【導(dǎo)讀】境部分都采用閉環(huán)控制。整個系統(tǒng)主要由電流檢測電路、轉(zhuǎn)速和位置檢測電路、功率驅(qū)動電路、過電流保護電路構(gòu)成。該設(shè)計不僅要實現(xiàn)正、反向旋轉(zhuǎn)時電機的。正常調(diào)速，而且要在特殊情況下實現(xiàn)對電機的急停操作。無刷直流電機因為具有。同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。速誤差小等特點在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢?？梢越鉀Q產(chǎn)業(yè)界節(jié)點與高性能驅(qū)動的需

　　

【正文】 字 PID 控制器的 傳遞函數(shù)為 （ ） 或者 （ ） 數(shù)字 PID控制器如圖 所示。 圖 PID控制器的結(jié)構(gòu)圖 由于計算機輸出的 直接去控制執(zhí)行機構(gòu)（如閥門）， 的值和執(zhí)行機構(gòu)的位置（如閥門開度）是一一對應(yīng)的，所以通常稱式（ ）或式（ ）為位置式 PID 控制算法。圖 給出了位置式控制系統(tǒng)示意圖。 圖 PID控制系統(tǒng) 圖 49給出了位置式 PID 控制算法的程序框圖。這種算法的缺點是，由于全量輸出，所以每次輸出均與 過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對 進行累加，計算機運算工作量大。而且，因為計算機輸出的 對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 30 如計算機出現(xiàn)故障， 的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量型 PID 控制的控制算法。所謂增量型 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 。 2）數(shù)字 PID 增量型控制算法。 當執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量（例如驅(qū)動步進電動機）時，可由式（ ）導(dǎo)出提供增量的 PID 控制算式。根據(jù)遞推原理可得 （ ） 用式（ ）減式（ ），可得 （ ） 式中 。 式（ ）稱為增量型 PID 控制算法。圖 給出了增量型 PID 控制系統(tǒng)示意圖。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 31 圖 PID控制算法程序框圖 圖 PID控制系統(tǒng)框圖 可以將式（ ）進一步改寫為 （ ） 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 32 式中 它們都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)。 由于一般計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 ，一旦確定了 、 、 ，只要使用前后三次測量值的偏差，即可由式（ ）或式（ ）求出控制增量。 采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量 對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置（例如閥門開度）的增量。對應(yīng)閥門實際位置的控制量，即控制量增量的積累需要采用一定的方法來解決，例如用有積累作用的元件（如步進電動機）來實現(xiàn)；而目前較多的是利用算式 通過執(zhí)行軟件來完成。 由圖 、圖 可以看出，就整個系統(tǒng)而言，位置型與增量型控制算法并無本質(zhì)區(qū)別，或者仍然全部由計算機承擔(dān)其計算，或者一部分由其他部件去完成。 (5)增量型控制雖然只是算法上作了一點改進，卻帶來不少優(yōu)點 。 1）由于計算機輸出增量，因此誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉。 2）手動 /自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能仍然保持原值。 3）算式中不 需要累加?？刂圃隽?的確定，僅與最近 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。 但增量型控制也有不足之處：積分截斷效 應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出影響大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置控制算法，而在以歩進電動機或電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量控制算法。 圖 給出了增量型 PID 控制算法的程序框圖。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 33 圖 增量型 PID控制算法的程序框圖 在 系統(tǒng)的調(diào)試運行過程中，通過 LCD管顯示電機的轉(zhuǎn)速。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 34 圖 LCD顯示流程圖 A/D 轉(zhuǎn)換器是用來通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。 模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。但在 A/D 轉(zhuǎn)換前，輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成 電壓信號。 A/D 轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號可以有 8 位、 10位、 12 位和 16 位等。 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理 主要介紹以下三種方法： 逐次逼近法 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 35 雙積分法 電壓頻率轉(zhuǎn)換法 A/D 轉(zhuǎn)換四步驟：采樣、保持、量化、編碼。 逐次逼近法 逐次逼近式 A/D 是比較常見的一種 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時間為微秒級。 采用逐次逼近法的 A/D 轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成。 基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。逐次逼近法轉(zhuǎn)換過程是：初始化時將逐次逼近寄存 器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 D/A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為 Vo，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量 Vi進行比較，若 VoVi，該位 1 被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為 1，將寄存器中新的數(shù)字量送 D/A 轉(zhuǎn)換器，輸出的 Vo 再與 Vi 比較，若VoVi，該位 1 被保留，否則被清除。重復(fù)此過程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。 雙積分法 采用 雙積分法的 A/D 轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。 基本原理是將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時 雙積分式 AD 轉(zhuǎn)換器。間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。 雙積分法 A/D 轉(zhuǎn)換的過程是：先將開關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量 Vi， Vi 采樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間 T 的正向積分，時間 T到后，開關(guān)再接通與 Vi極性相反的基準電壓 VREF，將 VREF 輸入到積分器，進行反向積分，直到輸出為 0V 時停止積分。Vi 越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數(shù)器在反向積分時間內(nèi)所計的 數(shù) 值，就是輸入模擬電壓 Vi 所對應(yīng)的數(shù)字量，實現(xiàn)了 A/D 轉(zhuǎn)換。 雙積分式 AD 轉(zhuǎn)換原理圖 電壓頻率轉(zhuǎn)換法 采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的 A/D轉(zhuǎn)換器，由計數(shù)器、控制門及一個具有恒定時間的時鐘門控制信號組成，電壓頻率式 AD轉(zhuǎn)換器原理圖 它的工作原理是 V/F 轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。電壓頻率轉(zhuǎn)換法 電壓頻率轉(zhuǎn)換法的工作過程是：當模擬電壓 Vi 加到 V/F 的輸入端，便產(chǎn)生頻率 F 與 Vi 成正比的脈沖，在一定的時間內(nèi)對該脈沖信號計數(shù)，時間到，統(tǒng)計到計數(shù)器的計數(shù)值正比于輸入電壓 Vi，從而完成 A/D 轉(zhuǎn)換。 根據(jù) AD 轉(zhuǎn)換器的電壓比較功能實現(xiàn)對無刷直流電機的電流檢測和過流保護功能。 //ADC 模塊初始化 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 36 Void adc_init() { ADCSRA=0X00。 //先關(guān) ADC ADMUX=0X10。 //差分輸入， ADC0 為正， ADC1 為負 ACSR=0X80。 //閉環(huán)模擬比較器 ADCSRA=0X87。 //設(shè)置 ADC 寄存器 } 速度測量是工控系統(tǒng)中最基本的需求之一，最常用的是用數(shù)字脈沖 測量某根軸的轉(zhuǎn)速，再根據(jù)機械比、直徑換算成線速度。脈沖測速最典型的方法有測頻率(M法 )和測周期 (T 法 )。 定性分析： M法是測量單位時間內(nèi)的脈數(shù)換算成頻率，因存在測量時間內(nèi)首尾的半個脈沖問題，可能會有 2個脈的誤差。速度較低時，因測量時間內(nèi)的脈沖數(shù)變少，誤差所占的比例會變大，所以 M法宜測量高速。如要降低測量的速度下限，可以提高編碼器線數(shù)或加大測量的單位時間，使用一次采集的脈沖數(shù)盡可能多。 T法是測量兩個脈沖之間的時間換算成周期，從而得到頻率。因存在半個時間單位的問題，可能會有 1 個時間單位的誤差。速度較高時，測 得的周期較小，誤差所占的比例變大，所以 T法宜測量低速。如要增加速度測量的上限，可以減小編碼器的脈沖數(shù)，或使用更小更精確的計時單位，使一次測量的時間值盡可能大。 M 法、 T 法各且優(yōu)劣和適應(yīng)范圍，編碼器線數(shù)不能無限增加、測量時間也不能太長 (得考慮實時性 )、計時單位也不能無限小，所以往往候 M法、 T 法都無法勝任全速度范圍內(nèi)的測量。因此產(chǎn)生了 M法、 T 法結(jié)合的 M/T 測速法：低速時 測周期、高速時測頻率。 定量分析： M/T 法中的“低速”、“高速”如何確定呢？ 假定能接受的誤差范圍為 1%、 M法測得脈沖數(shù)為 f, T 法 測得時間為 t 。 M法： 2/f = 1% == f = 200 T法： ( 1/(t1) 1/t ) / (1/t) = 1% == t = 101 即一次測量的最小脈沖數(shù)為 200，設(shè)此頻率對應(yīng)的速度為 V1 即一次測量的時間為 101 個單位，設(shè)此周期對應(yīng)的速度為 V2 若計時單位為 ms，則 t= 101ms 這只是理論精度，實際應(yīng)用還要考慮脈沖信號采集的延遲，軟件處理所需花費的時間。 若 V1 V2，則 M/T 法能滿足全范圍內(nèi)的速度測量。一個系統(tǒng)設(shè)計之前，就需要詳細的計算，使 V1V2 或盡可能接近。不能光憑經(jīng)驗估算確定高低速、傳西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 37 動比、編碼線數(shù)。然后很不幸，很多現(xiàn)有系統(tǒng)中會出現(xiàn) V1 V2，就會出現(xiàn) (V2, V1) 這一段速度無論 M 法還是 T 法都無法覆蓋的情況，一個緩解的辦法就是在 (V2， V1)段同時使用 M 法和 T 法測量，然后取平均值，但要解決好 M/T 測量的同步問題。 圖 霍爾傳感器反饋信號圖 采用 M法，定時周期為 1ms，根據(jù)從單個霍爾傳感器所讀取脈沖個數(shù)計算無刷直流電機轉(zhuǎn)速，完成對無刷直流電機速度采集。 5 總 結(jié) 38 5 總 結(jié) 5工作總結(jié) 經(jīng)過對無刷直流電機工作原理和單片機的學(xué)習(xí)完成了無刷直流電機控制器的設(shè)計，實現(xiàn)了對無刷直流電機的轉(zhuǎn)速的控制。這次設(shè)計為以后的工作提供了以下寶貴經(jīng)驗 ： 。分析階段的主要模型是數(shù)據(jù)流程圖 ，設(shè)計階段的主要模型是軟件結(jié)構(gòu)圖，數(shù)據(jù)流程圖和軟件結(jié)構(gòu)圖之間需要進行轉(zhuǎn)換。不同的人轉(zhuǎn)換出的結(jié)果可能不同，有很大的隨意性，這是做工程非常忌諱的，質(zhì)量很難評價。 。系統(tǒng)分析人員逐漸理解用戶需求，并且自頂向下逐步細化數(shù)據(jù)流程圖。這里存在著兩個問題，一個是細化程度沒有標準，只能憑借分析人員的經(jīng)驗自己把握；另一個問題存在于需求分析的過程：分析用戶需求→確定軟件功能→分解復(fù)雜的功能為多個簡單的功能。當需求變更時，功能分解就要重新進行，功能變化就會導(dǎo)致軟件模塊結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成了軟件結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。 ，不利于軟件復(fù)用。 結(jié)構(gòu)化方法設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，缺乏靈活性，可維護性差。結(jié)構(gòu)化方法一旦需求變更，軟件的結(jié)構(gòu)變化比較大，擴充功能往往意味著修改原來的結(jié)構(gòu)。當軟件工程的規(guī)模比較大，用戶需求經(jīng)常變更的情況下，不宜使用結(jié)構(gòu)化方法。 結(jié)束語 39 結(jié)束語 本文在廣泛查閱資料，了解無刷直流電機特性的基礎(chǔ)上，對無刷直流電機的控制原理進行了的研究，設(shè)計了無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)。 本文所設(shè)計的基于 ATMEGA128 單片機的無刷直流電機控制器具有硬 件結(jié)構(gòu)簡單、保護功能完善主要實現(xiàn)了如下功能 : (1)采用 ATMEGA128 單片機作為主控芯片，加強了電機的智能控制； (2)安全控制電機系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的欠壓保護、過流保護； (3)設(shè)計了逆變器驅(qū)動電路、硬件過流保護電路，提高系統(tǒng)的可靠性 。 (4)設(shè)計采用辨相電路實行電機的正反轉(zhuǎn)判斷問題，從而控制正反轉(zhuǎn) 。 通過本次的畢業(yè)設(shè)計，我系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了有關(guān) ATMEGA128 系列單片機的知識，而且進一步了解了單片機編程技巧，設(shè)計過程中遇到許多新的問題，讓我對軟件開發(fā)從理論的探討到實際中的實踐這樣相互聯(lián)系又相互分離的過程有 了全面的認識，使我收獲不少，受益非淺 由于時間與能力有限，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)還有待于進一步的改進，比如可采用無位置傳感器的控制方法，利用軟件檢測電機的反電動勢，從而省去位置傳感器，降低硬件成本，提高可靠性 。還可采用專用控制芯片和單片機相結(jié)合的方式實現(xiàn)無刷直流電機的控制，使系統(tǒng)具有更好的靈活性和穩(wěn)定性。 參考文獻 40 參考文獻 [1] 邱關(guān)源 .電路 (第 5 版 ).高等教育出版社 . [2] 閻石 .數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) (第 5版 ).高等教育出版社 . [3] 童詩白等 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) (第 4版 ).高等教育出版社 . [4] 李發(fā)海等 .電機拖動基礎(chǔ)（第 3版 ).清華大學(xué)出版社 . [5] 王兆安等 .電力電子技術(shù)（第 5版 ).機械工業(yè)出版社 . [6] 孫傳友 等 .現(xiàn)代檢測技術(shù)及儀表 .高等教育出版社 . [7] 胡文靜 .永磁無刷直流電動機的發(fā)展 .微特電機學(xué)報 ,2020,35（ 4）： 34～ 38 [8] 蔡耀成 .無刷直流電機中的霍爾傳感器 .微特電機學(xué)報 ,1999,27（ 5)23～ 25