【文章內(nèi)容簡介】 許多獨(dú)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(qiáng)大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(jī)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(yīng)快速性上，機(jī)組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。 [2] 從 20 世紀(jì) 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(jī)電動機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進(jìn)。同時，控制電路也實(shí)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(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。 隨著微型計(jì)算 機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動機(jī)控制也裝置不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)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(jìn)國家陸續(xù)推出并大量使用以微機(jī)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(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。例如，軍事和宇航方面 的雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)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(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，印刷機(jī)械，繞線機(jī)，紡織機(jī)械，工業(yè)縫紉機(jī)，泵和壓縮機(jī)等設(shè)備的控制；計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)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(jī)，傳真機(jī)，復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，錄像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱，電扇等的控制。 隨著計(jì)算機(jī)，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(jī)的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。電動機(jī)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(jī)應(yīng)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(jī)控制的主流技術(shù)。正是這些技術(shù)的進(jìn)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(jī)控制策略的模擬實(shí)現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺，而采用微處理器，通用計(jì)算機(jī)， 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(jī)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(jī)控制方法能夠得到實(shí)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(yīng)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(jī)，如永磁直流電動機(jī)，交流伺服電動機(jī)，超聲波電動機(jī)等。由于有微處理器和傳感器作為新一代運(yùn)動控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運(yùn)動控制系統(tǒng)為智能運(yùn)動控制系統(tǒng)。所以應(yīng)用先進(jìn)控制算法，開發(fā)全數(shù)字化智能運(yùn)動控制系統(tǒng)將成為新一代運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。 [3] 在那些對電動機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求較高的場合（如數(shù)控機(jī)床，工業(yè)縫紉機(jī)，磁 盤驅(qū)動器，打印機(jī)，傳真機(jī)等設(shè)備中，要求電動機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位，適應(yīng)劇烈負(fù)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(yīng)時代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動機(jī)控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡(luò)化，信息化，模糊化的方向不斷前進(jìn)。 直流電動機(jī)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(shè)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(jī)，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對不同類型的被控對象進(jìn)行控制，強(qiáng)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(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)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(diǎn)，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡單，使其具備了廣闊的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。 我國從 20 世紀(jì) 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(yīng)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(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。 我國關(guān)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(bǔ)償 PID 控制， PID算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)。 [5] 隨著新型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展， IGBT(絕緣柵雙極型晶體管 )具有開關(guān)速度快、驅(qū)動簡單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn)，克服了晶閘管的主要缺點(diǎn)。因此我國直流電機(jī)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?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進(jìn)口。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)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(jī)調(diào)速 電機(jī)控制系統(tǒng)方案 眾所周知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)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(jī)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(yīng)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(jī)主磁通中只能減弱磁通，使電動機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)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(jī)電樞外串電阻進(jìn)行調(diào)速，只能有級調(diào)速，平滑性差、機(jī)械 特性軟、效率低。 改變電樞電路電阻的方法缺點(diǎn)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(shè)計(jì)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(jī)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(jī)組用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)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(fù)雜、體積大、效率低、運(yùn)行有噪音、維護(hù)不方便。 (2)20 世紀(jì) 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(jī)組，但到 50 年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟(jì)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(jìn)而改變整流電壓 Ud 的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 VM 在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)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(guān)器件通斷實(shí)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(jī)采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 PWM 來控制電動機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 這種調(diào)速方法具有開關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是這種調(diào)速方式很容易在單片機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) ， 因此具有很好的發(fā)展前景。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈寬信號來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 8 PWM 調(diào)速原理 通過改變電動機(jī)電樞電壓接通或斷開時間的比值來控制電動機(jī)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(dāng)電動機(jī)通電時，速度增加；電動機(jī)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(jī)速度達(dá)到一定的穩(wěn)定性。 設(shè)電動機(jī)永遠(yuǎn)接通電源時其轉(zhuǎn)速為最大 Vmax，占空比 D=t/T，則電動機(jī)的平均速度為 Vd=D?Vmax （ ） 式 （ ） 中： Vd— 電動機(jī)的平均速度； Vmax— 電動機(jī)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(shè)計(jì)主要研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)對旋轉(zhuǎn)門進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)如下功能 : 1. 使門體運(yùn)行流暢，并 能 進(jìn)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(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)以 AT89S51 單片機(jī)為核心，控制 PWM 波形的生成，進(jìn)而對直流電機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。電機(jī)的電樞電流經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，完成電流調(diào)節(jié)及過流保護(hù)；電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)測速后送入單片機(jī)，完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。采用紅外感應(yīng)開關(guān)感應(yīng)人體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)門的開啟和關(guān)閉，設(shè)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(shè)置復(fù)位按鈕對系統(tǒng)出現(xiàn)過流故障時進(jìn)行復(fù)位， 如圖 所示： 圖 總體控制方案 10 第二章 硬件部分 單片機(jī)介紹 單片機(jī)也被稱為 微控制器 （ Microcontroller），是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理 念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。 INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。 早期的單片機(jī)都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因?yàn)楹唵慰煽慷阅懿诲e獲得了很大的好評。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。 90 年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)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(yīng)用， 32 位單片機(jī)迅速取代 16 位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場。而傳統(tǒng)的 8 位單片機(jī)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(jī)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(jià)格跌落至 1 美元，最高端的型號也只有 10 美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)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(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在 作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。 單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于 嵌入式系統(tǒng) ，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、 計(jì)算器 、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 12 部單片機(jī)。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備 40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機(jī)在同時工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計(jì)算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了 I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量 輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 單片機(jī)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