【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 直流電機(jī)的 PWM 控制 技術(shù) 直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ， 調(diào)速平滑、方便 ， 調(diào)速范圍廣 ， 過(guò)載能力大 ，能承受頻繁的沖擊負(fù)載 ， 可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng) 、 制動(dòng)和反轉(zhuǎn) ； 能滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求 ， 在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)主要有三種方法 ： 調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵(lì)磁磁通和改變電樞回路電阻。針對(duì)三種調(diào)速方法，都有各自的特點(diǎn)，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大 ， 一般都是配合變壓調(diào)速使用 。 所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流PWM 調(diào)速系統(tǒng)兩種。直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn) ：由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高 ， 僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流 電流 ， 低速特性 好 、 穩(wěn)速精度高 、 調(diào)速范圍寬 。 同樣 ， 由于開(kāi)關(guān)頻率高 ,快速響應(yīng)特性好 ,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng) ， 可以獲得很寬的頻帶 ； 開(kāi)關(guān)器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) ， 因此 主電路損耗小 、 裝置效率高 ； 直流電源采用不 可 控整流時(shí) ， 電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因?yàn)橹绷?PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點(diǎn) ， 并且隨著電力電子器件開(kāi)關(guān)性能西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 U ( t )0tTt 0UU ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0的不斷提高 ， 直流脈寬調(diào)制 ( PWM) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字電路已被大規(guī)模集成電路所取代 ， 這就使得數(shù)字調(diào)制技術(shù)成為可能 。 目前 ， 在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制 技術(shù) 。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn) 數(shù)字化控制 ， 是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一 。 采用微機(jī)控制后 ， 整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化 ，并且 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 可靠性高 、 操作維護(hù)方便 ,電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平 ， 靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的要求。 下面主要介紹 直流 電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng) 的算法實(shí)現(xiàn)。 根據(jù) PWM 控制的基本原理 可知，一段時(shí)間內(nèi)加在 慣性 負(fù)載兩端的 PWM 脈沖與 相等 時(shí)間內(nèi) 沖量 相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在 短 時(shí)間 T 內(nèi)脈沖寬度為 0t ,幅值為 U， 由圖 可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直 流電壓為： 圖 PWM 脈沖 TUtU ?? 00 ， 若令 Tt0?? ， ? 即為占空比，則上式可化為： UU ???0 (U 為脈沖幅值 ) （ ） 若 PWM 脈沖 為 如圖 所示 周期性 矩形脈沖 ， 那么與此脈沖 等效 的 直流電壓的計(jì)算方法 與上述 相同， 即 UT UtnT UntU ?????? ?000 （ ? 為矩形脈沖占空比） （ ） 圖 周期性 PWM 矩形 脈沖 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 由式 可知，要改變等效直流 電壓 的 大小，可以通過(guò)改變脈沖幅 值 U 和 占空比 ? 來(lái)實(shí)現(xiàn)， 因?yàn)樵趯?shí)際 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)中 脈沖幅 值 一般 是恒定的，所以通常 通過(guò)控制占空比 ? 的大小 實(shí)現(xiàn) 等效直流電壓在 0～ U 之間任意 調(diào)節(jié) ， 從而達(dá)到利用 PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 鍵盤(pán)模塊 控制器模塊顯示模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 直流電機(jī)速度檢測(cè)模塊PWM 脈沖2 設(shè)計(jì)方案與論證 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 根據(jù) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和 要求 ， 設(shè)計(jì)系統(tǒng)方框 圖如 圖 所示 。圖中 控制器模塊為系統(tǒng)的 核心 部件 ，鍵盤(pán)和顯示器用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互 功能，其中 通過(guò)鍵盤(pán)將需要設(shè)置的參數(shù) 和狀態(tài) 輸入到單片機(jī)中， 并且通過(guò)控制器 顯示到 顯示器上 。在運(yùn)行過(guò)程中控制器產(chǎn)生 PWM 脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中， 經(jīng)過(guò)放大后 控制直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速 ， 同時(shí) 利用 速度檢測(cè)模塊將 當(dāng)前轉(zhuǎn)速 反饋 到控制器中，控制器經(jīng)過(guò) 數(shù)字 PID 運(yùn)算后 改變 PWM 脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制的目的 。 圖 系統(tǒng)方案框圖 控制器模塊設(shè)計(jì)方案 根據(jù) 設(shè)計(jì)任務(wù) ，控制器主要用于 產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法 控制 的 PWM 脈沖 ，并對(duì) 電機(jī)當(dāng)前速度進(jìn)行采集處理，根據(jù)算法得出當(dāng)前所需輸出的占空比脈沖。 對(duì)于控制器的選擇有以下 三 種方案。 方案 一 ：采用 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編輯門(mén)列陣） 作為系統(tǒng)的控制器， FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能 [3]，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高 了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能控制。 FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。通過(guò)輸入模塊將參數(shù)輸入給 FPGA， FPGA 通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制 PWM 脈沖的占空比 ，但是由于本 次 設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線(xiàn)復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 方案二：采用 AT89S51 作為系統(tǒng)控制的方案。 AT89S51 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編 程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制 [4]。相對(duì)于FPGA 來(lái)說(shuō)，它的芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)現(xiàn)。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 方案 三 ：采用傳統(tǒng)的 AT89C51單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心。 它和 AT89S51一樣都 具有 軟件編程靈活、體積小、成本低 ,使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn) ， 但 是它的頻率較低、運(yùn)算速度 慢 ， RAM、 ROM 空間小等缺點(diǎn)。本題目在確定圓周坐標(biāo)值時(shí)，需要進(jìn)行大量的運(yùn)算 。 若采用 89C51 需要做 RAM， ROM 來(lái)擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。 綜合上述三種方案比較，采用 AT89S51 作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此在本 次 設(shè)計(jì) 選用 方案二。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)的主要目的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是必不可少，其方案有一下兩種。 方案一：采用 大功率晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、易實(shí)現(xiàn)，但由于在驅(qū)動(dòng)電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復(fù)雜、 抗干擾能力差、 可靠性下降，我們知道在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中可靠性是一個(gè)非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。 方案二：采用 專(zhuān) 用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，例如 L298N、 L297N 等電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們?cè)趹?yīng)用時(shí)只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動(dòng)能力等問(wèn)題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。設(shè)計(jì)者不需要對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)考慮很多，可將重點(diǎn)放在算法實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)中，大大的提高了工作效率。 基于上述理論分析和實(shí)際情況， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用 方案二。 速度采集模塊設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中需要將設(shè)定與當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而 設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)方案以下三種： 方案 一 ：采用霍爾集成片。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成 。 當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?[5]，因此可以在電機(jī)上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè)。 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 方案二：采用對(duì)射式光電傳感器。其檢測(cè)方式為：發(fā)射器和接受器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接受器，當(dāng)測(cè)物擋住光束時(shí)，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。 方案三：采用 測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量 。 該方案的實(shí)現(xiàn)原理是將測(cè)速發(fā)電機(jī)固定在直 流電機(jī)的軸上，當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)測(cè)速電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因此測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生大小隨直流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此精 度比較高，但由于該方案的安裝比較復(fù)雜、成本也比較高，在本次設(shè)計(jì) 沒(méi)有采用此方案。 以上 三 種方案 中，第三種方案不宜采用，第一種和第二種方案的測(cè)速原理 基本相同 都是 將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖的頻率進(jìn)行測(cè)量，但考慮到 市場(chǎng)中的 霍爾元件 比較難買(mǎi) ， 而且成本也比較高，所以綜合考慮在 設(shè)計(jì)中選用第二種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案 在 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中 ，系統(tǒng)需要 對(duì) 參數(shù)、工作方式以及電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的顯示，因此在整個(gè)系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)一個(gè)顯示模塊， 考慮有 三 種方案： 方案 一 ：使用 七段 數(shù)碼管 （ LED） 顯示。 數(shù)碼管具有 亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、耐沖擊且性能穩(wěn)定 等特點(diǎn) ， 并且它可 采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調(diào)試簡(jiǎn)單。 但由于在此次設(shè)計(jì)中需要設(shè)定的參數(shù)種類(lèi)多，而且有些需要進(jìn)行漢字和字符的顯示，所以使用 LED 顯示器不能完成設(shè)計(jì)任務(wù)，不宜采用。 方案 二 ：采用 1602LCD 液晶顯示器，該顯示器控制方法簡(jiǎn)單，功率低、硬件電路簡(jiǎn)單、可對(duì)字符進(jìn)行顯示，但考慮到 1602LCD 液晶顯示器的屏幕小， 不能顯示漢字，因此對(duì)于 需要顯示大量參數(shù)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不宜采用。 方案三：采用 12864LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動(dòng)方法和硬件連接電路較上面兩種方案復(fù)雜， 顯示屏幕大 、可對(duì)漢字和字符進(jìn)行顯示 。 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，顯示模塊選用方案三。 鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)方案 在 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中 ，系統(tǒng)需要按鍵 進(jìn)行參數(shù)的 輸入 、工作方式的 設(shè)定 以及電機(jī)起停的控制 ，因此 鍵盤(pán)在整個(gè)系統(tǒng)中是不可缺少的一部分， 考慮有 二 種方案： 方案一：采用獨(dú)立 式鍵盤(pán)，這種鍵盤(pán)硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵 均有一端 接地， 另一端接到輸入線(xiàn)上。 按鍵 的 工作狀態(tài)不會(huì)影響其西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 它按鍵上的輸入狀態(tài)。但是由于獨(dú)立式鍵盤(pán)每個(gè)按鍵需要占用一根輸入口線(xiàn)， 所以 在按鍵數(shù)量較多時(shí)， I/O 口浪費(fèi)大，故此鍵盤(pán)只適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。 方案二：采用行列式鍵盤(pán)，這種鍵盤(pán)的特點(diǎn)是行線(xiàn)、列線(xiàn)分別接輸入線(xiàn)、輸出線(xiàn)。按鍵設(shè)置在行、列線(xiàn)的交叉點(diǎn)上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需 m 根行線(xiàn)和 n 根列線(xiàn)就可組成 nm? 個(gè)按鍵的鍵盤(pán)，因此矩陣式鍵盤(pán)適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合。但此種鍵盤(pán)的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 [6]。 根據(jù)上面兩種方案的論述 ，由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，對(duì)軟件的運(yùn)行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 電源模塊設(shè)計(jì)方案 電源是 任何系統(tǒng)能否運(yùn)行的能量來(lái)源，無(wú)論那種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對(duì)于該模塊考慮一下兩種方案。 方案一：通過(guò)電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機(jī)運(yùn)行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡(jiǎn)單，但對(duì)能量的損耗大， 在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用 。 方案二：通過(guò)固定芯片對(duì)整流后的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理（如 781 7805等），此種方案可靠性、安全性高，對(duì)能源的利 用率高，并且電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。 經(jīng)過(guò)上述的分析 與 論證，系統(tǒng)各模塊采用的方案如下： （ 1） 控制模塊 ： 采用 AT89S51 單片機(jī)； （ 2） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用 直流 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 實(shí)現(xiàn)； （ 3） 速度采集 模塊：采用 光電 傳感器； （ 4） 顯示 模塊： 采用 12864LCD 液晶顯示模塊 ； （ 5） 鍵盤(pán) 模塊： 采用 標(biāo)準(zhǔn)的 44 矩陣式鍵盤(pán) ； （ 6） 電源模塊： 采用 780 7812 芯片實(shí)現(xiàn) 。 西安科技大學(xué)電控 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 U7C20 .33 μ FC60 .33 μ FV in1GND2+ 5V3U47 80 5V in1GND2+ 12 V3U37 81 2C30 .1μ FC70 .1μ F+ 5v+ 12 v1234U6C82 0μ FC53 30 0μ FC42 0μ FC13 30 0μ F12J1~ 22 0V3 單元電路設(shè)計(jì) 硬件資 源分配 本系統(tǒng)電路連接