【正文】 負載擾動能力強，頻帶寬，動態(tài)硬度高。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。 方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整。 方案三：采用由達林頓管組成的 H 型 PWM 電路。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H 型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。 PWM 調(diào)速工作方式 方案一：雙極性工作制。 方案二：單極性 工作制。 由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。直流電源與負載相連，通過通、斷時間的變化來改變負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，亦稱為直流一直流變換器。 在 PWM 調(diào)速時，占空比 α 是一個重要參數(shù)。 （ 2） 調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持 t2 不變，只改變 t1，這樣使周期 T（ 或頻率 ） 也隨之改變。前兩種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期 （ 或頻率 ） ，當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起震蕩，因此這兩種方法用得很少。 隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，研制并生產(chǎn)出既能控制其導通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如門極可關(guān)斷晶閘管 （ GTO） 、電力晶體管 （ GTR） 、電力場效應(yīng)管 (湘 FSET） 、絕緣柵極雙極型晶體管。這些全控型器件性能優(yōu)良，由它們構(gòu)成 的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng) （ 簡稱 PWM 調(diào)速系統(tǒng) ） 近年來在中小功率直流傳動中得到了迅速普及，與 VM 調(diào)速系統(tǒng) （ 晶閘管相控整流器供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng) ） 相比，采用全控型器件的 PWM 調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率高，一般在幾 kHz 到幾十kHz。 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。 但是基于不占用定時器資源，且對于直流電機，采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許范圍，故采用方案二。與比較單元相關(guān)的 PWM 電路其 PWM 波形的產(chǎn)生由以下寄存器控制：對于 EVA 模塊， T1CON、 COMCONA、 ACTRA 和 DBTCONA；對于 EVB 模塊， T3CON、 COMCONB、 ACTRB 和 DBTCONB。 直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件 組成和工作原理 直流電機調(diào)速系統(tǒng) 是由電機、功率驅(qū)動器、檢測元件、 微處理器、控制硬件和軟件 組成。其中帶箭頭的線條為信號線和信號流向。由于采用了面向電機控制的高速數(shù)字信號處理器，無論是速度控制器的設(shè)計，還是電流控制器的實現(xiàn)，以及各種反饋信號的處理和 PWM 控制信號的產(chǎn)生，均采用了數(shù)字信號處理技術(shù)，用軟件實現(xiàn)硬件電路的功能，實現(xiàn)永磁 方波無刷直流電動機的實時控制。 系統(tǒng)的工作原理是：首先，速度給定與速度反饋進行比較，得到的速度差值經(jīng)速度控制器輸出相應(yīng)的相電流的給定值，與相應(yīng)的相電流的反饋進行比較之后，電流差值經(jīng)電流控制器變換成對應(yīng) PWM 波的脈沖寬度，然后綜合轉(zhuǎn)子位置信號后產(chǎn)生所需的PWM 控制信號，經(jīng)隔離驅(qū)動之后，驅(qū)動逆變電路中相應(yīng)的開關(guān)器件工作。 邵陽學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 U7~2 2 0 VC13 3 0 0 u FC53 3 0 0 u FC20 .3 3 u FC60 .3 3 u FV in1GND2+ 5 V3U4M C 7 8 0 5V in1GND2+ 1 2 V3U3M C 7 8 1 2C30 .1 u FC70 .1 u FC42 0 u FC82 0 u F+ 5 v+ 1 2 v1234U6 電源電路 電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。 圖 電源電路 直流 電機的工作原理 直流電機采用電子換相代替普通直流電機的機械換相，它需要特殊的控制電路來控制電機的換相。但僅這樣做還是不行，沒有電刷的換流作用，用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場，它不能與運動中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互作用，來產(chǎn)生持續(xù)的單一方向的轉(zhuǎn)矩，也就無法驅(qū)動轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動。下面以二相導通星形三相六狀態(tài)為例，分析 直流電 機的控制特性及基本控制方法。 圖 直流電機控制系統(tǒng)組成 當轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使功率開關(guān)管 V V6 導通，即繞組 A、 B 通電， A 進 B 出，電樞繞組在空間的合成磁勢Fa。電流流通路徑為 :電源正極 →V1 管 → A 相繞組 → B 相繞組 → V6 管 → 電源負極。則繞組 A、 C通電， A 進 C 出，電樞繞組在空間的合成 磁場 Fa、此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向每轉(zhuǎn)過 600 電角度時，功率開關(guān)管的導通邏輯為 V3V2→ V3V4→ V5V4→ V5V6→ V1V6→ V1V2?? ，則轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場的作用并沿著順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。 直流電機 具有很寬的弧形極面和集中定子繞組，電機轉(zhuǎn)動時定控 制 電 路驅(qū) 動 電 路F V電 機P SV4D4V1 V6V6D6V2D2D5V5D3V3D1V1ACBEC邵陽學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 子每相繞組中產(chǎn)生的反電 動勢可以相當精確地以梯形波來模擬，理論上反電動勢的每個半周波形的波頂是越寬越好 (≥ 2100 電角度 )，以盡可能增大輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性。如果在反電動勢處于梯形波波頂部分的期間有固定幅值 Is 的相電流流入電動機，則此相由電功率轉(zhuǎn)換成為機械功率的瞬時功率將為 Peφ=EsI s= Pmφ=Teφω () 式中， Teφ為激勵相產(chǎn)生的瞬時轉(zhuǎn)矩。式 ()、式 ()分別表明反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比、轉(zhuǎn)矩與電流成正比，其與恒定勵磁的普通直流電動機特性在形式上是相同的。 直流電機 的控制特性和有刷直流電動機基本相同，即在一個具有恒定磁通密 度分布的磁極下，保證電樞繞組中通入的電流總量恒定，以產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。 （ 1） DSP 部分的設(shè)計 邵陽學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 DSP 部分的硬件設(shè)計主要是在 DSP 最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行以下幾個方面的設(shè)計。轉(zhuǎn)速檢測是通過對位置傳感器輸出的交變信號進行軟件計算而間接獲得。 ③ 必要的存儲器擴展，保護電路、驅(qū)動電路等的設(shè)計。 （ 2） 數(shù)據(jù)交換部分的設(shè)計 數(shù)據(jù)交換部分通過雙口 RAM CY7C007 實現(xiàn) TMS320F2407 和 89C51 之間的數(shù)據(jù)交換。 （ 3） 單片機部分的設(shè)計 單片機部分采用 89C51 單片機，主要設(shè)計人機接口進行狀態(tài)的顯示和參數(shù)的設(shè)定，并提供故障報警功能。以上基于雙口 RAM 通信的雙 CPU 結(jié)構(gòu)的硬件系統(tǒng)解決了 DSP 和單片機之間的數(shù)據(jù)通信問題，從而將 DSP 高速的處理能力和單片機強大的接口能力結(jié)合起來，實現(xiàn)了 DSP和單片機資源的合理配置，為構(gòu)建高性能、高可靠性的控制系統(tǒng)奠定了硬件基礎(chǔ)。二是電流調(diào)節(jié)，如 ()式所表示的那樣，在自同步運行中使電流幅值與輸出轉(zhuǎn)矩成正比。在每個電周期內(nèi)只有六個間斷的逆變器開關(guān)動作，而在任何瞬時只有兩個逆變器開關(guān) — 上組一個，下組一個是導通的，若是星形連接，則在所有時間內(nèi)，逆變器的輸入電流串聯(lián)流經(jīng)三相電動機中的兩相?？梢姡ㄗ雍铣纱艌鲈诳臻g不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，步進角為 600 電角度。兩相導通星形三相六狀態(tài) 直流電機 的三相反電動勢、電流與各開關(guān)管導通順序的關(guān)系如圖 。在低速情況下，對于給定的電流幅值 Is 使角度 α 盡可能保持接近零，這樣就可使轉(zhuǎn)矩以及輸出功率達到最大值，相電流和反電動勢波形保持同相位。在高速情況 下，通常希望 α 角超前，以增大驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩，達到擴展高速運行區(qū)的目的。盡管三相定子電流都要進行調(diào)節(jié)，在直流環(huán)節(jié)只需一個電流傳感器就可完成這一功能，因為被調(diào)節(jié)的總線電流幾在每一瞬間都是流經(jīng)兩個串聯(lián)工作的相繞組的。為達到要求的電流調(diào)節(jié)的目的，可采用各種PWM 控制策略。也可采用滯環(huán)電流控制策略，由控制電路產(chǎn)生給定頻率和幅值的電流參考信號，與實際電流檢測信號相比較，其偏差經(jīng)過滯環(huán)比較器，控制逆變器該相應(yīng)相上下兩個橋臂開關(guān)管的導通或關(guān)斷，從而實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)功能。有大量不同型式和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子位置傳感器可用于 直流電機 ，以滿足各種應(yīng)用。 圖 三相反電動勢、電流與開關(guān)管導通順序關(guān)系圖 直流電動機的運行特性 [17][18] 電動機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械。據(jù)此，電動機的運行特性可分為 :起動特性、工作特性、機械特性和調(diào)速特性。對于直流電動機，其電勢 平衡方程式為 : acp acpU E I r U? ? ? ? （ ） 式中 U — 電源電壓（ V）； E — 電樞繞組反電勢 (V)； acpI — 平均電樞電流 (A)； acpr — 電樞繞組的平均電阻（ Ω）； 1 2 00ΘebeceaebuΘ1 2 00iaibibici32321216565434346 00開 關(guān) 管 導 通 順 序邵陽學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 U? — 功率器件的飽和管壓降 (V)； 對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢均可表示為： eE Kn? （ ） 式中 n — 電動機轉(zhuǎn)速 (r/min)； eK — 反電勢系數(shù) (V/r/min)； 由方程式 ()、 ()可知 a c p a c pE U U I rnK e K e? ? ??? （ ） 在轉(zhuǎn)速不變時，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為： L0T T T?? （ ） 式中 T — 電磁轉(zhuǎn)矩 (Nm) 0T — 摩擦轉(zhuǎn)矩 (Nm /A)； 在轉(zhuǎn)速變動情況下，則有： L0 dwT T T J dt? ? ? （ ） 式中系數(shù)： J — 轉(zhuǎn)動部分（包括電動機本體轉(zhuǎn)子、傳感器轉(zhuǎn)子及負載）的轉(zhuǎn)動慣量（ NS2） dwdt — 轉(zhuǎn)子的機械角加速度 (rad/s2)。 （ 1）起動特性 [19] 由方程式（ ）、（ ）、（ ） 可知，電動機在啟動時，由于反電勢為零，因此電樞電流（即起動電流）為 In=acpUUr?? （ ） 其值可為正常工作電樞電流的幾倍到幾十倍。并能帶負載直接啟動。 （ 2）機械特性和調(diào)速特性 機械特性是指外加電源電壓恒定時，電動機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，由方程式（ ）、（ ）和（ ）可知 Iacp=acpUUr?? eacpnKr （ ） T=KrIacp=KracpUUr?? eracpnKKr （ ） 圖 機械特性曲線 式 ()等號右邊的第一項是常數(shù) (當不計 △ U的變化和電樞反應(yīng)的影響時 )。當轉(zhuǎn)速為零時，即為起動電磁轉(zhuǎn)矩。實際上，由于電動機損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。功率晶 體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系。所以機械特性曲線在接近堵轉(zhuǎn) (即轉(zhuǎn)速很低 )時，加快下跌，如圖 。當電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩平衡時，電機就維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。由此可見，由于直流電動機的自同步性，可通過調(diào)節(jié)直流電壓來實現(xiàn)。所以，在電子換向線路及其他控制線路保持不變的情況下，直流電動機調(diào)速性能很好，可以利用改變電源電壓來實現(xiàn)平滑的調(diào)速。直流電動機的轉(zhuǎn)子由磁性材料構(gòu)成，具有很高的電阻率，可以忽略轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流。mmm)； TL —