【正文】 量。直流電機脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation簡稱PWM[14])調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生于70年代中期。近十多年來，由于晶體管器件水平的提高及電路 技術(shù)的發(fā)展，同時又因出現(xiàn)了寬調(diào)速永磁直流電機，它們之間的結(jié)合促使PWM技術(shù)的高速發(fā)展，并使電氣驅(qū)動技術(shù)推進到一個新的高度。它以優(yōu)越的性能，滿足那些高速度、高精度隨動跟蹤系統(tǒng)的需求。如今，電子技術(shù)、計算機技術(shù)和電機控制技術(shù)相結(jié)合的趨勢更為明顯，促進電機控制技術(shù)以更快的速度發(fā)展著。進入21世紀(jì)后，可以預(yù)期新的更高性能電力電子器件還會出現(xiàn)，已有的各代電力電子元件還會不斷地改進提高。系統(tǒng)主電路采用大功率GTR為開關(guān)器件、H橋單極式電路為功率放大電路的結(jié)構(gòu)。由定時器來產(chǎn)生寬度可調(diào)的矩形波。增加了系統(tǒng)的靈活性和精確性，使整個PWM脈沖的產(chǎn)生過程得到了大大的簡化。在設(shè)計中，采用了PWM技術(shù)對電機進行控制，通過對占空比的計算達(dá)到精確調(diào)速的目的。2 直流調(diào)速系統(tǒng)概述調(diào)速方法通常有機械的、電氣的、液壓的、氣動的幾種，僅就機械與電氣調(diào)速方法而言，也可采用電氣與機械配合的方法來實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。 由于直流電動機具有極好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、 維護容易，但是長期以來，直流調(diào)速[6]系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動的場合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。因此，我們先著重討論直流調(diào)速系統(tǒng)。絕大多數(shù)的直流電動機[4]都是由電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩而實現(xiàn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動的。在電樞鐵心上放置了由A和B兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。直流電動機的工作原理如圖22所示。此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。根據(jù)直流電機的基本原理，由感應(yīng)電勢、電磁轉(zhuǎn)矩以及機械特性方程式可知，直流電動機的調(diào)速方法有三種[6]：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。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。（2）改變電動機主磁通。變化時間遇到的時間常數(shù)同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。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。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。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以GM系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現(xiàn)的。且技術(shù)落后，因此擱置不用。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實現(xiàn)平滑調(diào)速。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。　晶閘管－電動機調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（VM系統(tǒng)）直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流－直流變換器。圖24為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中VT代表開關(guān)器件。加到電動機上；當(dāng)VT斷開時，直流電源與電動機斷開，電動機電樞端電壓為零。 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型（a）原理圖　?。╞）電壓波型采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。與VM系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點[6]：（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1：8左右。（2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。目前，受到器件容量的限制，PWM直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)。 H橋式電機驅(qū)動電路 上圖所示為一個典型的直流電機控制電路。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（上圖及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖）。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。 H橋式驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動如上圖所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。 H橋式驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機時，保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。穩(wěn)壓電源[5]的設(shè)計可以通過幾種方法實現(xiàn)，根據(jù)具體的設(shè)計要求，通過比較論證來確定我們到底要用哪個方案。12V、+～24電壓。變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路輸入~220VU1U2U3U4U0+5v+12v+24v12v 直流穩(wěn)壓電源基本組成框圖方案二：。輸出部分采用D/A0832與運算放大器UA714，輸出電壓波形由FPGA的輸出數(shù)據(jù)控制，不僅可以輸出直流電平，而且只要預(yù)先生成波形的量化數(shù)據(jù)，就可以產(chǎn)生多種波形輸出。利用軟件和硬件結(jié)合的方法來設(shè)計穩(wěn)壓電源，其精度和穩(wěn)定性都有所提高；但是，采用FPGA來設(shè)計的成本很高，性價比很差[8]。方案一是利用純硬件來實現(xiàn)其功能的，方案二是以FPGA為核心控制器件，采用軟硬件結(jié)合來實現(xiàn)的。設(shè)計人員可以充分利用VHDL硬件描述語言方便的編程，提高開發(fā)效率，縮短研發(fā)周期,易于進行功能的擴展，實現(xiàn)方法靈活，調(diào)試方便，修改容易。 電機調(diào)速控制模塊方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。用單片機控制三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計采用方案三。雙極性工作制是在一個脈沖周期內(nèi)，單片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速[7]。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速[8]。 PWM調(diào)速脈寬方式調(diào)脈寬[6]的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。 PWM軟件實現(xiàn)方式方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個us。故采用方案一。驅(qū)動電路部分采用了以GTR為可控開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)硬件系統(tǒng)電路設(shè)計框圖，對各部分模塊的原理進行分析，編寫個子模塊程序，最終將其組合。控制芯片89C51的標(biāo)準(zhǔn)供電電壓是5V，可以選擇使用線性電壓調(diào)整芯片穩(wěn)壓，如：7805：，內(nèi)部過熱保護，內(nèi)部短路電流限制，典型輸入電壓7～20V， ~，壓差（輸出與輸入的差）至少2V。LM317（電壓可調(diào)）：，~37V，內(nèi)部過熱保護等。LM78系列是美國國家半導(dǎo)體公司的固定輸出三端正穩(wěn)壓器集成電路[5]。內(nèi)置過熱保護電路，無需外部器件，輸出晶體管安全范圍保護，內(nèi)置短路電流限制電路。穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成， ：整流作用是將交流電壓變換成脈動電壓。：由于得到的輸出電壓受負(fù)載、輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓。C1為輸入穩(wěn)定電容，其作用是減小紋波、消振、抑制高頻和脈沖干擾，~。使用三端穩(wěn)壓器時注意一定要加散熱器，否則是不能工作到額定電流。因此輸入端必須界限流電阻R1，R1=(12*)/=58Ω，取近似值，選用70Ω的電阻。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30pF左右。本設(shè)計采用頻率為12MHZ，微調(diào)電容C1和C2為30pF的內(nèi)部時鐘方式，電容為瓷片電容。 復(fù)位電路復(fù)位是單片機的初始化操作，其主要作用是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。 復(fù)位電路單片機的復(fù)位電路[10]在剛接通電時，剛開始電容是沒有電的，電容內(nèi)的電阻很低，通電后，5V的電通過電阻給電解電容進行充電，電容兩端的電會由0V慢慢的升到4V左右（），正因為這樣，復(fù)位腳的電由低電位升到高電位，引起了內(nèi)部電路的復(fù)位工作，這是單片機的上電復(fù)位，也叫初始化復(fù)位。 該電路采用按鍵手動復(fù)位。對于懷疑是復(fù)位電路故障而不能正常工作的單片機也可以采用模擬復(fù)位的方法來判斷，單片機正常工作時第9腳對地電壓為零，可以用導(dǎo)線短時間和+5V連接一下，模擬一下上電復(fù)位，如果單片機能正常工作了，說明這個復(fù)位電路有問題，其中電平復(fù)位是通過RET端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的，當(dāng)時鐘頻率適用于12MHZ時，C取100uF，R取10K，為保證可靠復(fù)位，在初識化程序中應(yīng)安排一定的延遲時間。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵按下了。但每個按鍵需要占用一個輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。一般按鍵在按下的時候有抖動的問題，即鍵的簧片在按下時會有輕微的彈跳，需經(jīng)過一個短暫的時間才會可靠地接觸。因此，在程序中要考慮防抖動的問題。這可通過調(diào)用子程序來解決，當(dāng)系統(tǒng)中有顯示子程序時，調(diào)用幾次顯示子程序也能同時達(dá)到消除抖動的目的。 電機PWM驅(qū)動模塊的電路本電路[14]采用的是以大功率GTR為開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。圖中，四只GTR分為兩組，和為一組，和為另一組。GTR是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開關(guān)使用，而且 GTR是一種具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結(jié)構(gòu)大為簡化。脈沖頻率對電動機轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。實驗證明，脈沖頻率在15Hz30Hz時效果最佳。通過對信號占空比的調(diào)整來對車速進行調(diào)節(jié)。利用孤立元件搭建的H橋電路一個缺點就是擊穿， 即Q1和Q2同時導(dǎo)通，或者Q3和Q4同時導(dǎo)通。常用的電機H橋驅(qū)動芯片有：TA7291S、NJU7382 、L29L298。盡管單片機的品種很多，但是在我國使用最多的還是Intel公司的MCS—51系列單片機和美國Atmel公司的89C51單片機MCS—51[7]系列單片機包括三個基本型8038058751。比較麻煩，不予采用。ROM內(nèi)的程序是公司制作芯片時，代為用戶燒制的，出廠的8051都是含有特殊用途的單片機。也不予采用。用戶可以將程序