【文章內容簡介】 .......... 錯誤 !未定義書簽。 步進電機的一些基本參數 .......................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 保持轉矩（ HOLDING TORQUE） ..................................................... 錯誤 !未定義書簽。 步進電機特點 .................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 3 第一章 概述 本文 主要研究了利用 MCS51 單片機，通過 PWM 方式控制直流電機調速的方法。 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM 控制的基本原理很早就已經提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀 80 年代以前一直未能實現。直到進入上世紀 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現和 迅速發(fā)展， PWM 控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現代控制理論、非線性系統控制思想的應用， PWM 控制技術獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已經出現了多種 PWM 控制技術。 PWM 控制技術以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發(fā)展已經沒有了學科之間的界限，結合現代控制理論思想或實現無諧振軟開關技術將會成為 PWM 控制技術發(fā)展的主要方向之一。 本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空 比實現直流電機速度的控制。文章中采用了匯編程序來控制單片機，產生 PWM 信號。并自動調節(jié) PWM 信號的占空比。將信號輸入驅動芯片從而達到控制電機的效果。該程序能改變電源頻率，使電機在不同頻率下旋轉，從而實現變頻調速。最后還給出仿真方法和相關仿真圖形。 PWM 調速系統的組成和功能 PWM 信號發(fā)生與調節(jié)模塊 作為一個 PWM 調速系統，首要的是需要產生 PWM 信號。 PWM 的產生方法有很多，包括純硬件電路產生方法和采用基于可編程器件的軟件實現方法。本文采用單片 4 機編程生成 PWM 信號， PWM 占空比的 調節(jié)也采用軟件實現。 PWM 信號放大與電機驅動模塊 由單片機產生的 PWM 信號很微弱， PWM 信號產生后并不能直接驅動電機等負載模塊，而需要使用專門的電路對該 PWM 信號進行放大和處理，使其能驅動電機。本文采用專門的驅動芯片對電機進行驅動。 負載模塊 PWM 信號經過處理后，可用于驅動電機等負載，電機作為電信號轉化為機械動力的裝置在調速系統中必不可少。該文采用的是廉價的低電壓驅動的直流有刷電機。 單片機概述 單片機及其發(fā)展歷程 單片機是一種集成電路芯片，采用 超大規(guī)模技術把具有數據處理能力 (如算術運算，邏輯運算、數據傳送、中斷處理 )的微處理器 (CPU)、隨機存取數據存儲器 (RAM)、只讀程序存儲器 (ROM)、輸入輸出電路 (I/O 口 )、可能還包括定時計數器、串行通信口(SCI)、顯示驅動電路 (LCD 或 LED 驅動電路 )、脈寬調制電路 (PWM)、模擬多路轉換器及 A/D 轉換器等電路集成到一塊芯片上，構成一個最小而完善的計算機系統 [3]。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。所以，單片機有著微處理器所不具備的功能，它可單獨地完成現代工業(yè)控 制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。 單片機誕生于 20 世紀 70 年代， 自 1971 年美國 Intel 公司制造出第一塊 4 位微處理器以來，其發(fā)展十分迅猛，到目前為止，大致可分為以下幾個階段 [4]。 （ 1） 4位單片機 （ 1971—1974）：如 Intel4004； （ 2） 低檔 8位單片機 （ 1974—1978） : 如 Intel公司的 8084， Mostek公司的 3870等 ； （ 3） 高檔 8位單片機 （ 1978—1982） : 如 Intel公司的 805 Motorola公司的 Z8和 NEC公司的 MPD7800等產品 ； 5 （ 4） 16位單片機 （ 1982—1990） :如 Mostek公司的 68200、 Intel公司的 8096等； （ 5） 新一代單片機 （ 90年代以來 ）：如 NEC公司的 MPD7800， Mitsubishi公司的M37700， Reckwell公司 R6500/2 R65C29， Intel公司的 804 UPI—452等。 單片機的應用領域及發(fā)展趨勢 隨著單片機的發(fā)展，其應用領域越來越廣，大致有：智能儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、計算機網絡和通信、醫(yī)用設備等領域，此外，單片機在工商、金融、科研、教育、國防航空航天等 領域都有著十分廣泛的用途。 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從 8 位、 16 位到 32 位，應有盡有，有與主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地。縱觀單片機的發(fā)展過程，可以預示單片機的發(fā)展趨勢，大致有 [5]： （ 1）低功耗 CMOS 化；（ 2）微型單片化；（ 3）主流與多品種共存。 計算機仿真概述 計算機仿真不僅在沒有具體硬件環(huán)境的條件下模擬出具體硬件環(huán)境，以判斷系統的可行性，而且在設計的系統出錯時，不至于損害具體硬件環(huán)境 [6]。因此，采用系統 仿真是非常必要的。當前能夠用于計算機仿真學習單片機的軟件也已日趨成熟，比如 Keil都出了 以上版本， Proteus 也出了 以上版本，而各種集成開發(fā)環(huán)境更是層出不窮，極大地方便了學生通過計算機仿真學習單片機。尤其是當前最熱的幾種 8 位和 16 位單片機，比如： 51 系列、 AVR 系列、 PIC 系列，仿真學習的條件最為成熟。甚至 32 位的ARM 單片機也能通過計算機仿真來進行學習。所以，當前計算機仿真學習單片機的條件已經成熟，應該抓住這個機會，積極地利用它，并為學習單片機服務。 交流調速系統的發(fā)展概述 電力拖動發(fā)展過程 19 世紀相繼誕生了直流電動機和交流電動機，由于直流電動機轉矩容易控制，因 6 此它作為調速電動機的代表在 19 世紀的大部分年代廣泛地應用于工業(yè)生產中，直流調速系統具有起、制動性能好，調速范圍廣和靜差小及穩(wěn)定性好等優(yōu)點，晶閘管整流裝置的應用更使直流調速在自動調速系統中占主導地位，相比交流電動機則只能應用于不變速或要求調速性能不高的傳動系統中。 在 20 世紀上半葉，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調速性能，高性能可調速拖動系統都采用了直流電動機，而約占電力拖動總容量的 80%以上，不變速系統則采用交 流電動機，這種分工在一段時間內已成為一種舉世公認的格局。交流調速系統的多種方案雖然早已問世，并已經獲得實際應用，但其性能卻始終無法與直流調速系統相匹敵。 直到 20 世紀 60“70年代，隨著電力電子技術的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統得以實現，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現，使高性能交流調速系統應運而生，交直流拖動按調速性能分工的格局終于被打破了。這時，直流電動機和交流電動機相比的缺點日益顯露。例如直流電動機具有電刷和換向器而必須經常檢查維護，換向火花使它的應用環(huán)境受到限制，換向能力限制了直 流電動機的容量和速度等等。于是，用交流可調拖動系統取代直流可調拖動系統的呼聲越來越大，交流拖動控制系統已經成為當前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。 1971 年波拉斯切克 ( )提出了交流電動機矢量控制原理，使交流傳動技術從理論上解決了獲得與直流傳動相似的靜、動態(tài)特性問題。矢量變換控制技術（或輯磁場定向控制技術）是一種模擬直流電動機的控制。眾所周知，調速的關鍵問題在于轉矩的控制，直流電動機的轉矩表達式為： T=錯誤 !未找到引用源。 Φ錯誤 !未找到引用源。 (11) 其中 錯誤 !未找到引用源。 是轉矩常數，磁通 Φ 和電樞電流 錯誤 !未找到引用源。 是兩個可以單獨控制的獨立變量，他們之間互成 90176。正交關系，在電路上互補影響，可以分別進行調節(jié)。而交流異步電動機轉的矩表達式： T=錯誤 !未找到引用源。 （ 12） 其中異步電動機轉矩系數 錯誤 !未找到引用源。 ，氣隙有效磁通 錯誤 !未找到引用源。與轉子電流 錯誤 !未找到引用源。 之間是即不成直角關系又不相互獨立的兩個變量，轉子電流 錯誤 !未找到引用源。 不僅與 錯誤 !未找到引用源。 有關，而且還與轉差率 s（或轉速 n）有關，這也是交流電動機轉矩難以控制的原因所在。 7 直流調速系統的問題 一直以來直流調速系統具有起、制動性能好，調速范圍廣，靜差小及穩(wěn)定性好等優(yōu)點而得到廣泛的應用。但由于直流電動機的結構特點，使其必須有換向器和電刷，因而必須經常檢查維修。其次，換向火花使它的應用環(huán)境受到限制，換向能力限制了直流電動機的容量和速度。 直流電動機本身有如下一些固有的缺陷，制約了直流調速的發(fā)展： （ 1）直流電動機的胡融換向器在運行中易產生火花，電刷磨損，需要經常性的維護。 (2)由于存在換向問題，使單機容量和轉速受到了限制，直流電動機難以做成高速大容量機組。 (3)直流電動機結構復雜，成本遠遠高于交流電動機。 雖然直流調速系統的理論和實踐應用比較成熟，但由于電動機的單機容量、最高壓、最高轉速及過載能力等主要技術指標受到機械換向的制約，限制了直流調速系統的發(fā)展，使得人們長期以來尋找用交流電動機替代直流電動機調速的方案，研究沒有換向器的交流調速系統。 1. 交流電動機的調速優(yōu)勢 早在上世界 20年代到 30年代就有人提出用交流調速的有關理論來代替直流調速的方法，直到 60 年代，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流調速得以迅速發(fā)展。交流電動的主要優(yōu)點是：沒有電刷和換向器，結構簡單，運行可靠，使用壽命長，維護方便，且價格比相同容量的直流電動機低等等。 結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高、無電刷、維護費月低。近年來，隨著電力電子技術的進一步發(fā)展，交流調速系統得到很大的進步。同時得益于采用了矢量控制技術，使得交流調 速系統已經從技術上解決了獲得與直流傳動機似的靜、動態(tài)特性問題。 但是交流調速系統也有它的缺點，例如，調速比較復雜，磁通和電流有關等。為了克服這些缺點，可以通過采用矢量控制技術實現。本論文主要是采用了交 ——直一交變 8 頻調速技術，技術比較簡單但也很成素。同時， PWM 技術的發(fā)展也很迅速，在變頻調速領域的到了很好的應用。所以，在此用這些理論來完成交流電動機的變頻調速。 異步電動機調速發(fā)展及特性 (一 )異步電動機的調速方式 對于籠型異步電機來說，要調節(jié)轉速，只有通過改變同步轉速來實現。由于 同步轉速為： 錯誤 !未找到引用源。 （ 13） 式中， f——電源的頻率； P——旋轉磁場的磁極對數。 由式（ 13）可知，調節(jié)同步轉速的方法只有兩種。 （二）改變磁極對數調速 定子磁場的磁極對數取決于定子繞組的結構。所以要改變極對數，必須將定子繞組繞制為可以換接成兩種磁極對數的特殊形式。通常，一套套組只能換接成兩種磁極對數。如在定子上安置兩套可變磁極對數的繞組，則可得到四種轉速。 這種方法的缺點是顯而易見的，主 要有： 有極的，且級數很少。如電源頻率 f=50Hz，則 P=1， 錯誤 !未找到引用源。 ；（ 14） P=2， 錯誤 !未找到引用源。 ；（ 15） P=3， 錯誤 !未找到引用源。 ∕min ；（ 16） P=4， 錯誤 !未找到引用源。 ；（ 17） 由于定子繞組的設計需照顧到兩種磁極對數的情形，所以不管工作在那種情況下，都不可能得到最佳設計，故而電動機的效率將很低。 （三）變頻調速 這是我們做畢業(yè) 設計變頻調速所要完成的主要任務。由以前的相關學習我們知道，變頻調速所能達到的指標，已能和直流點攻擊的調速性能媲美。其主要優(yōu)點有： （ 1）調速范圍廣。通用變頻器的最低工作頻率為 ，如額定頻率 fN=50HZ，則在額定轉速以下，調速范圍可達到 ??n? 。 錯誤 !未找到引用源。 實際是同步轉速調節(jié)范圍，與實際轉速的調節(jié)范圍略有出入。 檔次較高的變頻器的最低工作頻率可達 ，則額定轉速以下的調節(jié)范圍可達到錯誤 !未找到引用源。 9 （