【正文】 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1前言直流電機(jī)速度控制在現(xiàn)實(shí)生活中的方方面面都有所運(yùn)用，如今其已經(jīng)滲透到了醫(yī)療、汽車制造、鐵道運(yùn)輸、航天航空、鋼鐵生產(chǎn)、物流配送、飲料生產(chǎn)等多個(gè)方面。它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。本次設(shè)計(jì)主要研究的是基于單片機(jī)的直流電機(jī)的速度控制，通過利用 PID 控制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。通過光電傳感器進(jìn)行速度采集，并將其反饋到單片機(jī)中，把其計(jì)數(shù)脈沖換算成速度，并通過 1602 液晶顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)速度顯示，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、速度檢測(cè)模塊、顯示模塊、按鍵模塊。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：(1)采用 C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，具有修改調(diào)試簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)； (2)通過光電編碼器將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖，通過軟件計(jì)算比較精確的反應(yīng)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，并對(duì)其進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，達(dá)到轉(zhuǎn)速易調(diào)節(jié)的目的；(3)采用 1602LCD 顯示模塊提供一個(gè)人機(jī)對(duì)話界面，并實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)行速度，有利于通過按鍵模塊對(duì)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。直流電動(dòng)機(jī)最開始采用的是恒定的直流電壓源供電方式，通過改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞電阻來實(shí)現(xiàn)速度的改變。因此該方法只適用于一些小功率和轉(zhuǎn)速范圍并要求不高的地方。這種控制方法具有很寬的調(diào)速范圍、較小的轉(zhuǎn)速變化率和平滑的速度調(diào)節(jié)能力。由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，已取代了以往的發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，出現(xiàn)了有晶閘管變頻器直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)供電，他的性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)電機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的速度性能。 電力電子技術(shù)中 IGBT 等大功率器件的發(fā)展正在取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng) [3]。eC?根據(jù) KVL 方程：電機(jī)轉(zhuǎn)速 其中, 極對(duì)數(shù)為 ,匝數(shù)為 ,電樞?eaCRIn??pN支路數(shù)為 。而在aapNe60中,由于 僅為繞組電阻,使得 很小,所以 。a?n 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3圖 直流電機(jī)的原理圖一、改變電樞回路電阻調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)都可以通過改變電樞回路的電阻來速度調(diào)節(jié)，如圖 (a)所示。wR當(dāng)負(fù)載固定時(shí)，隨著串入的外接電阻 的增大，電樞回路的總電阻wR也隨之增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)下降。)(a??的改變可用接觸器或開關(guān)的切換來實(shí)現(xiàn)。圖 改變電阻調(diào)速?ewaaCIUn)(??? 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4二、改變電樞電壓調(diào)速在直流電動(dòng)機(jī)的中如果連續(xù)地改變電樞的供電電壓，可以進(jìn)行較寬范圍的無級(jí)調(diào)速。以下分別介紹這兩種調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速方法。在不同的電樞電壓 時(shí)，其得到的機(jī)械特性便aUnaU是一簇完全平行的直線，如圖 (b)所示。該圖顯示，改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的方法需要有兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和另一臺(tái)容量小一些的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(LF)，因?yàn)樾枰脑O(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝也需打基礎(chǔ)、運(yùn)行噪聲大、維護(hù)不方便。目前已被更經(jīng)濟(jì)、可靠的晶閘管變流裝置所取代。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。其開環(huán)機(jī)械特性示于圖 (b)中。但是，在不連續(xù)電流區(qū)相比，具有非線性的軟特性。電樞電壓變速直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的是一種使用最廣泛的速度控制方法。如果采用這種反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達(dá) 50:1 到 150:1，甚至更大。如今，由于功率晶體管（GTR） ，特別是 IGBT 等功率器件制造工藝的成熟，成本不斷下降，大功率半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6PWM 系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，目前其容量已經(jīng)相當(dāng)大了。可以看出，從公式（1） ，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁通 成反比，即減少磁通量時(shí)，轉(zhuǎn)速 增大?n；相反，在 較低。因此，在這樣的速度控制方法下，減少了電動(dòng)機(jī)的磁通 ，轉(zhuǎn)矩將被相應(yīng)地減少。為了使電機(jī)的容量得到充分的利用，當(dāng)使用這種方法時(shí)，通常只是上述電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制速度在基速以上時(shí)才運(yùn)用。該調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，只要?jiǎng)?lì)磁繞組加一個(gè)單獨(dú)的可調(diào)電源，就可以實(shí)現(xiàn) [3]。對(duì)于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，最常見的方式是通過改變電樞端的電壓，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)電樞回路的電阻 R 來改變電壓，以達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法，其中 PWM 是比較常用速度控制方法。傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速，是通過調(diào)整電樞電路的電阻來改變電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的。在 PWM 速度控制系統(tǒng)，電機(jī)電樞兩端的電壓寬度可調(diào)的脈沖電壓，輸出脈沖頻率足夠快的情況下，由于慣性的存在，只要遵循一定的規(guī)則改變通、斷電的時(shí)間，可以使電機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到并保持一個(gè)穩(wěn)定值。5 l 單片機(jī)以其價(jià)格低廉，開發(fā)周期短，性能穩(wěn)定，效率高，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于控制系統(tǒng)。第三節(jié) 本設(shè)計(jì)所做工作本次設(shè)計(jì)通過對(duì)直流電機(jī)工作原理、單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)調(diào)速的方法，并查閱單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速的其相關(guān)資料，對(duì)直流電機(jī)調(diào)速有個(gè)初步的概念，從而設(shè)計(jì)出系統(tǒng)框圖，根據(jù)系統(tǒng)框圖的每個(gè)模塊，進(jìn)行了器件的選定，從而設(shè)計(jì)出硬件電路，有設(shè)計(jì)給定任務(wù)來設(shè)計(jì)程序框圖，再通過 Proteus 仿真進(jìn)行程序的修改和優(yōu)化并修改，最后印制 PCB 板并焊接電路，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行最后階段的調(diào)試，并進(jìn)行最后的程序優(yōu)化，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。為下文的硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)方案選用基于單片機(jī)的 PWM 直流電機(jī)調(diào)速提供了依據(jù)。PID 算法其優(yōu)點(diǎn)就是具有成熟的理論基礎(chǔ)，而且不需要精確的數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象。而且 PID 算法的參數(shù)整定算法也比較成熟。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多地使用現(xiàn)代控制方法與 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化， 數(shù)字 P I D 算法配合 P WM 脈寬調(diào)制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行平滑調(diào)速 [6]。直流電機(jī)控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)軟件編程來完成實(shí)施控制律。由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字，無法控制連續(xù)的控制變量，所以在計(jì)算機(jī)制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)必須采取離散化處理。因此,式（）被稱為位置型 PID 算式。根據(jù)式（）可以看出 u(n1)的表達(dá)式，即 )]2(1)([)]1([)1()( ??????? neneKneKnuDIP（） 01 })]2([)()({)( ueTeeniDIP????（） 將式（）和式（）相減，即得數(shù)字 PID 增量型控制算式為 0)]2()1(2)[)()]1()[)( uneneKneKnu DIP ??????（）式中： 稱為比例增益；P 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 稱為積分系數(shù)；IPITK? 稱為微分系數(shù)。而位置式算法要用到過去的誤差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差。采用增量式算法，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。因此通過比較，本次設(shè)計(jì)采用增量式算法 [7]。在工業(yè)過程控制的過程中，我們經(jīng)常要確保閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，對(duì)于一個(gè)給定的變化量，可以很容易地進(jìn)行迅速跟蹤。在一般情況下，要滿足這些要求是很難做到的，我們要根據(jù)具體情況的系統(tǒng)，以滿足關(guān)鍵性能指標(biāo)，同時(shí)考慮其他要求 [7]。通過理論計(jì)算設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器可以得到一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象，在工業(yè)過程中，通常更難以實(shí)現(xiàn)。最大的優(yōu)點(diǎn)是，這種方法不依賴于調(diào)諧參數(shù)的對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單易行。通過實(shí)驗(yàn)方法確定選擇 PID 參數(shù)往往是非常有效的方法 [8]。一般來說先比例后積分再微分。（1） 、臨界比例法一般適用的控制對(duì)象是一個(gè)具有自動(dòng)平衡特性。逐步提高比例系數(shù) ，直到系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)的等幅振蕩。 rdrirp ,5.,??根據(jù)選定的控制度，查表 求得 T、 、 、 的值。下面以 PID 調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟：①讓調(diào)節(jié)器的參數(shù)積分系數(shù) =0，微分系數(shù) =0，當(dāng)控制系統(tǒng)投入閉環(huán)IKDK運(yùn)行中時(shí)，需要從小到大地改變比例系數(shù) ，使擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，來觀P察他的控制過程，直到得到比較滿意的結(jié)果為止。IK③積分系數(shù) 保持不變，通過改變比例系數(shù) ，來觀察控制結(jié)果有無改I PK善，如有控制結(jié)果改善則繼續(xù)調(diào)整，直到得到比較滿意的結(jié)果為止。通過反復(fù)地試湊，直到找到比較滿意的比例系數(shù) 和積分系數(shù)P為止。和前面的幾個(gè)步驟類似，微分時(shí)間的整定也要通過多次PIK PI K? KT PID K 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13的調(diào)整，直到得到一個(gè)比較滿意的結(jié)果為止。就是需要在半個(gè)周期內(nèi)對(duì)所得到的脈沖，并使各脈沖的高度相等寬度不同?！　≡诓蓸涌刂评碚撝杏幸粋€(gè)重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。這里所說的效果基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異?！±?，正弦半波分成 N 等份，你可以把相互連接的半正弦波組成由 N 脈沖波形。如果把上述脈沖序列用具有相同數(shù)目的幅值相等但不寬度相等的矩形脈沖序列替代，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分的面積（即沖量）相等，得到的脈沖序列，這是 PWM 波形。根據(jù)同樣的沖量相等效果相同的原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。在 PWM 波形中，每個(gè)脈沖的幅度是相等，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，簡(jiǎn)單地按相同的比例系數(shù)改變每個(gè)脈沖的寬度就可以了，因此這樣的交直交流逆變器，整流電路采用不可控的二極管電路，PWM 逆變器電路輸出的脈沖電壓是直流電壓幅值。根據(jù)控制電路的通斷的開關(guān)裝置的計(jì)算結(jié)果，就可以得到所需的 PWM 波形。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式，噪聲影響降到最小?？傊?，PWM 控制經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是值得我們的工程師在 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14許多設(shè)計(jì)應(yīng)用程序中使用的有效技術(shù)。根據(jù) PWM 控制的基本原理可以得出，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM 脈沖與相等量?jī)?nèi)沖量相等的直流電加載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間 內(nèi)脈沖寬度為 ，幅值為 ，由圖 可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電T0tU壓為： 圖 PWM 脈沖，若令 ， 即為占空比，則上式可化為： TUt??0Tt0?? (U 為脈沖幅值) （）0若 PWM 脈沖為如圖 所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述相同，即 （ 為矩形脈沖占空比） UTtnUt?????00 ?（）圖 周期性 PWM 矩形脈沖U ( t )0tTt 0UU ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15由式 可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值 U 和占空比 來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通?控制占空比 的大小實(shí)現(xiàn)直流電壓在 0~U 之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用 PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的 [14]。圖中控制器模塊為單片機(jī)最小系統(tǒng)，通過鍵盤模塊和顯示模塊來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中鍵盤模塊可以將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，并且通過控制模塊處理后將其數(shù)據(jù)通過顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。控制模塊驅(qū)動(dòng)模塊 直流電機(jī)顯示模塊 測(cè)試模塊 鍵盤模塊 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 系統(tǒng)方案框圖一、控制器模塊設(shè)計(jì)方案單片機(jī)就是一片半導(dǎo)體硅片上集成了中央處理單元、存儲(chǔ)器、并行 I/O 口、串口 I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘電路及系統(tǒng)總線的微型計(jì)算機(jī)。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）