【正文】 統(tǒng)系統(tǒng)通常采用直流調(diào)速技術(shù)，經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，已達(dá)到一個(gè)很高的技術(shù)水平。（圖12）前兩種方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來(lái)改變占空比從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。（圖12）B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t 不變，只改變t1 ，這樣使周期(或頻率)也隨之改變[7]。 基于單片機(jī)類(lèi)由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM：在PWM 調(diào)速系統(tǒng)中占空比D是一個(gè)重要參數(shù)在電源電壓Ud不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比D的大小，改變D的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。另一問(wèn)題是當(dāng)晶閘管導(dǎo)通角很小時(shí)，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)殃及同電網(wǎng)中的用電設(shè)備，造成“電力公害”。（1）基于晶閘管作為主電路的調(diào)速系統(tǒng) 晶閘管的調(diào)速系統(tǒng)是采用分離元件設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)占用的空間大，控制角難于調(diào)整，且模擬器件的固有缺陷如：溫漂、零漂電壓等，導(dǎo)致電機(jī)的調(diào)速無(wú)法達(dá)到滿意的結(jié)果。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的接通或斷開(kāi)，并通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，PWM又被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。圖11 直流電機(jī)的工作原理圖電樞控制是在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。磁場(chǎng)控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時(shí)受到磁極飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制[4]，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差[5]。但是對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式：其中：U—電壓；R內(nèi)—?jiǎng)?lì)磁繞組本身的電阻；f—每極磁通(Wb)；Cc—電勢(shì)常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量[3]。 研究方法直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式不同，直流電動(dòng)機(jī)分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種類(lèi)型。采用微處理器控制，使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化程度，智能化程度有很大改觀；采用微處理器控制，使調(diào)速系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單化，可靠性提高，操作維護(hù)變得簡(jiǎn)捷，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精度等方面達(dá)到較高水平。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度、可靠性和穩(wěn)定性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，微處理器已經(jīng)廣泛使用于直流傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代[1]。同時(shí)，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成為控制的電路的發(fā)展方向。 17 19結(jié)束語(yǔ) 20參考文獻(xiàn) 21致 謝 22附錄1 原理圖 23附錄2 PCB圖 24附錄3 程序清單 25定時(shí)器程序 25延時(shí)程序 26LCD顯示程序 26PWM程序 30電動(dòng)機(jī)調(diào)速程序 32主程序 35電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概 述 研究現(xiàn)狀綜述20世紀(jì)70年代以來(lái)，直流電機(jī)傳動(dòng)經(jīng)歷了重大的技術(shù)、裝備變革。鹽城工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（2013）目 錄概 述 1 電動(dòng)自行車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義 1 研究現(xiàn)狀綜述 1 研究方法 2 2 3系統(tǒng)總體方案論證 4 系統(tǒng)方案比較與選擇 4 系統(tǒng)方案描述 4硬件電路的模塊設(shè)計(jì) 5 5 6 7 IR2110驅(qū)動(dòng)電路中IGBT抗干擾設(shè)計(jì) 8 IR2110功率驅(qū)動(dòng)介紹 9 H橋驅(qū)動(dòng)電路原理 10 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 10 光電測(cè)速電路 11系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 12 13 PWM調(diào)速與測(cè)速程序設(shè)計(jì) 15 PCA捕獲模式 15 PCA脈寬調(diào)節(jié)模式 16 PWM調(diào)制信號(hào)接收模塊整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)[1]。使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。早期直流傳動(dòng)的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點(diǎn)，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低[2]。由于微處理器以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。直流傳動(dòng)控制采用微處理器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。 現(xiàn)階段，我國(guó)還沒(méi)有自主的全數(shù)字化直流調(diào)速控制裝置生產(chǎn)商，而國(guó)外先進(jìn)的控制器價(jià)格昂貴，且技術(shù)轉(zhuǎn)讓受限，為此研究及更好的使用國(guó)外先進(jìn)的控制器，吸收國(guó)外先進(jìn)的數(shù)字化直流電機(jī)調(diào)速裝置的優(yōu)點(diǎn)，具有重要的實(shí)際意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。不同勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。由上式可知，直流電機(jī)的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場(chǎng)控制法。所以在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的方法是電樞控制法。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟(jì)效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大[6]。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進(jìn)行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓等等。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。圖12 電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖根據(jù)圖12，如果電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，占空比為D= t1/T，則電機(jī)的平均速度為：D*Vmax=V *D，可見(jiàn)只要改變占空比D，就可以得到不同的電機(jī)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的[7]。晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難，性能較差，自動(dòng)化控制程度差，調(diào)速過(guò)程較為復(fù)雜，不利于工業(yè)生產(chǎn)和小功率電路中采用。（2）基于PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng) 與傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)相比較，PWM(脈寬調(diào)制技術(shù))直流調(diào)速系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡(jiǎn)單，需要的功率元件少；開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。改變占空比D的值有三種方法：A、定寬調(diào)頻法：保持t1不變，只改變t，這樣使周期(或頻率)也隨之改變[7]。（圖12）C、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變t1 和t[7]。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡(jiǎn)化硬件電路，操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是采用了微處理器及其他先進(jìn)電力電子技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置在精度的準(zhǔn)確性、控制性能的優(yōu)良性和抗干擾的性能有很大的提高和發(fā)展，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷升級(jí)換代，為工程應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)越的條件。這些芯片除了有PWM信號(hào)發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能等。方案二： 采用MC51單片機(jī)、功率集成電路芯片L298構(gòu)成直流調(diào)速裝置。其驅(qū)動(dòng)電壓為46V，直流電流總和為4A。方案三： 采用STC12C5A60S2增強(qiáng)型單片機(jī)、IR2110功率驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的核心實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速。通過(guò)控制定時(shí)器初值T0和T1，從而可以實(shí)現(xiàn)從任意端口輸出不同占空比的脈沖波形。IR2110是專(zhuān)門(mén)的MOSFET管和IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片，帶有自舉電路和隔離作用，有利于和單片機(jī)聯(lián)機(jī)工作，且IGBT 的工作電流可達(dá)50A，電壓可達(dá)1200V[10]，適合工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。 系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)以STC12C5A60S2為控制核心，配以4鍵盤(pán)和LCD液晶顯示屏，通過(guò)STC12C5A60S2內(nèi)部PCA計(jì)數(shù)器對(duì)主干驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行速度采集，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行速度顯示。框圖如下圖21圖21 系統(tǒng)整體框圖驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2控制輸出數(shù)據(jù)，產(chǎn)生PWM信號(hào)，送到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，直流電機(jī)通過(guò)測(cè)速電路，將速度數(shù)據(jù)通過(guò)PCA送回單片機(jī)，在LCD液晶顯示屏上顯示占空比和電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，并依據(jù)按鍵電路下達(dá)的指令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的控制，達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)，適用于電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。PCA含有一個(gè)特殊的16位定時(shí)器，有2個(gè)16位的捕獲/比較模塊與之相連。本課題用到兩個(gè)模式，即捕獲模式和脈寬調(diào)節(jié)模式（PWM）。 PWM作為速度信號(hào),和方向信號(hào)Dir()一起要經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路,產(chǎn)生4路滿足功率驅(qū)動(dòng)電路要求的時(shí)序信號(hào)。電機(jī)速度信號(hào)PWM和方向信號(hào)Dir,通過(guò)如圖33所示電路,產(chǎn)生IR2110所需的控制信號(hào)HINHINLINLIN2。Dir=1時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn)；Dir1=0時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)。Dir LIN1= HIN2=PWM1IR2110驅(qū)動(dòng)IGBT 構(gòu)成的H橋電路的特點(diǎn)顯著，具有調(diào)速性能好，調(diào)速頻帶寬，可以工作在1~100 kHz范圍內(nèi)工作[12]。IR2110設(shè)計(jì)保護(hù)電路性能良好，安全性高，無(wú)控制信號(hào)時(shí)，電機(jī)處于剎車(chē)狀態(tài)，可用于很多工業(yè)領(lǐng)域。在頻率為20 kHz左右的工作狀態(tài)下。電路中為了防止3導(dǎo)通時(shí)高電壓串入Vcc 端損壞芯片，在設(shè)計(jì)采用快恢復(fù)二極管IN4148，其快速恢復(fù)時(shí)間為500ns[13] 可有效地隔斷高壓信號(hào)串入IR2110。由于密勒效應(yīng)的作用，在開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)，集電極與柵極間電容上的充放電電流很容易在柵極上產(chǎn)生干擾[14]。為了避免馬達(dá)的反電動(dòng)勢(shì)的危害，需要在晶體管兩端接二極管，因?yàn)轳R達(dá)線圈在電路開(kāi)閉瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)通過(guò)會(huì)高過(guò)電源，這樣對(duì)晶體管和電路會(huì)有很大的影響甚至燒毀零件。若在“理想的自舉”電路中，Vcc由一個(gè)零阻抗電源供電，并通過(guò)一個(gè)理想的二極管給Vb供電。圖33 IR2110部分寄生二極管示意圖IGBT（Insulated GateBipolar Transistor）是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，由于是容性輸入阻抗，故要求驅(qū)動(dòng)電路提供一條小阻抗通路，將柵極電壓限制在一定安全數(shù)字內(nèi)[17]。實(shí)際上，該電壓是不能低于4V，超出該極限電壓就會(huì)引起高端通道工作的不穩(wěn)定。門(mén)電壓需求在10~20V范圍，懸浮通道用于驅(qū)動(dòng)MOSFET的高壓端電壓可以達(dá)到500V[18]。引腳11（SD）端為保護(hù)電路信號(hào)輸入端。而當(dāng)該腳為低電平時(shí)，輸出跟隨輸入變化。 引腳6（VB）及引腳3（Vcc）分別為上下通道互鎖輸出級(jí)電源輸入端。引腳3還通過(guò)一個(gè)高反壓快速恢復(fù)二極管與引腳6相連。IR2110自舉電路的結(jié)果原理圖如圖34所示：圖34 IR2110自舉電路原理圖 圖34中C1及VD1 分別為自舉電容和快速恢復(fù)二極管,C2為VCC的濾波電容。在VM1開(kāi)通，VM2關(guān)斷期間,VC1通過(guò)電