【文章內(nèi)容簡介】 司的SIMOREG K6RA2 ABB 公司的 PAD/PSD 等等 [4]。 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(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大 。例如，軍事和航宇方面的雷達天線，火炮瞄準，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對太陽的跟蹤等控制；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(shè)備的控制；計算機外圍設(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，傳真機，復(fù)印機等設(shè)備的控制；音像設(shè)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。 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)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，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)，而且具有操作簡單、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)試精度高、維護簡單，使其具備了廣闊的應(yīng)用前景。 國外主要電氣 公司如瑞典 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(yīng)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(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)濟各部門得到廣泛應(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，補償 PID 控制， PID 算法優(yōu)化。隨著 PWM 技術(shù)的發(fā)展，我國直流電機調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制方向發(fā)展。目前我國大部 分數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置還是依靠進口。但由于進口設(shè)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，所以國內(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。 PWM 變頻調(diào)速發(fā)展前景 PWM 變頻調(diào)速作為一項新的調(diào)速技術(shù)，在西方發(fā)達國家已得到廣泛應(yīng)用。目前，不論在同步電機調(diào)速方面，還是異步電機調(diào)速方面， PWM 變頻調(diào)速是眾多交流調(diào)速方式的佼佼者。本節(jié)主要通過PWM 變頻調(diào)速技術(shù)與其他傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)的優(yōu)缺點對比，進而介紹變頻調(diào)速技術(shù)的特性。 異步電動機的調(diào)速方法 （ 1）變極 調(diào)速 青海大學本科生畢業(yè)設(shè)計： 基于單片機控制直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 4 化工 學院 變極調(diào)速是通過外部的開關(guān)切換改變電機繞組的串并聯(lián)關(guān)系實現(xiàn)的。 即改變異步電機的極對數(shù)p 來達到調(diào)速的目的，要改變 p，必須將定子繞組制為可以換接成兩種磁極對數(shù)的特殊形式。通常一套繞組只能換接成兩種磁極對數(shù)。變極調(diào)速 只能實現(xiàn)有級調(diào)節(jié)（一般有兩個速度），如電機由兩極切換到四極，速度就會由大約 3000轉(zhuǎn) /分降到大約 1500轉(zhuǎn) /分。變極調(diào)速一般是以兩個速度為主，輔以閥門和擋板調(diào)節(jié)，比單純使用閥門和擋板要好一些，但是仍然有節(jié)能潛力可挖。另外，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變極電機的效率比常規(guī)的通用電機要稍低一些。 變極調(diào)速的主要優(yōu)點是 設(shè)備簡單、操作方便、機械特性較硬、效率高、既適用于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，又適用于恒功率調(diào)速；其缺點是有極調(diào)速，因而只適用于不需平滑調(diào)速的場合。 （ 2）變轉(zhuǎn)差調(diào)速 異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為 )1(60)1(1 sPN fsnn ???? （ 11） 由式（ 11）可以看出，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率 s，可改變電動機轉(zhuǎn)速 n。根據(jù)電機學原理，異步電動機的電磁功率 MP 可分為兩部分：一部分構(gòu)成機械功率 mecP ，另一部分則為轉(zhuǎn)差功率 sP 。其中Mmec PsP )1( ?? ， Ms sPP? 。 變頻、變極都是改變同步轉(zhuǎn)速以達到調(diào)速的目的，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率僅由轉(zhuǎn)子繞組銅損耗構(gòu)成，基本不變，所以從能量轉(zhuǎn)換角度來看，又稱轉(zhuǎn)速功率不變型，其效率最高。變轉(zhuǎn)差率則是轉(zhuǎn)差功率與轉(zhuǎn)差率成正比改變，根據(jù)轉(zhuǎn)差功率是否全部消耗掉，分為轉(zhuǎn)差功率消耗型和轉(zhuǎn)差功率回饋型兩類。轉(zhuǎn)差功率消耗型有繞線轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，定子電壓調(diào)速和電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速。因為全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉了，故效率最低。轉(zhuǎn)差回饋型就是將轉(zhuǎn)速功率大部分回饋給電網(wǎng)，所以效率介于消耗型和不變型之間。 （ 3）交 交變頻調(diào)速 交 交變頻調(diào)速就是在該系統(tǒng)中每一相的正弦波都使用三相的電壓波形，通過兩組晶閘管變流電路，調(diào)制出近似正弦波的輸出 。從原理上分析，該電路的變頻功能只能由基頻向下變，即頻率只能變低。因為中間環(huán)節(jié)少，所以它的效率高。 同步電動機的調(diào)速方法 同步電機的調(diào)頻只有兩種方式：調(diào)節(jié)定子和轉(zhuǎn)子的極對數(shù)比例、變頻。調(diào)極提速的平滑性不好而交 交變頻調(diào)速的調(diào)速范圍有限。 PWM 變頻調(diào)速 對于 PWM 變頻調(diào)速，以上缺點均被一一克服。與交 交變頻電路的變頻過程比較，似乎只多了一個直流的轉(zhuǎn)換過程。而正是這個直流轉(zhuǎn)換過程使 PWM 變頻電路更具靈活性。 現(xiàn)代的變頻器采用了通信技術(shù)領(lǐng)域中的脈寬調(diào)制技術(shù)，具體一點就是應(yīng)用了采樣控制理論中的一個重要理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。 1 緒論 化工學院 5 變頻器就是應(yīng)用這一理論，用一系列不等寬的脈沖代替一個正弦波，只要縮短這一系列脈沖的總寬度，就可達到調(diào)頻的效果，而改變這一系列中各脈沖的寬度則可達到調(diào)壓 的目的（有效值等效，但峰值不等效），因此這一技術(shù)使恒磁通調(diào)速成為可能。 在設(shè)計電機時，一般將額定工作點選在磁化曲線開始彎曲處，因此，調(diào)速時希望保持每極磁通 m?為額定值，即 mNm ?? ? 。因為磁通增加，將引起鐵芯過分飽和，勵磁電流急劇增加，導(dǎo)致繞組過分發(fā)熱，功率因素降低；而磁通減少，將使電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降，如果負載轉(zhuǎn)矩仍維持不變，勢必導(dǎo)致定子、轉(zhuǎn)子過電流，也要產(chǎn)生過熱，故希望保持磁通恒定。 由上所知恒磁通調(diào)速，其實是要達到恒力矩輸出的效 果。而異步電動機定子每相感應(yīng)電動勢為 mNKNfE ?1111 ? （ 12） 式中： 1N ——定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)； 1NK ——基波繞組系數(shù)； m? ——每極氣隙磁通。 由式（ 12）可以知道， m? 的值是由 1E 和 1f 共同決定的。對 1E 和 1f 進行適當?shù)目刂?，就可以使氣隙磁?m? 保持額定值不變。 總的來說 PWM 變頻調(diào)速技術(shù)頻調(diào)速靈活。調(diào)速的范圍寬，在一定范圍內(nèi)可實現(xiàn)恒力矩輸出，是一種相當適合電梯使用的調(diào)速方式，而且其本身的技術(shù)也在不斷的革新中。隨著 PWM 技術(shù)的不斷改進，它的應(yīng)用的范圍也將不斷的擴展 [5]。 課題研究內(nèi)容及目標 根據(jù)直流電機調(diào)速的控制要求確定整體的設(shè)計方案 ，完成單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)需能實現(xiàn)用軟件產(chǎn)生 PWM 信號，并且通過單片機對 L298 的信號傳輸達到對電機的啟動和停止，加速和減速，正傳和反轉(zhuǎn)的控制；直流電機的轉(zhuǎn)速在 LED 顯示器上正確實時顯示。該系統(tǒng)主要由輸入設(shè)備、單片機、顯示器、電機驅(qū)動模塊和測速元件等部分組成。主要內(nèi)容具體描述如下： (1)輸入設(shè)備的選擇：與矩陣鍵盤相比獨立鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，所以本設(shè)計采用獨立鍵盤給單片機輸入信號； (2)單片機的選型： MCS51 系列單片機有多種型號，其中 AT89S51 不僅兼容 8051，還具有 ISP編程 和看門狗功能，這里選用單片機 AT89S51 作為控制核心； (3)顯示部分的設(shè)計： LED 是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸出器件，用 LED 實現(xiàn)對 PWM 脈寬調(diào)制占空比的實時顯示； 青海大學本科生畢業(yè)設(shè)計： 基于單片機控制直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 6 化工 學院 (4)電機驅(qū)動模塊的設(shè)計：利用 H 橋式驅(qū)動電路可實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，制動的功能，作為集成有橋式電路的電機專用芯片 L298 在應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛使用，而且其性能比較穩(wěn)定可靠，所以用 L298作為電機的驅(qū)動芯片。 (5)測速元件的選用：測速元件有很多，本設(shè)計選用霍爾元件測速，在電機中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度傳送給單片機。 小結(jié) 首先 主要分析了 直流電機調(diào)速系統(tǒng)研究的背景和研究的目的及意義；并且介紹了直流電機控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展情況； PWM 變頻調(diào)速的發(fā)展前景；研究方法；以及課題主要研究內(nèi)容及預(yù)期目標做了簡要說明。 2 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 化工學院 7 2 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 設(shè)計思路 單片機直流電機調(diào)速簡介：單片機直流調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)速。 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通 和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi) “接通 ”和 “斷開 ”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的 “占空比 ”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此， PWM 又被稱為 “開關(guān)驅(qū)動裝置 ”。本系統(tǒng)以 AT89S51 單片機為核心，通過單片機控制，以及軟件實現(xiàn)對直流電機的平滑調(diào)速。 系統(tǒng)控制方案的分析：本直流電機調(diào)速系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為依托，根據(jù) PWM 調(diào)速的基本原理，以直流電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實現(xiàn)對直流電動機的平滑調(diào)速，并通過單片機控制速度的變化。文中所研究的直流電機 調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運行的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動對電機速度的有效控制。 單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的主要功能包括：實現(xiàn)對直流電機的加速、減速和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及啟動、停止的控制，能夠很方便地實現(xiàn)電機智能控制。 系統(tǒng)的主體電路是直流電機 PWM 控制模塊。這部分電路主要由 AT89S51 單片機的 I/O 端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴展等來控 制直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，可以方便地實現(xiàn)直流電機的智能控制。該系統(tǒng)是通過 AT89S51 單片機產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到 L298 驅(qū)動芯片來控制直流電機的工作。該單片機控制的 PWM 直流電機調(diào)速系統(tǒng)主要是由以下幾個電路模塊組成： 輸入模塊：這一部分主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)對直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和啟動、停止控制。 控制模塊：主要由 AT89S51 單片機的外部擴展電路組成。直流電機 PWM 控制實現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機和 L298 驅(qū)動芯片組成。 測速顯示模塊：通過霍爾傳感器 CS3020 和 LED 數(shù)碼顯示，實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的實時顯示。 總體方案比較與選擇 方案一：直接加直流電源來控制電機的轉(zhuǎn)動速度：根據(jù)電機在其額定電壓時，電機有一定的額定轉(zhuǎn)速。那么如果其輸入電壓減小，其轉(zhuǎn)動速度也相應(yīng)地減小。在傳統(tǒng)的改變電機的轉(zhuǎn)速中，就是利用所給電機的電壓的不同，從而達到人們所需的轉(zhuǎn)速。 方案二： 系統(tǒng)采用 AT89S51 控制輸出數(shù)據(jù)，由 PWM 信號發(fā)生電路產(chǎn)生 PWM 信號，送到直流青海大學本科生畢業(yè)設(shè)計： 基于單片機控制直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 8 化工 學院 電機，直流電機通過測速電路，濾波電路，和 A/D 轉(zhuǎn)換電路交數(shù)據(jù)重新送回單片 機，進行 PI 運算，從而實現(xiàn)對電機速度和轉(zhuǎn)向的控制，達到直流電機調(diào)速的目的。 圖 21 直流電機調(diào)速硬件 框圖 方案三：采用 AT89S51 單片機進行控制。本設(shè)計需要使用的軟件資源比較簡單，只需完成霍爾元件采樣部分、鍵盤控制部分以及顯示輸出功能。采用 AT89S51 進行控制比較簡單、易控制、可靠性高、抗干擾能力強、精度高且體積大大減小。輸出速度由單片機傳送給 LED進行實時顯示。 AT89S51是 ATMEL 在 2021 年推出的 新型單片機品種。 AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位微控制器，片內(nèi)含 4K Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采