【正文】 dcm=feedback(dcm,Kb,1,1)。Ja=。La=。 選取電動機各參數(shù)分別為 Ra=， La=， Ka=， Kb=， f=，Ja= 在零初始條件下，將上面的等式兩邊進行拉式變換，得 電壓與電流之間的傳遞函數(shù)： ()( ) ( )Id sUdo s E s? ＝ 1/1L RTS? （ 54） 電流與電動勢間的傳遞函數(shù)： ()( ) ( )dLEsId s I s? ＝ RTmS （ 55） 根據(jù)上面兩式并考慮 n＝ E／ Ce 即可得到額定勵磁下直流電動機得動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖53所示： 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 31 圖 53 額定勵磁下直流電動機得動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 前面的轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)總由靜差是因為電壓放大器為比例放大器，如果選用比例積分調(diào)節(jié)器（即 PID 調(diào)節(jié)器）， PID 調(diào)節(jié)器的輸出由兩個分量組成，一個是比例分量 KpUin ，一個是積分分量 Kp Uindt? ? ，它能隨時間 對輸入信號的不斷積累，當突加 Uin 時，相當于放大倍數(shù)為 Kp 的比例調(diào)節(jié)器，當 Uin 不為零時，積分作用將不斷作用下去，輸出積累上升，直到限幅最大值；一旦 Uin＝ 0，輸出保持在此時的數(shù)值上，穩(wěn)態(tài)時 PID 調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)是它本身的開環(huán)放大倍數(shù)，極大的開環(huán)放大倍數(shù)使系統(tǒng)基本無靜差。 1．直流電機的傳遞函數(shù) 額定勵磁下他勵直流電機的等效電路如圖 52所示： 圖 52直流電動機等效電路 規(guī)定正方向如圖所示。 2k1kkk CeBeAeu ???? 式中 ???????? ??? TTTT1KA DI (45) 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 27 B= ?????? ?? TT21K D TTKC DP? (46) 由式看出，如果計算機采用恒定的采樣周期 T,一旦確定了 ABC 只要使用前三次測量值的偏差，就可以由式求出控制增量。 數(shù)字 PID 控制器流程圖 數(shù)字 PID 控 制算法可以分為位置式 PID 和增量式 PID 控制算法。 自動 控制 系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD控制。按鍵操作由終端導(dǎo)入，靜態(tài)顯示方式。 T0 定時 50ms，單片機的時鐘頻率為 12MHz，機器周期為 1us， 中斷子程序模塊 中斷服務(wù)子程序完成實時性強的功能，如故障保護、 PWM生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字 PID調(diào)節(jié)等 ,中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請， CPU實時響應(yīng)。當鍵盤有輸入值時， 8279 向 CPU申請中斷。 中斷 程序設(shè)計 外部中斷 0 模塊設(shè)計 外部中斷 0 是故障中斷，優(yōu)先級最高。 } } } 系統(tǒng)程序設(shè)計 主程序及系統(tǒng)初始化模塊 主程序 ——完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其他外設(shè)通信等功能，如圖 41。 num++。 ET0=1。 void init() { TMOD=0x01。 本設(shè)計中單片機采用 12MZ 的晶體振蕩器，故 N 為 6。因此，首先必須明確定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。 用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少 ,電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路。 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 18 8 2 7 9SL1+5VIRQC L KA0CSRDWRD 0 D 7C N T LS H I G TR E S E T1512141311109876543210R L 3RL2RL1RL0S L 0SL2S L 3A03B 0 3驅(qū)動器P0WRRDP 2 . 6A L EINT18 3 C 5 5 21KA T 8 9 S 5 1 圖 39顯示器 /鍵盤驅(qū)動電路 由于 8279 芯片有自動分時掃描功能，所以它可與 CPU同時工作，減輕 CPU的負擔，而且接口方便，顯示穩(wěn)定，程序簡 單，可靠性高。 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 17 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 取消 確認 測速 停車 圖 38顯示器圖 輸入給定轉(zhuǎn)速時應(yīng)注意的幾個問題：（ 1）轉(zhuǎn)速不足四位時，在前面加撥 0 湊夠四位；（ 2）轉(zhuǎn)速輸入錯誤時，按取消鍵，顯示器清空，重新輸入值；（ 3）轉(zhuǎn)速輸入完成后，按確認鍵。 能按 FIFO(先進先出 )方式實現(xiàn) 8 個鍵值的 緩沖 常規(guī)情況下 ,能同時管理 64 個物理鍵和 16 個八段數(shù)碼管。采用該芯片 ,可以大大簡化單片機控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計 ,并且減輕 CPU的負擔。其原則是既要保證能及時響應(yīng)按鍵操作，又要不過多占用 CPU的工作時間。 的二路脈沖經(jīng)異或門二倍頻再送入 m1 的計數(shù)器。這樣， m2代表了 m1個測速脈沖周期的時間。為了在單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 15 較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測速，本設(shè)計使用每轉(zhuǎn) 1024線的光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機對該頻率信號采用 M/T法測速處理。觸發(fā)器總是在 B脈沖為高電平時觸發(fā)，這時 D觸發(fā)器的輸出端 Q輸出為高電平。 編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向可以通過 D觸發(fā)器的輸出信號 Q來判斷。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還提供相位相差 90176。這里以三相編碼器為例來介紹增量式編碼器的工作原理及其結(jié)構(gòu)。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位 移的大小。 檢測回路 檢測回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號送入單片機進行處理 。 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點： 1）電流一定連續(xù)。當封 鎖 P W M 輸 出分 析 ， 判 斷 故障 原 因顯 示 故 障等 待 系 統(tǒng) 復(fù) 位時， ? 為正，電動機正轉(zhuǎn)；當 12?? 時， ? 為負，電動機反轉(zhuǎn)；當 12?? 時， 0?? ，電動機停止。 ABU在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式 PWM 變換器的特征，其電壓、電流波形如圖 2所示。 MGM O T O R D CV T 1V T 2VD1VD2V T 3V T 4VD3VD4U g1U g2U g3U g4Us 圖 34 橋式可逆 PWM變換器電路 雙極式控制可逆 PWM 變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖 8 所示。 D在 0—1之間變化，因此 λ在177。 因此電樞上的工 作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。此時直流電機正轉(zhuǎn)。我們可以采取雙 PWM信號來控制直流電機的正轉(zhuǎn)以及它的速度。 （ 2） IGBT 導(dǎo)通時承受的峰值電流 : Iirm= AI 1 ??? （ 32） 額定電電壓按 220V 供電電壓、額定功率 10kVA 容量算。（ 5）與 MOSFET 一樣， IGBT 具有很大的輸入電阻和較小的輸入電容，則驅(qū)動功率低，開關(guān)速度高。 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 10 P W M 1 P W M 2VbHOVsLOH INL INSDC O MVb HO Vs LOH IN L IN SDC O MIR 2 1 1 0R9 R 1 0R 1 1 R 1 2VD 10VD 11IR 2 1 1 0C4 C5P W M 1 P W M 2U g1U g2 U g3 U g4V s s V s s 圖 33 IGBT 驅(qū)動電路 元器件的選擇比較、選型 本設(shè)計采用 IGBT， IGBT 作為大功率的電路驅(qū)動器件，具有以下 優(yōu)點： （ 1） IGBT在正常工作時，導(dǎo)通電阻較低，增大了器件的電流容量。 IR2110 采用 CMOS 施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。與此同時， IR2110的研制成功并且投入應(yīng)用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。 驅(qū)動電路 功率放大驅(qū)動芯片有多種，其中較 常用的芯片有 IR2110 和 EXB841，但由于IR2110 具有雙通道驅(qū)動特性，且電路簡單，使用方便，價格相對 EXB841 便宜，具有較高的性價比，且對于直流電機調(diào)速使用起來更加簡便，因此該驅(qū)動電路采用了IR2110 集成芯片，使得該集成電路具有較強的驅(qū)動能力和保護功能。 AT89S52 內(nèi)部具有看門狗定時器及 3 個 16 位可編程定時器 /計數(shù)器。 與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器； 1000 次擦寫周期；全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz；三級加密程序存儲器； 32 個可編程 I/O 口線；三個16 位定時器 /計數(shù)器；八個中斷源；全雙工 UART 串行通道；低功耗空閑和掉電模式；掉電后中斷可喚醒；看門狗定時器；雙數(shù)據(jù)指針；掉電標識符。 圖 22 直流電機 PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 7 3 硬件部分 單片機的選型： AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。 方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入 中斷后，將有一定的誤差。 1). ( 2 1TtD ?單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 6 單 片 機控制器 驅(qū)動電路 直流電機 光電編碼器 r 被控量 y 給定 量 + 速度反饋 PWM矩形波 前 2 種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此應(yīng)用較少。 PWM 調(diào)速方法 在 PWM 調(diào)速時，占空比是一個重要參數(shù)。 下式是占空比計算公式： 式中 t1 表示一個周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo) 通的時間， T表示一個周期的時間。本文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。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。利用 光電編碼器 測得電機速度， 把電 壓信號反饋給單片機，在內(nèi)部進行PID 運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制 (PWM)應(yīng)用更為廣泛。但是對直流電動機的轉(zhuǎn)速有以下公式： n=U/Cc? TR內(nèi) /CrCc? (11) 其中： U— 電壓； R內(nèi) — 勵磁繞組本身的電阻； ? — 每極磁通 (Wb) Cc— 電勢常數(shù)； Cr— 轉(zhuǎn)矩常量 直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵磁控制法與電樞電壓控制法。當線圈中流過電流時，線圈受 到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。直流它具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ,調(diào)速平滑、方便 ,調(diào)速范圍廣 ?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，改變了世界，也改變了人類的生活。因此， 調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點 直流電動機在冶金、礦山、化工、交通、機械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得 到廣泛的應(yīng)用。隨著單片機技術(shù)的日新月異，使得 許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。 本系統(tǒng)中使用了 光電編碼器 對直流電機的轉(zhuǎn)速進行測量 ，并且 作為反饋值輸入到單片機進行 PID 運算，從而實現(xiàn)了對直流電機速度的控制 。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 III 目 錄 單片機控制直流電機 PWM調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 ......