【正文】 從而實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。近年來，直流電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制方式都有了巨大的改變。隨著新型高速可關(guān)斷的電力電子器件的飛速發(fā)展，使用全控型晶閘管，場效應(yīng)管等調(diào)速系統(tǒng)具有開關(guān)頻率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、動態(tài)性能好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且采用這種方法調(diào)速非常容易在微機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。但是，這些芯片往往都需要10V或者更高的電壓，這給系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)增加了負(fù)擔(dān)。雖然集成芯片的應(yīng)用使得電動機(jī)的驅(qū)動變簡單了，但是專用的驅(qū)動直流電動機(jī)芯片的輸出功率有限，無法滿足大型直流電動機(jī)驅(qū)動的控制要求，市場上少數(shù)幾種大功率集成驅(qū)動芯片的價(jià)格又很高，例如一片SA01驅(qū)動芯片的價(jià)格要3500元。綜合以上所述研究大功率直流電動機(jī)調(diào)速裝置意義重大。近年來隨著現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，模糊控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)等智能化的控制方法也大量的涌現(xiàn)出來。對于那些復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)跟蹤控制，技術(shù)已經(jīng)成熟，特別是使用PLC單片機(jī)等控制更容易操作、可靠性更強(qiáng)、參數(shù)便于調(diào)節(jié)。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)由于是以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，其硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，降低了成本，而且避免器件溫度漂移的影響。由于外國產(chǎn)品價(jià)格昂貴，所以國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展有一定的空間。第2章 理論分析計(jì)算 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制（PWM）控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，輸出一些列同等幅度的脈沖，來代替所需的正弦波、方波、鋸齒波等。按照一定規(guī)律調(diào)節(jié)每個脈沖的寬度，就能控制逆變電路輸出電壓的大小和輸出頻率的高低[2]。這里的沖量就是窄脈沖的面積，效果基本相同是指在本環(huán)節(jié)上輸出響應(yīng)的波形大體相同。根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來代替正弦波，通過對矩形波的控制來模擬輸出不同頻率的正弦波。這些寬度相等,幅值不等且脈沖頂部不是水平線的脈沖，都等于，這些脈沖的幅值都按正弦規(guī)律變化。由此可見，這些脈沖的寬度都是按照正弦波的規(guī)律變化的。對于正弦波的負(fù)半周，采用同樣的方法也可以得到脈寬調(diào)制波形。要改變等效后正弦波輸出的幅值時(shí)，只要按相同的比例系數(shù)改變各個脈沖的寬度就可實(shí)現(xiàn)，因此在交－直－交變頻器中，采用不可控二極管就可以進(jìn)行整流，直流側(cè)電壓的幅值就是脈寬調(diào)制逆變電路輸出的脈沖電壓。根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制電路中晶閘管器件導(dǎo)通和關(guān)斷，就能得到所需波形。三種調(diào)速方法各有其特點(diǎn)：其中改變電樞回路中電阻只能對電動機(jī)作有級調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，調(diào)速系統(tǒng)效率低；減弱磁通調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但只能在基速以上的范圍調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速所得到的人為機(jī)械特性與電動機(jī)的固有機(jī)械特性平行，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好能在轉(zhuǎn)速一下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。其中，在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，以PWM調(diào)速應(yīng)用最為廣泛?，F(xiàn)在，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。那么如果在短時(shí)間（T）內(nèi)脈沖寬度為,幅值是U，由圖23可求得在這段時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流的電壓為：圖21 PWM脈沖，如果令，則上式可簡化為： （21）式中 U——脈沖的幅值 ——占空比如果PWM脈沖為如圖22所示的周期性矩形脈沖時(shí)，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： （22）由公式22可知，想要改變等效直流電壓的大小，就可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，因此常常通過控制占空比的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在0～U之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到了利用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。當(dāng)PWM控制電路工作時(shí)，H橋的一測有相位相反但占空比相同的兩路驅(qū)動信號，而且隨著控制信號的變化還具有互鎖功能。與M法測速一樣選用線數(shù)相對較多的光電編碼器，也能提高電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的快速性和精度；另一種測速方法是結(jié)合M法和T法的測速特點(diǎn)產(chǎn)生了一種M/T的測速方法，即在規(guī)定的時(shí)間范圍里，同時(shí)對時(shí)鐘脈沖數(shù)和光電編碼器輸出的脈沖數(shù)同時(shí)計(jì)數(shù)，有公式計(jì)算出轉(zhuǎn)速。已知旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出N個脈沖（N=1024），在被系統(tǒng)中用單片機(jī)的INT0（）對在檢測周期內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行記數(shù)，記數(shù)值是則轉(zhuǎn)角可以表示成： （24） 已知單片機(jī)的時(shí)鐘頻率是，用單片機(jī)INT1()在檢測周期T內(nèi)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值為,則檢測周期T可以寫成： （25） 檢測周期T內(nèi)被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，則有： （26）綜合式（24）,式（25）和（26）求出被測轉(zhuǎn)速為： （27） 控制系統(tǒng)方案的選擇 單閉環(huán)系統(tǒng)的組成和分析在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中如圖23所示，應(yīng)用了PI調(diào)節(jié)器之后可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差控制，應(yīng)用了電流截止負(fù)反饋環(huán)用來限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過流現(xiàn)象。所以轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程。對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)盡可能的減少啟動制動過程的時(shí)間，完成最優(yōu)控制。即在在過渡過程中始終保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)為最大值，使直流電動機(jī)以最大加速度，減速。所以為了滿足控制要求本設(shè)計(jì)采用了雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)上的，實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外, 很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動和制動過程的要求,尤其是在機(jī)床控制方面，這就需要一個電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。但是根據(jù)反饋控制原理，對某一變量對其作負(fù)反饋控制就能實(shí)現(xiàn)對該變量的無差控制。如果在系統(tǒng)中另設(shè)一個電流調(diào)節(jié)器，就可以構(gòu)成電流閉環(huán)。因此電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在這種控制要求下產(chǎn)生了[4]。這就是說把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再由電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)，這樣就形成了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。（2），確保能夠?yàn)V平波頭，應(yīng)有（1~2） ，所以電流濾波時(shí)間常數(shù)=2ms=。（4）電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （29） 式中 ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) ——電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)表2 1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系KT阻尼比超調(diào)量0%%%%%上升時(shí)間峰值時(shí)間相角穩(wěn)定裕度截止頻率 檢查對電源電壓的抗擾性能：，參表21的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。4. 近似條件的校驗(yàn)有上面的計(jì)算可知：電流環(huán)截止頻率（1） 晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)近似為： （212） （2） 反電動勢的改變對電流環(huán)的影像忽略不計(jì)近似條件： （213）（3） 處理電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)的近似條件： （214）其中式（212）、式（213）和式（214）均滿足近似條件 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 時(shí)間常數(shù)的確定 （1） 電流環(huán)時(shí)間常數(shù)等效為1/KI,由前述已知，則： （215） （2） 轉(zhuǎn)速濾波的時(shí)間常數(shù)，取。 第3章 硬件電路的設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，調(diào)速系統(tǒng)的方框圖如圖31，其核心控制部件是單片機(jī)，通過鍵盤輸入一些參數(shù)進(jìn)行簡單啟停，正反轉(zhuǎn)，加速減速操作；系統(tǒng)由單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，通過PWM波接口電路整形放大后，經(jīng)過光電隔離，有電機(jī)驅(qū)動電路，通過改變PWM波的占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 單 片 機(jī) 直 流 電 動 機(jī) 鍵 盤 驅(qū)動 電路 PWM波 接口電路LCD1602 速度檢測圖31 系統(tǒng)方案框圖 主電路的設(shè)計(jì)直流電動機(jī)不能直接接三相交流電，因此要把三相交流電整流成所需的直流電才能給電機(jī)供電。當(dāng)某一對二極管導(dǎo)通時(shí)輸出的直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓即向電容供電，也向負(fù)載供電。先通過變壓器把380V的交流電降為220V，后經(jīng)過橋式整流電路把交流電轉(zhuǎn)變成直流電，整流后的電流經(jīng)過穩(wěn)壓器LM7805輸出穩(wěn)定的+5V電壓。由于二極管的啟動電壓比較小，所以經(jīng)過變壓器的電壓可以使VD1和VD3二極管組成橋臂在正半周期導(dǎo)通，VD2和VD4兩個二極管組成的橋臂在負(fù)半周期導(dǎo)通。經(jīng)穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓后，電源輸出基本不受外輸入變動的干擾，而且有效的消除電磁干擾。電源電路設(shè)計(jì)如圖33所示。其中在P0口作為輸出口時(shí)，外部必須接上拉電阻。 （1）RES：復(fù)位輸入。 （2）/PSEN：外部程序存儲器選通信號。 （4）XTAL1：反向振蕩器的輸入，與外部晶振相連。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖34所示。本設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器是用單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832輸出脈寬調(diào)制波形，再通過兩級信號放大和高頻率的模擬開關(guān)對波形進(jìn)行整形，這樣得到較為完美的波形后經(jīng)過一組達(dá)林頓管對電流進(jìn)行放大得到功率相對較大的脈沖信號[5]，硬件框圖如圖35所示?！? （3） CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效?！　? （5） IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)?！?圖36 AT89C51與DAC0832的接口電路圖　　它內(nèi)部具有兩級數(shù)據(jù)寄存器，完成8位電流D/A轉(zhuǎn)換。由于DAC0832的轉(zhuǎn)換速率比較高，為了能夠與其速度相匹配，在這里我們選擇了LF357運(yùn)算放大器，LF357具有較高的轉(zhuǎn)換速率，而且具有低出入偏置電流，小的輸入偏移電流，低輸入噪聲電流，共模抑制比高，較寬的頻帶增益這些優(yōu)點(diǎn)。 波形整形及放大電路的設(shè)計(jì)由于通過D/A轉(zhuǎn)換和運(yùn)算放大器輸出的脈寬調(diào)制波形仍然不夠平滑，所以還必須對輸出的脈寬調(diào)制波形進(jìn)行整形，以達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求。要想得到較大功率的脈沖信號，必須對第二級放大后的輸出信號進(jìn)行電流放大，這里選用兩只JFET管組成一對達(dá)林頓管進(jìn)行電流放大。其連接電如37所示。M+E1 橋 功 率 驅(qū) 動 電 路驅(qū) 動 信 號 放 大 電 路電 機(jī) 驅(qū) 動 邏 輯 電 路 光 電 隔 離 電 路E2MPWMDIRM圖38 直流電動機(jī)驅(qū)動控制組成圖 電機(jī)驅(qū)動邏輯電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)I/O口送來的DIR信號和PWM接口電路送來的PWM信號，經(jīng)過反向器74LS04和與門器74LS08運(yùn)算后，再驅(qū)動光電隔離器，反向控制信號是DIR,在它輸入時(shí)為DIR1，經(jīng)反向后的DIR2，DIR1和轉(zhuǎn)速控制信號PWM再通過74LS08與運(yùn)算后，得到轉(zhuǎn)速控制信號PWM2；DIR2和轉(zhuǎn)速控制信號PWM相與后，得到轉(zhuǎn)速控制信號PWM1，這樣就得到了兩組控制信號：DIR1，PWM1和DIR2，PWM2兩組信號分別去驅(qū)動光電隔離電路；DIR1和DIR2用來控制直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)向的，PWM1和PWM2用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖39 邏輯電路圖 光電隔離和驅(qū)動放大電路的設(shè)計(jì)為減少驅(qū)動控制電路對其它電路的干擾和對其 它電路的保護(hù)，將電機(jī)驅(qū)動電路與其它控制電路進(jìn)行電氣隔離，如下圖310所示。其中，817C是低頻率的光電隔離器，與DIR1和DIR2連接，用來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)向；PS9713是快速光電隔離器，開關(guān)頻率相對較高，與PWM1和PWM2連接，用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖310 光電隔離和驅(qū)動放大電路 速度檢測模塊本設(shè)計(jì)的速度檢測模塊式基于光電編碼器進(jìn)行設(shè)計(jì)的，光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的幾何位置轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵板和光電檢測電路組成。由于光電編碼器與電動機(jī)同軸，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤和電機(jī)以相同的速度旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過發(fā)光二級等組成的檢測電路輸出脈沖信號，再計(jì)算光電編碼器每秒內(nèi)輸出的脈沖數(shù)就能夠反映當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速，此外為了判斷轉(zhuǎn)速的方向，碼盤還可以提供相差90176。增量式光電編碼器是利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組A、B和Z相。所以能夠很方便的判斷方向，而Z相位每一轉(zhuǎn)一個脈沖，用作基準(zhǔn)點(diǎn)定位，它的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，平均機(jī)械壽命長，很強(qiáng)的抗干擾能力，可靠性高，所以本設(shè)計(jì)選用增量型編碼器。值得注意的是。6N137光電編碼器的OUT口輸出電路是集電極開路電阻，還必須接上拉電阻，此外6N137光電編碼器的A口和C口之間是一個LED,還必須串接一個電阻來限流。轉(zhuǎn)速檢測電路如圖311