【正文】 1 摘 要 本文主要研究了利用 MCS51系列單片機(jī)控制 PWM信號從而實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。文章中采用了專門的芯片組成了 PWM 信號的發(fā)生系統(tǒng)，并且對 PWM 信號的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對 PWM 信號占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號波形等均作了詳細(xì)的闡述。此外，本文中還采用了芯片 IR2112S 作為直流電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的驅(qū)動模塊來完成了在主電路中對直流電機(jī)的控制。另外，本系統(tǒng)中使用了光電編碼器對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，經(jīng)過濾波電路后，將測量值送到A/D 轉(zhuǎn)換器，并且最終作為反饋值輸 入到單片機(jī)進(jìn)行 PI 運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了對直流電機(jī)速度的控制。在軟件方面，文章中詳細(xì)介紹了 PI 運(yùn)算程序， 單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 波形的程序， 初始化程序等的編寫思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn) ， M 法數(shù)字測速及動態(tài) LED 顯示程序設(shè)計， A/D 轉(zhuǎn)換程序及動態(tài)掃描 LED 顯示程序和故障檢測程序及流程圖。 關(guān)鍵詞： PWM 信號 直流調(diào)速 雙閉環(huán) PI 調(diào)節(jié) 前 言 本文主要研究了利用 MCS51 系列單片機(jī)，通過 PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法。 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論 為理論基礎(chǔ)，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和 2 自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(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) 獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為 PWM 控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。文章中采用了專門的芯片組成了 PWM 信號的發(fā)生系統(tǒng)，然后通過放大來驅(qū)動電機(jī)。利用編碼器測得電機(jī)速度，經(jīng)過濾波電路得到直流電壓信號，把電壓信號輸 入給 A/D 轉(zhuǎn)換芯片最后反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行 PI 運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。 第一章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 第一節(jié) 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)方案選擇與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 調(diào)速方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)調(diào)速的質(zhì)量。根據(jù)電機(jī)的型號及參數(shù)選擇最優(yōu)方案，以確保系統(tǒng)能夠正常，穩(wěn)定地運(yùn)行。 本系統(tǒng)采用 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)無靜差，調(diào)速范圍 01500r/min,電流過載倍數(shù)為 倍，速度控制精度為 %（額定轉(zhuǎn)速時）。 系統(tǒng)控制對象的確定 本次設(shè)計選用 直流電動機(jī)的額定參數(shù) 直流電動機(jī)的額定參數(shù) PN=15kW、 UN=440V、IN=、 nN=1510 r/min，電流過載倍數(shù) λ=。電樞回路總電阻為 R=Ra+Rrec=，系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù) Tm=，電磁時間常數(shù) Tl=，電動勢系數(shù) Ce=*min/r。 電動機(jī)供電方案選擇 3 變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱 GM 系統(tǒng)，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。適用于調(diào)速 要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。用靜止的可控整流器，例如，晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流靜止可控整流器又稱 VM 系電壓。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變 Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用 PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。 與 V— M 系統(tǒng)相比， PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： 一、 主電路線路簡單，需要的功率器件少； 二、 開端頻率高 ，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。? 三、 低速性能好，穩(wěn)速精度該，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1： 10000 左右； 四、 若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)； 五、 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高； 六、 直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流高。 本設(shè)計應(yīng)脈寬調(diào)速要求，采用直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 晶體管 PWM 功率放大器方案選擇 方案一 單極性 控制方式，這種控制方式 的特點(diǎn)是在一個開關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補(bǔ)開關(guān)，保證可以得到 理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開關(guān)損耗。但又不是固定其中一個橋臂始終為低頻 (輸出基頻 )，另一個橋臂始終為高頻 (載波頻率 )，而是每半個輸出電壓周期切換工作，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對于選用同樣的功率管時，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利。 方案二 雙極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是 4 個功率管都工作在較高頻率 (載波頻率 )， 雙極性控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點(diǎn)： 1） 電流一定連續(xù)； 2） 可使電機(jī)在四象限運(yùn)行； 3） 電機(jī)停止時有微振電流，可以消除靜摩擦死區(qū)； 4 4） 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1： 20210 左右； 5） 低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于器件的可靠導(dǎo)。 本設(shè)計選用雙極性控制的橋式可逆 PWM 變換器。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 電路 原理 隨著調(diào)速系統(tǒng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)的采用 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)，又能較快的動態(tài)響應(yīng)只能滿足一般生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速要求。為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短起動、制動、反轉(zhuǎn)過渡過程的時間，最好的辦法是在過渡過程中始終保持電流（即動態(tài)轉(zhuǎn)矩 ）為允許的最大值，使系統(tǒng)盡最大可能加速起動，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)上述要求，其唯一的途徑就是采用電流負(fù)反饋控制方法，即采用速度、電流雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在電流控制回路中設(shè)置一個調(diào)節(jié)器，專門用于調(diào)節(jié)電流量，從而在調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制。雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)中采用了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)現(xiàn)串級連接。 圖 1－ 為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器 ASR 和 ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和 電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。 兩個調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅， ASR 的輸出限幅什 Uim決定了電流調(diào)節(jié)器 ACR 的給定電壓最大值 Uim，對就電機(jī)的最大電流；電流調(diào)節(jié)器 ACR 輸出限幅電壓 Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角 α。 5 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如 圖 所示。圖中 ASR()Ws和 ACR()Ws分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則有 nA S R n n 1() sW s K s? ? ?? （ 11） iA C R i i 1() sW s K s?? ?? （ 12） 為了引出電流反饋，在電動機(jī)的動態(tài)框圖中必須把電樞電流 dI 顯露出來。 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 方框圖 根據(jù)設(shè)計要 求，本系統(tǒng)設(shè)計為全數(shù)字式控制方式，因此要求微型計算機(jī)完成：電流環(huán)控制器運(yùn)算、速度環(huán)控制器運(yùn)算、位置環(huán)控制器運(yùn)算，以及與它們相應(yīng)的反饋信號的采樣和數(shù)字信號處理。 6 本系統(tǒng)采用霍爾元件作為檢測電動機(jī)電樞電流的傳感器 ,其電流容量為 50A,轉(zhuǎn)換比例為 1000： 1。霍爾元件檢測得到的弱電流信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、濾波、放大后 ,變成與電樞電流成比例的 0~5V的直流電壓信號 ,再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換電路 ,將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ,輸入微型計算機(jī)。 本系統(tǒng)選用光電脈沖信號發(fā)生器作為速度反饋的測量元件 ,光電脈沖信號發(fā)生器將電動機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移量轉(zhuǎn) 換成脈沖序列 ,通過計數(shù)器定時計數(shù)即可得到電動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字式反饋量。本系統(tǒng)由微型計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制 ,用全數(shù)字方式來取代傳統(tǒng)的模擬控制方式 ,不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性 ,而且還為整個系統(tǒng)的多功能、智能化提供了必要條件。 經(jīng)上述考慮 ,本系統(tǒng)組成的方框圖如圖 所示。 圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)方框圖 數(shù)字式雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 數(shù)字式位置控制器 數(shù)字式速度控制器 數(shù)字式電流控制器 數(shù)字式 PWM信號發(fā)生器 PWM 功率放大器 M 信號轉(zhuǎn)換濾波放大 A/D 轉(zhuǎn)換 . PG 光電隔離倍頻變向 位置可逆計數(shù)器 數(shù)字式速度測量計數(shù)器 位置給定 + 霍爾元件 + 7 圖 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 8051 單片機(jī)簡介 本系統(tǒng)要求微型計算機(jī)完成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制算法運(yùn)算以及相應(yīng)的反饋信號數(shù)字化測量和采樣 ,接收和處理上位微型計算機(jī)送給伺服系統(tǒng)的指令 ,采集伺服系統(tǒng)的有關(guān)信息并反饋到上位微型計算機(jī)等。其中 ,電流環(huán)控制要求微型計算機(jī)有很快的響應(yīng)速度 ,其采樣頻率比較高。另外 ,為了保證足夠的控制精度和運(yùn)算速度 ,對微型計算機(jī)字長和指令功能也有更高的要求。本系統(tǒng)選用我們比較熟悉的 8051 作為微型計算機(jī)。 1． 8051 單片機(jī)的 基本組成 8051 單片機(jī)由 CPU 和 8 個部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU 加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存 8 器 的 集 中 控 制 方 法 。 其 基 本 組 成 如 下 圖 所 示 ： 圖 8051 單片機(jī)基本組成 2． CPU 及 8 個部件的作用功能介紹如下 中央處理器 CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器： 8051 芯片中共有 256 個 RAM 單元，能作為存儲器使用的只是前 128個單元，其地址為 00H— 7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前 128 個 單元，簡稱內(nèi)部 RAM。 特殊功能寄存器：是用來對片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個特殊功能的 RAM 區(qū)，位于內(nèi)部 RAM 的高 128 個單元，其地址為 80H— FFH。 內(nèi)部程序存儲器： 8051 芯片內(nèi)部共有 4K 個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部 ROM。 并行 I/O 口： 8051 芯片內(nèi)部有 4 個 8 位的 I/O 口（ P0， P1， P2， P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。 串行口：它是用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。 定時器： 8051 片內(nèi)有 2 個 16 位的定時器，用來實(shí)現(xiàn)定時或者計數(shù)功 能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機(jī)進(jìn)行控制。 中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有 5 個中斷源，即外部中斷 2 個，定時 /計數(shù)中斷 2 個和串行中斷 1 個。 振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成 8051 單片機(jī)產(chǎn)生時鐘脈沖序列的時鐘 9 電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為 12MHz。 3． 8051 單片機(jī)引腳圖 8051 單片機(jī)引腳圖 第二節(jié) 主電路的設(shè)計及參數(shù)計算 由于給定直流 電動機(jī)的額定電壓為 230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相 降 壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采 用 Δ /Y 聯(lián)結(jié)。 整流變壓器的計算與設(shè)計 變壓器二次側(cè)電壓： U2的確定原則是要保證在電動機(jī)的整個起動過程中，整流裝置都能夠提供要求的最大電流值 *Idnom，忽略 IGBT 壓降和換相重疊壓降后可列出下列公式： 電動機(jī) Ce= Udm=*U2Ce*Nn+Idm 考慮到電網(wǎng)電壓波動，取波動系數(shù)為 0 .95，則有 : U2=(Ce*Nn+Idm*R)/=(0270*1510+**)/(*)= 整流器視在功率： Sn=3u2I2=3***= KVA 10 故1 13NSI u?，變壓器一次側(cè)電壓一般由供電電源決定取 u1=220V 1 13NSI u?=*100