【正文】 直流電機 PWM 調(diào)速基本原理 PWM 方式是在大功率開關晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關管的導通時間 t，改變占空比，達到控制目的。 VM 在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 GM 系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護不方便。 改變電樞電路電阻的方法缺點很多，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 。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。 直流電機的基本工作原理 圖 直流電機的基本工作原理圖 對 圖 所示的直流電機，如果去掉原動機，并給兩個電刷加上直流電源，如圖 （ a） 所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導體 ab 和 cd 收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。在電樞鐵心上放置了由 A 和 X 兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。 直流電機 直流電機的結(jié)構(gòu) 圖 其中，固定部分有磁鐵，這里稱為主磁極；固定部分還有電刷。因此，脈寬調(diào)制器和 PWM 變換器合起來可以看成一個滯后環(huán)節(jié)，它的延時最大不超過一個開關周期 T。于是，式（ 2－ 17）、（ 2－ 18）的平均值方程都可寫成 s d d eU RI E RI C n? ? ? ? ? （ 2— 19） 則機械特性方程式為 22 0s dde e eU RRn I n IC C C?? ? ? ? （ 2— 20） 或用轉(zhuǎn)矩表示 0s e a v e a ve e m e mU RRn T n TC C C C C?? ? ? ? （ 2— 21） 其中理想空載轉(zhuǎn)速 0 /Sen U C?? ，與占空比 ? 成正比。 (a)基本電路結(jié)構(gòu) (b)脈寬調(diào)制原理 圖 PWM 基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性 在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)中電動機所承受的電壓仍為脈沖電壓，因此盡管有高頻電感的平波作用，電樞電流和轉(zhuǎn)速還是脈動的。脈寬調(diào)制信號的質(zhì)量，對于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)是十分重要的。 PWM 控制電路 經(jīng)典的模擬控制電路主要由 PWM 電路、 延時電路和驅(qū)動電路組成。在ρ＝ 0 時雖然電機不動，電樞兩端的瞬 時電和瞬時電流都不是零，而是交變的。當正脈沖較窄時， ont 2T ，平均電壓為負，電動機反轉(zhuǎn)。 2di 相當于負載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是 2VT 和 3VT ce極兩端失去反壓，在負的電源電壓（－ SU ）和電樞反電動勢的合成作用下導通，電樞電流反向，沿回路 3 流通，電機處于制動狀態(tài)。 ont ≤ t ≤ T時， 1bU 和 4bU 變負， 1VT 和4VT 截止； 2bU 、 3bU 變正，但 2VT 、 3VT 并不能立即導通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下， id 沿回路 2 經(jīng) 2VD 、 3VD 續(xù)流， 2VD 、 3VD 上的壓降使 2VT 、 3VT ce極承受反壓，這時， ABU = sU? 。 1VT 和 4VT同時導通和關斷，其驅(qū)動電壓 1bU 和 4bU ； 2VT 和 3VT 同時動作，其驅(qū)動電壓 2bU = 3bU 19 = 1bU? 。 H 型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種。按二階最佳系統(tǒng)效正，在一般情況下，希望超調(diào)量σ %≤ 5%時，查表得阻尼比ζ =，I iKT?=，因此 2 li STRK K T i?? ? （ 2－ 9） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計 由自動控制基本理論推導可得，電流環(huán)不論是典型 I型花或是典型 II 型化在一 定的近似條件下都可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)，寫成通式為： 1()1cli iWs aT s???? （ 2— 10） 18 若典型 I型化且ζ =，I iKT?=，則 a=2。電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流動態(tài)過程中不超過允許值，因而在突加控制作用時不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好。 電流調(diào)節(jié)器的設計 圖 電流環(huán)的動態(tài)簡化結(jié)構(gòu)圖 17 由雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可看出外環(huán)通過反電動勢 E 對內(nèi)環(huán)產(chǎn)生影響，但是由于實際系統(tǒng)中處于外環(huán)的系統(tǒng)機電時間常數(shù) tM 比內(nèi)環(huán)的時間常數(shù)大得多，機構(gòu)經(jīng) ACR 對內(nèi)環(huán)效正后其輸出量 ??aIt的動態(tài)過程變化很快，而反電動勢 E 的變化過程 E（ t）相對來說是緩慢的。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。 （ 1）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn)速檢測出來，從而在調(diào)節(jié)器 ASR 上得到反映。 在系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對它的動態(tài)抗擾效果也不一樣。 （二）動態(tài)抗擾性能 1．抗負載擾動 由圖 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 在外環(huán)， ASR 處于主導地位，而 ACR 的作用則是力圖使 dI 盡快地跟隨 ASR 的輸出量 *iU ，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。到 d dlII? 時，轉(zhuǎn)矩 elTT? ,則 /0ntdd? ，轉(zhuǎn)速 n 到達峰值（ t=3t 時）。 第 III 階段 2t 以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。與此同時，電動機的反電動勢 E 也按線性增長。 第 II 階段 12tt? 是恒流升速階段。突加給定電壓 *nU 后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，使 ctU 、 0dU 、 dI 上升，當 d dlII? 后，電動機開始轉(zhuǎn)動。為了引出電流反饋，電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電流 dI 顯露出來。后面需要 PI 調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時 dmI 表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。 11 與此同時，由于 ASR 不飽和， *iU 〈 *imU ，從上述第二個關系式可知： dI 〈 dmI 。 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面，叫做外環(huán)。問題是希望在起動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)矩負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用。這樣的理想起動過程波形見圖，這時，起動電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長的。帶電流截至負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 所示。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 提出問題 由前面的分析可知，采用轉(zhuǎn)速負反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。所以切換使用了繼電器作為切換開關。反饋是由單片機輸入偏差量給高速的 DA，由 DA輸出反饋值作用 PWM 中達到閉環(huán)反饋控制?？傮w框圖 ： a)直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)原理圖 b)直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)設計方框圖 圖 系統(tǒng)設計 電機轉(zhuǎn)速是通過光電傳感器檢測產(chǎn)生觸發(fā)脈沖經(jīng)過觸發(fā)器分頻觸發(fā)單片機中斷計數(shù)，經(jīng)定時計數(shù)得到標準計數(shù)值，由單片機對數(shù)據(jù)的計算、處理，建立了時間和脈沖的關系式，得到每分中電機的轉(zhuǎn) 速。主電路部分采用了以 GTR 為可控開關元件、 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為 PWM 的控制電壓。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進行編碼。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)整，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 PWM 控制技術一般可分為三大類，即正弦 PWM、優(yōu)化 PWM 及隨機 PWM，從實現(xiàn)方法上來看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實現(xiàn)方式，從控制特性來看主要可分為 兩種：開環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁控型）。 目前，高頻電壓領域的具體發(fā)展狀況基本情況是這樣的。 由于它的 特殊性能常被用于直流負載回路中燈具調(diào)光或直流電動機調(diào)速 ， HW1020 型調(diào)速器就是利用脈寬調(diào)制 (PWM)原理制作的馬達調(diào)速器 ， PWM 調(diào)速器已經(jīng)在工業(yè)直流電機調(diào)速、工業(yè)傳送帶調(diào)速、燈光照明調(diào)解、計算機電源散熱 及 直流電扇等得到廣泛應用。 采用微機控制后 ,整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,可靠性高 ,操作維護方便 ,電機穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平 .直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ,調(diào)速平滑 ,方便 ,調(diào)速范圍廣 。從 80 年代中后期起，世界各大電氣公司都在競相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動裝置，當前直流調(diào)速已發(fā)展到一個很高的技術水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術；控制方式采用電源換相、相位控制。 大多數(shù) 5 現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。 正因為有上述優(yōu)點，電機微機控制的理論及應用發(fā)展得非常迅速，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)和普及。 電機采用微機控制，還具有以下特點： （ 1）硬件比較簡單，用少量芯片就可完成很多 功能，且易于通用化； （ 2）可以分時操作；一臺微機可以起多個控制器的作用，為多個控制回路服務；也可控制多個電機，完成較多功能； （ 3）計算機具有記憶和判斷功能，系統(tǒng)的控制方式由軟件決定，若要改變控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件，只需按新的控制規(guī)律編出新的程序即可；且可在運行中隨時根據(jù)不同的電機工作狀態(tài)，選擇最有利的系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略等；使系統(tǒng)具有很強的靈活性和適應性； （ 4）計算機的運算速度快，精度高。為了 適應時代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動機控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡化，信息化，模糊化的方向不斷前進。永磁材料技術的突破與微電子技術的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動機，如永磁直流電動機，交流伺服電動機，超聲波電動機等。其中，電動機控制策略的模擬實現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺，而采用微處理器，通用計算機， 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。 隨著計算機，微電子技術的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。微機的應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。 電機微機控制系統(tǒng) 從 20 世紀 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)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。 對于復雜的電機控制 ,則要用微機控制電機 的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等 ,使電機按給定的指令準確工作。 做這項研究的人是不在少數(shù)的。 至于系統(tǒng)應該如何構(gòu)成，系統(tǒng)的實際應用效果會如何，這些都是很需要探討的問題，那么，這個研究就是很必要的了，也是我寫這篇論文闡述探討結(jié)果的理由。而隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡化變遷，相信會有更大的發(fā)展空間。在這一時期，計算機集中控制得到認可。它的發(fā)展大體可以分為三個階段：第一個階段是 1965 年后的實驗階段，自從 1952 年計算機被應用于生產(chǎn)過程中后，它應用于生產(chǎn)領域并創(chuàng)造巨大價值的潛力立刻為世人所注意，進而被大面積研究試用起來。因此，本次設計以 H 型 PWM 直流控制器為主要研究對象。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動化工作者去研究的。直到 20世紀 80 年代，變頻調(diào)速的出現(xiàn)才解決了直流電機調(diào)速性能好卻費時費力的缺點。即便如此，直流電動機也存在著固有的很多缺點，制約了其應用 —— 由于直流電動機使用直流電源，它的碳刷和滑環(huán)都要經(jīng)常更換，這樣的拆換工作是費時費力費財?shù)?，無疑會加重使用者的負擔。 問題的提出 為什么我們要研究一種由計算機系統(tǒng)控制的 PWM 直流控制系統(tǒng)？要回答這個問題，首先我們應該系統(tǒng)的論述一下電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀。 關鍵詞：直流調(diào)速 ；雙閉環(huán) ； PWM ； AT89S52 ；直流電機 II The PWM speed controller