【文章內(nèi)容簡介】 泛用于各類自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中?；?407單片機的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng) 學(xué) 生： 張 洋 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 09020702 指導(dǎo)教師： 周素盈二．系統(tǒng)總體方案論證 方案一：采用專用PWM集成芯片、IR2110 功率驅(qū)動芯片構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心，現(xiàn)在市場上已經(jīng)有很多種型號，如Tl公司的TL494芯片，東芝公司的ZSK313I芯片等。這些芯片除了有PWM信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、過流過壓保護功能等。這種專用PWM集成芯片可以減輕單片機的負(fù)擔(dān)，工作更可靠，但其價格相對較高，難于控制工業(yè)成本不宜采用。 方案二：采用24071單片機、功率集成電路芯片L298構(gòu)成直流調(diào)速裝置。L298是雙H高電壓大電流功率集成電路，直接采用TTL邏輯電平控制，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電動機、步進(jìn)電動機等電感性負(fù)載。其驅(qū)動電壓為46V，直流電流總和為4A。該方案總體上是具有可行性，但是L298的驅(qū)動電壓和電流較小，不利于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)實踐中大電壓、大電流的直流電機調(diào)速。 方案三：采用2407單片機、IR2110功率驅(qū)動芯片構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速。2407具有兩個定時器T1和T2。通過控制定時器初值T1和T2，從而可以實現(xiàn)從任意端口輸出不同占空比的脈沖波形。2407控制簡單，價格廉價，且利用2407構(gòu)成單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，可縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。IR2110是專門的MOSFET管和IGBT的驅(qū)動芯片，帶有自舉電路和隔離作用，有利于和單片機聯(lián)機工作，且IGBT的工作電流可達(dá)50A，電壓可達(dá)1200V，適合工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。 綜合上述三種方案，本設(shè)計采用方案三作為整個系統(tǒng)的設(shè)計思路。 本系統(tǒng)采用2407為控制核心，利用2407產(chǎn)生的PWM經(jīng)過邏輯延遲電路后加載到以IR2110為驅(qū)動核心，IGBT構(gòu)成的H橋主干電路上實現(xiàn)對直流電機的控制和調(diào)速。本系統(tǒng)的控制部分為5V的弱電而驅(qū)動電路和負(fù)載電路為110V以上的直流電壓因此在強弱電之間、數(shù)據(jù)采集之間分別利用了帶有驅(qū)動功能的光耦TLP250和線性光耦PC817實現(xiàn)強弱電隔離，信號串?dāng)_。具體電路框圖如下圖21圖21系統(tǒng)整體框圖 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理 該系統(tǒng)原理框圖如圖23所示，轉(zhuǎn)速反饋控制環(huán)的調(diào)節(jié)是利用單片機軟件實現(xiàn)的PI調(diào)節(jié)。圖中虛線部分是采用單片機實現(xiàn)的控制功能。 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖23 數(shù)字式轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 只通過改變觸發(fā)或驅(qū)動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的，稱為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。但開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有局限性：（1）、通過控制可調(diào)直流電源的輸入信號，可以連續(xù)調(diào)節(jié)直流電動機的電樞電壓，實現(xiàn)直流電動機的平滑無極調(diào)速，但是，在啟動或大范圍階躍升速時，電樞電流可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電機額定電流，可能會損壞電動機，也會使直流可調(diào)電源因過流而燒毀。因此必須設(shè)法限制電樞動態(tài)電流的幅值。（2）、開環(huán)系統(tǒng)的額定速降一般都比較大，使得開環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍D都很小，對于大部分需要調(diào)速的生產(chǎn)機械都無法滿足要求。因此必須采用閉環(huán)反饋控制的方法減小額定動態(tài)速降，以增大調(diào)速范圍。（3）、開環(huán)系統(tǒng)對于負(fù)載擾動是有靜差的。必須采用閉環(huán)反饋控制消除擾動靜差，為克服其缺點，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，方框圖如圖22所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，把系統(tǒng)輸出量通過檢測裝置（傳感器）引向系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的輸入量進(jìn)行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號。利用此偏差信號通過控制器（調(diào)節(jié)器）產(chǎn)生控制作用，自動糾正偏差。因此，帶輸出量負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)能提高系統(tǒng)抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。圖22 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖對于調(diào)速系統(tǒng)來說，輸出量是轉(zhuǎn)速，通常引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在電動機軸上安裝測速裝置，引出與輸出量——轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與轉(zhuǎn)速給定電壓進(jìn)行比較，得到偏差電壓，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生驅(qū)動或觸發(fā)裝置的控制電壓，去控制電動機的轉(zhuǎn)速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如圖24所示。圖24 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)框圖 由圖23，按照梅森公式可以直接寫出轉(zhuǎn)速給定電壓Un*和負(fù)載擾動電流IL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式如下： 式22 其中,閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為： 式23開環(huán)系統(tǒng)的負(fù)載速降為： 式24由式22閉環(huán)時的負(fù)載速降為： 式25 上式表明采用速度閉環(huán)控制后，其負(fù)載速降減小了（1+Kol）倍，使得閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性比開環(huán)時硬得多；因而，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多，可以大大增加閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍。 采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) 在電動機的閉環(huán)調(diào)速中，速度調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器，即比例積分調(diào)節(jié)器。常規(guī)的模擬PI控制系統(tǒng)原理框圖見圖25，該系統(tǒng)由模擬PI調(diào)節(jié)器和被控對象組成。 r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實際輸出值，給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t)。 ………………………………………………(26) e(t)作為PI調(diào)節(jié)器的輸入,u(t)作為PI調(diào)節(jié)器的輸出和被控制對象的輸入。所以模擬PI控制器的規(guī)律為: …………………………………(27) 式中Kp比例系數(shù),TI積分常數(shù)。 比例調(diào)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹娙跞Q于比例系數(shù)，比例系數(shù)越大，控制越強，但過大會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 積分調(diào)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差。但它也會降低系統(tǒng)響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。 圖25模擬PI控制系統(tǒng)原理圖 采用DSP對電動機進(jìn)行控制時，使用的是數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，而不是模擬PI調(diào)節(jié)器，也就是說用程序取代PI模擬電路，用軟件取代硬件。將式36離散化處理就可以得到數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的算法： ……………………………（28） 或 ……………………………（29） 式中k采樣序號，k=0，1，2，…；uk第k次采樣時刻的輸出值； ek第k次采樣時刻輸入的偏差值； KI積分系數(shù)，； u0開始進(jìn)行PI控制是的原始初值。 用式（38）計算PI調(diào)節(jié)器的輸出比較繁雜，可將其進(jìn)一步變化，令第k次采樣時刻的輸出值增量為： ………………………………（210） 所以 ……………………………………（211） 或 …………………………………………（212） 式中第k1次采樣時刻的輸出值,第k1次采樣時刻的偏差值, ,。 用式（211）或式（212）就可以通過有限次的乘法和加法快速地計算出PI調(diào)節(jié)器的輸出。 以下是用式（212）計算的程序代碼： LT EK ； MPY K2 ；K2是Q12格式， LACC GIVE ；給定值 SUB MEASURE ；減反饋值 SACL EK ；保存偏差值 LACC UK，12 ； LTA EK ；，Q12格式， MPY K1 ；k1是Q12格式， AP AC ；，Q12格式 SACH UK，4 ；保存以上程序代碼只用10條指令。如果用40MIPS，只需250ns時間，足可以用于實時控制。三．硬件電路的模塊設(shè)計 H橋電機驅(qū)動電路 圖31所示的H橋式電機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機，電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。如圖31所示，要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。 圖31H橋驅(qū)動電路 要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，如圖32所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng) Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向 轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。 圖32 H橋驅(qū)動電路 圖23所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。 圖33 H橋驅(qū)動電路