【正文】 直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案第1章 前 沿 課題研究的背景及意義直流電動(dòng)機(jī)以其良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，在許多調(diào)速要求較高、要求快速正反向、以蓄電池為電源的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，雖然高性能交流調(diào)速技術(shù)得到了很快的發(fā)展，在某些領(lǐng)域交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。然而直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)不僅在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，目前還在應(yīng)用，比如軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車(chē)等都還有用直流電機(jī)；而且從控制規(guī)律的角度來(lái)看，交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方式是建立在直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，從某種意義上說(shuō)有相似的地方。因此，掌握和了解直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律和方法是非常必要的。從生產(chǎn)機(jī)械的要求的角度看，電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)分為調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)等多種類(lèi)型。而各種系統(tǒng)大多都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)最基本的系統(tǒng)[1]。從直流電機(jī)在國(guó)民生產(chǎn)生活中所占位置的角度來(lái)看，直流電機(jī)目前依舊應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，并廣泛應(yīng)用于人們的生活中。因此直流電機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展很大程度上影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，影響著人們的生產(chǎn)生活水平，因此，對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究還是很有必要的。 課題發(fā)展歷程及趨勢(shì)在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里直流電動(dòng)機(jī)作為最主要的電力拖動(dòng)工具，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的各個(gè)方面。早期電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器主要由模擬器件構(gòu)成，由于模擬器件存在的固有缺點(diǎn)，比如存在溫漂，零漂電壓等，使系統(tǒng)控制精度和可靠性降低。后來(lái)，隨著可編程控制器比如AT89C51，PLC等和IGBT、GTR等電力電子開(kāi)關(guān)器件，傳感器技術(shù)等的發(fā)展使得直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入了數(shù)字控制的階段，這使得直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，從而出現(xiàn)了各種控制算法，比如比較經(jīng)典的PID調(diào)節(jié)算法和后來(lái)的模糊控制算法等，這些領(lǐng)域的發(fā)展使得直流電機(jī)調(diào)速的精度和可靠性能大大提高，它取代了常規(guī)的模擬檢測(cè)、顯示等單元，基本上實(shí)現(xiàn)了智能化，使被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程按照規(guī)定的方式運(yùn)行，已經(jīng)能夠滿(mǎn)足絕大部分的工作要求，這使得以微控制器為核心的控制系統(tǒng)成為工業(yè)生產(chǎn)中控制系統(tǒng)的主流。90年代由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用PC機(jī)的軟硬件資源開(kāi)發(fā)出來(lái)的控制系統(tǒng)具有更高的精度和可靠性，處理速度更高，需要的外圍單元更少，這使得直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)向著更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外主要電氣公司，如瑞典ABB公司，日本三菱，德國(guó)西門(mén)子，AEG公司，美國(guó)GE公司均已開(kāi)發(fā)出數(shù)字式直流調(diào)速裝置，開(kāi)發(fā)出各種各樣的系列化，模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用產(chǎn)品供選用，使得直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加方便，更加簡(jiǎn)單，精度更高，可靠性更好。在今后的時(shí)間里，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)會(huì)朝著更高的精度，更好的可靠性，更加智能化，網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。本次課題正是結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求，以直流電機(jī)電機(jī)為被控對(duì)象，以自動(dòng)控制理論為基礎(chǔ)，結(jié)合大學(xué)所學(xué)知識(shí)，通過(guò)軟件程序的編寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。 本章小結(jié)本章主要介紹了從多個(gè)方面研究直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義，并且介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，以及直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)今后的發(fā)展方向及前景。從而確定了本次課題研究的意義和目的。第2章 設(shè)計(jì)方案的選擇 本次設(shè)計(jì)以STC89C52為核心，自動(dòng)控制原理為基礎(chǔ)，PWM調(diào)速為方法，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，用鍵盤(pán)設(shè)定一個(gè)一定范圍內(nèi)的速度，直流電機(jī)會(huì)按照給定速度運(yùn)行，并最終達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，并能夠?qū)﹄姍C(jī)的電樞電流進(jìn)行檢測(cè)顯示并能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行電流保護(hù)。 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速方式的選擇直流電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為： （21）由上式可知，直流電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方案有：方案一：調(diào)節(jié)電樞兩端電壓；方案二：減弱勵(lì)磁磁通；方案三：改變電樞回路電阻；改變電樞回路電阻的方法只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，減弱磁通雖然能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，但是調(diào)速范圍不大，因此直流電機(jī)調(diào)速最好的方法是調(diào)節(jié)電樞兩端的電壓，能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，且調(diào)速范圍寬[2]。因此，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求要實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，選擇方案一調(diào)節(jié)電樞兩端電壓的方式來(lái)進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速。 直流調(diào)速系統(tǒng)可控直流電源的選擇 直流電機(jī)所用的電源為直流電源，而如何得到直流電源有以下方法：方案一：采用晶閘管整流器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng),通過(guò)調(diào)節(jié)可控觸發(fā)裝置晶閘管的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流器輸出的平均電壓，即電樞兩端電壓，以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速；方案二：脈寬調(diào)制變換器直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，用脈沖寬度調(diào)制的方法把給定的恒定的直流電壓調(diào)制成頻率一定，寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變電樞兩端的平均電壓，以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的平滑調(diào)速；方案一中的晶閘管是單向?qū)щ姷模o電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行帶來(lái)極大的困難，在可逆運(yùn)行中，需要采用正反兩組可控整流電路；晶閘管對(duì)過(guò)電壓和過(guò)電流以及過(guò)高和十分敏感，任何一項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)其允許值都會(huì)使晶閘管燒壞；當(dāng)電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，系統(tǒng)功率因數(shù)變小，在交流側(cè)產(chǎn)生較大諧波電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，因此要在電網(wǎng)中增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置；由于電壓波形的脈動(dòng)，使得電流波形也會(huì)脈動(dòng)，因此要設(shè)置一個(gè)電感量足夠大的平波電抗器；電路比較復(fù)雜。方案二中開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電動(dòng)機(jī)損耗和發(fā)熱都較少；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高；變換器的開(kāi)關(guān)頻率高，電流脈動(dòng)幅值不大，再影響到反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)速，波動(dòng)就更小了；具有低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬的優(yōu)點(diǎn)；電路比較簡(jiǎn)單。綜合考慮，本次設(shè)計(jì)采用方案二直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇 對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)有很多種方法，然而根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇一個(gè)合適的方法很重要：方案一：用繼電器來(lái)啟動(dòng)和停止電機(jī)，通過(guò)不斷的切換繼電器的開(kāi)和關(guān)來(lái)對(duì)電機(jī)調(diào)速，這種方案電路簡(jiǎn)單，但是繼電器響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，只能在開(kāi)關(guān)頻率低時(shí)使用，機(jī)械結(jié)構(gòu)易磨損；方案二：用功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的H橋來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率高，響應(yīng)時(shí)間短，能夠快速響應(yīng)給定，系統(tǒng)滯后時(shí)間短，通過(guò)單片機(jī)輸出PWM波來(lái)控制H橋開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)和關(guān)，從而改變直流電機(jī)電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的?？紤]到PWM波的頻率問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)采用方案二，應(yīng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。 PWM實(shí)現(xiàn)方式 PWM波的實(shí)現(xiàn)方法主要分為硬件和軟件兩種實(shí)現(xiàn)方法，而硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方法又是多種多樣的，由于條件限制，我們能采取的實(shí)現(xiàn)方法主要有：方案一：應(yīng)用單片機(jī)用軟件延時(shí)的方式產(chǎn)生PWM波，這種方法比較占用處理器的資源，并且精度不高；方案二：采用模擬PWM波形發(fā)生器芯片產(chǎn)生PWM波，通過(guò)單片機(jī)給定來(lái)改變輸出的PWM波的占空比，這種方法控制簡(jiǎn)單，精度也比較高，但是需要外圍的PWM波發(fā)生電路；方案三：應(yīng)用單片機(jī)的定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生PWM波，對(duì)定時(shí)器賦不同的初始值來(lái)改變PWM波的占空比，從而實(shí)現(xiàn)PWM的定頻調(diào)寬，這種方式精度比較高，單片機(jī)內(nèi)部帶有定時(shí)器，使用方便簡(jiǎn)單。通過(guò)對(duì)三種方案的比較，本次設(shè)計(jì)最終選擇方案三來(lái)產(chǎn)生PWM波。 H橋可逆斬波調(diào)速系統(tǒng)調(diào)制方式 H橋可逆斬波控制的方法有很多種，也各有其優(yōu)缺點(diǎn)，供我們選擇的方案有：方案一：?jiǎn)螛O性脈寬調(diào)制方式，通過(guò)控制直流電壓的極性來(lái)改變輸出電壓的極性，這種控制方式要求直流電壓極性控制和脈寬調(diào)制信號(hào)配合使用比較麻煩，并且要進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)要求外加直流電源極性變化；方案二：雙極性脈寬調(diào)制方式，這種方式通過(guò)改變控制信號(hào)的占空比來(lái)進(jìn)行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，當(dāng)占空比大于時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，小于時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，等于時(shí)，電機(jī)停止，這種調(diào)制方式電機(jī)電流一定連續(xù)；可以使電機(jī)在四象限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微震電流，恩能夠消除靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)調(diào)速范圍寬可以達(dá)到1:20000左右；低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通，但是這種調(diào)速方式在工作過(guò)程中4個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大；在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故[3]。通過(guò)綜合考慮，本次設(shè)計(jì)最終采用方案二雙極性脈寬調(diào)制方式，雖然雙極性有其自身的缺點(diǎn)，但在一定程度上不影響直流電機(jī)的調(diào)速，并且對(duì)于上、下橋臂直通的事故，可以通過(guò)軟件的編程來(lái)避免，在本次設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)對(duì)L298使能端的控制來(lái)達(dá)到防止上、下橋臂直通事故。 顯示模塊的選擇 在現(xiàn)在的生活中，用來(lái)顯示的東西也是各種各樣，基本的顯示器件如下：方案一：采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，價(jià)格相對(duì)便宜，亮度高，顯示數(shù)字簡(jiǎn)單，但是顯示字母就不是很方便，并且連線復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜；方案二：采用點(diǎn)陣進(jìn)行顯示，點(diǎn)陣是由發(fā)光二極管組成，顯示字母，漢字比較方便，但是顯示數(shù)字浪費(fèi)資源，并且價(jià)格相對(duì)較高；方案三：用LCD進(jìn)行顯示，LCD顯示程序簡(jiǎn)單，無(wú)需驅(qū)動(dòng)電路，功能強(qiáng)大，可以顯示字符，數(shù)字以及各種圖形，亮度比較高，連線很方便。 通過(guò)比較，根據(jù)對(duì)各種方案熟悉程度和設(shè)計(jì)要求選擇方案三，用LCD1602進(jìn)行顯示。 鍵盤(pán)作為輸入設(shè)備，是大多電子產(chǎn)品的輔助物品，然而鍵盤(pán)的實(shí)現(xiàn)方案有兩種：方案一：應(yīng)用獨(dú)立鍵盤(pán)，這種在鍵盤(pán)數(shù)量大于四的時(shí)候會(huì)占用較多的I/O口，但是其編程簡(jiǎn)單；方案二：應(yīng)用矩陣鍵盤(pán)，這種鍵盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)鍵盤(pán)數(shù)量多的時(shí)候，應(yīng)用矩陣鍵盤(pán)可以大大節(jié)省I/O口，但是編程比較復(fù)雜；綜合考慮，本次設(shè)計(jì)只選用6個(gè)按鍵，采用獨(dú)立鍵盤(pán)得用6個(gè)I/O口，采用矩陣鍵盤(pán)只需5個(gè)I/O口，因此本次設(shè)計(jì)選用2*3矩陣鍵盤(pán)。 調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)方式選擇 根據(jù)所學(xué)知識(shí)，提供給我們實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的方式有兩種：方案一：選擇模擬器件搭建的模擬調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器由于模擬器件本身的缺陷比如存在溫漂、零漂電壓等，使得控制精度和控制的可靠性能大大降低，并且電路復(fù)雜，需要更多的元器件，但是這種調(diào)節(jié)器對(duì)程序要求不高，程序簡(jiǎn)單；方案二：用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，采用數(shù)字調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器能夠克服模擬器件的缺點(diǎn)，使得控制精度和可靠性提高，并且不需要外圍電路，電路簡(jiǎn)單，對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出限幅等都很方便。本次設(shè)計(jì)綜合考慮方案一和方案二的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇方案二來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器算法的實(shí)現(xiàn)方式 用單片機(jī)通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)PI調(diào)節(jié)器有兩種方法： 方案一：位置式算法，第k拍的輸出為，由公式可以看出比例部分只與當(dāng)前偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過(guò)去所有偏差的積累，這種算法結(jié)構(gòu)清晰，P和I兩部分作用分明，便于參數(shù)調(diào)整，但是這種算法在輸出需要限幅的情況下必須積分限幅和輸出限幅同時(shí)進(jìn)行，兩者缺一不可；方案二：增量式算法，第k拍的輸出為，由公式可以看出，這種算法只需在程序中保存上一拍的輸出即可，當(dāng)需要限幅時(shí)，只需對(duì)輸出限幅[4]。在不需要輸出限幅的情況下兩種算法都是一樣的，但是本次設(shè)計(jì)需要對(duì)輸出限幅，因此，本次設(shè)計(jì)采用方案二，因?yàn)榉桨付恍栎敵鱿薹?，?huì)使程序比較簡(jiǎn)單。 電機(jī)測(cè)速模塊的選擇用于電機(jī)測(cè)速的設(shè)備有很多，精度也不一樣，適合的場(chǎng)合也不一樣，因此選擇合適的電機(jī)測(cè)速方案是很必要的：方案一：利用測(cè)速發(fā)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，通過(guò)測(cè)量發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓來(lái)計(jì)算直流電機(jī)速度，這種測(cè)速方法需要一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換，電路比較復(fù)雜；方案二：利用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測(cè)速，通過(guò)對(duì)光電旋轉(zhuǎn)編碼器輸出電壓脈沖數(shù)量的檢測(cè)來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，這種方法電路簡(jiǎn)單，程序編寫(xiě)也不復(fù)雜；方案三：利用絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測(cè)速，這種編碼器通常用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，需要測(cè)量速度需要對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分，比較麻煩。通過(guò)比較，本次設(shè)計(jì)采樣方案二，利用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，通過(guò)對(duì)兩路脈沖相位的鑒別可以知道直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過(guò)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量來(lái)進(jìn)行測(cè)量，得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 數(shù)字測(cè)速方法的選擇 供我們選擇的數(shù)字測(cè)速的方案有：方案一：M法測(cè)速，這種測(cè)速方法是通過(guò)對(duì)一定的時(shí)間內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖輸出個(gè)數(shù),然后根據(jù)公式來(lái)計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種測(cè)速方法的分辨率與實(shí)際轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，它的最大誤差率為，因此它適合直流電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的速度測(cè)量。方案二：T法測(cè)速，這種測(cè)速方法是通過(guò)測(cè)出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個(gè)輸出脈沖之間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，它所計(jì)的是兩個(gè)脈沖時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算機(jī)發(fā)出的高頻時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，然后根據(jù)來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，它的分辨率和實(shí)際轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，分辨率越高，它的最大誤差率為,因此比較適合電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)直流電機(jī)的測(cè)速。 通過(guò)比較，方案二需要對(duì)單片機(jī)另外接時(shí)鐘脈沖芯片，電路比較復(fù)雜，并且適合低速運(yùn)行時(shí)，本次設(shè)計(jì)主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，我們是在直流電機(jī)的高速段實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，因此，我們選擇方案一M法測(cè)速。 電機(jī)電樞電流采集方案選擇直流電的采集方式主要是將電流轉(zhuǎn)換為電壓，讓后通過(guò)對(duì)電壓的測(cè)量來(lái)檢測(cè)電流，而電壓的采集的主要部分是A/D轉(zhuǎn)換，而A/D轉(zhuǎn)換有下列幾種可供選擇方案：方案一：工作方式為雙積分式A/D轉(zhuǎn)換芯片，這種芯片的轉(zhuǎn)換精度高，價(jià)格低廉；但是轉(zhuǎn)換速度較慢。方案二：工作方式為逐次逼近式式A/D轉(zhuǎn)換芯片，它的精度比較高，并且速度快。 通過(guò)比較，本次設(shè)計(jì)選擇方案二來(lái)進(jìn)行電流檢測(cè)。 本章小結(jié) 本章通過(guò)對(duì)系統(tǒng)某一功能實(shí)現(xiàn)的不同方法的比較，從而得到更加可靠合理的方法，主要包括顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、調(diào)節(jié)器算法等的多種實(shí)現(xiàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較，根據(jù)自身設(shè)計(jì)要求，選擇合適的方案，這是系統(tǒng)能夠成功的關(guān)鍵所在。