【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 定的溫度下，對(duì)于一個(gè)確定的霍耳元件，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B保持恒定時(shí)，電流 I 的變化可引起霍耳電勢(shì) UH相應(yīng)的線性變化，則可通過測(cè)量霍耳電勢(shì) UH 來測(cè)得電流 I 或者跟電流 I 有關(guān)的其他物理量。 直流定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析 直流電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中具有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，調(diào)速性能和控制性能，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在需要調(diào)速 的高性能電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。另外，它的電樞電壓、電樞電流、電樞回路電阻、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速等各參數(shù)、變量之間的關(guān)系幾乎都是近似的線性函數(shù)關(guān)系，這使直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型較為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，相應(yīng)地使得直流調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)也較為容易，且經(jīng)過較長時(shí)間的實(shí)踐，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟、經(jīng)典，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 直流電機(jī)調(diào)速方法概述 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng) 領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為： ??? VIRUn )( (公式 1 ) 式中 n — 轉(zhuǎn)速（ r/min）； 9 U — 電樞電壓（ V）； I — 電樞電流（ A）； R — 電樞回路總電阻（ ? ）； ? — 勵(lì)磁磁通（ Wb）； eK — 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 在上式中， eK 是常數(shù) ，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ； （ 2）減弱勵(lì)磁磁通 ? ； （ 3）改變電樞回路電阻 R 。 這三種調(diào)速方法性能比較如下： 1． 調(diào)壓調(diào)速 調(diào)壓調(diào)速特性曲線如圖 5 所示。 工作條件：保持勵(lì)磁 N??? ；保持電阻 aRR? ； 調(diào)節(jié)過程：改變電樞電壓 NUU?? ? ， Un?? ? ， 0nn?? ? ； 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。 2． 調(diào)阻調(diào)速 調(diào)阻調(diào)速特性曲線如圖 6所示。 工作條件：保持勵(lì)磁 N??? ；保持電壓 NUU? ； 調(diào)節(jié)過程： 增加電阻 aRR?? ? ， Rn?? ? ， 0n 不變； 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。 3． 調(diào)磁調(diào)速 調(diào)磁調(diào)速特性曲線如圖 7 所示。 工作條件：保持電壓 NUU? ；保持電阻 aRR? ； 調(diào)節(jié)過程：減小勵(lì)磁 N? ??? ； n??? ? ， 0n? 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。 1n23n0n 1U23UNn NLIOI 圖 5： 調(diào)壓調(diào)速特性曲線 10 1n23n0n NLIOI1R23R a 圖 6： 調(diào)阻調(diào)速特性曲線 1n230n N 1?23?N eT LTO 圖 7： 調(diào)磁調(diào)速特性曲線 4． 三種調(diào)速方法的性能與比較 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁 通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 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。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(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)速無靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán) 節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 Idcr以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程，在起動(dòng)電流達(dá)到最大值 Idm后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。 而我們期望達(dá)到的理想起動(dòng)過程是，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下， 11 應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即 讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變。那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。 因此，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：起動(dòng)過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。 1) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(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，即分 別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如圖 8 所示。 圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 2 )穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和調(diào)節(jié)器的限幅作用 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 TG n ASR ACR U*n + . Un Ui U*i + . Uc TA V M + . Ud Id UPE L . TG + ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 測(cè)速發(fā)電機(jī) TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 圖 8: 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 12 2．調(diào)節(jié)器的限幅作用 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，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，可采用模擬實(shí)現(xiàn)或數(shù)字實(shí)現(xiàn)。 而且，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 Udm。 限幅作用存在兩種情況： 飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán) 不飽和 —— 輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽 和時(shí)， PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。 3) 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下： 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)無靜差。 （ 2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 （ 3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。 2. 電流調(diào)節(jié)器的作用 （ 1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流 緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 （ 2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 （ 3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。 （ 4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦圖 9: 直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ?— 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 。 ? — 電流反饋系數(shù) Ks ? 1/Ce U*n Uc Id E n Ud0 Un + + . ASR + U*i . R ? ACR . Ui UPE 13 故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的 直流電機(jī)精確定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 10所示，本系統(tǒng)采用 MSP430F149 作為主控芯片，利用 MSP430F149自帶的 PWM發(fā)生模塊、和 ADC模塊 等資源，組成一個(gè)雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。具體的工作流程如下：直流電機(jī)的電樞電流經(jīng)過電流傳感器反饋給 MSP430F149，電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過光電編碼器測(cè)速反饋到 MSP430F149 的高速入口。通過 MSP430F149 對(duì)反饋信號(hào)的預(yù)處理，于給定值進(jìn)行比較，通過 PI控制算法給出合適的控制量到高速輸出口。高速輸出口輸出不同占空比的脈沖信號(hào)經(jīng)過光耦隔離和驅(qū)動(dòng)器來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖 10: 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 MSP430F149 單片機(jī)系統(tǒng) MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器 (TI)公司生產(chǎn)的一種 16位的、具有精簡(jiǎn)指令集 (RISC)的超低功耗的混合信號(hào)處理器 (MixedSignal Processor)。它將各種外圍資源集中在片上 , 實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng) ,從而大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì) , 具體特點(diǎn)如下： 1) 低電壓、超低功耗。工作電壓僅為 ～ ,在 1MHz 時(shí)鐘條件下運(yùn)行 ,工作電流視工 14 作模式不同在 ～ 400μ A變化。 2) 強(qiáng)大的處理能力 . 采用了高效 16 位 RISC 結(jié)構(gòu) ,具有豐富的尋址方式 ,簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令 ,在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下 ,指令周期為 125μ s。 3) 系統(tǒng)工作穩(wěn)定。上電復(fù)位后 ,首先由 DCOCLK 啟動(dòng) CPU,以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行 ,保證晶體振蕩器有足夠的時(shí)間起振及穩(wěn)定時(shí)間。如果晶體振蕩器在用作 CPU 時(shí)鐘 MCLK時(shí)發(fā)生故障 ,DCO 會(huì)自動(dòng)啟動(dòng) ,以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序出錯(cuò) ,可用看門狗將其復(fù)位。 4) 具有較豐富的片內(nèi)外設(shè)。 本設(shè)計(jì)采用 MSP430F149,它的片內(nèi)外設(shè)包含 : 60kB FLASHROM和 2kBRAM, 12 位 200kb/ s 的 A/ D 轉(zhuǎn)換器 ,高精度比較器 ,1 個(gè)硬件乘法器 ,具有 3個(gè)捕獲 / 比較寄存器的 16 位定時(shí)器 Time_A 和 Time_B,1 個(gè)看門狗時(shí)鐘 ,2 通道串行通信接口可用于異步或同步 ,有 6 8個(gè)可實(shí)現(xiàn)方向設(shè)置的并行輸入 / 輸出端口 ,其中 P1口和 P2 口具有中斷功能。 5) 方便高效的開發(fā)環(huán)境 . 包含了 JTAG 技術(shù)和 PLASH 在線編程技術(shù) ,開發(fā)語言有匯編和 C語言。 圖 11: MSP430F149 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 隔離與驅(qū)動(dòng)電路 隔離單元模塊 為防止 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)電機(jī)控制單元的干擾，必須在兩者之間加上隔離電路，來防止干擾。因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)單元需要大電流，而控制單元為數(shù)字信號(hào)，如果不加入隔離單元，會(huì)影響到控制模塊的正常工作。目前最常用的隔離模塊為光耦隔離模塊，利用光信號(hào)的具有很好的抗電磁干擾特性，起到很好的隔離作用。由于 MSP430F149 產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)的頻率較高，因此采用高速光耦合器 12 所知 TLP5211 的輸入端為高電平時(shí)，對(duì) 15