【正文】 MEL 的 AT89C51 是一種 非常 高效 的 微控制器 。輸出速度的調(diào)節(jié)是通過鍵操作，顯示速度。本設(shè)計需要使用的軟件資源比較簡單，只需要完成編碼器采樣部分、鍵盤控制部分以及顯示輸出功能。其中在單片機控制部分通過按鍵直接從程序中調(diào)出所需要速度的值，同時輸?shù)綌?shù)碼顯示部分和 D/A 轉(zhuǎn)換部分以實現(xiàn)電動機的調(diào)速。從而在傳統(tǒng)的改變電動機的轉(zhuǎn)速問題中，就是利用所給電動機的電壓的不同，而達(dá)到人們所需要的大約速度。 圖 42 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)方案論證 系統(tǒng)總方案論證與選擇 方案一：直接加直流電源來控制電機的轉(zhuǎn)動速度；根據(jù)電動機在其額定電壓時，電動機有一定的額定轉(zhuǎn)速。 故障綜合：利用微機擁有強大的邏輯判斷功能，對電壓、電流、溫度等信號進行分析比較，若發(fā)生故障立即進行故障診斷，以便及時處理，避免故障進一步擴大。 15 檢測回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測。由軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)由主電路、檢測電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。 PWM 采用 AT89C51 單片機實現(xiàn) ,驅(qū)動電路采用了IR2110 集成芯片，具有較強的驅(qū)動能力和保護功能 [7]。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用 PI 調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。 14 4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理 圖 41 數(shù)字式直流雙閉環(huán) PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖 根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求整個系統(tǒng)原 理如圖 41 所示 ,采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)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。 一旦故障 消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。 ③ 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 (2) 電流調(diào)節(jié)器的作用 ① 作為內(nèi)環(huán) 的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨 其給定電壓 *iU （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 ② 對負(fù)載變化起抗擾作用。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)， ASR 和 ACR 都不飽和， ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 ACR 則力圖使 dI 盡快地跟隨其給定值 *iU [6]。此后，電動機開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在 43~tt 時間內(nèi)， dI dLI? ，直到穩(wěn)定。但是，只要 dI 仍大于負(fù)載電流 dLI ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 0* nn? 時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值 *imU ，電機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。當(dāng) ACR 采用 PI 調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓 iimi UUU ??? * 必須維持一定的恒值，也就是說， dI 應(yīng)略低于 dmI 。 第 II 階段（ 21~tt ）是恒流升速階段 ， ASR 飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，在恒值電流給定 *imU 下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 dI 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。直到 dmd II ? ， *imi UU? ，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了 dI 的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。突加給定電壓 *nU 后， cU 、 0dU 、 dI 都上升，在 dI 沒有達(dá)到負(fù)載電流 dLI 以前，電機還不能轉(zhuǎn)動。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的 I、 II、 III 三個階段。圖中 )(sWASR 和 )(sWACR 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 dmI 時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護 [5]。這樣的下垂特性只適合于 0nn? 的情況，因為如果 0nn? ，則 *nn UU ? ，ASR 將退出飽和狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時 Id=U*im/β=Idm， dmI 為最大電流。 這就是靜特性的運行段，它是水平的特性 。 n=Un/α =n0,靜特性的 CA 段。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時總是零。兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是 10 帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU 。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。應(yīng)該在起動過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 dmI的恒流過程。 在起動過程中，始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要，這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。本設(shè)計采用的是定寬調(diào)頻法 [4]。故改變α值就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。可以得到電機電樞端的 平均電壓 Ua=T1/T*Ud 設(shè) α=T1/T， α 可定義為占空比。圖21 給出 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其輸出波形。 8 直流電機 PWM控 制原理 PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進行調(diào)節(jié)。 在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動，二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。 單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用 PI 控制器時，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。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。 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的原因 同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。 （ 5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。 （ 3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到 1～ 10000 左右。 PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性： （ 1） PWM 調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。 選擇 PWM 控制系統(tǒng)的原 因 脈寬調(diào)制器 UPW 采用美國硅通用公司（ Silicon General）的第二代產(chǎn)品 SG3525， 7 這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強的單片集成 PWM 控制器。如果主電路電感不是非常大 ,則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線，斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無功補償、濾波和高次諧波的抑制措施。 （ 3） 晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對交流電源來說相當(dāng)于一個感性負(fù)載，吸取滯后的無功電流，因此功率因素低，特別是在深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用 電設(shè)備。必須實現(xiàn)四象限可逆運行時，只好采用開關(guān)切換或正、反兩組全控型整流電路，構(gòu)成 VM 可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 6 由于旋轉(zhuǎn)變流機組缺點太多，采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機組，形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。 （ 3） 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。 （ 2） 靜止可控整流器。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可 控直流電源，常用的 可控直流電源有以下三種： （ 1） 旋轉(zhuǎn)變流機組。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。 改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。 If變化時間遇到的時間常數(shù)同 Ia 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。 (2) 改變電動機勵磁磁通Φ。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。 5 2 直流電機調(diào)速原理 直流電機調(diào)速 直流電動機的調(diào)速方法有三種 : (1) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。近年來，盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，但是直流電機良好的啟動、制動性 4 能，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋 鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)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(dá)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；過載能力大，能承受頻煩的沖擊負(fù)載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動，制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。全數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水平的傳動方式更顯示了強大優(yōu)勢。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(dāng)前直流調(diào)速已發(fā)展到個很高的技術(shù)水平 :功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。 正因為有上述優(yōu)點，電機微機控制的理論及應(yīng)用發(fā)展得非常迅速，新產(chǎn)品不斷涌 現(xiàn)和普及。 （ 5） 數(shù)字量的運算不會出現(xiàn)模擬電路中所遇到的零點漂移問題，被控量可以很大，也可以很小，都較易保證足夠的控制精度。 （ 4） 計算機的運算速度快，精度高。 （ 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 3 務(wù)；也可控制多個電機，完成較多功能。由于計算機的 CPU 只能識別和處理數(shù)字信號，而且只能一次次離散地處理，所以計 算機處理外界信息時總要有個采樣過程，電機微機控制系統(tǒng)必然是一種采樣控制系統(tǒng)。 電機微機控制系統(tǒng)的特點 目前，很多電機微機控制系統(tǒng)都是由數(shù)字部件和模擬部件組成的混合系統(tǒng)，而全數(shù)字控制系統(tǒng)是當(dāng)前的發(fā)展方向。目前，交流電機廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床等自動化設(shè)備的數(shù)控位置伺服系統(tǒng) 。通過微機控制，可使電機的性能有很大的提高。在各種機床設(shè)備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在已普遍采用帶微機的可編程控制器，按一定的規(guī)律控制各類電機的動作。因此就有可能比較普遍地應(yīng)用微機來控制電機，完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機的性能更符合使用要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機，使電機出現(xiàn)新的面貌。 2 微機控制電機的發(fā)展和現(xiàn)狀 微機，出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 70 年代，隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微機的性能越來越高，價格越來越便宜。這是變頻專用電機高效的一條重要思路。在電機的設(shè)計制造思想上可以擺脫啟動轉(zhuǎn)矩的限制，按照新的工況重新考慮。這樣一來，轉(zhuǎn)子和定子的尺寸加大了，因而材料多了、重量增加了。鑒于增加啟動電阻就可增大啟動轉(zhuǎn)矩，異步電動機定子常采用雙籠或深槽結(jié)構(gòu)。采用變頻調(diào)速以后，帶來一些設(shè)計觀念上的變化。在實際電氣傳動中，應(yīng)用于風(fēng)機、泵、壓縮機的電動機大約占 40%，而實際應(yīng)用變頻調(diào)速的只占 5%左右。 國民經(jīng)濟要可持續(xù)發(fā)展，就必須節(jié)約能量。交流傳動一般采用交 — 直 — 交變頻。 （ 3） 特大容量、極高速的 交流傳動。此后，交流調(diào)速傳動主要沿著三個方向發(fā)展和應(yīng)用： （ 1） 一般性能的節(jié)能調(diào)速和工藝調(diào)速 。這種分工在當(dāng)時已成為舉世公認(rèn)的格局。 關(guān)鍵字 ： AT89C51 單片機 PWM 技術(shù) 直流電動機 II Abstract In the national production, along with the development of modern technology, electronic technology has been a prehensive developm