【正文】 刷，使轉(zhuǎn)動的電樞繞組得 以同外電路連接起來，并實(shí)現(xiàn)將外部直流電流轉(zhuǎn)化為電樞繞組內(nèi)的交流電流。通有電流的電樞繞組在磁場中受到電磁力矩的作用，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，起了能量轉(zhuǎn)換的樞紐作用，故稱 “電樞 ”。 在微型直流電動機(jī)中，也有用永久磁鐵作磁極的。機(jī)座也是磁路的一部分，常用鑄鋼制成。 （ 1）定子 定子就是發(fā)動機(jī)中固定不動的部分，它主要由主磁極、機(jī)座和電刷裝置組成。其中 ∑R 為勵(lì)磁回路的總電阻，它包括勵(lì)磁繞組的電阻和外加的調(diào)節(jié)電阻 Rr。由于在一定轉(zhuǎn)速下電機(jī)的感應(yīng)電動勢與磁通成正比 ,所以曲線 1 同時(shí)也就是電機(jī)的空載特性曲線 E 0=f(If)，即電機(jī)的感應(yīng)電動勢與勵(lì)磁電流 If 之間的關(guān)系 。并勵(lì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行自勵(lì)的條件和起勵(lì)過程如圖 1 和圖 2 所示。但如果原先電機(jī)內(nèi)部沒有磁場 ,它 就不可能產(chǎn)生電動勢，也就不可能進(jìn)行自勵(lì)。前一種方式，整流元件為二極管，如把它和交流勵(lì)磁機(jī)電樞繞組、同步電機(jī)勵(lì)磁繞組一起都裝在轉(zhuǎn)子上，則勵(lì)磁電流就可以直接由交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)整流橋輸入勵(lì)磁繞組 ,不再需要集電環(huán)和電刷，可構(gòu)成無刷勵(lì)磁系統(tǒng) ,為電機(jī)的運(yùn)行、維護(hù)帶來很多方便。 他勵(lì)式勵(lì)磁電源，原來常用直流勵(lì)磁機(jī)。同步電機(jī)按電網(wǎng)的情況 ,可以是轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組直流勵(lì)磁 ,也可以定子上由電網(wǎng)提供交流勵(lì)磁，一般以直流勵(lì)磁為主。勵(lì)磁的方式分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類。因此，從結(jié)構(gòu)上來看，任何電機(jī)都包括磁場部分和電路部分。因此，電機(jī)制造業(yè)中正在努力改善交流電動機(jī)的調(diào)速性能，并且大量代替直流電動機(jī)。直流發(fā)電機(jī) 通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動機(jī)則是作為原動機(jī)帶動各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。電動機(jī)的另一個(gè)研究單位德國西門子也在努力研究 ，幾乎也是在格拉姆成功的同一時(shí)間，西門子推出了電機(jī)車，這個(gè)不燒油的車在柏林工業(yè)展覽會上獲得一片喝彩聲。電動機(jī)最早先的樣子是在兩個(gè) U型磁鐵中間安裝了一個(gè)六臂輪，并在每個(gè)臂上帶兩根棒型磁鐵，通電后磁鐵的吸引力和 排斥力推動輪軸轉(zhuǎn)動。 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。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技 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。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。 single chip Microputer 。 本設(shè)計(jì)以上面提到的數(shù)字 PID 為基本控制算法，以單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 脈沖實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。 摘 要 在電氣時(shí)代 的今天，電動機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人們?nèi)粘Ｉ钪卸计鹬种匾淖饔?。同時(shí)利用 霍爾傳感器 將電機(jī) 速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。 hall position sensor 。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。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。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)。 電動機(jī)在雅克比手上還有進(jìn)一步的發(fā)展，他制造了一個(gè)大型的裝置為小艇提供動力，并在易北河上試航，雖然當(dāng)時(shí)的時(shí)速只達(dá)到了 公里，但這不影響電動機(jī)實(shí)驗(yàn)的成功。 直流電動機(jī)的 特點(diǎn) 直流勵(lì)磁的磁路在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測速電機(jī)、伺服電機(jī)等。不過，近年來在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機(jī)方面，已經(jīng) 取得了很大進(jìn)展。從上述原理可見，任何電機(jī)都體現(xiàn)著江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 電和磁的相互作用，是電、磁這兩個(gè)矛盾著的對立面的統(tǒng)一。 他勵(lì) 直流電動機(jī) 由獨(dú)立的電源為電機(jī)勵(lì)磁繞組提供所需的勵(lì)磁電流。如直流勵(lì)磁不足，則從電網(wǎng)輸入滯后的無功電流對電機(jī)補(bǔ)充勵(lì)磁；如直流勵(lì)磁過強(qiáng)，則電機(jī)就向電網(wǎng)輸出滯后的無功電流 ,使電機(jī)內(nèi)部磁場削 弱。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已較多地采用交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)半導(dǎo)體整流后對勵(lì)磁繞組供電的方式勵(lì)磁。當(dāng)然整流元件、快速熔斷器等器件在運(yùn)行中均處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，要承受相當(dāng)大的離心力，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。所以實(shí)現(xiàn)自勵(lì)的條件是電機(jī)內(nèi)部必須有剩磁。圖 1 是并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 原理接線圖。而曲線 2 為勵(lì)磁回路的電阻特性 U＝ If 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。主磁極是由主磁極鐵芯（極心和極掌）和勵(lì)磁繞組 組成，其作用時(shí)用來產(chǎn)生磁場。電刷是引入電流的裝置，其位置固定不變。 （ 2）轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是電動機(jī)的轉(zhuǎn)動 部分，主要由電樞和換向器組成。 換向器又稱整流子，是直流電動機(jī)的一種特殊裝置。 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 直流電動機(jī)的基本工作原理 導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。 后，導(dǎo)體 cd 轉(zhuǎn)到 N 極下，導(dǎo)體 ab 轉(zhuǎn)到 S 極下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A 流入，經(jīng)導(dǎo)體 cd 、 ab 后，從電刷B 流出。這就是直流電動機(jī)的工作原理。他勵(lì)電動機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞是分離的，分別由勵(lì)磁電源電壓 Uf 和電樞電源電壓 U 兩個(gè)直流供電；而在并勵(lì)電動機(jī)中兩者是并聯(lián)的，由同一電壓 U 供電。稱為： 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 13 并勵(lì)電動機(jī)的機(jī)械特性曲線 nnTKK RK Uk RIUK En TE aEE aaE ???????? 02???? 式中并勵(lì)電動機(jī)的起動與反轉(zhuǎn) ： 并勵(lì)電動機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其電樞電流位： aa REUI ?? 因電樞電阻 Ra 很小，所以電動機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，電源電壓 U與反電動勢 E近似相等。 限制起動電流的方法就是在起動時(shí)的電樞電路中串接起動電阻 Rst，見圖。 電動機(jī)的調(diào)速就是在同一負(fù)載下獲得不同的轉(zhuǎn)速，以滿足不同的要求。見圖 14 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 由于電動機(jī)一般是在額定狀態(tài)下運(yùn)行的，它的磁路已接近于飽和，所以在一定負(fù)載下，通常是減小磁通調(diào)速（ Φ＜ ΦN），轉(zhuǎn)速上調(diào)（ n＞ nN）。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H型電路保證了可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性 也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。 1957 年，晶閘 管（俗稱 “ 可控硅 ” ）問世，到了 60 年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（ VM 系統(tǒng)）。因此，在 60 年代到 70 年代，晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（ VM 系統(tǒng)）代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（ GM 系統(tǒng)），得到了廣泛的應(yīng)用。 檢測方案 選擇 電機(jī)控制系統(tǒng)中信號檢測是必不可少的，不僅開環(huán)控制狀態(tài)的極限控制需要，如過電流、過電壓、過熱和欠電壓等嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常工作的信號，而且對于絕大多數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)，狀態(tài)信 息的檢測更是不可缺少，即進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并利用檢測信號控制電機(jī)的正常運(yùn)行。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，常用的檢測信號主要有電流、電壓、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速等物理量。 （ 1）霍爾傳感器 由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上，稱之為霍爾傳感器。 上述效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，它是德國物理學(xué)家霍爾于 1879 年研究載流導(dǎo)體在磁場中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。 ? 線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。 當(dāng)外 加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動作點(diǎn) Bop 時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動作點(diǎn) Bop 以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn) BRP 時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健? 按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。 圖 29位移測量 如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，如圖 210所示，是按這一原理制成的力傳感器。根據(jù)脈沖信號的分布江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 可以測出車輛的運(yùn)動速度。同時(shí)， AT89S51可降至 0HZ 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。作為輸出口時(shí)，每位能驅(qū)動 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端用。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。 在訪問外部 程序存儲器或 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVE DPTR指令）時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4個(gè) TTL 邏輯門電路。 RST:復(fù)位輸入。 ALE/~PROG:當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)， ALE（地址所存允許）輸出脈沖用于所存地址的低 8位字節(jié)。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的 ~PSEN 信號。 如 EA 端為高電平（接 VCC 端）， CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 雙時(shí)鐘指針寄存器： 為更方便地訪問內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器，提供了兩個(gè) 16 位數(shù)據(jù)指針寄存器：DP0 位于 SFR（特殊功能寄存器）區(qū)塊中的地址 82H、 83H、和 DP1 位于地址 84H、85H，當(dāng) SFR中的位 DPS=0 選擇 DP0，而 DPS=1 則選擇 DP1。 ： 如果 EA引腳接地（ GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲器。外部復(fù)位時(shí)， WDT 默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，要打開 WDT，用戶必須按順序?qū)?01EH 和 0E1H 寫到 WDTRST 寄存器（ SFR地址為 0A6H），當(dāng)啟動了 WDT,它會隨晶體振蕩器在每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，除硬件復(fù)位或 WDT 溢出復(fù)位外沒有其它方法關(guān)閉 WDT,當(dāng) WDT 溢出，將使 RST 引腳輸出高電平的復(fù)位脈沖。 WDT 計(jì)數(shù)器既不可讀也不可寫，當(dāng) WDT溢出時(shí)，通常將 RST 引腳輸出高電平的復(fù)位脈沖。掉電模式下，用戶不能再復(fù)位 WDT。為防止中斷誤復(fù)位，當(dāng)器件復(fù)位，中斷引腳持續(xù) 為低時(shí)， WDT 并未開始計(jì)數(shù)，直到中斷引腳被拉高為止。為防止 AT89S51 從空閑模式中復(fù)位，用戶應(yīng)周期性地設(shè)置定時(shí)器，重新進(jìn)入空閑模式。異步通信在發(fā)送字符時(shí)，所發(fā)送的字符之間的時(shí)間間隔可以是任意的 。這些中斷如圖 1. 這些中斷源各自的禁止和使能位參見特殊功能寄存器的 IE。 ： AT89S51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。 用戶也可以采用外部時(shí)鐘。 ： 在空閑工作模式狀態(tài)， CPU 保持睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產(chǎn)生。為了避免在復(fù)位結(jié)束時(shí)可能對端口產(chǎn)生意外寫入，激活空閑模式的那條指令后一條指令不應(yīng)是一條對端口或外部存儲器的寫入指令。 ： AT89S51 可使用對芯片上的 3個(gè)加密位 LB LB LB3 進(jìn)行編程（ P）或不編程（ U） 。 PID 調(diào)節(jié)器 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被 控對象隨著負(fù)荷變化或干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。迄今為止，工業(yè)過程控制中最常用的反饋控制就是 PID控制。 PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。在過程控制中， 90%以上的控制回路采用 PID類型的控制器?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個(gè) PID反饋 回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。例如 :在廣泛使用的 DCS、 PLC和 FCS等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中， PID控制器采 用的是數(shù)字算式 。正是由于人們不斷地對 PID控制進(jìn)行改進(jìn)，才賦予了它更強(qiáng)的生命力，影響力最廣的 常規(guī)控制算法。 第二，由于 PID控制器有一個(gè)相對固定的結(jié)構(gòu)形式，一般僅有三個(gè)參數(shù)需要設(shè)置，不需要精確的數(shù)學(xué)模型 。控制技術(shù)的迅 速發(fā)展導(dǎo)致了控制系統(tǒng)的組合化。 第四，借助于電子管、半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)， PID控制器發(fā)生了許多變化，從過去的氣動式向今天的微處理器方向發(fā)展。 3． PID控制器的廣泛應(yīng)用 PID控制器已廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、熱工和輕工等領(lǐng)域，特別適用于具有典型動態(tài)特性的溫度、壓力、液位、流量等工藝參數(shù)的控制，可達(dá)到良好的控制效果。因此，熟練使用 PID控制是每個(gè)儀表與過程控制工程師的基本功，也是解決實(shí)際問題中主要手段之一。自整定是指 PID控制器參數(shù)可以根據(jù)操作員的需要或一個(gè)外部信號的要求自動進(jìn)行整定。盡管如此， PID控制器的設(shè)計(jì)和應(yīng) 用仍然面臨著很大的挑戰(zhàn)，一方面，工業(yè)現(xiàn)場有許多 PID控制器由于性能不佳而被置于“手動”狀態(tài) 。在此基礎(chǔ)上，如何將控制系統(tǒng)性能評價(jià)的研究成果應(yīng)用于 PID控制器設(shè)計(jì)的實(shí)踐 。 目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要 指標(biāo)。一個(gè)控