【文章內(nèi)容簡介】 許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。由于它具有體積小、響應快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標上和可靠性有所 提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在 10000 以上，比機組 (放大倍數(shù) 10)高 1000 倍，比汞弧變流器 (放大倍數(shù) 1000)高 10 倍 。在響應快速性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。 [2] 從 20 世紀 80 年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。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)的應用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大，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、新型電子電力開關器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動機控制也裝置不斷向前發(fā)展。微機的應用使直流電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動了電氣傳動的發(fā)展。近年來，一些先進國家陸續(xù)推出并大量使用以微機為控制核心的直流電氣傳動裝置，如西門子公司的 SIMOREG K 6RA2 ABB 公司的 PAD/PSD 等等。 隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對自動化的需求也越來越高，直流電動機應用領域也不斷擴大。例如，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)，飛船光電池對太陽得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設備，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，泵和壓縮機等設備的控制；計算機外圍設備和辦公設備中的各種磁盤驅(qū)動器，各種光盤驅(qū)動器，繪圖儀，掃描儀，打印機，傳真機，復印機等設備的控制；音像設備和家用電器中的錄音機，錄像機，數(shù)碼相機，洗衣機，冰箱，電扇等的控制。 隨著計算機，微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型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)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)，微機應用技術(shù)的最新發(fā)展成就。變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)已成為電動機控制的主流技術(shù)。正是這些技術(shù)的進步使電動控制技術(shù)在近二十年內(nèi) 6 發(fā)生了很大的變化。其中，電動機控制策略的模擬實現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺，而采用微處理器，通用計算機， FPGA/CPLD， DSP 控制器等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。電動機的驅(qū)動部分所采用的功率器件經(jīng)歷了幾次的更新?lián)Q代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件 MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流。功率器件控制條件的變化和微 電子技術(shù)的使用也使新型的電動機控制方法能夠得到實現(xiàn)。其中，脈寬調(diào)制（ PWM）方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應用。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，超聲波電動機等。由于有微處理器和傳感器作為新一代運動控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運動控制系統(tǒng)為智能運動控制系統(tǒng)。所以應用先進控制算法，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)設計的發(fā)展方向。 [3] 在那些對電動機控制系統(tǒng)的性能要求較高的場合（如數(shù)控機床，工業(yè)縫紉機，磁 盤驅(qū)動器，打印機，傳真機等設備中，要求電動機實現(xiàn)精確定位，適應劇烈負載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。為了適應時代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動機控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡化，信息化，模糊化的方向不斷前進。 直流電動機控制的研究現(xiàn)狀 數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上，它能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設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 使它易和 PLC 等各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強等特點，尤其是方便靈活的調(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，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、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護簡單，使其具備了廣闊的應用前景。 [4] 國外主要電氣公司如瑞典的 ABB 公司、德國的西門子公司、 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，均已經(jīng)開發(fā)出多個數(shù)字直流調(diào)速裝置，有 成熟的系列化、標準化、模板化的應用產(chǎn)品。 我國從 20 世紀 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟各部門得到廣泛的應用。 我國關于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有 :綜合性最優(yōu)控制，補償 PID 控制， PID算法優(yōu)化，也有的只應用模糊控制技術(shù)。 [5] 隨著新型電力半導體器件的發(fā)展， IGBT(絕緣柵雙極型晶體管 )具有開關速度快、驅(qū)動簡單和可以自關斷等優(yōu)點，克服了晶閘管的主要缺點。因此我國直流電機調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（ pulse width modulation,簡稱 PWM）方向發(fā)展。 16 我國現(xiàn)在大部分數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進口。但由于進口設備價格昂貴，也給出了國產(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)許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。 [6] 7 直流電機調(diào)速 電機控制系統(tǒng)方案 眾所周知，直流電機轉(zhuǎn)速的表達式為 : ECU IRn ?? ? （ ） 式 （ ） 中 : U— 電樞端電壓 。 I— 電樞電流 。 R— 電樞電路總電阻 。 Φ — 每極磁通量 。 CE— 電動勢常數(shù)。 [7] 由上式可知，直流電機轉(zhuǎn)速的控制方法有三種 : (1)調(diào)節(jié)電樞電壓 U。改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應快，適用于要求大范圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng) 。 (2)改變電機主磁通中只能減弱磁通，使電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應較慢，雖能無級平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小 。 (3)改變電樞電路電阻 R 在電動機電樞外串電阻進行調(diào)速，只能有級調(diào)速，平滑性差、機械 特性軟、效率低。 改變電樞電路電阻的方法缺點很多，目前很少采用 :弱磁調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用 。因此，自動調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，這也是論文中設計系統(tǒng)所采用的方法。 改變電樞電壓主要有三種方式 :旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止變流裝置、脈寬調(diào)制（ PWM）變換器 (或稱直流斬波器 )。 (l)旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱GM 系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱 WardLeonard 系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。 GM 系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護不方便。 (2)20 世紀 50 年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機組，但到 50 年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱 VM 系統(tǒng)，又稱靜止的 WardLeonard 系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角α。進而改變整流電壓 Ud 的大小，達到調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的目的。 VM 在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 (3) 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間比例 ，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱 DCDC變換器。 絕大多數(shù)直流電動機采用開關驅(qū)動方式。開關驅(qū)動方式是使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 PWM 來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。 這種調(diào)速方法具有開關頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點，更重要的是這種調(diào)速方式很容易在單片機控制系統(tǒng)中實現(xiàn) ， 因此具有很好的發(fā)展前景。 本設計采用單片機產(chǎn)生 PWM 脈寬信號來控制直流電機的轉(zhuǎn)速。 8 PWM 調(diào)速原理 通過改變電動機電樞電壓接通或斷開時間的比值來控制電動機速度，這種方法 稱為脈沖寬度調(diào)制，簡稱 PWM，其原理圖如圖 所示： 圖 PWM 原理圖 在脈沖作用下，當電動機通電時，速度增加；電動機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電時間，即可使電動機速度達到一定的穩(wěn)定性。 設電動機永遠接通電源時其轉(zhuǎn)速為最大 Vmax，占空比 D=t/T，則電動機的平均速度為 Vd=D?Vmax （ ） 式 （ ） 中： Vd— 電動機的平均速度； Vmax— 電動機全通電時的速度； D— 占空比。 [8] 平均速度與占空比的函數(shù)曲線，如圖 所示： 圖 平均速度與占空比的函數(shù)曲線 t T 脈沖信號 轉(zhuǎn)速 最大值 Vmax 平均值 Vd 最小值 Vmin Vd Vmax 平均速度 0 占空比 D 9 本設計主要研究內(nèi)容 本設計使用單片機對旋轉(zhuǎn)門進行控制，以實現(xiàn)如下功能 : 1. 使門體運行流暢，并 能 進行無極無擾動調(diào)速 ； 2．來人能以步行速度旋轉(zhuǎn)，無人時停轉(zhuǎn) ； 3．能慢速旋轉(zhuǎn)以滿足殘疾人或老年人安全通過 ； 4．如果出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，門倒轉(zhuǎn) 45 度，然后正轉(zhuǎn)，如果二次堵門，門倒轉(zhuǎn) 45 度，然后停止 ； 0~9r/min 可調(diào) ， 慢速旋轉(zhuǎn) 0~4r/min 可調(diào) 。 總體控制方案設計 本設計以 AT89S51 單片機為核心，控制 PWM 波形的生成，進而對直流電機進行控制。系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。電機的電樞電流經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機進行處理，完成電流調(diào)節(jié)及過流保護；電機轉(zhuǎn)速經(jīng)測速后送入單片機，完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。采用紅外感應開關感應人體進行旋轉(zhuǎn)門的開啟和關閉，設置兩個按鈕提供 手推模式 和 老年人殘疾人模式 兩種選擇，兩個旋鈕以供快速和慢速兩種速度的調(diào)節(jié)。另外，設置復位按鈕對系統(tǒng)出現(xiàn)過流故障時進行復位， 如圖 所示： 圖 總體控制方案 10 第二章 硬件部分 單片機介紹 單片機也被稱為 微控制器 （ Microcontroller），是因為它最早被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來。最早的設計理 念是通過將大量外圍設備和 CPU 集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。 INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 早期的單片機都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機系統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16 位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。 90 年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大的提高。隨著 INTEL i960 系列特別是后來的ARM 系列的廣泛應用， 32 位單片機迅速取代 16 位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的 8 位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80 年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32 位單片機主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至 1 美元，最高端的型號也只有 10 美元。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應用在全系列的單片機上。而在 作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。 單片機比專用處理器更適合應用于 嵌入式系統(tǒng) ，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、 計算器 、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有 12 部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備 40 多部單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過 PC 機和其他計算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機又稱單片微控制器 ,它不是完成某一個邏輯功能的芯片 ,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了 I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量 輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 單片機內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如 CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的 存儲器 件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過