【正文】 靜止可控整流器，如晶閘管可控整流器，可以通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置來(lái)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變平均電壓，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速 ，控制作用快同時(shí)性能也較好。適用于調(diào)速要求不高，能夠可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其體積大、費(fèi)用高。 電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的方法 變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)中的最主要的方法，而調(diào)節(jié)直流電樞供電電壓所需的可控制電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。 XTAL2（ 18引腳）：接外部晶振的另一端，振蕩器反相放大器的輸出端。在 Flash編程期間，該引腳應(yīng)接 +12V的電源 [6]。當(dāng)?shù)碗娖接行r(shí)，只選片外的程序儲(chǔ)存器，針對(duì) 8031，由于沒(méi)有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，此引腳需接地。對(duì)于Flash存儲(chǔ)器，在編程期間，該引腳用于輸入編程脈沖。 表 3— 1 P3口第二功能 引腳號(hào) 第二功能 RXD（串行口輸入端） TXD（串行口輸出端） 0INT （外部中斷 0） 1INT （外部中斷 1） T0（定時(shí)器 0計(jì)數(shù)脈沖輸入端 ） T1（定時(shí)器 1計(jì)數(shù)脈沖輸出端） WR （片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端） RD （片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端） ALE/（ 30引腳）：地址鎖存控制信號(hào)。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或者數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)該信號(hào)兩次有效，以通過(guò)數(shù)據(jù)線 P0口讀到常數(shù) 或相應(yīng)指令。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)周期以上高電平時(shí)為有效，用來(lái)完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。其 第二功能如表 2— 1示 。 P3端口（ ～ ， 10～ 17引腳）： P3口也 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O端口， 。 P2端口（ ～ ， 21～ 28引腳）： P2口也是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的 8位準(zhǔn)雙向端口， 。 P1 端口（ ～ ， 1～ 8 引腳）： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向口， 為最高位。在 Flash ROM編程時(shí)， P0端口接收指令字節(jié)； 而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。在訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0口也可以提供低 8位地址和 8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。 P0端口（ ～ ， 39～ 32引腳）： P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的 8位雙向 I/O口。 STC 89C52 編程前，首先要設(shè)置地址、數(shù)據(jù)控制信號(hào)，并且要在地址線和數(shù)據(jù)線上相應(yīng)的添加地址信號(hào)和數(shù)據(jù)字節(jié)，控制信號(hào)的激活等 [5]。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，它是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，操作方便，引腳也充足，而且 STC89C52，支持 ISP 串口下載，使得 STC89C52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 STC89C52 是一種 有著 低功耗、高性能 等優(yōu)點(diǎn)的 CMOS 8 位 的 微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 的 Flash存儲(chǔ)器。單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及擴(kuò)展的程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等組成。內(nèi)部帶有程序存儲(chǔ)器的 STC89C52 單片機(jī)本身就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的最小應(yīng)用系統(tǒng)。 為實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求，現(xiàn)將單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分成以下幾部分進(jìn)行方案的 比較和選擇。其基本思想是利用 89C52 單片，通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)中斷來(lái)產(chǎn)生并且調(diào)正 PWM 的占空比，控制電機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 通過(guò)上文對(duì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建模和分 析，決定采用 PI算法控制來(lái)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速。 其 比例部分能夠迅速 的 響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。 而且，在轉(zhuǎn)速反饋比環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中， PI 調(diào)節(jié)器應(yīng)用也很廣泛。如果既要穩(wěn)態(tài)精度高又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來(lái)就行了，這便是比例（ PI）積分控制。積分控制可以使系統(tǒng)在無(wú)靜 差的情況下保持恒速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速，比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。 圖 2— 6 比例積分微分控制示意圖 比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)大慣性的環(huán)節(jié)使用比例微分可以最大程度的改善控制質(zhì)量，減小最大偏差，縮短控制時(shí)間。 （ 2） 比例積分控制（ PI） ： 比例積分控制是將比例與積分控制器糅合在一起的一種控制模式，因此其既擁有了比例控制控制及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，也擁有了積分控制消除余差的優(yōu)勢(shì)，從而能較好地消除偏差。 控制系統(tǒng)的控制方法 控制器的控制規(guī)律其實(shí)就是輸出信號(hào)與偏差信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系， 常 用在直流電機(jī)調(diào)速中的可以分為以下 4 種。依據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，可畫出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如圖 2— 3 所示 ： )( sU n? )( sUn)( sU n? )( sU c )( sU d )( snpK 11?Ts 1/12 ?? sTsTTCmlme??)( sI L)1( ?sTR l 圖 2— 3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 其中，2em2m C375C RGDT ??為電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)； RLT?l為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)；Ts 為觸發(fā)整流裝置的失控時(shí)間。 由自動(dòng)控制原理的知識(shí)可知，若將系統(tǒng)中的比例調(diào)節(jié)器改換為比例積分調(diào)節(jié)器，則由于有了積分的累積功能，可以使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài) 時(shí)無(wú)靜差。盡管如此，由于上述系統(tǒng)是建立在輸入偏差 ΔUn 來(lái)維持的，一旦 ΔUn 為零，則電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)然，以上的優(yōu)點(diǎn)都與 K 的取值有關(guān)。 (2)相同理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)靜差率比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率小。 由系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的 輸入、輸出關(guān)系，我們可以畫出該系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 2— 2 所示。 控制系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 為了能實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，根據(jù)反饋控制原理，要穩(wěn)定哪一個(gè)參數(shù)，就引入相應(yīng)的參數(shù)的負(fù)反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋理論及其在自動(dòng)控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測(cè)量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié) 。設(shè)定信號(hào)和測(cè)量信號(hào)經(jīng)比較 環(huán) 節(jié)比較后得到偏差信號(hào) e，它是設(shè)定值信號(hào) r 與測(cè)量信號(hào) x 之差。 圖 2— 1 自動(dòng) 控制系統(tǒng) 控制規(guī)律其實(shí)是指系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系。 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)自動(dòng)控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值通過(guò)控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。該控制系統(tǒng)是以 STC89C52 單片機(jī)為核心控制單元， L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī) ， 單片機(jī)用軟件產(chǎn)生的 PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的啟動(dòng)，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，用霍爾元件測(cè)得脈沖信號(hào)，再把最終的轉(zhuǎn)速反饋給單片機(jī)， 對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行 顯示 并進(jìn)行控制 。 控制系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì) 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)劃任務(wù)的要求，本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè) 轉(zhuǎn)速反饋控制的 直流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐 的要求，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型。 第 2 章 控制系統(tǒng)及其控制方法 直流調(diào)速系統(tǒng)概述 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，在比較寬的范圍內(nèi)能夠很好的調(diào)速，在調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 （ 2）用 1602 液晶顯示模塊簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的顯示，在 LCD 上顯示電機(jī)的工作狀態(tài)，觀察轉(zhuǎn)速的變化。 系統(tǒng) 主要可 劃分為主 控制模塊 （單片機(jī) STC89C52）、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊 （采用 L298N 驅(qū)動(dòng)電路）、液晶顯示按鍵功能 模塊 （ LCD1602）、電源 模塊 、測(cè)速 模塊 等，以硬件電路為基礎(chǔ)， C 語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫， 軟硬 件 聯(lián)調(diào)后實(shí)現(xiàn)以下功能： （ 1）通過(guò) L298 H 橋驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的功能。系統(tǒng) 主要是利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 脈沖 ,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速，鍵盤操縱電機(jī)進(jìn)行停、轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)、加速、減速。因此，依靠單片機(jī)來(lái)控制直流電機(jī)調(diào)速，已經(jīng)是一種趨勢(shì)，有著非常重要的意義。然而單片機(jī)的應(yīng)用遠(yuǎn)不限于它的應(yīng)用范疇或由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是它已經(jīng)從根本上改變了傳統(tǒng)的 控制方法和設(shè)計(jì)思想，是控制技術(shù)的一次革命，是一座重要的里程碑。單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制功能強(qiáng)、可靠性高、性價(jià)比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)全稱為單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer） ,簡(jiǎn)稱 SCM，又稱微控制器（ Microcontroller Unit, MCU）或嵌入式控制器（ Embedded Controller） 。 1960 年以來(lái)，晶閘管整流器的應(yīng)用，使得直流拖動(dòng)控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對(duì)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)也有了一套使用的工程設(shè)計(jì)方法 [3,4]。 直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩易于控制。直流電機(jī)憑借自身優(yōu)良的性能在驅(qū)動(dòng)、控制、牽引等許多場(chǎng)合起到了十分重要的作用。 本課題研究的目的和意義 直流調(diào)速系統(tǒng)研究意義 直流電機(jī)是 最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。 正是這些技術(shù)的 快速 發(fā)展使得電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。一 直到上世紀(jì) 80 年代，全控型電力電子器件出現(xiàn) ，并且得到 迅速 的 發(fā)展， PWM 技術(shù)才真正 開(kāi)始得到 應(yīng)用。 目前， 變頻技術(shù) 及 脈寬調(diào)制 （ PWM） 技術(shù)已經(jīng)成 為電動(dòng)機(jī)控制的主流技術(shù)。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)功能的不斷提高以及電力電子、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。之后，出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)的制動(dòng)特性較為平滑，損耗的能量少，可以提高系統(tǒng)的效率，但是主要缺點(diǎn)在于要增加兩臺(tái) 與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，體積龐大維修起來(lái)較為困難。 基于直流電機(jī)的電氣系統(tǒng)一般都用于調(diào)速， 最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電機(jī) 的 電樞繞組供電， 經(jīng)過(guò) 改變 電機(jī) 電樞回路 當(dāng) 中的電阻 值 來(lái) 達(dá)到 調(diào)速 的 目的。在不同性質(zhì)的工業(yè)生產(chǎn)中，直流電機(jī)也以不同形式發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如利用它在不同轉(zhuǎn)速下能承受的沖擊過(guò)載，頻繁起、制動(dòng)的特點(diǎn)，在冶金工業(yè)中可以驅(qū)動(dòng)各種軋鋼機(jī)；又如，利用它良好的調(diào)速性和高的過(guò) 載力，在礦業(yè)中驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)和電鏟。我國(guó)通過(guò)自主研發(fā)生產(chǎn)出的電機(jī)不僅滿足了內(nèi)需，而且還有部分可供出口。 有數(shù)據(jù)顯示，解放前我國(guó)的最高年產(chǎn)量發(fā)電機(jī)僅 2 萬(wàn)千瓦，電動(dòng)機(jī)為 萬(wàn)千瓦。 說(shuō)到我國(guó)的直流電機(jī)的發(fā)展，相對(duì)其他國(guó)家起步還是較晚的。這些理論的誕生，讓直流電機(jī)的設(shè)計(jì)和計(jì)算建立在更加科學(xué)，精確的基礎(chǔ)之上。至于電機(jī)理論方面， 1886 年霍普金斯兄弟確定了磁路的歐姆定律?；陔姍C(jī)的可逆原理，直流電動(dòng)機(jī)也就應(yīng)運(yùn)而生，當(dāng)時(shí)直流電動(dòng)機(jī)制造的指導(dǎo)思想是 電磁鐵之間的相互作用并需要用蓄電池供電，因此直流電源就是直流電動(dòng)機(jī)所必須的。與交流 電機(jī)相比，直流電機(jī)的主要不足在換向的問(wèn)題上，它限制了直流電機(jī)的極限容量，又使直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，消耗較多有色金屬，維護(hù)比較麻煩，致使直流電機(jī)的應(yīng)用受到一定的限制。 直流調(diào)速系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 直流電機(jī)是生產(chǎn)和使用直流電能的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換機(jī)械。 在直流電機(jī)的測(cè)速系統(tǒng)中，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)廣泛使用 PWM 技術(shù)來(lái)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，而且在電機(jī)的調(diào)速模塊中，是從最初的用電位器 調(diào)整直流電壓從而達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的；然后是采用繼電器的開(kāi)關(guān)切換對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度的控制；現(xiàn)在是用封裝集成好的 H 型器件，或是 IGBT 組成的 H 型電路，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。研究并制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意 義，為此對(duì)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，我們可以采用多種辦法，而有一種通過(guò)使用價(jià)格低廉、通用性很強(qiáng)單片機(jī)為控制芯片的方法，以 PI 調(diào)節(jié)控制算法為基礎(chǔ)，完成直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，達(dá)到了控制性能好、成本低的目的。直流電動(dòng)機(jī) 就是 因其轉(zhuǎn)速比較靈活，方法 簡(jiǎn)單， 且有很多優(yōu)點(diǎn) ?？梢詫?shí)現(xiàn)多次正 、 反轉(zhuǎn) ， 并且能夠適應(yīng)生產(chǎn)和生活中的各種控制要求， 至今在機(jī)床、造紙機(jī)等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域一直都有廣泛的應(yīng)用 ， 到目前為止仍是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的控制 ， 可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。 參考文獻(xiàn) 37 附 錄 一 38 附 錄 二 45 第 1 章 緒 論 本章主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速目前在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，以及本課題的研究意義和主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。 關(guān)鍵詞： 直流電機(jī)， 單片機(jī) ， 占空比， 調(diào)速系統(tǒng) ， 閉環(huán)控制