【文章內(nèi)容簡介】 .......... 錯誤 !未定義書簽。 步進電機的一些基本參數(shù) .......................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 保持轉(zhuǎn)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(diào)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(jié)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(diào)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(jīng)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(xiàn)。直到進入上世紀 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)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(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)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(jīng)出現(xiàn)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(jīng)沒有了學科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)生 PWM 信號。并自動調(diào)節(jié) PWM 信號的占空比。將信號輸入驅(qū)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(zhuǎn)，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。最后還給出仿真方法和相關仿真圖形。 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的組成和功能 PWM 信號發(fā)生與調(diào)節(jié)模塊 作為一個 PWM 調(diào)速系統(tǒng)，首要的是需要產(chǎn)生 PWM 信號。 PWM 的產(chǎn)生方法有很多，包括純硬件電路產(chǎn)生方法和采用基于可編程器件的軟件實現(xiàn)方法。本文采用單片 4 機編程生成 PWM 信號， PWM 占空比的 調(diào)節(jié)也采用軟件實現(xiàn)。 PWM 信號放大與電機驅(qū)動模塊 由單片機產(chǎn)生的 PWM 信號很微弱， PWM 信號產(chǎn)生后并不能直接驅(qū)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(qū)動電機。本文采用專門的驅(qū)動芯片對電機進行驅(qū)動。 負載模塊 PWM 信號經(jīng)過處理后，可用于驅(qū)動電機等負載，電機作為電信號轉(zhuǎn)化為機械動力的裝置在調(diào)速系統(tǒng)中必不可少。該文采用的是廉價的低電壓驅(qū)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(shù)據(jù)處理能力 (如算術運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理 )的微處理器 (CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)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(shù)器、串行通信口(SCI)、顯示驅(qū)動電路 (LCD 或 LED 驅(qū)動電路 )、脈寬調(diào)制電路 (PWM)、模擬多路轉(zhuǎn)換器及 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊芯片上，構(gòu)成一個最小而完善的計算機系統(tǒng) [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(xiàn)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(chǎn)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(wǎng)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?？v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(tǒng)的可行性，而且在設計的系統(tǒng)出錯時，不至于損害具體硬件環(huán)境 [6]。因此，采用系統(tǒng) 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(jīng)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(diào)速系統(tǒng)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(zhuǎn)矩容易控制，因 6 此它作為調(diào)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(chǎn)中，直流調(diào)速系統(tǒng)具有起、制動性能好，調(diào)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(diào)速在自動調(diào)速系統(tǒng)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(diào)速性能不高的傳動系統(tǒng)中。 在 20 世紀上半葉，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動系統(tǒng)都采用了直流電動機，而約占電力拖動總?cè)萘康?80%以上，不變速系統(tǒng)則采用交 流電動機，這種分工在一段時間內(nèi)已成為一種舉世公認的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已經(jīng)獲得實際應用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)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(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，使高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應運而生，交直流拖動按調(diào)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(jīng)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(diào)拖動系統(tǒng)取代直流可調(diào)拖動系統(tǒng)的呼聲越來越大，交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)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(diào)速的關鍵問題在于轉(zhuǎn)矩的控制，直流電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩常數(shù)，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(diào)節(jié)。而交流異步電動機轉(zhuǎn)的矩表達式： T=錯誤 !未找到引用源。 （ 12） 其中異步電動機轉(zhuǎn)矩系數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 ，氣隙有效磁通 錯誤 !未找到引用源。與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)差率 s（或轉(zhuǎn)速 n）有關，這也是交流電動機轉(zhuǎn)矩難以控制的原因所在。 7 直流調(diào)速系統(tǒng)的問題 一直以來直流調(diào)速系統(tǒng)具有起、制動性能好，調(diào)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(jié)構(gòu)特點，使其必須有換向器和電刷，因而必須經(jīng)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(diào)速的發(fā)展： （ 1）直流電動機的胡融換向器在運行中易產(chǎn)生火花，電刷磨損，需要經(jīng)常性的維護。 (2)由于存在換向問題，使單機容量和轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)復雜，成本遠遠高于交流電動機。 雖然直流調(diào)速系統(tǒng)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(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)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(diào)速的方案，研究沒有換向器的交流調(diào)速系統(tǒng)。 1. 交流電動機的調(diào)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(diào)速的有關理論來代替直流調(diào)速的方法，直到 60 年代，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流調(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)速系統(tǒng)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(diào) 速系統(tǒng)已經(jīng)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(diào)速系統(tǒng)也有它的缺點，例如，調(diào)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(xiàn)。本論文主要是采用了交 ——直一交變 8 頻調(diào)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(diào)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(diào)速。 異步電動機調(diào)速發(fā)展及特性 (一 )異步電動機的調(diào)速方式 對于籠型異步電機來說，要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，只有通過改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。由于 同步轉(zhuǎn)速為： 錯誤 !未找到引用源。 （ 13） 式中， f——電源的頻率； P——旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。 由式（ 13）可知，調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速的方法只有兩種。 （二）改變磁極對數(shù)調(diào)速 定子磁場的磁極對數(shù)取決于定子繞組的結(jié)構(gòu)。所以要改變極對數(shù)，必須將定子繞組繞制為可以換接成兩種磁極對數(shù)的特殊形式。通常，一套套組只能換接成兩種磁極對數(shù)。如在定子上安置兩套可變磁極對數(shù)的繞組，則可得到四種轉(zhuǎn)速。 這種方法的缺點是顯而易見的，主 要有： 有極的，且級數(shù)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(shù)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(diào)速 這是我們做畢業(yè) 設計變頻調(diào)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(diào)速所能達到的指標，已能和直流點攻擊的調(diào)速性能媲美。其主要優(yōu)點有： （ 1）調(diào)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(zhuǎn)速以下，調(diào)速范圍可達到 ??n? 。 錯誤 !未找到引用源。 實際是同步轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，與實際轉(zhuǎn)速的調(diào)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(zhuǎn)速以下的調(diào)節(jié)范圍可達到錯誤 !未找到引用源。 9 （