【正文】 ................................................................ 28 測(cè)速子程序 ........................................................................................................ 29 顯示子程序 ........................................................................................................ 30 結(jié)論 ............................................................................................................................. 32 致謝 ............................................................................................................................. 33 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 34 附錄 程序清單 ........................................................................................................... 35 1 1 概述 電氣傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望 直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在 19世紀(jì)先后誕生。文章中采用了專(zhuān)門(mén)的芯片組成 了 PWM 信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，并且對(duì) PWM信號(hào)的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過(guò)軟件編程對(duì) PWM信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從 而控制其輸入信號(hào)波形等均作了詳細(xì)的闡述。 數(shù)字化 PWM 直流調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2020年 5 月 數(shù)字化 PWM 直流調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) Digital DC Speed Control System Design of PWM I 摘 要 在國(guó)民生產(chǎn)中，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)已得到了全面的發(fā)展，其技術(shù)已應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。 本文主要研究了利用 MCS51 系列單片機(jī)控制 PWM 信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。在軟件方面文章中詳細(xì)介紹了 PI 運(yùn)算程序，初始化程序等的編寫(xiě)思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)。直到 20世紀(jì) 70年代，由于采用電力電子變換器的高效交流變頻傳動(dòng)開(kāi)發(fā)成功，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的交流籠型電機(jī)進(jìn)入了可調(diào)速領(lǐng)域，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流傳動(dòng)按調(diào)速分工的格局終于被打破了。 交流調(diào)速在國(guó)內(nèi)外發(fā)展十分迅速。采用變頻調(diào)速以后，節(jié)約電能的效果是非常明顯的。長(zhǎng)期以來(lái)，我們?cè)O(shè)計(jì)制造電動(dòng)機(jī)時(shí)主要考慮啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩， 把起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大當(dāng)作一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)。有了變頻調(diào)速后，隨著頻率從低到高的變化，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩自然會(huì)變得比較大。 隨著信息 化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)將向網(wǎng)絡(luò)化控制與管理的方向邁進(jìn) [1]。 比較簡(jiǎn)單的電機(jī)微機(jī)控制，只要用微 機(jī)控制繼電器或電子開(kāi)關(guān)元件使電路開(kāi)通或關(guān)斷就可以了。傳統(tǒng)的直流電機(jī)和交流電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，直流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損及換向火花等問(wèn)題；交流電機(jī)，無(wú)論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們 的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，通常是既有模擬信號(hào)，也有數(shù)字信號(hào)；既有連續(xù)信號(hào)，也有離散信號(hào)。 （ 3） 計(jì)算機(jī)具有記憶和判斷功能，系統(tǒng)的控制方式由軟件決定，若要改變控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件，只需按新的控制規(guī)律編出新的程序即可；且可在運(yùn)行中隨時(shí)根據(jù)不同的電機(jī)工作狀態(tài)，選擇最有利的系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略 等；使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。 （ 6） 信息處理能力強(qiáng)，可以完成各種數(shù)據(jù)的處理，及時(shí)給操作人員提供有用的信息和指示。特別是采用了微機(jī)及其他先進(jìn)技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗千擾能力 .在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。由于微機(jī)具有較佳的性能價(jià)格比，所以微機(jī)在工業(yè)過(guò)程及沒(méi)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速， 屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。但是只能進(jìn)行有級(jí) 調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。離子拖動(dòng)系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且縮短 了響應(yīng)時(shí)間，但是由于汞弧整流器造價(jià)較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會(huì)污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。 （ 2） 晶閘管元件對(duì)于過(guò) 電壓、過(guò)電流以及過(guò)高的 du/dt 和 di/dt 十分敏感，其中任意指標(biāo)超過(guò)允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)元件損壞，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運(yùn)行。 （ 4） 晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，而且脈波數(shù)總是有限的。由于它簡(jiǎn)單、可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故獲得廣泛使用。 （ 4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī) 配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。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。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。下面簡(jiǎn)述一下 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。設(shè)定輸入電壓不變， α 越大，電機(jī)電樞端的平均電壓 Ua 越大，反之也成立。 9 3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 采用 PI 調(diào)節(jié)的 單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，如圖 31 所示。 圖 31 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器，圖 32。在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。 dmd II ? ， CA 段靜特性從理想空載狀態(tài)的 0?dI 一直延續(xù)到 dmd II ? ，而 dmI 一般都是大于額定電流 dNI 的。靜特性是圖中的 AB 段， 它是垂直的特性 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 34 所示。 12 圖 35 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 第 I 階段（ 1~0 t ）是電流上升階段 。在這一階段中， ASR 很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 不飽和。 第Ⅲ階段（ 2t 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 。直到 dI = dLI 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 Le TT? ，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才到達(dá)峰值（ 3tt? 時(shí)）。 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 (1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 \ ① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓 *nU 變 化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。 ② 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置（ TA）對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速環(huán)則是采用了光電碼盤(pán)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較理想的檢測(cè)效果。 主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過(guò)直流 PWM 變換器得到可 調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。這也是采用微機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)所在 [8]。 方案二：以單片機(jī) AT89C51 為中心通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器 ,將單片機(jī)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而起到控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速問(wèn)題。采用 AT89C51 進(jìn)行控制比較簡(jiǎn)單 、易控制、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、精度高且體積大大減小。 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制 系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 。所以，此處的電路 在速度的顯示上失去了其真實(shí)性。其邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由 CS、 A0、 A1 給出 16 位地址碼。 8279 與MCS－ 51 單片機(jī)的接口非常簡(jiǎn)單，因而在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。帶 8 個(gè)模擬量輸入通道，有通道地址譯 碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。 驅(qū)動(dòng)電路 該驅(qū)動(dòng)電路采用了 IR2110集成芯片，該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。與此同時(shí)， IR2110的研制成功并且投入應(yīng)用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。 引腳 3（ Vcc）：直接 接用戶提供的輸出極電源正極，并且通過(guò)一個(gè)較高品質(zhì)的電容接引腳 2。 引腳 10（ HIN）與引腳 12（ LIN）：驅(qū)動(dòng)逆變橋中同橋臂上下兩個(gè)功率 MOS器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。引腳 引腳 1引腳 4：為空引腳 。推挽式驅(qū)動(dòng)輸出峰值電流 ≥2A，負(fù)載為 1000pF 時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)間典型值為 25ns。因此在這個(gè)電路中， Q Q4或者 Q Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的。其具體的操作步驟如下： 當(dāng) IC1的 LO為低電平而 HO為高電平的時(shí)候， Q2截止， C1上的電壓經(jīng)過(guò) VB、 IC內(nèi)部電路和 HO端加在 Q1的柵極上，從而使得 Q1導(dǎo)通。 在 HIN為低電平期間， LIN端輸入高電平， Q Q3導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加反向工作電壓。 電源經(jīng) Q3至電動(dòng)機(jī)的負(fù)極經(jīng)過(guò)整個(gè)直流電機(jī)后再通過(guò) Q2到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。 HIN信號(hào)的占空比為 D=t1/T。如果我們聯(lián)系改變 λ，那么便可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向的無(wú)級(jí)調(diào)速。增量式編碼器是專(zhuān)門(mén)了用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的累計(jì)量。碼盤(pán)上有向標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈 z 相輸出一個(gè)脈沖。編碼盤(pán)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。 ，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)， B 相脈沖超前 A 相脈沖 90176。 25 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。這樣， m2就代表了整個(gè) m1測(cè)速脈沖周期的時(shí)間。 圖 51 主程序流程圖 如上圖顯示，本設(shè)計(jì)的主程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。接著就按順序循環(huán)調(diào)用測(cè)速子程序、顯示子程序和鍵盤(pán)掃描子程序 [12]。 圖 52 鍵盤(pán)子程序的流程圖 組成鍵盤(pán)的按鍵有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種，單片機(jī)中應(yīng)用的一般是由機(jī)械觸點(diǎn)構(gòu)成的。 28 圖 53 鍵盤(pán)按下時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象 所以在鍵盤(pán)的應(yīng)用中，一定要解決抖動(dòng)問(wèn)題。而在檢測(cè)到按鍵釋放后（ 為高）再延時(shí) 510 個(gè)毫秒，消除后沿的抖動(dòng)，然后再對(duì)鍵值處理。但是實(shí)現(xiàn)高性能的軟件 PWM，也不是容易的事情。理論上，把這兩種方法結(jié)合起來(lái)，根據(jù)不同的占空比，采用相應(yīng)合適的方式可以比較好的解決死區(qū)與效率的問(wèn)題。詳細(xì)程序見(jiàn)看附錄。通?？梢允褂靡韵聝煞N方法： (1) M 法：在一定時(shí)間間隔 T 內(nèi)，對(duì)脈沖發(fā)生器的輸出脈沖計(jì)數(shù)，從而得到與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖測(cè)量值 m。在 本設(shè)計(jì)中，對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度沒(méi)有很高的要求，而且轉(zhuǎn)速較多的工作于中高速部分，所以選用 M 法測(cè)速。 30 T0 中斷的作用就是給定一個(gè)時(shí)間間隔 T，在 T 內(nèi)應(yīng)用 INT0 中斷對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，時(shí)間到就送出 R0 的數(shù)值，并對(duì)其清零。這樣要與硬件電路匹配就要求軟件的輸出必須要是 BCD 碼，并且要采用動(dòng)態(tài)顯示方式。其中 P2 口的低四位作為 31 BCD 碼的輸出口， P2 口的高四位分別控制四位 LED（ LED LED LED3 和 LED4）。 圖 56 顯示子程序的流程圖 32 結(jié) 論 本文設(shè)計(jì)的基于 8051 的直流電動(dòng)機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)充分利用了單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源，以及高效的運(yùn)算處理能力。相信單片機(jī)在今后的自動(dòng)控制領(lǐng)域中將有更廣闊的應(yīng)用前景。 33 致 謝 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，要特別感謝汪媛老師給予的耐心細(xì)致的指導(dǎo)，對(duì)于在設(shè)計(jì)過(guò)程中所遇到的許多具體問(wèn)題，她均