【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 為了提高系統(tǒng)精度，目前大多直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)均采用數(shù)字給定和數(shù)字檢測(cè)速度裝置，以微型計(jì)算機(jī)為核心，開發(fā)出的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，： 圖中S1是給定值的采樣開關(guān)，S2是檢測(cè)速度的反饋值的采樣開關(guān)，S3是微型計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)的輸出采樣開關(guān)。如果所有開關(guān)均是以同樣一個(gè)周期的開和關(guān)斷，那么成為同步采樣。否則是異步采樣。微型計(jì)算機(jī)是沒法連續(xù)輸入輸出給定信號(hào)、反饋信號(hào)和輸出值，只有在采樣開關(guān)閉合時(shí)才能輸入輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)控制量和反饋信號(hào)是模擬信號(hào)時(shí)，為了把它們輸入計(jì)算機(jī)，需要對(duì)信號(hào)離散化，變成脈沖信號(hào)。為了使離散信號(hào)能夠不失真的復(fù)原模擬信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的采樣頻率提出了要求，一般情況下根據(jù)香農(nóng)定理來確定采樣頻率。這樣采集出來的信號(hào)才能代表真實(shí)的信號(hào)。在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，控制對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，兩者均為快速變化的量，必須具有較高的采樣頻率，然而并不是采樣頻率越高越好，這受到開關(guān)器件的功率損耗，微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度來決定的。 數(shù)字測(cè)量具有測(cè)速精度高、分辨能力強(qiáng)和受器件影響小的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的適應(yīng)目前直流調(diào)速系統(tǒng)精度要求高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于調(diào)速范圍大和伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置是光電旋轉(zhuǎn)編碼器，而旋轉(zhuǎn)編碼器可以分為增量式和絕對(duì)式。絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器適合測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)角，而測(cè)電機(jī)速度應(yīng)該采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。： 為了獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)向，增加了一對(duì)發(fā)光和接受裝置，使兩對(duì)發(fā)光和接受裝置錯(cuò)開光柵節(jié)距的1/4；這樣，兩組脈沖序列的相位相差π/2,通過判斷兩組序列脈沖的相位前后就可以判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)情況。: 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 直流電機(jī)雙極性脈寬調(diào)制方式工作原理 ： 它工作時(shí)VT1與VT4一組，VT2和VT3為一組，同時(shí)交替導(dǎo)通， 在這種調(diào)制方式下，電動(dòng)機(jī)具有四種工作模態(tài)： 在模態(tài)I時(shí)，VT1和VT4導(dǎo)通，VT2和VT3截止，電機(jī)電樞兩端的電壓為Us，若，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)下； 在模態(tài)II時(shí)，VT1和VT4截止，電樞電流經(jīng)VD2和VD3續(xù)流，VT2和VT3不能導(dǎo)通，電機(jī)電樞兩端的電壓為，由于電流未反向，因此電機(jī)仍然工作在電動(dòng)狀態(tài)下； 在模態(tài)III時(shí)，VT1和VT4截止，VT2和VT3導(dǎo)通，電機(jī)電樞兩端電壓為，電流反向，因此此時(shí)電機(jī)工作在反接制動(dòng)狀態(tài)下； 在模態(tài)IV時(shí)，VT2 和VT3截止，電樞電流經(jīng)VD1 和VD4續(xù)流，電機(jī)電樞兩端電壓為Us，電流反向，此時(shí)電機(jī)的工作狀態(tài)為回饋制動(dòng)。 在這種調(diào)制方式下直流電機(jī)兩端的電壓為 （310） 式中為直流電機(jī)兩端所加的平均電壓，為給系統(tǒng)所供的直流電源電壓，為PWM調(diào)制波占空比。 當(dāng)?shù)臅r(shí)候，電機(jī)正轉(zhuǎn)；時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；時(shí)，電機(jī)停止不轉(zhuǎn)。值得注意的是在這種調(diào)制方式下，當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，并不能說明電機(jī)電樞電壓等于0，而是平均電壓等于0，并且電樞電流也是交變的。 在這種脈寬調(diào)制方式下的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，： (a)正向電動(dòng)運(yùn)行波形 (b)反向電動(dòng)運(yùn)行波形 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298簡(jiǎn)介 L298是ST公司生產(chǎn)的一種高壓大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它的最高工作電壓可以達(dá)到46V，輸出電流大，可以達(dá)到3A，持續(xù)工作電流為2A，額定功率為25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全控橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)或一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)進(jìn)行控制，并且可以對(duì)其指定引腳外接電阻來檢測(cè)電機(jī)電流進(jìn)行反饋。用L298來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，通過控制ININ2(ININ4)兩個(gè)輸入端的電平高低來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并且通過使能端ENA(ENB)來控制信號(hào)的有效性，由于第二臺(tái)電機(jī)的控制跟第一臺(tái)一樣，因此在這里只列出L298驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的引腳功能表，： L298驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的引腳功能表IN1IN2ENA電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)101正轉(zhuǎn)011反轉(zhuǎn)11急停0無效信號(hào) 由表可知，使能端為高電平時(shí)，控制信號(hào)對(duì)于電機(jī)有效，為低電平時(shí)，控制信號(hào)無效，而對(duì)于雙極性PWM調(diào)制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)開關(guān)器件有的要打開，有的需要關(guān)斷，因此，當(dāng)ENA在系統(tǒng)中應(yīng)該置1，然而為了防止上下橋臂直通，保證器件的可靠開通和關(guān)斷，需要在開關(guān)器件狀態(tài)切換時(shí)通過關(guān)閉ENA使能端來達(dá)到這種目的。 LCD1602顯示模塊簡(jiǎn)介 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)顯示區(qū)域進(jìn)行的控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。LCD1602液晶顯示器是一種帶背光的顯示器，具有薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于便攜式電腦和通訊工具等。它不僅可以顯示字符，也可以顯示數(shù)字，符號(hào)和漢字。它的顯示容量是16*2個(gè)字符，，*。 對(duì)液晶進(jìn)行第一次操作時(shí)需要對(duì)液晶進(jìn)行初始化，并且初始化以后每次進(jìn)行操作時(shí)都需要對(duì)液晶進(jìn)行檢測(cè)其是否忙碌，不忙進(jìn)行操作，忙時(shí)不操作。 2*3鍵盤模塊 本次設(shè)計(jì)通過鍵盤給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)/停止，正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的控制。： 鍵盤功能表鍵值0x110x090x05功能啟動(dòng)(Q)停止(S)反向(F)位選(W)鍵值0x120x0a0x06功能加(+)取消(E)設(shè)速（I）確定(I) 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 （311）根據(jù)（311）中積分項(xiàng)的個(gè)數(shù)，把控制系統(tǒng)分為了幾大類，時(shí)為0型系統(tǒng)，為I型系統(tǒng)……根據(jù)終值定理，在階躍輸入作用下，如果要求系統(tǒng)不存在穩(wěn)態(tài)誤差，那么系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)為I型或者I型以上的系統(tǒng)[7]。典型I型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性能好，能夠使被控量跟隨給定值，它是一個(gè)二階系統(tǒng)，然而，它的開環(huán)增益越大，截止頻率越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但是相角裕度卻越小，這是一個(gè)矛盾的關(guān)系。對(duì)于典型II型系統(tǒng)，它的快速性能好，需要兩個(gè)積分環(huán)節(jié)。，除了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)外無任何積分環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)為典型I型系統(tǒng)就夠了，只要參數(shù)合理，就能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。，根據(jù)閉環(huán)調(diào)節(jié)規(guī)律可知，系統(tǒng)可以抵抗反電動(dòng)勢(shì)的影響。因此，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的過程中可以不考慮反電動(dòng)勢(shì)的影響。由于電機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)[8]，因次在一定條件下可以把電機(jī)的二階傳遞函數(shù)等效為一階慣性環(huán)節(jié)。： 典型I型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （312），轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR只需要進(jìn)行積分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)就可以達(dá)到預(yù)期效果。因此調(diào)節(jié)器的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （313）因此系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （314）令T=，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （315）在沒有特殊設(shè)計(jì)要求時(shí)，我們按照西門子”最佳整定”的方法，取即KT=[9]，這樣就得到了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)公式： （316）式中Ce為電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；Ks為PWM波輸出電壓和它的占空比之間的比值，也就是外接的直流電源電壓；Tm為直流電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。因此直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為： （317）在只有積分調(diào)節(jié)器的情況下，系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性都是通過調(diào)節(jié)積分項(xiàng)的系數(shù)來決定的，然而積分項(xiàng)越強(qiáng)，那么系統(tǒng)快速性也越好，但是超調(diào)也越大，如果要求系統(tǒng)超調(diào)小，但是系統(tǒng)的快速性卻很難保證，在這種情況下，應(yīng)該根據(jù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求來具體取值。本次設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的快速性沒有多大要求，只是要求其能夠跟隨給定，因此按照西門子整定方法整定出的參數(shù)能夠達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。 調(diào)節(jié)器的數(shù)字化由于PI調(diào)節(jié)器是電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中使用最多的調(diào)節(jié)器算法，因此，在這部分中只介紹PI調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （318）若輸入誤差為e(t)，輸出為u(t)，則PI調(diào)節(jié)器的時(shí)域函數(shù)為： （319）式中Kp為比例系數(shù)，為積分系數(shù)。將式（319）轉(zhuǎn)換為差分方程，得到PI調(diào)節(jié)器的第k拍輸出為： （320）式中Tsam為采樣周期。 式（320）為PI調(diào)節(jié)器的位置式算法，當(dāng)需要對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出限幅時(shí)，它需要對(duì)積分項(xiàng)和輸出同時(shí)限幅，缺一不可；為了使PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅時(shí)只需要進(jìn)行輸出限幅，通過將（320）的第k拍減去第（k1）拍得到PI調(diào)節(jié)器的增量式算法： （321）這樣只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計(jì)算出當(dāng)前的輸出： （322）增量式算法只需要在計(jì)算機(jī)中保存上一拍的輸出即可，并且需要輸出限幅時(shí)，不需要對(duì)積分環(huán)節(jié)限幅。因此大多數(shù)的情況下，數(shù)字PI調(diào)節(jié)器均采用增量式算法。 電機(jī)電樞電流檢測(cè)及電流保護(hù)方式電機(jī)電流的檢測(cè)通過對(duì)橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298的SENA引腳外接電阻來檢測(cè)流過電機(jī)電樞電流，然后通過對(duì)采集電流來進(jìn)行判斷，對(duì)電樞電流進(jìn)行限幅。當(dāng)電樞電流在時(shí)間T內(nèi)均大于時(shí)，這是為了防止電機(jī)只是瞬間的電樞電流過大而進(jìn)行的誤操作。通過對(duì)L298使能端ENA來進(jìn)行控制停止對(duì)電機(jī)供電，當(dāng)電機(jī)電流恢復(fù)到小于（）后，對(duì)電機(jī)恢復(fù)供電。 本章小結(jié)本章主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)框圖，并對(duì)各個(gè)模塊的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，主要包括系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖和直流電機(jī)速度閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)原理和電機(jī)電流保護(hù)的基本方法。 第4章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括兩部分：軟件部分和硬件部分，在本論文中主要介紹軟件部分的實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)編程語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和一些高級(jí)語(yǔ)言，常用的高級(jí)語(yǔ)言是C語(yǔ)言[10]。采用匯編語(yǔ)言時(shí)，程序占用內(nèi)存空間小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但是編程麻煩，程序可讀性不強(qiáng)，修改不方便；而使用C語(yǔ)言，因其內(nèi)含很多庫(kù)，編程比較方便，簡(jiǎn)單，大大縮短了程序的開發(fā)周期，并且程序的可移植性增強(qiáng)。本次設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序編程，開發(fā)環(huán)境為keil。主要包括顯示程序、調(diào)節(jié)器的算法、鍵盤的算法、PWM波產(chǎn)生的以及測(cè)速五大部分。主程序主要進(jìn)行定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和液晶等的初始化，鍵盤檢測(cè)，液晶顯示程序的調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器算法的調(diào)用。： 鍵盤采用2*3的鍵盤，采用掃描的方法判斷是否有按鍵按下并讀取鍵盤鍵值，響應(yīng)相應(yīng)的子程序。： 鍵盤能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)，停止，反轉(zhuǎn)和速度的設(shè)定。系統(tǒng)要求液晶能夠顯示當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且能夠顯示設(shè)定的速度。： 定時(shí)器中斷子程序由于STC89C51沒有自帶的PWM輸出，需要通過編程來產(chǎn)生PWM，一般情況下，使用兩個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生，但是通過一個(gè)定時(shí)器也可以產(chǎn)生，本次設(shè)計(jì)是通過一個(gè)定時(shí)器對(duì)其循環(huán)賦予不同的初始值來進(jìn)行PWM波產(chǎn)生的，產(chǎn)生兩列相位差為180度的脈沖序列，通過關(guān)斷L298使能端信號(hào)來防止H橋的上、下橋壁直通產(chǎn)生的危險(xiǎn)。電機(jī)測(cè)速是通過計(jì)算在一定時(shí)間內(nèi)接受到的脈沖個(gè)數(shù)來進(jìn)行測(cè)速的，因此也需要一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器，定時(shí)器可以和PWM波共用一個(gè)定時(shí)器，因?yàn)镻WM波的周期是不變的，而計(jì)數(shù)需要使用另一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。本次設(shè)計(jì)用T0工作在計(jì)數(shù)器方式下，T1工作在定時(shí)器方式下，產(chǎn)生PWM波。： 由于