大功率电动机调速控制的软件设计

毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目题目：大功率电机转速控制软件设计大功率电机转速控制软件设计学院：测试与光电工程学院专业名称：测控技术与仪器班级学号：学生姓名：指导教师：学院：测试与光电工程学院专业名称：测控技术与仪器班级学号：学生姓名：指导教师：二二 Oxx 年六 月年六 月XX大学大功率电机转速控制软件设计大功率电机转速控制软件设计摘要摘要半固态镁合金连续铸轧是一种全新的近终型金属成形技术，可用来提高镁合金的性能。但目前镁合金铸轧自动化程度相对低、速度控制特性差因此，通过对可控硅调速系统的改进，以实现铸轧速度的无级调速。在本系统中，主控微机选择的是 80C552，通过给定电位器给定一定电压，在微机内部进行 A/D 转换后作为电机速度的给定值，使用光电码盘配合改进型 M/T法对电机进行测速，将检测到的电机转速实际值与给定值进行比较，分析电机转速偏差的大小与变化的情况，在在内部进行 PID 运算，通过改变 PWM0 脉冲宽度寄存器的值，改变单片机输出的 PWM 脉冲的占空比，输出的 PWM 脉冲经隔离、驱动、放大后对电机的速度进行有效调节，使得电机的实际转速与给定转速相等。通过此次调速系统的改进，实现了镁合金半固态加工技术的自动化水平；实现螺旋杆运转速度大范围连续自动可调， 可把现在用于铸轧辊的可控硅调速系统改成PWM驱动控制系统,并把电压控制改为电流控制,适当提高PWM放大器的输出驱动能力和系统的抗干扰能力；实现铸轧速度的无极调速，而且运转平稳，低速特性好，其调速控制设计成由微机来实现的软、硬件 PWM 驱动控制系统，并在PWM 系统之前加上一个 PID 调节器，以克服外部各种干扰因素的影响，提高系统的综合性能指标；用 PWM 和光电码盘实现了镁合金铸轧速度的无级调速，而且运转平稳，稳态误差0.3%。关键词关键词 80C552直流电机 PWM 调速 PID 控制The software design of the high power motorspeed controlThe software design of the high power motorspeed controlAbstractAbstractSemi-solid magnesium alloy continuous casting is a new near-net-shapemetal forming technology can be used to improve the properties of magnesium alloys.But the current level of magnesium alloy casting automation relatively low speedcontrol characteristic difference Therefore, the governor of the SCR systemimprovements in order to achieve casting speed of variable speed.In this system, the master computer chose the 80C552, by a given potentiometersetting a certain voltage, the microcomputer inside the given value as the motor speedof the A / D conversion, using optical encoder with improved M / T method of motorspeed, the motor speed to the actual value of a given value, the motor speed deviationanalysis of the size and change in internal PID operation by changing the value of thePWM0 pulse width register, change MCU output PWM pulse duty cycle, the outputPWM pulse by the isolation, drive, amplified to effectively regulate the speed of themotor so that the actual speed of the motor and given equal speed.By improving the speed control system to achieve the level of automation ofmagnesium alloy semi-solid processing technology; to achieve a wide range ofoperating speed auger automatically and continuously adjustable speed control systemis now available for the SCR casting roll into a PWM The drive control system, and tochange the current control voltage control, an appropriate increase in anti-jammingcapability PWM amplifier output drive capability and systems; to achieve castingspeed stepless and smooth operation, good low-speed characteristics, its speed controldesign a software and hardware PWM drive control system implemented by thecomputer, plus a PID controller before the PWM system to overcome the effects ofvarious interference of external factors, to improve the overall performance of thesystem; with PWM and photoelectric encoder achieve magnesium alloy casting speedvariable speed, and smooth, steady-state error 0.3%.Keyword：80C552DC motorPWM speed control PID control目录目录1绪论1.1 课题研究的背景与意义.11.2 国内外研究概况与发展趋势.11.3 研究内容.52直流电机调速系统设计2.1 直流电机的调速方案.52.2 直流电机 PWM 调速原理.72.3 PWM 脉冲产生方式.82.3 速度调节方案.92.4 测速原理.123硬件系统及特点3.1 硬件系统简介.143.2 脉宽调制器.153.3 改进型 M/T 法测速.163.4 PWM 功率放大器.174软件系统设计4.1 C51 语言简介.194.2 微机头文件的设置.194.3 主程序的设计.194.4 子程序的设计.215结论参考文献.31致谢.32附录.331大功率电机转速控制软件设计大功率电机转速控制软件设计1 绪论1 绪论1.1 课题研究的背景与意义1.1 课题研究的背景与意义当今，由于地球资源的有限性，能源的紧缺，人们越来越重视自然资源的合理利用。 运载工具的减重是节约能源的重要途径之一。人们迫切希望通过降低产品的自重以减少能源消耗和环境污染。由于镁合金所表现出来的重量轻，易于压铸， 良好的机械性能和电磁屏蔽效果好等特点，是交通运输和便携式电子产品壳体的首选材料之一,同时，由于镁合金的可回收性和环保性，因此被称为绿色材料。但由于镁合金和铝合金一样仍然在强度、硬度、抗拉强度及抗疲劳强度等方面存在着一些缺陷，这就很大程度上限制了镁合金一些重要的汽车部件上的应用。所以，提高镁合金铸件的质量，已成为镁合金使用的关键因素。传统的成形方法，无论全固态的轧制的，锻造，挤压，拉拨，冲压，还是全液态的铸造技术，要么是耗能高，要么是效率低下，产品组织性能差。因此，新的半固态加工技术被用来提高镁合金铸件的性能。 半固态金属成型有别于传统成形方法，是以上两类工艺制度相结合的产物，具有低残余应力，高致密性，低能耗，短流程，近终型等优点，是一种全新的近终型金属成形技术。我国有相当丰富的镁资源,储量占世界的 60%以上,镁合金具有密度小,比强度高,减振性好,抗电磁干扰屏蔽性好和机械加工性能好。 汽车工业来自节能和环保方面的压力为镁合金提供了巨大的发展空间。因此,大力进行镁合金的研究开发势在必行1。半固态镁合金连续铸轧是一种全新的近终型金属成形技术， 可用来提高镁合金的性能。但目前镁合金铸轧自动化程度相对低、速度控制特性差。因此，必须设计一个合理调速系统，提高镁合金铸轧自动化程度，本文通过对可控硅调速系统的改进，实现了铸轧速度的无级调速，稳态误差可达甚至小于 0.3%。1.2 国内外研究概况与发展趋势1.2 国内外研究概况与发展趋势研究表明，半固态加工技术中的一个关键问题就是如何制备优质的半固态合金棒坯。 在半固态合金棒坯制备过程中，被搅拌合金熔体的冷却速率和受到的搅拌力是合金熔体凝固过程中两个重要参数。 这两个参数的变化将直接影响到半固态合金坯料的质量。无论流变铸造还是触变成形，都包含半固态制浆及半固成形两部分。其中，核心是如何获得等轴、细小、均匀的非枝晶的半固态浆料。其方法主要有两大类，一类是在外力或外场作用下来打破业已形成的枝晶，主要有机2械搅拌法、电磁搅拌法、MIT 工艺、液体混合工艺、喷射成形法等; 另一类是通过控制凝固过程来抑制枝晶的形成，主要有添加剂法、液相线铸造法、粉末压实工艺、应变诱导熔化活化法、等温处理法等2。近年来，随着半固态技术的发展，出现了许多制备半固态金属浆料的新工艺和新技术。冷却斜槽法是其中的一种。冷却斜槽法的原理为：将略高于液相线温度的熔融金属倒在冷却斜槽上， 由于斜槽的冷却作用，在斜槽壁上有细小的晶粒形核长大，金属流体的冲击和材料的自重作用使晶粒从斜槽壁上脱落并翻转，以达到搅拌效果。 通过冷却斜槽的金属浆料落入容器， 控制容器温度， 即缓慢冷却，冷却到一定的半固态温度后保温，达到要求的固相体积分数，随后可进行流变成形和触变成形。图 1 所示是冷却斜槽法的几种工艺过程，图 11（a）和（b）是将先将制备的半固态浆料直接铸轧成板带坯，图 11（c）是将制备的半固态浆料铸造成坯锭后，再二次加热，重熔后触变成形的工艺过程。在冷却斜槽方法中，影响熔融金属转变为半固态浆料的主要因素有三个：一是浇注条件，熔融金属倒入冷却斜槽，逐步凝固形核，很多细小固相颗粒随液相流入容器，只有在浇注温度高于液相线温度时，才可能在斜槽上形成晶核，同时斜槽温度要尽可能低；第二个是斜槽长度，如果斜槽过长，会在斜槽底部凝固形成金属壳，阻碍金属的流动，降低冷却效率，如果斜槽过短，熔融金属内没有产生大量细小晶粒，达不到半固态浆料要求；三是斜槽的倾斜角度，倾斜角度的大小直接影响熔融金属的流动速度。采用冷却斜槽法制备的半固态浆料的固相百分数在 3%-10%之间， 其流动性同熔融金属一样。在流变铸造中，固相百分数越低，越容易铸造。因此，冷却斜槽法能应用于流变铸造成形很薄的铸件。图 1-1冷却斜槽法的几种工艺过程直接将金属熔体“轧制”成半成品带胚或成品带材的工艺称为连续铸轧。这3种工艺的显著特点是，其结晶器为两个带水冷系统的螺旋铸轧辊，熔体在其辊缝间完成凝固和受到热轧两个过程，而且在很短的时间内（23s）完成的。原理是铸轧辊把浆料的大量热能迅速带走,使浆料在很短时间内完成结晶过程。 同时,又对已形成的组织经过轧辊进行压力加工。它不同于连铸连轧，后者实际上将锭胚铸造与热轧连续进行，即金属熔体在连铸机结晶器中凝固成肧后，再在后续的双机架温连铸机上连续铸轧成供冷轧机用的带胚或成品板带材， 铸造和温轧是两个独立的工序。（1）铝带铸轧连续铸轧技术具有投资省、成本低、流程短等优点，一直在有色合金，特别式铝带的生产上得到了广泛的应用。（2）钢铁材料铸轧连续铸轧生产钢铁材料还未完全成功，其重要原因之一是钢铁材料的熔点很高，控制铸轧过程稳定性的操作参数范围很窄，铸轧过程中钢铁材料的传热、凝固过程比有色金属更复杂。20 世纪初以来， 澳大利亚 CSIRO 联邦科学与工业研究组织工业技术研究院就对镁合金板带铸轧技术进行了深入的研究， 而且为此建立了一个大规模的实验工厂，制备出了一个性能优异的设备，这台设备可以生产出 600 mm 宽的镁薄板带，而且符合商业质量标准。CSIRO 把镁合金板带广泛应用许多领域中，如汽车发动机和打印机、移动电话、DVD、火车、电池、甚至自行车中。通过 CSIR0 的研究表明，此项工艺具有许多优点，它安全、可靠、低能耗、高效率。无论大批量还是小批量都适用。而且适用性广泛，它出了适用于各种传统和新型镁合金之外，还能够生产出高质量的镁合金板带产品3。在日本，研究半固态镁合金技术的有国立小山工业高等学校的 H。Watari 等人。 他们的主要研究方向为半固态镁合金双辊铸轧技术，他们的研究取得了许多进展，通过大量的实验研究，他们发得出了一些参数之间的相互关系，比如在加工板厚为 3 毫米左右的板时，辊速为 20 mmin 能得到很好的效果并且还发现了铸轧出的镁板带具的塑性加工能力较强，引领了人们对此项技术的研究。我国有相当丰富的镁资源,储量占世界的 60%以上,镁合金具有密度小,比强度高,减振性好,抗电磁干扰屏蔽性好和机械加工性能好。 汽车工业来自节能和环保方面的压力为镁合金提供了巨大的发展空间。 但目前国内还没有镁合金板带连铸技术的相关报道， 南昌大学耿茂鹏教授等人正在用自制的水平式镁合金板带铸4轧试验机开展这方面的研究工作。因此,大力进行镁合金的研究开发势在必行：（1）发展我国的镁合金应用技术，使我国的镁合金铸轧技术水平接近世界先进水平。（2）满足我国市场对运输工具，便携式电子产品高可靠，轻量化要求。（3）项目为高效，节能，短流程的先进加工技术，有利于资源的合理及有效运用。（4）有利于我国镁资源，特别是西部镁资源的开发和利用。由于镁合金的应用不断扩大，产量逐年有较大上升，材料界希望有一种生产成本低的板带轧制工艺。传统的镁板带材是用 03 m10 m20 m 镁锭先经过几小时的加热，至 480再连续热轧至 56 mm 厚度的板坯，后一步的轧制过程是高能耗、费时的，而且会导致低的金属屈服应力。镁的晶体结构为密集六方晶格，在 204 以下仅是基面即单位晶胞的上下底面为滑移面，因此镁及镁合金的热轧温度不能低于 343 ，如果能生产出厚度只有 6 mm 的带坯，就可能以较少的冷轧道次生产较薄的带材， 进而可用这种板带材加工成各种目前是用压铸法生产的零部件，压铸薄壁镁合金件的成品率很低，制造成本高。而镁合金板带连续铸轧技术显著降低了镁带的生产成本，保持和增加了带材的韧性。由此可见，用铸轧带坯轧制的板材成形加工零部件有市场竞争力，前景广阔。1.3 研究内容1.3 研究内容半固态镁合金连续铸轧是一种全新的近终型金属成形技术，可用来提高镁合金的性能。但目前镁合金铸轧自动化程度相对低、速度控制特性差。本文针对这个问题，通过对可控硅调速系统的改进，以实现铸轧速度的无级调速。本设计中，被控对象为稀土永磁型直流电机 200LYX04 (其主要参数：峰值堵转转矩.， 峰值堵转电流.， 峰值堵转电压 60V， 最大空载转速 110 转分。 )，通过新型单片机 80C552 单片机的使用，采用 PWM 方式控制与调节直流电机调速的方法，实现了电机的无极调速。PWM 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式， 也是人们研究的热点。 由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一。 本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。 通过使用80C552 的 PWM 信号发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用光电码盘与单片机的 3 个定时器对电机精确测速，反馈给单片机，在内部进行 PI 运算，输出控5制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。62 直流电机调速系统设计2 直流电机调速系统设计2.1 直流电机的调速方案2.1 直流电机的调速方案通过电机学基本理论可得直流电动机转速的基本特性方程式为（21）式中：U电枢端电压；I电枢电流；R电枢电路总电阻；每极磁通量。由上式可见，直流电动机调速的一般方法有以下三种。第一种电枢回路串电阻调速。由式 2-1 可知，如果保持电源电压和励磁电压不变，在电枢回路中串入不同阻值大小的电阻，则特性曲线的斜率也随之改变，因此，通过改变电枢回路的电阻可使电动机运行在不同的转速，达到调速目的，其原理如图 2-1 所示。第二种弱磁调速。所能达到的最高转速受换向能力、电枢机械强度和稳定性等因素的限制，转速不能升得高。 本系统所用电机为永磁电机，磁通不可该变，因此这种方法也是不适合的。图 2-1 变电阻调速特性图 2-2 弱磁调速特性第三种是调压调速。调压调速的原理为在保持励磁电压与电枢电阻不变的情况下，通过改变电机的电枢电压，可使电动机运行在不同的转速上。其原理如图eKIRUn723 所示，由式 21 可知，调压调速的方法不会改变电机的机械特性硬度且能够实现无极调速，在低速运行时电机转速受负载波动的影响较小，精度较高，与电枢回路串电阻的方法相比，由于没有附加电阻损耗，因此提高了电机的运行效率，改变电机电压调速时，出于对电机安全性的考虑，电枢电压一般不超过电机的额定电压，所以，调压调速只能在基速(额定转速)以下调速。基于以上优点，调压调速的方法被广泛采用4。图 23 调压调速特性2.2 直流电机 PWM 调速原理2.2 直流电机 PWM 调速原理调压调速的方法比较常用有两种，一种是采用可控硅变流设备，将交流电变为可调的直流电，另一种常见的方法是 PWM（脉冲宽度调制）技术，脉宽调速系统在过去早已出现，但过去由于缺乏高速开关元件而未能在生产实际中推广应用。 近年来由于大功率晶体管技术的成熟与成本的不断下降，晶体管脉宽调速系统再次的得到重视，并在实际生产中得到了广泛的应用。如图 24 所示，将直流电机置于以一个晶体管作为开关的电路中，电机两端的电压为电机的额定电压，晶体管受单片机的控制，当单片机输出高电平时使晶体管导通，低电平使晶体管截止，所以晶体管在这里便作为开关的作用，控制开关导通与关断的时间，可改变电机两端在一个周期内的平均电压，而当开关切换的频率足够快时， 在电机两端加的脉冲电压与在电机两端加一定大小直流电压的作用相同，且其大小等于脉冲电压在一个周期内的平均值，所以电机两端的电压可通过调节单片机输出的脉冲的占空比来实现。这就是脉宽调速的基本原理。通常改变占空比的方法有3种：第一种为定宽调频法，这种方法是保持导通时间不变，只改变关断时间，这样可使脉冲的占空比改变，但同时也改变了脉冲的周期T（或频率） ；第二种是调宽调频法，即保持关断的时间不变，而改变开关导通的时间，这8种方法也会使脉冲的周期T（或频率）改变；第三种是定频调宽法，这种方法是使脉冲的周期T（或频率）保持不变，而同时改变开关导通与关断的时间。前两种方法都需改变脉冲的周期，在实际应用中计算与调节比较复杂，三种方法中只有第三种保持了周期不变，在计算与单片机的编程中较为简单，因此广泛被使用。DVA-+Motor ServoQ1UsL图2-4 PWM控制示意图在定频调宽法中，若电动机两端得到的电压波形如图 2-5 所示，则电机电枢电压平均值可由下式表示：（22）式中： 开关每次接通的时间；T开关通断的时间周期 ；占空比 ，。图 2-5 PWM 控制波形图2.3PWM 脉冲产生方式2.3PWM 脉冲产生方式PWM 脉冲波的产生方法有四种：最早期的 PWM 脉冲波是通过使用独立的电子元件根据实际需求自行组建 PWMssonavUUTtU/ontTton/9脉冲发射电路，这种方法实施起来极为不便，成本也较高，这种方法已随着电子技术的发展被淘汰。第二种是软件模拟法，利用单片机的一个 I/O 引脚，通过编程对该引脚不断地输出高低电平来实现 P W M 波输出。单片机在输出高低电平时，需等待很长的时间，在此期间，CPU 无法进行其它的工作，而且精度不高，若要实现较高的精度，则编程的过程会极为复杂，因此也逐渐被淘汰。第三种是通过专用 PWM 集成芯片来实现的。该芯片有一 PWM 脉冲输出口和一个电压输入端，芯片根据输入电压的大小改变输出脉冲的占空比，所以可用单片机的 I/O 输出一个数，通过 AD 转换成电压信号加到 PWM 芯片上的电压输入端，即可实现单片机对脉冲占空比的控制。这些芯片带有有过流过压保护功能和“死区”调节功能等，通过使用 PWM 集成芯片，可减轻单片机的工作量，但其脉冲占空比的精度受 AD 转换精度的影响。目前，现在市场上的 PWM 芯片已经有很多种型号，如东芝公司的 2SK3131 芯片和 TI 公司的 TL494 芯片等。第四种是通过单片机的 PWM 口输出脉冲波，在许多新一代的许多单片机中增加 PWM 功能， 它通过单片机的一个端口输出脉冲波。 如飞利浦公司生产的 8XC552系列单片机与 Inter 公司的 16 位单片机 8XC196 等。 通常可通过改变单片机内部相应的寄存器值来改变脉冲信号的频率与占空比， 其输出的 PWM 波的占空比不受内部执行程序的影响，只有在改变占空比时，CPU 才会对波形作出相应的调整，因此占空比的输出精度较高，且编程也较为简单。2.3 速度调解方案2.3 速度调解方案由于铸轧系统需无极调速， 且精度要求较高，经过多方面的考虑采用了速度闭环 PID 调节，PID 调节是最早发展起来的控制方法策略，由于其算法简单、鲁棒性好并且可靠性高。被广泛运用于工业控制系统。下面介绍 PID 控制的基本原理、数字 PID 控制算法及在本系统中的应用。2.3.1 模拟模拟 PID 调节器调节器控制规律是模拟控制系统中应用最为广泛的一种在模拟控制系统中，最基本的PID控制系统原理图如图所示， 系统由模拟PID控制器和被控对象组成。10图 2-6 PID 控制系统原理图由图可知系统的控制量由偏差值的比例、 微分与积分的和， 其中偏差值 e (t)是被控对象的入输值或设定值 r (t)与检测到的输出值 c(t)之差，即(23)所谓控制器的控制规律就是输入e与输出P之间的关系， 在PID控制规律中，则表示为(24)式中：e(t) 控制偏差；Kp 比例系数；Ti 积分时间常数；Td 微分时间常数。PID 各控制矫正环节的原理如下：1 比例环节当存在偏差信号时，比例控制器便会以一定的比例产生控制量，其极性与偏差信号相同，加到被控制对象上，使偏差减小。比例系数 Kp 越大，比例控制越强，响应速度也越快，系统的稳态误差随 Kp 的增大而减小，超调量随 Kp 增大而增大，Kp 过大会使系统产生震荡。2 积分环节比例环节可减少误差， 但却不可消除， 于是便引入了积分环节， 由上式可知，当存在偏差信号时，积分项便会随着时间的增加不断累积，直至消除误差。其控制的强弱由积分时间常数 Ti 决定，Ti 的增大可缩短系统的调整时间，但 Ti 过大同样会使系统产生震荡。3 微分环节微分环节是偏差信号的导数，反映了偏差信号的变化趋势，若系统稳定运行)()()(tctrtetdipdttdeTdtteTteKtU0)()(1)()(11时，有干扰信号加到被控对象，微分环节便会产生一个预期的修正信号，使系统的偏差不至于过大，所以微分项其中的一个作用就是提高系统的稳定性，还可减小系统的调整时间，其控制强弱由微分系数 Td 决定5。因此，在实际应用中应根据实际需求合理设置相应的参数，才能使 PID 控制得到满意的效果。2.3.2 数字数字 PID 控制器控制器上述 PID 控制规律仅适用于模拟系统，为使单片机实现单片机的 PID 控制，需将上式离散化，写成差分方程的形式，设单片机的采样周期为 T，n 代表采样次数，则连续的时间 t 可由 nT 代替，再以偏差的累积和代替微分，以相邻两次偏差在的增量一个采样周期内的平均值代替微分，即（25）式中：T采样周期；K采样序号。通过以上近似，可得到最基本数字 PID 控制算法，即位置式 PID 算法，其精度随采样周期 T 的减小而提高，其控制规律为（26）式中： k采样序号；u（k）第 k 次采样时刻系统的输出值；e（k）第 k 次采样的偏差值；e（k-1）第 k-1 次采样的偏差值；Ki积分系数，Ki=Kp/Ti；Kd微分系数，Kd=Kp/Td。位置式PID算法为最基本的一种PID算法， 在实际的应用中它存在一定的局限性。根据实际的需求，有很多种 PID 算法在此基础上做了相应改进，如增量式、积分分离式、微分先行式等 PID 算法，这里就不再赘述。TkekedttdejTedtteketekUtUtkj) 1()()()()()()()()(00kjdipTkekeTjeTTkeKkU0) 1()()()()(122.4 测速原理2.4 测速原理本系统的调速方法为速度闭环 PID 调节所以需对电机的速度进行测量，并送入单片机中进行计算，一般的测速方法有测速发电机测速法与光电码盘测速法。2.4.1 测速发电机测速2.4.1 测速发电机测速测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机。通过对测速发电机的绕组和磁路进行精确设计，可使其输出电压 U 和转速 n 成比例关系，即 U=Kn,其中K 是为常数。当电机旋转方向改变时其输出电压的极性也随之改变。在检测时需将被测电机与测速发电机同轴联接，通过检测出其输出电压的大小，即可根据关系式推导出电机的转速，故测速发电机又称速度传感器。图 27 直流脉宽调速系统结构图传统的直流脉宽调速控制系统如图 1 所示，其控制精度较低。该系统中以测速发电机作为测速传感器，而以测速发电机作为测速传感器时，测速的精度并不高， 其原因是在实际检测过程中电机需与伺服电机同轴连接，伺服电机在运行过程中温度会升高，使得测速发电机的温度也随之升高，测速发电机中的比例系数K 并不是恒定不变的，当测速发电机的温度升高时，比例系数 K 会减小，因此，在检测时，检测到的电压也随之降低，从而给系统带来了误差，这种误差是调速系统无法消除的。并且相对误差随电机速度的下降而增大。2.4.2 光电码盘测速2.4.2 光电码盘测速光电码盘的测速原理如图所示，在电机上安装一个周围开有等距离小孔的码盘，并在码盘两侧安装红外光电传感器，在电机运行过程中，由于电机与码盘同轴连接，码盘会与电机一起转动，且转速相等，当码盘挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器因检测不到光信号将会输出一个低电平，而当码盘的圆孔经过传感器时，并不能挡住传感器的接受到光信号，因此，输出一个高电平，因此当电机旋转一周时，传感器便会发出与码盘上圆孔数相等的脉冲波，因此，若在一点时间内的转数 t 内所接收到的脉冲个数为 m，码盘上给定转速比较器驱动器电动机铸轧辊频率发生器测速电机U控制器13孔的数量为 P，则电机的平均转数为：N=60m/pt (r/min)图 28 脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）最初的光电码盘是选用金属作为材料，然后在材料上开通孔使码盘能够工作， 其优点之一就是金属材料的强度高， 使用寿命长， 但金属的热稳定性比较差，由于码盘厚度较厚，所以低速测量时精度较低，为了克服金属码盘的这些缺点，选用了热稳定性较高的玻璃作为光电码盘的材料，为了克服厚度带来的误差，玻璃码盘以刻线代替开通孔，在精度上有了很大的提高，但一般玻璃易碎，强度不如金属，有时为了节约成本也有选用价格较低的塑料作为材料。光电码盘最主要的一个指标就是分辨率，它表示编码器每旋转一周所产生的脉冲个数，也称为解析度，或直接撑多少线，分辨率越高，测速精度也就越高，对系统的电路的及计数系统的要求也越高。综上所述，在单片机控制电机系统中，以光电码盘代替传统的测速发电机，消除了测速时由于温度变化带来的误差， 同时也使得测速环节信号的处理变得简单， 它以计数的方式取代了传统的 AD 转换，同时也消除了由于 AD 转换精度不高带来的误差。一般认为光电码盘测速的方法有以下三种：M 法也称为测频法，在规定时间内测量光电码盘产生的脉冲数，通过计算得出速度。这种方法在电机转速较高时精度较高 ，所以常应用于高速测量 。T 法也称为测周法，测量相邻两个脉冲的时间间隔，通过计算的出速度，这种方法在低速测量时精度较高，因此常用于低速测量。在实际的测速中，若检测对象同时存在高速与低速运行，单独采用上述方法中的一种时， 在速度较高或较低时误差会较大， 这时可使用上述两种方法相结合，14即在设定的时间内同时测量一个高频时钟脉冲与光电脉冲的个数， 通过计算可得电机的转速，这就是 M/T 法6。153 硬件系统及特点3 硬件系统及特点3.1 硬件系统简介3.1 硬件系统简介为使系统达到设计的任务和要求，设计的调速系统框图如图 3，本系统选用的单片机为 80C552，由于 80C552 内部无程序存储器，选用 2764 芯片作为单片机的程序存储器，电机转速由给定电位器给定一定电压通过单片机内部的 A/D转换后设定电机速度，将检测到的电机转速实际值与给定值进行比较，分析电机转速偏差的大小与变化的情况改变 PWM0 脉冲宽度寄存器的值，从而改变单片机输出的 PWM 脉冲的占空比，对电机的速度进行有效调节，使得电机的实际转速与给定转速相等。并通过并行 I/O 口扩展芯片 8255 与 7 段一码驱动芯片 74LS47的联合使用，以静态显示的方式驱动 LED 数码管，实时显示电机的测量转速。为了控制系统的稳态误差、 超调量以及调整时间等， 电机的调速方案采用 PID 调节。另外，用电流传感器检测驱动电路中的电流，通过 A/D 转换送入单片机中，实时监测电机电流，防止电流过大损坏 PWM 功率放大器。3.2 脉宽调制器3.2 脉宽调制器80C552 的一大特点就是片内带有有两路 PWM，其结构如图所示，其输出脉冲的占空比可由脉冲宽度寄存器 PWM0 和 PWM1 编程实时改变， 输出脉冲的重复频率fPWM由特殊功能寄存器 PWMP 确定：fPWM= fosc / 2(1+PWMP)255fosc 为单片机的振荡器频率，脉冲的低电平宽度取决于脉冲宽度寄存器的值，即输出低电平时间/高电平时间=PWM/（255-PWM） 。在本系统中，PWMP 的值为 2，图 31 数字式 PWM 调速系统电路图光电耦合驱动电路PWM主电路光电码盘电流检测转速给定转速显示2764ADC080C552T1/TC0IADC1PWM0光电耦合16即 PWM 的频率为 7.8KHz。图 3280C552 的 PWM 结构3.3 改进型 M/T 法测速3.3 改进型 M/T 法测速由于铸轧速度需要无级调速，故需使用 M/T 法。M/T 法已在第二章中作了介绍。若光电码盘转速脉冲的个数为 mn，高频时钟脉冲的个数 mc。则依据光电码盘测速原理，电机的速度为n=60fn/P=60mn/(PTn)=(60/P)mn/(mc/fc)=60fcmn/(Pmc)式中：fc高频脉冲的频率；P光电码盘转的分辨率；Tn光电脉冲计数时间；T时钟脉冲的计数时间。这种方法，使用比较简单，但在转速脉冲频率和高频脉冲频率相差较大时，也会产生较大的误差。由于 80C552 内有带有捕捉寄存器，可捕捉外部脉冲的上升或下降沿，因此对 M/T 法作了如下的改进。这种方法需用到 80C552 的的 2 个软件定时器、一个外部脉冲计数器和 1 个捕捉器，测速时，以 T0 作为高频时钟脉冲的计数器，T1 作为码盘转速脉冲的计数器，T2 设定采样时间，捕捉器用于捕捉转速脉冲的第一个上升沿和最后一个上升沿。 由于 80C552 的晶振频率为 12MHz，T0 的频率为晶振频率的十二分之一，所以 fc为 1MH。改进的 M/T 法转速测量的实现步骤如下：（1）设置 CT0 捕捉码盘脉冲信号的上跳变，T2 的分频系数为 4，即设定采样时间 T 为 262ms。在 CT0 捕捉到码盘脉冲的第一个上升沿时同时启动三个定时17/计数器；（2）定时时间 T 到时，读取 T0、T1 的脉冲个数 T0（0）和 mn；（3）为保证精度，继续计数到转速脉冲的下一个上升沿，此时 T1 计取转速脉冲个数 mn=mn+1，读取 T0 计取的高频脉冲的另一个数 T0（1），高频脉冲的个数mc=mc1+ mc=Tfc+65535n+T0（1）-T0（0），n 为 T0 的溢出次数;（4）把 mn,mc代入 M/T 法测速公式中，计算出电机的转数7。3.4 PWM 功率放大器3.4 PWM 功率放大器直流力矩电机带动铸轧辊单方向旋转， 为提高系统的快速性能， 采用带制动回路的不可逆 PWM 控制系统，如图 4 所示。来自脉宽调制器的两个极性相反的脉冲信号经隔离、驱动放大后带动电机旋转。其中 MOSFET 管 VT1 起调制作用的主控管，VT2 是辅助管；二极管 D1、D2（或 D3、D4）用来加快 MOSFET 管的放电速度。PWM 式晶体管放大器的主要技术指标：输出电压 60V 单极性，最大输出电流40A，切换频率 7.8kHz。mn+1mnTT0(0)T0(1)码盘脉冲定时时间高频脉冲图 33 改进 M/T 法测速波形示意图图 34 PWM 晶体管放大电路图Ub1MUb2VT2VT1D1D2D3D4US-+5PWMV12N137R1R2V2TIP122R3R4R5+12-5184 软件系统设计4 软件系统设计系统的硬件电路已设计完毕， 但要使系统能够正常运行， 除了设计一个合理的硬件电路之外，还需软件的支持，因此，通过编程实现电机微机实时控制系统的应用程序，是整个系统设计中十分重要也是非常复杂的的一个环节。本系统采用 80C552 代替了传统的速度闭环控制器，通过 C 语言的编程使系统稳定运行。4.1 C51 语言简介4.1 C51 语言简介单片机的编程语言有汇编语言和 C 语言两种。由于单片机系统日趋复杂，要求所写的程序代码规范化与模块化、 规范化并便于多人以软件工程的形式进行协同开发，汇编语言作为传统的单片机编程语言，已不能满足这样的实际需求了。由于 C 语言功能强大，结构性、可读性和可维护性好，因而越来越受到人们的青睐。另外，使用 C 语言编程可以缩短开发周期、降低成本，并且可靠性高，可移植性好，目前 C 语言已成为单片机应用系统开发的主流语言。基于以上优点，本系统采用了 C 语言为单片机编程。为与标准 C 语言区分，单片机编程所用的 C语言简称为 C51，将用 C51 语言编写的程序转换生成可执行代码的程序简称 C51编译器8。C51 程序结构与一般的 C 程序没有什么差别，C5l 程序是由函数构成的。一个 C5l 源程序必须包含一个 main 函数， 也可以包含一个 main 函数和若于其它函数。因此，函数是 C51 程序的基本单位。main()函数是主函数，是程序的入口。不管 main()函数放在何处，程序总是从 matn()函数开始执行，执行到 main()函数结束则结束。在 main()函数中调用其它函数，其它函数也可以相互调用，但main()函数不能被其它的函数调用。C51 中函数分为两大类，一类是库函数，一类是用户定义函数。 库函数是 C51在库文件中已定义的函数，其函数说明在相关的头文件中，用户编程时只要用include 预处理指令包含相关头文件，就可在程序中直接调用。用户自定义函数是用户自己定义、自己调用的一类函数。4.2 微机头文件的设置4.2 微机头文件的设置用 C51 为单片机编程的第一步便是导入头文件，在单片机的系统结构中，对内部的 RAM、I/0 端口和数据存储器采用统一编址进行识别。单片机中的每个特殊功能寄存器、RAM、I/0 端口和数据存储器都有唯一得地址。所有的地址均为一个数，在编程中很难记住所有的地址，因此，C 语言源程序中将单片机中得特殊功能寄存器、RAM 以及 I/0 端口用用便于理解的方式表示。但在程序执行时，19CPU 对它们依然根据统一编址来识别，所以，这就需要将源程序中的特殊功能寄存器、RAM 以及 I/0 端口文字说明汇编程序能够编译的地址，而这就是通过调用C51 中头文件的方式完成的，80C552 单片机的头文件为 REG552.H，由于编程中需用到求绝对值的函数， 因此添还加了数学函数头文件 math.h 其导入格式如下：#include #include4.3 主程序的设计4.3 主程序的设计当程序较大且较复杂时，C 语言编程中一般都由主程序与子程序组成，通过在主程序中调用子程序，使得程序变得模块化与结构化，这样可使编制的程序清晰易读，调试也较方便。在本程序中包含了 4 个子程序，即初始化、显示、转速给定、电流检测和转速调节。主程序：void mai()init();/初始化while(1)Speed_Give();/ 转速给定I_test();/电流检测Speed_Give();/ 转速给定if(Iekr)/大于给定值时采用调节u=kp*ek;elseu=u=kp*ek+ki*(ek+ek_1);if(uu_max)u=u_max;if(uu_min)u=u_min;PWM0=u;PWM1=u;30图 45 转速调节子程序流程图速度 PID 调节程序中的参数 Kp, Ki ,可通过离线仿真而得。也可以试凑法和实验经验法来确定，这里不在赘述。315.结论5.结论本文对PWM电机调速系统进行了比较深入的研究。 从直流电机调速原理出发，到对 80C552 特性和控制功能的认识，连接两者的驱动电路，到对调速参数的显示和控制，一步步建立了完整的 PWM 直流电机调速系统。然后在微机实现上讨论了脉冲产生、 数字测速、 转速与电流控制器的原理并给出了软件、 硬件实现方案。现代的电机控制要求越来越复杂，既要环保高稳定性，又要满足新的技术指标和应用系统要求。随着电子电力技术和自动化技术的快速发展，控制理论的完善， 电机控制迎来了新的发展机遇。使用高性能的微机解决电机控制器不断增加的计算量和速度要求，使其功能强大、维修方便、适用范围广又非常经济。这次毕业设计的研究给了自己很多收获。对单片机的硬件结构和外部扩展有了更深的了解，对单片机强大的控制特性有了认识，对 C 语言和汇编语言在实际中的灵活应用有了接触，认识了 proteus 软件，对电机的特性认识更多，统揽全局的思维也有锻炼。由于学识有限和，以后的上作中还需要我花费更多的时间学习各种新知识，向自己的老师及同行请教。 本文完成稍微仓促， 会有不少缺陷， 望大家批评指正。32参考文献参考文献1胡寿松.自动控制原理.长沙:国防科技大学出版社，19952王选民 智能仪器原理及设计 M. 北京:清华大学出版社，2008.73Kuo B.C. Automatic Control Systems. 8thed. New Jersey: Prentice-Hall, Inc. 2002.4陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京:机械工业出版社,2003.5徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计M.北京:北京航空航天大学出版社，1999.6谢勤岚.基于 80C196KC 的电机转速测量J.交通科技，2003，(2)：91-93.7陈兵芽.基于光电码盘的高精度电机转速测量J.制造业自动化，2005, 27(6):47-50.8杨加国 单片机原理与应用及 C51 程序设计 M. 北京：清华大学出版社，2008.39江志红 51 单片机技术与应用系统开发案列精选 M. 北京：清华大学出版社，2008.1210文东 孙鹏飞 C 语言程序设计 M. 北京：中国人民大学出版社，2009.211梁合庆.从 C 到嵌入式 C 编程语言.北京: