【導讀】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、轉速和位置檢測電路、功率驅動電路、過電流保護電路構成。該設計不僅要實現(xiàn)正、反向旋轉時電機的。正常調速，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速領域顯現(xiàn)優(yōu)勢?？梢越鉀Q產(chǎn)業(yè)界節(jié)點與高性能驅動的需

　　

【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控制器的結構圖 由于計算機輸出的 直接去控制執(zhí)行機構（如閥門）， 的值和執(zhí)行機構的位置（如閥門開度）是一一對應的，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，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 對應的是執(zhí)行機構的實際位置，西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 (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)行機構需要的是控制量的增量（例如驅動步進電動機）時，可由式（ ）導出提供增量的 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)大學畢業(yè)設計 (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)大學畢業(yè)設計 (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 對應的是本次執(zhí)行機構位置（例如閥門開度）的增量。對應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區(qū)別，或者仍然全部由計算機承擔其計算，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，所以較容易通過加權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)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 33 圖 增量型 PID控制算法的程序框圖 在 系統(tǒng)的調試運行過程中，通過 LCD管顯示電機的轉速。 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 34 圖 LCD顯示流程圖 A/D 轉換器是用來通過一定的電路將模擬量轉變?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 轉換前，輸入到 A/D 轉換器的輸入信號必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉換成 電壓信號。 A/D 轉換后，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)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 35 雙積分法 電壓頻率轉換法 A/D 轉換四步驟：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 轉換電路，轉換的時間為微秒級。 采用逐次逼近法的 A/D 轉換器是由一個比較器、 D/A 轉換器、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。逐次逼近法轉換過程是：初始化時將逐次逼近寄存 器各位清零；轉換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 D/A 轉換器，經(jīng) D/A 轉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。重復此過程，直至逼近寄存器最低位。轉換結束后，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 轉換器由電子開關、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 轉換器。間隔轉換成數(shù)字量，屬于間接轉換。 雙積分法 A/D 轉換的過程是：先將開關接通待轉換的模擬量 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 所對應的數(shù)字量，實現(xiàn)了 A/D 轉換。 雙積分式 AD 轉換原理圖 電壓頻率轉換法 采用電壓頻率轉換法的 A/D轉換器，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轉換器原理圖 它的工作原理是 V/F 轉換電路把輸入的模擬電壓轉換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。電壓頻率轉換法 電壓頻率轉換法的工作過程是：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 轉換。 根據(jù) AD 轉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)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 36 Void adc_init() { ADCSRA=0X00。 //先關 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，設此頻率對應的速度為 V1 即一次測量的時間為 101 個單位，設此周期對應的速度為 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)大學畢業(yè)設計 (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速，完成對無刷直流電機速度采集。 5 總 結 38 5 總 結 5工作總結 經(jīng)過對無刷直流電機工作原理和單片機的學習完成了無刷直流電機控制器的設計，實現(xiàn)了對無刷直流電機的轉速的控制。這次設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 ，設計階段的主要模型是軟件結構圖，數(shù)據(jù)流程圖和軟件結構圖之間需要進行轉換。不同的人轉換出的結果可能不同，有很大的隨意性，這是做工程非常忌諱的，質量很難評價。 。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，功能變化就會導致軟件模塊結構發(fā)生變化，造成了軟件結構不穩(wěn)定。 ，不利于軟件復用。 結構化方法設計的軟件結構不穩(wěn)定，缺乏靈活性，可維護性差。結構化方法一旦需求變更，軟件的結構變化比較大，擴充功能往往意味著修改原來的結構。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，不宜使用結構化方法。 結束語 39 結束語 本文在廣泛查閱資料，了解無刷直流電機特性的基礎上，對無刷直流電機的控制原理進行了的研究，設計了無刷直流電機調速控制系統(tǒng)。 本文所設計的基于 ATMEGA128 單片機的無刷直流電機控制器具有硬 件結構簡單、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)設計了逆變器驅動電路、硬件過流保護電路，提高系統(tǒng)的可靠性 。 (4)設計采用辨相電路實行電機的正反轉判斷問題，從而控制正反轉 。 通過本次的畢業(yè)設計，我系統(tǒng)的學習了有關 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] 邱關源 .電路 (第 5 版 ).高等教育出版社 . [2] 閻石 .數(shù)字電子技術基礎 (第 5版 ).高等教育出版社 . [3] 童詩白等 .模擬電子技術基礎 (第 4版 ).高等教育出版社 . [4] 李發(fā)海等 .電機拖動基礎（第 3版 ).清華大學出版社 . [5] 王兆安等 .電力電子技術（第 5版 ).機械工業(yè)出版社 . [6] 孫傳友 等 .現(xiàn)代檢測技術及儀表 .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 .微特電機學報 ,1999,27（ 5)23～ 25