【文章內(nèi)容簡介】 完成一次顯著的進步。同時控制電路也實現(xiàn)了高度集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用使得直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高應(yīng)用范圍不斷擴大 ，直流 調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。 隨著微型計算機、超大規(guī)模集成電路、新型電力電子開關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)及自動控制理論，電力電子技術(shù)，計算機控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動機控制技術(shù)裝置也不斷向前發(fā)展。微型計算機的使用使得直流電氣傳動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨向于數(shù)字化，智能化，極大地推動了電氣傳動的發(fā)展。近些年來，一些先進的國家逐漸大量使用以微機為控制核心的直流電氣傳動裝置，列入西門子的 SIMOREG K6RA24， ABB 的PAD/PSD 等。 隨 著現(xiàn)代化步伐的加快，人們的生活水平不斷的提高，同時對自動化的需求也越來越高，直流電動機 的應(yīng)用領(lǐng)域不斷地擴大。 像軍事和宇航方面的雷達天線，火炮瞄準，慣性導航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對太陽的跟蹤控制；工業(yè)方面的各種加工中心、專用加工設(shè)備、數(shù)控機床、工業(yè)機器人、塑料機械 、印刷機械，繞線機、紡織機械、工業(yè)縫紉機、泵及壓縮機等設(shè)備的控制；計算機外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤驅(qū)動器，光盤驅(qū)動器、繪圖儀、掃描儀、打印機、傳真機等設(shè)備控制； 音響設(shè)備和家用電器中的錄影機、錄像機、數(shù)碼相機、洗衣機及風扇等的控制。隨計算機微電子技術(shù)的發(fā)展和新型 5 電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。電動機控 制技術(shù)的發(fā)展得益于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)和微機應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)已經(jīng)成為電動機控制的主流技術(shù)。正是這些技術(shù)的發(fā)展使得電動機控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。首先是模擬實現(xiàn)電動機控制策略逐漸退出歷史舞臺，而微處理器、通用計算機、 DSP 控制器等現(xiàn)代化手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng) 得到了快速的發(fā)展。電動機的驅(qū)動部分所用的的功率器件經(jīng)歷幾次更新?lián)Q代之后速度更快，控制更容易的全空性功率器件 MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流。同時功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使 用也是新興的電動機控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)。其中脈寬調(diào)制即 PWM 的方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動機如永磁直流電動機，交流伺服電動機和超聲波電動機等。由于 含有微處理器和傳感器作為新一代控制系統(tǒng)的組成部分，這種運動控制系統(tǒng)又稱為智能運動控制系統(tǒng)。由此看來，應(yīng)用先進的控制算法和開發(fā)全數(shù)字化智能運動控制系統(tǒng)將成為新一代運動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。 在那些需要對電動機控制系統(tǒng)進行精確控制的場合（包括數(shù)控機床，工業(yè)縫紉機、打印機）要求對電動機實現(xiàn)精確定位以 適應(yīng)負荷的劇烈變化，因此傳統(tǒng)的控制算法已經(jīng)難以滿足系統(tǒng)的精度要求。為了適應(yīng)時代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動機控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能和網(wǎng)絡(luò)化，信息化，模糊化的方向不斷前進。 電氣時代電動機的調(diào)速控制一般采用模擬法，對電機的簡單控制應(yīng)用比較多。簡單控制是指對電機進行啟動，制動，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過繼電器的可編程控制和開關(guān)元件來實現(xiàn)。還有一類控制稱為復雜控制，即對電動機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩，電壓，電流及功率進行物理量控制。 直 流電機控制現(xiàn)狀 自 20 世紀 60 年代初試驗成功第一支硅晶閘管以來，晶閘 管直流 調(diào)速系統(tǒng)也得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前 ，有晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟各部門得到了廣泛的應(yīng)用。隨著新型電力半導體器件的發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管即 IGBT 具有開關(guān)速度快，驅(qū)動簡單，可以 自關(guān)斷等優(yōu)點克服了其自身的固有缺點。所以我國的直流電機調(diào)速也正向 著脈寬調(diào)制（ PWM）方向發(fā)展。 數(shù)字 直流調(diào)速裝置從技術(shù)上看，它能夠做到由給定信號，調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定 觸發(fā)脈沖 6 的數(shù)字化，同時使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率內(nèi)和電流大小的直流電機。同一臺控制器可以僅僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對不同 類型的被控對象進行控制，強大的通訊功能 可以使它易于和 PLC 等各種通信器件組成對整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，并且具有操作簡便、抗干擾能力強等特點。特別是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化的優(yōu)點彌補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護功能不完善，調(diào)試不方便，體積大等對應(yīng)的不足之處。數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出的像查找故障迅速，速度調(diào)節(jié)精度高，維護簡單也使其有更加廣闊的前景。 國外的主要電氣公司如瑞典的 ABB 公司，德國的西門子、 AEG 公司，日本的三菱公司 、東芝公司，美國的ＧＥ公司，西屋公司等都已 經(jīng)開發(fā)出了多種直流調(diào)速裝置，有一些成熟的系列化，標準化，模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。 我國關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究內(nèi)容為：綜合性最優(yōu)控制，補償 PID 控制， PID算法優(yōu)化和模糊控制技術(shù)。 我國現(xiàn)在大部分數(shù)字化控制直流調(diào)速控制裝置主要依靠進口，但由于進口設(shè)備價格昂貴，同時也給予了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。目前國內(nèi)有許多大專院校、科研院校和生產(chǎn)廠家也在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容和 意義 直流調(diào)速系統(tǒng)的研究意義 單片機有著廣泛的應(yīng)用。直流電機以其優(yōu)良的性能在驅(qū)動、控制、 牽引等許多場合起到了十分重要的作用。鐵路機車直流牽引電機、地鐵機車直流牽引電機、機車直流輔助電機、礦用機車直流牽引電機、船用直流電機、軋鋼電機和其它直流電機，由于它們作為國民生活的基礎(chǔ)，直流電動機是最早出現(xiàn)的電動機，也是最早實現(xiàn)調(diào)速的電動機。長期以來，直流電動機一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動機的最優(yōu)選擇。因此研究直流電機的速度控制，有著非常重要的意義。 目前，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的 高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機的應(yīng)用，使直流電機調(diào)速技術(shù)又進入到一個新的階段，智能化，高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。 由于 直流調(diào)速系統(tǒng)的重要地位，因此對直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求（包括穩(wěn)速，調(diào)速，加速減速三方面）更加精確。其中穩(wěn)速要求即要求電機以一定的精度在所需要的 7 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，同時在各種干擾的作用下不能有過大的轉(zhuǎn)速波動。然而工業(yè)控制中對于加減速和調(diào)速已經(jīng)能夠很好地實現(xiàn)，但是工程應(yīng)用中的穩(wěn)速指標卻往往不能達到預(yù)期的效果。穩(wěn)速很難達到要求的原因在于直流調(diào)速裝置中的 PID 調(diào)節(jié)器對 被控對象及其負載參數(shù)變化適應(yīng)能力差。直流電機的數(shù)學模型很容易得到使得經(jīng)典控制理論在已知被控對象的傳遞函數(shù)才能進行設(shè)計的前提得到滿足，大部分數(shù)字直流調(diào)速器就是建立在此基礎(chǔ)之上的。然而實際的傳動系統(tǒng)之中 ，電機的一些固有參數(shù)和拖動負載的參數(shù)并不是模型那樣一成不變。尤其對中小型電機而言，在某些應(yīng)用場合參數(shù)隨工況而變。同時，因為直流電機本身就是一個非線性的被控對象，許多拖動負載含有彈性或間隙等非線性因素，所以被控對象的參數(shù)變化與非線性特性使得線性常參數(shù) PID 調(diào)節(jié)器顧此失彼而不能使系統(tǒng)在各種工況下都能保持設(shè)計時的性能指 標，使得控制系統(tǒng)的魯棒特性變差。尤其是模型參數(shù)大范圍變化且具有較強非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，常規(guī)的 PID 調(diào)節(jié)器難以滿足高精度，快響應(yīng)的控制要求而不能有效控制負載、模型參數(shù)大范圍變化及非線性因素的影響。在工程應(yīng)用中這種控制器可能就不能滿足生產(chǎn)要求 譬如軋鋼工業(yè)的同軸控制系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)窯傳動裝置等都需要在生產(chǎn)過程中保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速要求而生產(chǎn)負載參數(shù)卻是隨工況變化的。 模糊控制不要求被控對象的精確模型但適應(yīng)能力強，為了彌補常規(guī)數(shù)字直流調(diào)速裝置的缺點?？梢灾v模糊控制與 PID 調(diào)節(jié)器相結(jié)合以形成 FUZZYPID 負荷控制方案。從而設(shè)計 能在負載和模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響下都可以滿足控制穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度要求的直流電機控制器。 論文 主要研究內(nèi)容 本論文的主要研究內(nèi)容就是在對直流電機的調(diào)速原理和調(diào)速方法了解的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)對直流有刷電機的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。論文中 直流電機的調(diào)速系統(tǒng)控制硬件主要包括單片機 (AT89C52)控制模塊， L298N 電機驅(qū)動模塊， LCD1602 電機速度顯示模塊，獨立式鍵盤控制模塊及測速及反饋模塊。 在 這次基于單片機的直流電機調(diào)速的課題主要實現(xiàn)三個功能 : （ 1） 實現(xiàn)電機的加速減速和正反轉(zhuǎn) ； （ 2） 實現(xiàn)電機速度的 數(shù)字顯示 ； （ 3） 通過 AD 轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對電機電樞繞組電流的模數(shù)轉(zhuǎn)換并顯示電流值 ； 8 由于 該 電機調(diào)速系統(tǒng)中共有正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速和急停五個運行狀態(tài)，考慮到成本和接線的簡單性從而采用了獨立式鍵盤輸入。通過按鍵掃描結(jié)合中斷功能，實現(xiàn) 對按鍵的輸入和識別。通過按鍵，可以實現(xiàn)電機的五個運行狀態(tài)及各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。結(jié)合實際直流電機驅(qū)動需求，選用 L298N 電機驅(qū)動芯片作為直流電機的驅(qū)動芯片，通過 對 L298N 的控制端子輸入 PWM 波 實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速和 轉(zhuǎn)動方向控制。在電機速度控制系統(tǒng)中， 可以 利用霍爾元件 配合磁片 來 對與電機同轉(zhuǎn)速的 脈 沖 計數(shù) 實現(xiàn) 直流電機的速度 測量， 將電機的實時 速度反饋給單片機，再由單片機通過 P0 口輸出實現(xiàn)對電機速度的實時顯示 。 另外，通過 L298N 的管腳輸出測得直流電機電樞繞組的電流，經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換之后，將它的輸出與單片機復用 P0 口輸出電樞繞組的電流。 直流調(diào)速系統(tǒng)的 主 程序和 按鍵子 程 序流程 圖分別如圖 1 圖 13 所示。 開始初始化按鍵子程序速度子程序顯示結(jié)束開始獲取按鍵判斷是否有鍵按下S 1 是否按下S 2 是否按下S 3 是否按下S 4 是否按下結(jié)束電機正傳電機反轉(zhuǎn)電機加速電機減速NYYYY 圖 12 主 程序流程圖 圖 13 按鍵子 程序流程圖 9