【文章內(nèi)容簡介】 化可引起霍耳電勢 UH相應的線性變化，則可通過測量霍耳電勢 UH來測得電流 I或者跟電流 I有關的其他物理量。 直流定位系統(tǒng)的數(shù)學模型分析 直流電動機在電力拖動系統(tǒng)中具有兩個突出的優(yōu)點。首先直流電動機具有良好的啟動、制動性能，調(diào)速性能和控制性能，這個優(yōu)點使直流電動機運動控制系統(tǒng)在需要調(diào)速的高性能電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。另外，它的電樞電壓、 電樞電流、電樞回路電阻、電機輸出轉矩、電機轉速等各參數(shù)、變量之間的關系幾乎都是近似的線性函數(shù)關系，這使直流電動機的數(shù)學模型較為簡單、準確，相應地使得直流調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、計算及設計也較為容易，且經(jīng)過較長時間的實踐，直流拖動控制系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟、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。 直流電動機具有良好的起、制動性能，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領域中得到了廣泛的應用。 直流電動機轉速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài) 關系可表示為： ??? VIRUn )( (公式 1 ) 式中 n — 轉速（ r/min）； 9 U — 電樞電壓（ V）； I — 電樞電流（ A）； R — 電樞回路總電阻（ ? ）； ? — 勵磁磁通（ Wb）； eK — 由電機結構決定的電動勢常數(shù)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機的轉速可以有三種方 法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U ； （ 2）減弱勵磁磁通 ? ； （ 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：轉速下降，機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：轉速下降，機械特性曲線變軟。 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：減小勵磁 N? ??? ； n??? ? ， 0n? 調(diào)速特性：轉速上升，機械特性曲線變軟。 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 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(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（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào) 速為主。 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 采用轉速負反饋和 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)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(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，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。 帶電流截止負反饋 的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程，在起動電流達到最大值 Idm后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉矩也隨之減小，加速過程延長。 而我們期望達到的理想起動過程是，在電機最大允許電流和轉矩受限制的條件下， 11 應該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速時，立即讓電流降下來，使轉矩馬上與負載平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關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，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變。那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。 因此，我們希望能實現(xiàn)控制：起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；穩(wěn)態(tài)時，只有轉速負反饋，沒有電流負反饋。 1) 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如圖 8 所示。 圖中，把轉速 調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 2 )穩(wěn)態(tài)結構圖和調(diào)節(jié)器的限幅作用 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖 TG n ASR ACR U*n + . Un Ui U*i + . Uc TA V M + . Ud Id UPE L . TG + ASR— 轉速調(diào)節(jié)器 ACR— 電流調(diào)節(jié)器 TG— 測速發(fā)電機 TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 圖 8: 轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結構 12 2．調(diào)節(jié)器的限幅作用 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 PI調(diào)節(jié)器，可采用模擬實現(xiàn)或數(shù)字實現(xiàn)。 而且，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉速調(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 —— 輸出達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，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使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán) 不飽和 —— 輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器不飽和時， PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 3) 轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 轉速調(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. 轉速調(diào)節(jié)器的作用 （ 1）轉速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （ 2）對負載變化起抗擾作用。 （ 3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。 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）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 （ 3）在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流， 從而加快動態(tài)過程。 （ 4）當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦圖 9: 直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖 — 轉速反饋系數(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)立即自動恢復正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的 直流電機精確定位系統(tǒng)總體方案設計 系統(tǒng)結構框圖如圖 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，組成一個雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。具體的工作流程如下：直流電機的電樞電流經(jīng)過電流傳感器反饋給 MSP430F149，電機轉速經(jīng)過光電編碼器測速反 饋到 MSP430F149 的高速入口。通過 MSP430F149 對反饋信號的預處理，于給定值進行比較，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經(jīng)過光耦隔離和驅(qū)動器來調(diào)節(jié)直流電機的轉速。 圖 10: 系統(tǒng)結構框圖 MSP430F149 單片機系統(tǒng) MSP430系列單片機是美國德州儀器 (TI)公司生產(chǎn)的一種 16位的、具有精簡指令集 (RISC)的超低功耗的混合信號處理器 (MixedSignal Processor)。它將各種外圍資源集中在片上 , 實現(xiàn)了片上系統(tǒng) ,從而大大簡化了系統(tǒng)的設計 , 具體特點如下： 1) 低電壓、超低功耗。工作電壓僅為 ～ ,在 1MHz時鐘條件下運行 ,工作電流視工 14 作模式不同在 ～ 400μ A變化。 2) 強大的處理能力 . 采用了高效 16位 RISC結構 ,具有豐富的尋址方式 ,簡潔的 27條內(nèi)核指令 ,在 8MHz晶體驅(qū)動下 ,指令周期為 125μ s。 3) 系統(tǒng)工作穩(wěn)定。上電復位后 ,首先由 DCOCLK 啟動 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間起振及穩(wěn)定時間。如 果晶體振蕩器在用作 CPU時鐘 MCLK時發(fā)生故障 ,DCO會自動啟動 ,以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序出錯 ,可用看門狗將其復位。 4) 具有較豐富的片內(nèi)外設。 本設計采用 MSP430F149,它的片內(nèi)外設包含 : 60kB FLASHROM和 2kBRAM, 12位 200kb/ s 的 A/ D轉換器 ,高精度比較器 ,1個硬件乘法器 ,具有 3個捕獲 / 比較寄存器的 16位定時器 Time_A和 Time_B,1 個看門狗時鐘 ,2通道串行通信接口可用于異步或同步 ,有 6 8個可實現(xiàn)方向設置的并行輸入 / 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技術和 PLASH 在線編程技術 ,開發(fā)語言有匯編和 C語言。 圖 11: MSP430F149 內(nèi)部結構 隔離與驅(qū)動電路 為防止電機驅(qū)動單元對電機控制單元的干擾，必須在兩者之間加上隔離電路，來防止干擾。因為電機驅(qū)動單元需要大電流，而控制單元為數(shù)字信號，如果不加入隔離單元，會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，對應的輸出端為低電平。因此為了保證 MSP430F149 的輸出的 PWM的極性，在 TLP5211的輸 15 出端接一個反相