【正文】 具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究 ； 另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用 Power System工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。假如主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為： ddIU do R Id L Edt? ? ? E Cen? （ 51） 忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為： 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 30 2375L GD dnTe T dt?? 電磁轉(zhuǎn)矩 Te CmId? （ 52） 式中 LT —— 包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩 在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ ）。積分控制可以使系統(tǒng)在偏差電壓為零時(shí)保持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速，因此，采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。m2。Ka=。 G1=tf(Ka,[La Ra])。 dcm1=tf(dcm) 運(yùn)行結(jié)果為： Transfer function from input 1 to output: 10／ s^2 + 14 s + 43 Transfer function from input 2 to output: 50 s + 200／ s^2 + 14 s + 43 RTmS 1Ce Ud0（ s） IdL（ s） n(s) E(s) － ＋ 1/1lRTS? Id（ s） 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 32 step(dcm(1))。 dcm=ss(G2)*[G1,1]。f=。 在 MATLAB 命令窗口中輸入： Ra=。 他勵(lì)電壓：220V。 Cm—— 額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（ ／ A）， Cm＝ 30? Ce ，將上述微分方程式 加以整理可得 ()dL dIU d o E R Id T dt? ? ? LId Id? ＝ TmR dEdt （ 53） 其中 LT ＝ L／ R————— 電磁時(shí)間常數(shù)； Tm＝2375GDRCeCm——— 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)； /LLId T Cm? ———— 過載電流（ A）。 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置 結(jié) 合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖圖，如圖 51 圖 51無(wú)靜差直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的框圖 下面我們將分別給出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。對(duì)三式稍作推導(dǎo)即得到下式。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項(xiàng) ” 。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 鍵盤 /顯示模塊設(shè)計(jì) 鍵盤 /顯示模塊核心控制器件是 8279，由軟件設(shè)置為 8 字符顯示，左端送入，編碼掃描鍵盤，雙鍵互鎖，內(nèi)部時(shí)鐘頻率設(shè)置為 100KHz。單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 23 T0 用來(lái)定時(shí)， T1 用來(lái)計(jì)數(shù)， T0 和 T1 均工作 于 方式 1。 外部中斷 1 模塊設(shè)計(jì) 外部中斷 1 是鍵盤輸入中斷，高優(yōu)先級(jí)。 此程序共有 2 個(gè)中斷源：外部中斷 0，用于電機(jī)故障處理；外部中斷 1，用于鍵盤輸入處理。 num=0。 TL0=(65536500)%256。 EA=1。 sbit PWM=P1^0。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 由于 PWM 信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作方式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。故名思義，三端 IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。 8279 與單片機(jī)、鍵盤和顯示器的外圍總接線如圖 39 示。數(shù)字部分用來(lái)輸入給定轉(zhuǎn)速，控制部分用來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行。 能以中斷或查詢兩種方式工作 。它 是一種實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入和段式數(shù)碼顯示控制的專用智能芯片。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中 CPU工作的忙、閑情況而定。 希望在低速獲得高精度測(cè)速值，于是利用光碼盤 A， B 兩相輸出在相位上互差 90176。設(shè)從圖 37上 a點(diǎn)開始，計(jì)數(shù)器分別對(duì) m1和 m2計(jì)數(shù)，到達(dá) b點(diǎn)，預(yù)計(jì)的測(cè)速時(shí)間 Tc到，微機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，但因?yàn)?Tc不一定恰好等于整數(shù)個(gè)編碼輸出脈沖周期，所以計(jì)數(shù)器仍對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，直到 c點(diǎn)時(shí)，可以利用下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖上升沿（即 c點(diǎn)）觸發(fā)數(shù)字測(cè)速硬件電路使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。 轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能影響極大。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)， B相脈沖超前 A相脈沖 90176。編碼盤輸出的 z相脈沖用于復(fù)位計(jì)數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。碼盤上 有向標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈 z相輸出一個(gè)脈沖。增量式編碼器是專門了用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的累計(jì)量。 按照工作原理編碼器可分為增量式 和 絕對(duì)式兩種。 4）低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開關(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。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)，起著所謂 ―動(dòng)力潤(rùn)滑 ‖的作用。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為 2 1o n o n o nd s st T t tU U UT T T? ??? ? ? ????? (34) 如果定義占空比 ontT?? ，電壓系數(shù) dsUU?? 則在雙極式可逆變換器中 8 2 7 9SL1+5VIRQC L KA0CSRDWRD 0 D 7C N T LS H I G TR E S E T1512 141311109876543210R L 3RL2RL1RL0S L 0SL2S L 3A03B 0 3驅(qū)動(dòng)器P0WRRDP 2 . 6A L EINT18 3 C 5 5 21KAT89S51 調(diào)速時(shí)， ? 的可調(diào)范圍 為 0～ 1 相應(yīng)的保 護(hù) 現(xiàn) 場(chǎng)讀 入 轉(zhuǎn) 速計(jì) 算 轉(zhuǎn) 速恢 復(fù) 現(xiàn) 場(chǎng)轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié)允 許 測(cè) 速中 斷 返 回 。當(dāng) ont t T?? 時(shí)， 1VT 、 4VT截止，但 3VT 、 2VT 不能立即導(dǎo)通，電樞電流 di 經(jīng) 2VD 、 3VD 續(xù)流，這時(shí) AB sUU?? 。 當(dāng) λ=， Vout=0,此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 0； 當(dāng) λ1時(shí)， Vout為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 12 當(dāng) λ=1時(shí)， Vout=V,電機(jī)正轉(zhuǎn)全速運(yùn)行。設(shè)電源電壓為 V，那么電樞電壓的平均值為： Vout= [ t1 ( T t1 ) ] V / T = ( 2 t1 – T ) V / T = ( 2D – 1 )V (33) 定義負(fù)載電壓系數(shù)為 λ， λ= Vout / V, 那么 λ= 2D – 1 ；當(dāng) T為常數(shù)時(shí)，改變 HIN為高電平的時(shí)間 t1，也就改變了占空比 D，從而達(dá)到了改變 Vout的目的。此時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。其具體的操作步驟如下： 電源經(jīng) VT 1至電動(dòng)機(jī)的正極經(jīng)過整個(gè)直流電機(jī)后再通過 VT 4到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。因此在這個(gè)電路中， VT VT4或者 VT VT 3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的。 IGBT 型號(hào)選擇：（ 1） IGBT 承受的正反向峰值電壓： Uirm﹦ VVU ??? （ 31） 考慮到 ，可選 IGBT 的電壓為 900V。（ 4） IGBT 利用柵極可以關(guān)斷很大的漏極電流。 IR2110 的腳 10 可以承受 2A 的反向電流。50V/ns，在 15V下的靜態(tài)功耗僅有 ；輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為 10～ 20V，邏輯電源電壓范圍為 5～ 15V，邏輯電源地電壓偏移范圍為－ 5V～＋5V。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，與其他驅(qū)動(dòng)電路相比，它在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū)動(dòng)變壓器和電容的數(shù)目，使得 MOSFET和 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，而且它可以實(shí)現(xiàn)對(duì) MOSFET和 IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，還具有快速完整的保護(hù)功能。這種控制功能是通過定時(shí)器方式控制器 TMOD 來(lái)完成的。 IE 還包括一個(gè)中斷允許總控制位 EA，它能一次禁止所有中斷。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。從而達(dá)到對(duì)直流電機(jī)的較為精確的控制。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。 PWM 實(shí)現(xiàn)方式 方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖 寬度極 其精確，誤差只在幾個(gè) us。 （ 3）定頻調(diào)寬法：保持周期（ 或頻率）不變，同時(shí)改變、。 如圖所示： 圖 21 PWM 信號(hào)的占空比 根據(jù)上圖，如果電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 maxV ，占空比為 D=1t /T，則電機(jī)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(jī)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 4 總體硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 圖 12 直流電機(jī) PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖 直 流電機(jī) 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 反饋 LED顯示 鍵盤控制 PWM AT89S52 單片機(jī)（速度的測(cè)量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制） 驅(qū)動(dòng)電路 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 5 2 PWM 脈寬調(diào)制原理 PWM 調(diào)速原理 PWM 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術(shù)。 本系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù) PWM 調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并通過單片機(jī)控制速度的變化。在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “ 接通 ” 和 “ 斷開 ” 時(shí)間的長(zhǎng)短。文章中采用了 通過編程實(shí)現(xiàn) PWM 信號(hào) 的發(fā)生，然后通過 IR2110來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 電 樞控制是在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖 11 直流電動(dòng)機(jī)電路模型 不同勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。 直流電機(jī)調(diào)速原理 直流電機(jī)電路模型如圖 11 所示，磁極 N、 S 間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓 柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈。 近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機(jī)得到 了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 如今，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制已經(jīng)離不開單片機(jī)的支持，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，使人類社會(huì)步入了自動(dòng)化時(shí)代，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與其他學(xué)科領(lǐng)域交叉融合，促進(jìn)了學(xué)科發(fā)展和專業(yè)更新，引發(fā)了新興交叉學(xué)科與技術(shù)的不斷 涌現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能 如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。 在軟件方面 ， 文章中 詳細(xì)介紹了 PID 運(yùn)算程序，初始化程序等的編寫思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn) 。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。對(duì)本研究提供過幫助