]，適合工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。 綜合上述三種方 案，本設(shè)計采用方案三作為整個系統(tǒng)的設(shè)計思路。但是由于系統(tǒng)要實現(xiàn)雙閉環(huán) PID 控制，所以測速中占用了兩個定時器， T0和 T1，如果再將 PWM 波形產(chǎn)生交給 MSC51 則會加大軟件的任務(wù)，并且影響整個系統(tǒng)的控制效果。因此這里考慮單獨設(shè)計一個 PWM 波形發(fā)生電路，單片機對它只提供控制參數(shù)以改變其占空比。 系統(tǒng)方案描述 本系統(tǒng)采用 MC51 為控制核心，配以 2*3 鍵盤，通過 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器對主干驅(qū)動電路進行速度設(shè)定反饋，電流設(shè)定和過電流保護。同時利用 MC51 以及 PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的 PWM經(jīng)過邏輯延遲電路后加載到以 IR2110 為驅(qū)動核心， IGBT 構(gòu)成的 H 橋主干電路上實現(xiàn)對直流電機的控制和調(diào)速，并且系統(tǒng)利用霍爾傳感器制成速度與電流反饋環(huán)節(jié)來實現(xiàn)點擊的 PID 控制。本系統(tǒng)的控制部分為 5V的弱電而驅(qū)動電路和負(fù)載電路為110V以上的直流電壓因此在強弱電之間、數(shù)據(jù)采集之間分別利用了帶有驅(qū)動功能的光耦 TLP250 和線性光耦 PC817 實現(xiàn)強弱電隔離，信號串?dāng)_。具體電路框圖如下圖 21 圖 21 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖 PWM 波形產(chǎn)生模塊 MSC51 鍵盤控制 5V直流電源 18V 直流電源 直流電機 IR2110 驅(qū)動電路 霍爾測速傳感器 霍爾電流傳感器 AD轉(zhuǎn)換 M 延時電路 PWM 信號發(fā)生電路 PWM 的基本原理 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。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉(zhuǎn)速。也正因為如此， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 如下圖所示： 圖 31 PWM 脈沖圖 設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設(shè)占空比為 D= t1 / T，則電機的平均速度為 Va = Vmax * D，其中 Va指的是電機的平均速度； Vmax 是指電機在全通電時的最大速度； D = t1 / T 是指占空比。 由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比 D = t1 / T 時，就可以得到不同的電機平均速度 Vd，從而達到調(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，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。 PWM 信號發(fā)生電路 設(shè)計 圖 32 PWM 信號發(fā)生電路設(shè)計整體圖 PWM 波可以由具有 PWM 輸出的單片機通過編程來得以產(chǎn)生，也可以采用 PWM 專用芯片來實現(xiàn)。當(dāng) PWM 波的頻率太高時，它對直流電機驅(qū)動的功率管要求太高，而當(dāng)它的頻率太低時，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實際應(yīng)用中，當(dāng) PWM波的頻率在 18KHz 左右時，效果最好。在本系統(tǒng)內(nèi)，采用了兩片 4 位數(shù)值比較器 4585 和一片 12 位串行計數(shù)器 4040 組成了 PWM信號發(fā)生電路。 兩片數(shù)值比較器 4585，即圖上 U U3的 A 組接 12 位串行 4040 計數(shù)輸出端 Q2— Q9，而 U U3 的 B 組接 到單片機的 P1端口。只要改變 P1 端口的輸出值，那么就可以使得 PWM 信號的占空比發(fā)生變化，從而進行調(diào)速控制。 12 位串行計數(shù)器 4040 的計數(shù)輸入端 CLK 接到單片機 C51 晶振的振蕩輸出 XTAL2。計數(shù)器 4040 每來 8個脈沖，其輸出 Q2— Q9加 1，當(dāng)計數(shù)值小于或者等于單片機 P1 端口輸出值 X 時，圖中 U2 的（ AB）輸出端保持為低電平，而當(dāng)計數(shù)值大于單片機 P1 端口輸出值 X時，圖中 U2的（ AB）輸出端為高電平。隨著計數(shù)值的增加， Q2— Q9由全“ 1”變?yōu)槿?0”時，圖中 U2 的（ AB）輸出端又變?yōu)榈碗娖剑@樣就在 U2 的 （ AB）端得到了PWM 的信號，它的占空比為（ 255 X / 255） *100%，那么只要改變 X 的數(shù)值，就可以相應(yīng)的改變 PWM 信號的占空比，從而進行直流電機的轉(zhuǎn)速控制。 使用這個方法時，單片機只需要根據(jù)調(diào)整量輸出 X的值，而 PWM 信號由三片通用數(shù)字電路生成，這樣可以使得軟件大大簡化，同時也有利于單片機系統(tǒng)的正常工作。由于單片機上電復(fù)位時 P1 端口輸出全為“ 1”，使用數(shù)值比較器 4585 的 B 組與 P1端口相連，升速時 P0 端口輸出 X 按一定規(guī)律減少，而降速時按一定規(guī)律增大。 PWM 發(fā)生電路主要芯片的工作 原理 （ 1）．芯片 4585 ① 芯片 4585 的用途： 對于 A 和 B 兩組 4位并行數(shù)值進行比較，來判斷它們之間的大小是否相等。 ② 芯片 4585 的功能表： 輸入 輸出 比較 級取 A B3 A B2 A B1 A0、 B0 AB A=B AB AB A=B AB A3B3 * * * * * 1 0 0 1 A3=B3 A2B2 * * * * 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1B1 * * * 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0B0 * * 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0=B0 0 0 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0=B0 0 1 0 0 1 0 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0B0 1 0 0 1 0 0 A3=B3 A2=B2 A1B1 * * * * 1 0 0 A3=B3 A2B2 * * * * * 1 0 0 A3B3 * * * * * * 1 0 0 圖 33 芯片 4585 的功能表 ③ 芯片 4585 的引腳圖： 圖 34芯片 4585 的引 腳圖 （ 2）芯片 4040 ① 芯片 4040 是一個 12 位的二進制串行計數(shù)器，所有計數(shù)器位為主從觸發(fā)器，計數(shù)器在時鐘下降沿進行計數(shù)。當(dāng) CR 為高電平時，它對計數(shù)器進行清零，由于在時鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，故對脈沖上升和下降時間沒有限制，所有的輸入和輸出均經(jīng)過緩沖。 芯片 4040 提供了 16 引線多層陶瓷雙列直插、熔封陶瓷雙列直插、塑料雙列直插以及陶瓷片狀載體等 4種封裝形式。