【文章內(nèi)容簡介】 波器 （ 脈寬調(diào)制變換器 ） 。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動直流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變 ，所以 GM 系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。且技術(shù)落后，因此擱置不用。 VM 系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 VM 系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的 諧波電流危害附近的用電設(shè)備。 圖 23 晶閘管－電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（ VM系統(tǒng)） 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時(shí)間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平 均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流－直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車、城市無軌電車以及電瓶搬運(yùn)車等電力牽引設(shè)備的變速拖動中。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 43 頁 圖 24 為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中 VT 代表開關(guān)器件。當(dāng)開關(guān) VT接通時(shí)，電源電壓 U。加到電動機(jī)上；當(dāng) VT 斷開時(shí)，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(jī)電樞端電壓為零。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖 （ b）所示。 圖 24 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 （ a）原理圖 （ b）電壓波型 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動機(jī)斷開，電動機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡稱 PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速。 與 VM 系統(tǒng)相比， PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)： （ 1）由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá) 1： 10000左右。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 （ 2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 （ 3）由 于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱 PWM 變換器。脈寬調(diào)速也可通過單片機(jī)控制繼電器的閉合來實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。 目前，受到器件容量的限制， PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng) 。 PWM 原理及其實(shí)現(xiàn)方法 PWM 基本原理 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 43 頁 制要求的一種電壓調(diào)整方法。 PWM 可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中 ，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動 機(jī) 的轉(zhuǎn)速。因此， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 如圖 22 所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。 圖 25 電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系圖 設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 maxV ， 設(shè)占空比為 D=t1/T， 則電機(jī)的平均速度為 aV = DV ?max （ 22） 式中 ， aV — 電機(jī)的平均速度 ； maxV — 電機(jī)全通電時(shí)的速度 (最大 )； D=t1/T— 占空比。 由公式（ 22）可見，當(dāng)我們改變占空比 D=t1/T 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 aV ,從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說，平均速度 aV 與占空比 D 并非嚴(yán)格的 線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似的看成是線性關(guān)系。 PWM 脈寬調(diào)制方式 PWM 脈寬調(diào)制的方式有 3 種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且存采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 43 頁 實(shí)現(xiàn)上比較方便。 PWM 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從 AT89S52 到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時(shí)，才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。這也是 PWM 用于通信的主 要原因。 PID 算法簡介 PID 控制 在連續(xù)控制系統(tǒng)中， PID 控制算法得到了廣泛的應(yīng)用，是技術(shù)最成熟的控制規(guī)律。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）進(jìn)行的控制，稱為 PID控制。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明， PID 控制能夠滿足相當(dāng)多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。由于本文只用到數(shù)字 PID，所以只介紹數(shù)字 PID 算法。 數(shù)字 PID 算法 模擬 PID 控制器的基本算式為： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? （ 23） 式中， pK 為比例系數(shù)， IT 為積分時(shí)間常數(shù)， DT 為微分時(shí)間常數(shù)。 簡單的說， PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是： （ 1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 ()et ,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差； （ 2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差 ，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) IT ， IT 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)； （ 3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 為將模擬 PID 控制規(guī)律離散化，我們把 ()rt 、 ()et 、 ()ut 、 ()ct 在第 n 次采樣的數(shù)據(jù)分別用 ()rk 、 ()ek 、 ()uk 、 ()ck 表示，于是式（ 23）變?yōu)椋? ( ) ( ) ( )e k r k c k?? (24) 當(dāng)采樣周期 T 很小時(shí) dt 可以用 T 近似代替， ()det 可用 ( ) ( 1)e k e k??近似代替， “ 積分 ” 用 “ 求和 ” 近似代替，即可作如下近似 ( ) ( ) ( 1)de t e k e kdt T??? (25) 0 1( ) ( )ntie t dt e i T???? (26) 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 43 頁 這樣，式（ 23）便可離散化以下差分方程 01( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT?? ? ? ? ? ?? (27) 上式中 0u 是 偏差為零時(shí)的初值 ,上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用 ,稱為比例（ P）項(xiàng)()puk,即 ()puk= {( )PK ek (28) 第二項(xiàng)起積分控制作用 ,稱為積分 (I)項(xiàng) ()Iuk即 1( ) ( )kIP iITu k K e iT ?? ? (29) 第三項(xiàng)起微分控制作用 ,稱為微分 (D)項(xiàng) ()Duk即 ( ) [ ( ) ( 1 ) ]DDP Tu k K e k e kT? ? ? (210) 式（ 27）的輸出量 nu 為全量輸出 ,它對于被控對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的位置。因此 ,式（ 27）又稱為位置型 PID 算式。工業(yè)應(yīng)用中，采用 PID 位置算法是不夠方便和有欠缺的。由于要累加誤差，占用內(nèi)存多，并且安全性較差，考慮到這種情況，在工業(yè)應(yīng)用中，還有一種增量式算法。 增量式算法是位置算法的一種改進(jìn)。由式（ 27）可以得到（ k1）次的 PID 輸出表達(dá)式： 101( 1 ) { ( 1 ) ( ) [ ( 1 ) ( 2 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT??? ? ? ? ? ? ? ? ?? （ 211） 由式（ 27）與式（ 211）可得 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]P I DK e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 212） 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計(jì)算法和工程整定法兩種。用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。下面簡單介紹兩種常用的簡易工程整定法。 （ 1）擴(kuò)充 臨界比例度法。這種方法是對連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法的擴(kuò)充，適用于有自平衡特性的被控對象，不需要準(zhǔn)確知道對象的特性。 （ 2）經(jīng)驗(yàn)法確定 PID 參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)法是靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲線，來調(diào)整 P、 I、 D 三者參數(shù)的大小的 。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 43 頁 圖 26 增量式 PID 框圖 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 43 頁 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 調(diào)速系統(tǒng)的硬件原理方框圖如圖 31 所示，本系統(tǒng)由 6 個(gè)部分組成，單片機(jī)系統(tǒng)是核心，其外圍電路有五個(gè)部分：輸入電路，電源，驅(qū)動電路，顯示電路，測速 電路。 圖 31 系統(tǒng)的硬件原理方框圖 其中單片機(jī)負(fù)責(zé)控制運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集等任務(wù)，輸入電路用于設(shè)定直流電機(jī)預(yù)期速度及控制直流電機(jī)的啟動、正反轉(zhuǎn)、停止，顯示電路用于顯示直流電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，測速電路用于測量直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，驅(qū)動電路用于驅(qū)動直流電機(jī)。 本控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是待檢測的參數(shù)，也是反饋檢測量，通過測速電路將直流電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為反饋信號輸入單片機(jī)，通過 PID 算法來控制 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )輸出的占空比，進(jìn)而對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使 其轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期設(shè)定值。 單片機(jī)設(shè)計(jì)方案 方案一：采用 AT89S51/AT89S52 作為系統(tǒng)控制的方案。 AT89S52 單片機(jī)是 AT89S51 的升級版，擁有更多功能，它的算術(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。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。 方案二：采用傳統(tǒng)的 AT89C51 單片機(jī)作為運(yùn)動物體的控制中心。它和 AT89S2 一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低 ,使用簡單等特點(diǎn)，