【文章內(nèi)容簡介】 一相的正弦波都使用三相的電壓波形，通過兩組晶閘管變流電路，調(diào)制出近似正弦波的輸出。從原理上分析，該電路的變頻功能只能由基頻向下變，即頻率只能變低。因為中間環(huán)節(jié)少，所以它的效率高。 同步電動機的調(diào)速方法 同步電機的調(diào)頻只有兩種方式：調(diào)節(jié)定子和轉(zhuǎn)子的極對數(shù)比例；變頻。調(diào)極提速的平滑性不好而交 交變頻調(diào)速的調(diào)速范圍有限。 PWM 變頻調(diào)速 對于 PWM 變頻調(diào)速，以上缺點均被一一克服。與交 交變頻電路的變 頻過程比較，似乎只多了一個直流的轉(zhuǎn)換過程。而正是這個直流轉(zhuǎn)換過程使 PWM 變頻電路更具靈活性。 現(xiàn)代的變頻器采用了通信技術(shù)領(lǐng)域中的脈寬調(diào)制技術(shù)，具體一點就是應(yīng)用了 5 采樣控制理論中的一個重要理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。 變頻器就是應(yīng)用這一理論，用一系列不等寬的脈沖代替一個正弦波，只要縮短這一系列脈沖的總寬度，就可達到調(diào)頻的效果，而改變這一系列中各脈沖的寬度則可達到調(diào)壓的目的（有效值等效，但峰值不等效），因此這一技術(shù)使恒磁通調(diào)速成為可能。 在設(shè)計電機時， 一般將額定工作點選在磁化曲線開始彎曲處，因此，調(diào)速時希望保持每極磁通 m? 為額定值，即 mNm ?? ? 。因為磁通增加，將引起鐵芯過分飽和，勵磁電流急劇增加，導(dǎo)致繞組過分發(fā)熱，功率因素降低；而磁通減少，將使電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降，如果負載轉(zhuǎn)矩仍維持不變，勢必導(dǎo)致定子、轉(zhuǎn)子過電流，也要產(chǎn)生過熱，故希望保持磁通恒定。 由上所知恒磁通調(diào)速，其實是要達到恒力矩輸出的效果。而異步電動機定子每相感應(yīng)電動勢為 mNKNfE ?1111 ? （ 12） 式中： 1N ——定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)； 1NK ——基波繞組系數(shù)； m? ——每極氣隙磁通。 由式（ 12）可以知道， m? 的值是由 1E 和 1f 共同決定的。對 1E 和 1f 進行適當?shù)目刂?，就可以使氣隙磁?m? 保持額定值不變。 總的來說 PWM 變頻調(diào)速技術(shù)頻調(diào)速靈活。調(diào)速的范圍寬，在一定范圍內(nèi)可實現(xiàn)恒力矩輸出，是一種相當適合電梯使用的調(diào)速方式，而且其本身的技術(shù)也在不斷的革新中。隨著 PWM 技術(shù)的不斷改進，它的應(yīng)用的范圍也將不斷的擴展。 課題研究內(nèi)容及目標 根據(jù) 直流電機 調(diào)速的控制要求確定整體的設(shè)計方案，完成單片機控制的PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)需能實現(xiàn)用軟件產(chǎn)生 PWM 信號，并且通過單片機對 L298 的信號傳輸達到對電機的啟動和停止，加速和減速，正傳和反轉(zhuǎn)的控制；直流電機的轉(zhuǎn)速在 LED 顯示器上正確實時顯示。 該系統(tǒng)主要由輸入設(shè)備、單片機、顯示器、電機驅(qū)動模塊和測速元件等部分組成。主要內(nèi)容具體描述如下： （ 1） 輸入設(shè)備的選擇：與矩陣鍵盤相比獨立鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，所以本設(shè)計采用獨立鍵盤給單片機輸入信號； （ 2） 單片機的選型： MCS51 系列單片機有多種型號，其中 AT89S51 不僅兼容 8051，還具有 ISP 編程和看門狗功能，這里選用單片機 AT89S51 作為控制 6 核心； （ 3） 顯示部分的設(shè)計： LED 是 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸出器件，用 LED實現(xiàn)對 PWM 脈寬調(diào)制占空比的實時顯示； （ 4） 電機驅(qū)動模塊的設(shè)計：利用 H 橋式驅(qū)動電路可實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，制動的功能，作為集成有橋式電路的電機專用芯片 L298 在應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛使用，而且其性能比較穩(wěn)定可靠，所以用 L298 作為電機的驅(qū)動芯片。 （ 5） 測速元件的選用：測速元件有很多，本設(shè)計選用霍爾元件測速，在電機中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度傳送給單片機。 本章小結(jié) 本章節(jié)主要分析了直流電機調(diào)速系統(tǒng)研究的背景和研究的目的及意義；并且介紹了 直流 電機控制的國內(nèi)外研究 現(xiàn)狀及發(fā)展情況； PWM 變頻調(diào)速的發(fā)展前景；以及本課題主要研究內(nèi)容及預(yù)期目標做了簡要說明。 2 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 設(shè)計思路 單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的主要 功能包括： 實現(xiàn)對直流電機的加速、減速 和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及啟動、停止 的控制 ，能夠很方便地 實現(xiàn)電機智能控制。 系統(tǒng)的主體電路 是直流電機 PWM 控制模塊。這部分電路主要由 AT89S51單片機的 I/O 端口、定時計數(shù)器 、外部中斷擴展等來控制直 流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，可以方便地實現(xiàn)直 流電機的智能控制。 該系統(tǒng)是通過 AT89S51 單片機產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到L298 驅(qū)動芯片來控制直流電機的工作。該單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)主要是由以下幾個 電路 模塊組成： 輸入模塊 ：這一部分主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)對直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和啟動、停止控制。 控制模塊：主要由 AT89S51 單片機的外部擴展電路組成。直流電機 PWM 控制實現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機和 L298 驅(qū)動芯片組成。 測速 顯示模塊： 通過霍爾傳感器 CS3020 和 LED 數(shù)碼顯示，實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的實時 顯示。 總體 方案比較與選擇 方案一：直接 加直流電源來控制電機的轉(zhuǎn)動速度：根據(jù)電機在其額定電壓時， 7 電機有一定的額定轉(zhuǎn)速。 那么如果 其輸入電壓減小，其轉(zhuǎn)動速度也 相應(yīng)地 減小。在傳統(tǒng)的改變電機的轉(zhuǎn)速中，就是利用所給電機的電壓的不同，從而達到人們所需的轉(zhuǎn)速。 方案二 ：以單片機 AT89S51 為中心，通過 D/A 轉(zhuǎn)換器，將單片機數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而起到控制電機的轉(zhuǎn)速問題。其中在單片機控制部分通過按鍵直接從程序中調(diào)出所需的速度值，同時輸?shù)綌?shù)碼顯示部分和 D/A 轉(zhuǎn)換部分以實現(xiàn)電機的調(diào)速。 電路 組成框 圖如圖 21 所示 ： 圖 21 電路組成框圖 方案 三 ： 采用 AT89S51 單片機進行控制。本設(shè)計需要使用的軟件資源比較簡單，只需完成霍爾元件采樣部分、鍵盤控制部分以及顯示輸出功能。采用AT89S51 進行控制比較簡單、易控制、可靠性高、抗干擾能力強、精度高且體積大大減小。輸出速度 由單片機傳送給 LED 進行實時顯示 。 AT89S51 是 ATMEL在 2020 年推出的新型單片機品種。 AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位微控制器 ，片內(nèi)含 4K Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù) 擦寫 1000 次的Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造， 兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元， 所以 ATMEL 的 AT89S51 是一種高效微控制器。 方案分析： 方案一只能以減小 所給電壓值而能使電機的轉(zhuǎn)速有相應(yīng)地 減小，此方案操作性差且不安全。 方案二不能及時地從電機那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度，而是直接從程序那兒調(diào)用相應(yīng)的數(shù)值給數(shù)碼管顯示。所以，此處的電路在速度的顯示上失去了其真實性。方案三在可操作性與實時性方 面都結(jié)合了本設(shè)計的特點，從控制理論與控制技術(shù)出發(fā)，充分發(fā)揮與應(yīng)用 所學(xué)知識的特點。所以，本設(shè)計采用方案三。 電機調(diào)速控制模塊方案比較與選擇 方案一：采用電阻網(wǎng)路或數(shù)字 電位器 調(diào)整電機 分 壓，從而達到調(diào)速的目的。顯示器 鍵盤 AT89S51 單片機 D/A轉(zhuǎn) 換器 電機 8 但是電阻網(wǎng)路只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格昂貴， 更主要的問題是一般電機的電阻很少，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)困難。 方案二：采用繼電器對電機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對電機的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易壞、壽命短、 可靠性不高。 方案三 ：采用 由復(fù)合三極管組成的 H 型 PWM 電路。用單片機控制復(fù)合三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H 型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。 兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計采用方案三。 基本原理分析 直流電機的調(diào)速原理 直流電機結(jié)構(gòu)多樣，但不論什么樣的直流電機都由定子和轉(zhuǎn)子。其中定子由主磁極、 換向磁極、機座等幾部分組成；轉(zhuǎn)子主要由：電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成 。常見直流電機外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。 直流電機按勵磁方式的不同可分為：他勵、并勵、串勵和復(fù)勵電機四種。不同勵磁方式，直流電機的機械特性曲線也不同。對于直流電機來說人為機械特性方程式為： nnTCCRCUnTEaEa ????? 02?? （ 21） 式中： 0n 是電動機的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為?EaCUn ?0； n? 是轉(zhuǎn)速差； aU 是電樞供電電壓（ V）； a R 是電樞回路總電阻（ Ω）； ? 是勵磁磁通（ Wb）； EC 是電勢系數(shù)； TC 轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 由式（ 21）可以看出，改變電樞電阻 aR 、電樞電壓 aU 和勵磁磁通 ? 中的任何一個都可以使轉(zhuǎn)速 n 發(fā)生變化，所以直流電機調(diào)速方法有以上三種 ：改變電樞電阻 aR 、改變電樞電壓 aU 和改變勵磁磁通 ? 。 但是利用改變電樞電壓調(diào)速可以實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，且調(diào)速穩(wěn)定，調(diào)速范圍大等優(yōu)點。故本設(shè)計采用改變電樞電壓來進行調(diào)速。 9 圖 22 直流電機外形和結(jié)構(gòu)示意圖 直流電機 PWM 調(diào)速原理 PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。下面簡述一下 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。圖 23 給出 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其輸出波形。 （ a） （ b） 圖 23 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其波形 假設(shè) V1 先導(dǎo)通 T1 秒，然后又關(guān)斷 T2 秒，如此反復(fù)進行，可得到圖 23（ b）的波形圖，可以得到電機電樞端的平均電壓da UTTU 1?。如果 TT1?? ， ? 可定義為占空比 。假定輸入電壓 dU 不變， ? 越大，則電機電壓aU就越大，反之也成立。所以改變 ? 就可以達到調(diào)壓的目的。 改變 ? 有三種方法：第一種就是 T1 保持不變，使 T2 在 0 到 ∞之間變化，這叫定寬調(diào)頻法；第二種就是 T2 不變，使 T1 在 0 到 ∞之間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻法； 10第三種就是 T 保持一定，使 T1 在 0 到 T 間變化，這叫定頻調(diào)寬法。本設(shè)計采用的是定頻調(diào)寬法 ，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定，并且在產(chǎn)生 PWM 脈沖實現(xiàn)上更方便。 霍爾效應(yīng) 和 原理簡介 本設(shè)計采用的霍爾傳感器 CS3020 進行測速的，所以本節(jié)主要介紹一下霍爾效應(yīng)及其原理。 霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（ ， 1855—1938）于 1879 年在 研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差?；魻栃?yīng)原理圖見圖 24。 圖 24 霍爾效應(yīng)原理圖 因為運動中的電荷收到磁場中洛倫磁力的作用而產(chǎn)生霍爾效應(yīng)。 霍爾電勢HU 見公式（ 22）： IBdRU HH ? （ 22） 式（ 22）中： HR ——材料的霍爾常數(shù)（ 13 ?CM ）； I ——控制電流（ A）； B ——磁感應(yīng)強度（ T）； d——元件的厚度（ m）； 令： dRK HH ?， 則得到： IBKU HH ? ，有此式可以看出霍爾電勢的大小取決于控制電流 I 和磁 感應(yīng)強度 B， HK 叫做霍爾靈敏度，與元件材料性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。 系統(tǒng)各模塊方案 的比較與選擇 11 鍵盤的選擇 鍵盤是計算機不可缺少的輸入設(shè)備之一，是實現(xiàn)人機對話的紐帶，借助鍵盤可以向計算機系統(tǒng)輸入程序、置數(shù)、送操作命令、控制程序的執(zhí)行走向等。在本設(shè)計中，使用者可通過鍵盤對電機進行啟動和制動、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、加速和減速控制。在電機調(diào)速控制系統(tǒng)中常用的有獨立式鍵盤和矩陣鍵盤，本節(jié)主要 針對鍵盤來進行介紹和選擇。 獨立式鍵盤 指直接用 I/O 接口線構(gòu)成的單個按鍵電 路。 每個獨立式按鍵單獨占有一根 I/O 接口線，每根 I/O 接口線的工作狀態(tài)不會影響其它 I/O 接口線的工作狀態(tài)。獨立鍵盤如圖 25 所示 。獨立式鍵盤按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但是 每個獨立鍵盤都占用一個 I/O 接口，在按鍵數(shù)量較多時，浪費 I/O 接口， 所以其只適用在按鍵數(shù)量不多的系統(tǒng)中。