直流电动机设计方案

1 直流电动机 设计方案 第 1章 前 沿 题研究的背景及意义 直流电动机以其良好的起动、制动性能，较宽范围内平滑调速的优点，在许多调速要求较高、要求快速正反向、以蓄电池为电源的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术得到了很快的发展，在某些领域交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流调速系统系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用，比如轧钢机、电气机车等都还有用直流电机；而且从控制规律的角度来看，交流拖动控制系统的控制方式是建立在直流拖动控制系统的基础之上的，从某种意 义上说有相似的地方。因此，掌握和了解直流拖动控制系统的控制规律和方法是非常必要的。 从生产机械的要求的角度看，电力拖动控制系统分为调速系统、伺服系统、多电动机同步控制系统、张力控制系统等多种类型。而各种系统大多都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统最基本的系统 1。 从直流电机在国民生产生活中所占位置的角度来看，直流电机目前依旧应用于工业生产中，并广泛应用于人们的生活中。因此直流电机的控制技术的发展很大程度上影响着国民经济的增长，影响着人们的生产生活水平，因此，对直流电机调速系统的研究还是很有必要的。 题发展历程及趋势 在很长的一段时间里直流电动机作为最主要的电力拖动工具，其应用已经渗透到人们的工作、学习、生活的各个方面。早期电动机调速控制器主要由模拟器件构成，由于模拟器件存在的固有缺点，比如存在温漂，零漂电压等，使系统控制精度和可靠性降低。后来，随着可编程控制器比如 和 电力电子开关器件，传感器技术等的发展使得直流电机调速系统进入了数字控制的阶段，这使得直流电机调 2 速系统的发展突飞猛进，从而出现了各种控制算法，比如比较经典的 节算法和后来的模糊控制算法等，这些领域的发展使得直流电机调速的精度和可靠性能大大提高，它取代了常规的模拟检测、显示等单元，基本上实现了智能化，使被控对象的动态过程按照规定的方式运行，已经能够满足绝大部分的工作要求，这使得以微控制器为核心的控制系统成为工业生产中控制系统的主流。 90 年代由于计算机技术的飞速发展，利用 理速度更高，需要的外围单元更少，这使得直流电机调速系统向着更加智能化、网络化发展。 目前，国内外主要电气公司，如瑞典 司，日本三菱，德国西门 子， 司，美国 司均已开发出数字式直流调速装置，开发出各种各样的系列化，模块化，标准化的应用产品供选用，使得直流电机调速系统的设计更加方便，更加简单，精度更高，可靠性更好。 在今后的时间里，直流电机调速系统会朝着更高的精度，更好的可靠性，更加智能化，网络化发展。 本次课题正是结合实际生产要求，以直流电机电机为被控对象，以自动控制理论为基础，结合大学所学知识，通过软件程序的编写来实现直流电机的调速系统。 章小结 本章主要介绍了从多个方面研究直流电机调速系统的目的和意义，并且介绍了直流电机调 速系统国内外的发展状况，以及直流电机调速系统今后的发展方向及前景。从而确定了本次课题研究的意义和目的。 3 第 2章 设计方案的选择 本次设计以 核心，自动控制原理为基础， 速为方法，实现直流电机的闭环调速，用键盘设定一个一定范围内的速度，直流电机会按照给定速度运行，并最终达到稳定运行，并能够对电机的电枢电流进行检测显示并能够对电机进行电流保护。 流调速系统调速方式的选择 直流电机的稳定转速为： 2 由上式可知，直流电机调节转速的方案有： 方案一：调节电枢两端电压 U ； 方案二：减弱励磁磁通 ； 方案三：改变电枢回路电阻 R ； 改变电枢回路电阻的方法只 能实现有级调速，减弱磁通虽然能够实现无级调速，但是调速范围不大，因此直流电机调速最好的方法是调节电枢两端的电压，能够在一定范围内实现无级调速，且调速范围宽 2。 因此，根据本次设计的要求要实现无级平滑调速，选择方案一调节电枢两端电压的方式来进行电机的调速。 流调速系统可控直流电源的选择 直流电机所用的电源为直流电源，而如何得到直流电源有以下方法： 方案一：采用晶闸管整流器 通过调节可控触发装置晶闸管的控制电 4 压来移动触发脉冲的相位，从而改变整流器输出的平均电压，即电枢两端电 压，以实现直流电动机的平滑调速； 方案二：脉宽调制变换器 脉冲宽度调制的方法把给定的恒定的直流电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲电压序列，从而改变电枢两端的平均电压，以实现直流电机的平滑调速； 方案一中的晶闸管是单向导电的，给电动机的可逆运行带来极大的困难，在可逆运行中，需要采用正反两组可控整流电路；晶闸管对过电压和过电流以及过高 和十分敏感，任何一项指标超过其允许值都会使晶闸管烧坏；当电动机在低速运行时，晶闸管的导通角很小，系统功率因数变小，在交流侧产生较大谐波电流，引起电网电压畸变，因此要在电网中增设无功补偿装置；由于电压波形的脉动，使得电流波形也会脉动，因此要设置一个电感量足够大的平波电抗器；电路比较复杂。 方案二中开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较少；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高；变换器的开关频率高，电流脉动幅值不大，再影响到反电动势和转速，波动就更小了；具有低速性能好，稳速 精度高，调速范围宽的优点；电路比较简单。 综合考虑，本次设计采用方案二直流 速系统。 流电动机驱动模块选择 对直流电机驱动有很多种方法，然而根据设计要求选择一个合适的方法很重要： 方案一：用继电器来启动和停止电机，通过不断的切换继电器的开和关来对电机调速，这种方案电路简单，但是继电器响应时间较长，只能在开关频率低时使用，机械结构易磨损； 方案二：用功率开关器件构成的 H 桥来驱动直流电机，功率开关器件开关频率高，响应时间短，能够快速响应给定，系统滞后时间短，通过单片机输出 来控制 而改变直流电机电枢电压，达到调速的目的。 考虑到 的频率问题，本次设计采用方案二，应用电机驱动模块 驱动直流电机。 现方式 的实现方法主要分为硬件和软件两种实现方法，而硬件和软件的实现方法又 5 是多种多样的，由于条件限制，我们能采取的实现方法主要有： 方案一：应用单片机用软件延时的方式产生 ，这种方法比较占用处理器的资源，并且精度不高； 方案二：采用模拟 形发生器芯片产生 ，通过单片机给定来改变输出的 的占空比，这种方 法控制简单，精度也比较高，但是需要外围的 发生电路； 方案三：应用单片机的定时器来产生 定时器赋不同的初始值来改变 而实现 定频调宽，这种方式精度比较高，单片机内部带有定时器，使用方便简单。 通过对三种方案的比较，本次设计最终选择方案三来产生 。 桥可逆斩波调速系统调制方式 H 桥可逆斩波控制的方法有很多种，也各有其优缺点，供我们选择的方案有： 方案一：单极性脉宽调制方式，通过控制直流电压的极性来改变输出电压的极性，这种控制方式要求直流电压极性控 制和脉宽调制信号配合使用比较麻烦，并且要进行电机正反转时要求外加直流电源极性变化； 方案二：双极性脉宽调制方式，这种方式通过改变控制信号的占空比来进行电机的正反转控制，当占空比大于 2/T 时，电机正转，小于 2/T 时，电机反转，等于 2/T 时，电机停止，这种调制方式电机电流一定连续； 可以使电机在四象限运行；电机停止时有微震电流，恩能够消除静摩擦死区；低速平稳性好，系统调速范围宽可以达到 1:20000左右；低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通，但是这种调速方式在工作过程中 4 个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大；在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故 3。 通过综合考虑，本次设计最终采用方案二双极性脉宽调制方式，虽然双极性有其自身的缺点，但在一定程度上不影响直流电机的调速，并且对于上、下桥臂直通的事故，可以通过软件的编程来避免，在本次设计中，主要通过对 能端的控制来达到防止上、下桥臂直通事故。 示模块的选择 在现在的生活中，用来显示的东西也是各种各样，基本的显示器件如下： 6 方案一：采用 码管动态扫描显示，价格相对便宜，亮度高，显示数字简单，但是显示字母就不是很方便，并且连线复杂，驱动电路复杂； 方案二：采用点阵进行显示，点阵是由发光二极管组成，显示字母，汉字比较方便，但是显示数字浪费资源，并且价格相对较高； 方案三：用 行显示， 示程序简单，无需驱动电路，功能强大，可以显示字符，数字以及各种图形，亮度比较高，连线很方便 。 通过比较，根据对各种方案熟悉程度和设计要求选择方案三，用 行显示。 盘的方案选择 键盘作为输入设备，是大多电子产品的辅助物品，然而键盘的实现方案有两种： 方案一：应用独立键盘，这种在键盘数量大于四的时候会占用较多的 I/O 口，但是其编程简单； 方案二：应用矩阵键盘，这种键盘的优点在于当键盘数量多的时候，应用矩阵键盘可以大大节省 I/O 口，但是编程比较复杂； 综合考虑，本次设计只选用 6 个按键，采用独立键盘得用 6 个 I/O 口，采用矩阵键盘只需 5 个 I/O 口，因此本次设计选用 2*3 矩阵键盘。 节器的实现方式选择 根据所学知识，提供给我们实现调节器的方式有两种： 方案一：选择模拟器件搭建的模拟调节器，这种调节器由于模拟器件本身的缺陷比如存在温漂、零漂电压等，使得控制精度和控制的可靠性能大大降低，并且电路复杂，需要更多的元器件，但是这种调节器对程序要求不高，程序简单； 方案二：用单片机来进行调节器的设计，采用数字调节器，这种调节器能够克服模拟器件的缺点，使得控制精度和可靠性提高，并且不需要外围电路，电路简单，对调节器的输出限幅等都很方便。 本次设计综合考虑方案一和方案 二的优缺点，最终选择方案二来进行调节器的设计。 字 节器算法的实现方式 用单片机通过程序实现 节器有两种方法： 7 方案一：位置式算法，第 k 拍的输出为 )1()()()( a 公式可以看出比例部分只与当前偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的积累，这种算法结构清晰， P 和 I 两部分作用分明，便于参数调整，但是这种算法在输出需要限幅的情况下必须积分限幅和输出限幅同时进行，两者缺一不可； 方案二：增量式算法，第 k 拍的输出为 )()1()()1()( a ，由公式可以看出，这种算法只需在程序中保存上一拍的输出即可，当需要限幅时，只需对输出限幅 4。 在不需要输出限幅的情况下两种算法都是一样的，但是本次设计需要对输出限幅，因此，本次设计采用方案二，因为方案二只需输出限幅，会使程序比较简单。 机测速模块的选择 用于电机测速的设备有很多，精度也不一样，适合的场合也不一样，因此选择合适的电机测速方案是很必要的： 方案一：利用测速发电机进行测速，通过测量发电机发出的电压来 计算直流电机速度，这种测速方法需要一个 A/D 转换，电路比较复杂； 方案二：利用增量式旋转编码器进行测速，通过对光电旋转编码器输出电压脉冲数量的检测来计算电机转速，这种方法电路简单，程序编写也不复杂； 方案三：利用绝对式旋转编码器进行测速，这种编码器通常用于对电机转角进行测量，需要测量速度需要对转角进行微分，比较麻烦。 通过比较，本次设计采样方案二，利用增量式光电旋转编码器对直流电机进行测速，通过对两路脉冲相位的鉴别可以知道直流电机的转向，通过对单位时间内的脉冲数量来进行测量，得到直流电机的转速。 字测速方法的选择 供我们选择的数字测速的方案有： 方案 一： M 法测速，这种测速方法是通过对一定的时间M ,然后根据公式 )/(601 来计算出直流电机的转速，这种测速方法的分辨率与实际转速无关，它的最大误差率为11 M，因此它适合直流电机高速运行时的速度测量。 方案二： T 法测速，这种测速方法是通过测出旋转编码器两个输出脉冲之间的时间 8 间隔来计算转速，它所计的是两个脉冲时间间隔内计算机发出的高频时钟脉冲的个数2M ，然后根据 )/(60 20 来计算电机转速，它的分辨率和实际转速有关，转速越低，分辨率越高，它的最大误差率为 )1/(12m M,因此比较适合电机低速运行时直流电机的测速。 通过比较，方案二需要对单片机另外接时钟脉冲芯片，电路比较复杂，并且适合低速运行时，本次设计主要研究直流调速系统，我们是在直流电机的高速段实现直流电机调速，因此，我们选择方案一 M 法测速。 机电枢电流采集方案选择 直流电的采集方式主要是将电流转换为电压，让后通过对电压的测量来检测电流，而电压的采集的主要部分是 A/D 转换，而 A/D 转换有下列几种可供选择方案： 方案一：工作方式为 双积分式 A/D 转换芯片，这种芯片的转换精度高，价格低廉；但是转换速度较慢。 方案二：工作方式为逐次逼近式式 A/D 转换芯片，它的精度比较高，并且速度快。 通过比较，本次设计选择方案二来进行电流检测。 章小结 本章通过对系统某一功能实现的不同方法的比较，从而得到更加可靠合理的方法，主要包括显示模块、键盘模块、调节器算法等的多种实现方法优缺点的比较，根据自身设计要求，选择合适的方案，这是系统能够成功的关键所在。 9 第 3章 直流电机调速系统设计 片机的简介 小系统跟其他微控制器最小系统一样，处理器是不能独立工作的，必须给它接上电源，加上时钟信号，并有复位电路，如果芯片没有片内存储器，还得外部提供存储器，才能保证最小系统能够运行。最小系统如图 示： 处理器时钟系统 调试测接口供电系统复位系统存储器系统图 小系统结构图 对于 小系统，由于其内部自带有存储器，因此可以没有存 储器系统，如果系统不需要调试，调试测试接口也可以没有，但是在这次设计中，需要进行软件调试，因此调试测试接口必须。 供电系统为整个系统提供能量，是整个系统能够工作的基础，具有很重要的地位，电源设计需要考虑到输出电压、电流、功率等因素。 工作电压为 10 一般情况下设计时设计的工作电压为 5V。 所有的微控制器均为时序电路，只有有了时钟信号，微控制器才能正常工作。部自带有时钟电路，但是必须外接一个晶体或者陶瓷谐振器，这样才能给单片机提 供时序，使单片机能够工作，如图 部时钟电路 外接晶振与电容 成并联谐振电路，加电以后延迟约 10，振荡器开始起振并产生时钟信号，不受软件的控制。电容器的作用是帮助谐振电路起振，称为谐振电容，振荡器的振荡频率取决于晶体的频率，一般常用的晶振有 612次设计单片机晶振采用 设计电路板的时候应该使晶体和电容尽量接近单片机的芯片，这 样可以减少寄生电容，保证振荡器能够稳定和可靠的运行和工作，并且晶振的外壳一般要可靠接地，才能减少晶振高频振荡产生的干扰。 复位系统是对单片机进行初始化操作的一种方式，单片机复位方式有两种方式，外部复位和看门狗复位两种方式，复位并不影响片内存储器存放的内容，它只是使单片机从 0000H 开始执行程序，特殊功能寄存器也恢复到初始化状态。 看门狗复位是为了防止程序跑飞而出现的安全隐患而设置的复位方式，当看门狗复位打开后，看门狗计数器开始计数，当计数器溢出时，看门狗会使单片机复位，因此需要及时喂狗，这种复 位方式是一种软件复位方式。 外部复位是一种硬件复位，它是通过复位电路持续给单片机复位引脚一个有效的电平达到一定得时间后，会使单片机进行复位，对于 持续给 脚两个机器周期的高电平时，单片机完成复位。外部复位又分为上电复位和手动复位两种，相应的电路图如图 11 R S 5 R 2a) (b) 图 位电路 （ a）手动开关复位；（ b）上电复位 两种 储器编程方法：并行编程和串行编程。 并行编程方法是：首先，在地址线上加上要编程单元的地址信号；接着，在数据线上加上要写入的数据字节；然后，激活相应的控制信号；接着，将 加上 +12后每对 储器写入一个字节或者每写一个程序加密位，都要给上编程一个脉冲；改变编程单元的地址和数据重复上述步骤，直到程序都写入 止。 串行编程是将 至电源正极，通过串口 口进行编程，串行接口包含串行时钟线、输入线和输出线。 本次设计的调试测试接口用串口调试方式，通过 串芯片 行程序的下载。 程序存储器一般用于存放编好的程序、表格和常数，而数据存储器用于存放运算中间结果，起到数据暂存和缓冲、标志位以及用户自定义的字形表等。 有 256 8K 的片内 本次设计中已经足够了，因此不需要外扩的存储器系统。 时器 单片机系统的运行和 其他系统一样，需要不断的与外部设备进行数据交换，当 大大的占用 资源，浪费了时间去等待外设，为了解决这一问题，单片机系统引入了中断技术。中断时单片机暂时停止当前执行的任务而去处理触发中断的事件，处理完后，自动返回到被暂停的程序断点处，继续执 12 行被暂停的程序。 51 子系列单片机有 5 个中断源， 52 子系列单片机比 51 子系列多一个，具有 6 个中断源，具有两级中断优先级，可以实现中断的两级嵌套，用于控制中断的特殊功能寄存器有 4 个，它们是 别控制中 断的开放、禁止和优先级。 51 系列单片机的 5 个中断源可以分为两大类：外部中断和内部中断，外部中断由 入，内部中断源包括两个定时器 及串行口中断， 52 子系列比 51 子系列多一个内部中断定时器 断，其他均一样。 外部中断有两种触发方式：边沿触发方式和电平触发方式，由特殊功能寄存器 采用边沿触发方式时，外部中断输入的高电平和低电平时间需要保持一个机器周期，才能保证单片机可靠的检测到中断信号。当采用电平触发方式时，需要保持低电平有效，直到中断请求被响应 ，才能够撤销中断请求信号。 外部进行信息交换称为通信，通信的方式有串行通信和并行通信。并行通信的主要特征是传输速度快，在传输距离较短的情况下，占有很大的优势，对于长距离传输来说，由于信号线太多导致线路复杂，成本变高；串行通信线路简单，但是传输速度慢，当传输距离较长时，在成本方面占有很大的优势。 定时 /计数器中断有 4 种工作方式：方式 0、方式 1、方式 2 和方式 3。 方式 0 为 13 位定时 /计数器。 13 位计数寄存器由 高 8 位和 低 5 位构成，其他位不用。这种 方式下的最大计数值为 132 ，即 8192 个数。 方式 1 为 16 位定时 /计数器。 16 位计数寄存器由 成，其用法和方式 0 基本一样，只是最大计数值为 162 ，即 65536 个数。 方式 2 是能自动重装计数初值的 8 位计数器， 来存放计数初值， 来计数，当低 8 位产生中断溢出后，单片机自动将高 8 位中的计数初值重新装入低 8位计数器，如此循环不止。不过这种方式的计数最大值为 82 ，即 256 个数。 方式 3 跟前三种方式大不相同，只有 工作在方式 3 模式， 能工作在方式 3，这种方式下是将 为两个独立的 8 位计数器， 能用作定时器方式，对机器周期进行计数， 能不仅可以工作在计数器模式也可以工作在定时器模式，功能和操作和方式 0、方式 1、方式 2 完全相同。 定时 /计数器的初始化包含下面几点内容： 计数器的工作模式和工作方式，给寄存器 相应的值； 13 根据工作方式对 相应的值； 需要中断，需要对中断允许寄存器和中断优先级控制寄存器赋相应的值； 计数器控制寄存器送入命令字，启动定时 /计数器。 行 I/列单片机具有四个双向 8 位 I/O 口，分别为 ，共 32根 I/O 口线。每个 I/O 口都可以作为 8 位并行 I/O 口使用，并且可以独立的作为 1 位双向I/O 口线进行使用。各个口的每一位都由一个锁存器和一个输出驱动器以及输入缓冲器组成。作为输出时，数据可以锁存；作为输入时，数据可以缓冲。 试一个三态的双向 I/O 口，在系统进行扩展时，作为低 8 位地址线和数据总线的分时复用，当没有系统扩展时作为通用的准 I/O 口使用。值得注意的是当 作为输出口时，若要驱动 者其他拉电流负载时，需要外接上拉电阻。 是一个准双向口，通常作为通用 I/O 口使用，作为输出口使用时，不需要接上拉电阻，它能够共拉电流 负载。 也是一个准双向口，有两种功能，作为通用 I/O 口使用和高 8 位地址总线输出两种功能，当作为通用 I/O 口使用时和 的使用方法一样，当需要外部扩展时， 0 口作为外部接口的地址总线，给外围电路输出地址。 也是一个准双向口， 可以作为通用 I/O 口，并且每一位都可以独立的定义为通用 I/O 口功能输入输出。但是它的很多端口都具有第二功能，外部中断 时计数器 外部时钟接口、串行中断源，都是通过 的。因此， 一般不作为通用口使用，而是作为它 的第二功能口来使用 5。 流电机调速系统整体框图 直流电机调速系统控制硬件主要部分包括单片机 及外围电路、 机驱动模块， 晶显示模块，转速给定模块 2*3 键盘以及光电旋转编码器直流电机测速模块，实现直流电机调速系统的单闭环，使得直流电机速度能够跟随给定，并且抵抗负载扰动和闭环内的扰动，用 片进行电机电枢电流的检测并实现电流限幅而对电机进行电流保护。系统整体框图如图 示： 14 图 流电机调速系统整体框图 流电机调速系统动态结构框图 对系统的动态性能分析，需要知道动态响应，而这些都是建立在对描述系统动态物理规律的数学模型的分析之上的，因此建立系统的数学模型是至关重要的，它影响到系统所选择的控制规律对系统的作用，系统的稳定性，稳态误差分析都是建立在系统动态数学模型之上的。因此要对系统先进行数学模型的建立。 他励直流电动机在额定励磁条件下的等效电路图如图 M+励直流电动机在额定励磁条件下的等效电路 在主回路电流连续的前提下，动态电压方程为： 0 （ 3 在忽略各种阻力的情况下，电动机轴上的动力学方程为： e 3752 （ 3 公式中 括电动机空载转矩在内的负载转矩，单位为 N*m， 2电力拖动装置这算到电动机轴上的飞轮转矩，单位为 2* 额定励磁下的感应电势以及电磁转矩分别如下： e （ 3 S T C 8 9C 5 2复 位 电 路电 源 电 路时 钟 电 路显 示 模 块电 机 驱 动电 机 测 速电 流 检 测电 机键 盘 模 块 15 （ 3 电动机额定励磁条件下的电动势系数和电磁转矩之间的关系为 C 30 （ 3 定义电枢回路时间常数； 定义电力拖动时间常数。单位均为 s。 整理式（ 3 3 3 3 3得到 )(0 （ 3 （ 3 在零初始条件下得到电压与电流之间的传递函数，电流与电动势之间的传递函数分别为： 1/1)()( )(0 sI ld d（ 3 sE )()( )(（ 3 整理后得到直流电动机的动态结构框图如图 示： 1/12 e)1( l)0 )(流电动机动态结构框图 在设计中使用的是光电旋转编码器来进行测速，在程序中根据单位时间内的脉冲个数来计算电机转速，因此反馈回来的是电机的实际转速，放大系数为 1，因此闭环调速系统的动态结构框图为单位负反馈系统框图；由于设计中是用直流电源供电，因此 管装置的滞后时间常数为 0。其闭环结构框图如图 示： 16 1/12 e)1( l)(0 )( )(* )(速反馈控制直流调速系统动态结构框图 图中 转速调节器， D 为 占空比， 0，当 D=1 时，0K ，即直流电机所加的最大耐压，也就是给直流电机供电的外接直流电源电压。 从图中可以看出，反馈控制的基本规律是： （ 1） 反馈控制的作用是抵抗扰动， 服从给定，系统能够抵抗所在闭环内的扰动，比如负载扰动，电动机励磁的变化和主电路电阻的变化都会影响转速，而闭环调节抵抗这些扰动，使电机实际转速对于给定转速可以唯命是从；但是它对于反馈环所包围外的扰动没有抵抗作用，比如对于给定速度的扰动和测速装置的扰动没用作用。 （ 2） 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度，如果给定有一定的波动，那么反馈系统就很难没有波动，因为根据控制规律（ 1），被控量是要跟随给定的，给定存在波动，被控量也会跟着有波动，因此，高精度的调速系统需要高精度的给定；根据控制规律（ 1），系统没法克服反馈检测装 置的误差，因此对于反馈装置的误差，系统没有办法克服，从而使得控制效果不是很理想，电机实际转速可能和给定速度存在偏差。因此高精度的测速反馈装置对于高精度的调速系统同样重要。现在大部分的系统都通过数字给定和数字测速装置来提高系统的精度。 （ 3） 比例控制的反馈系统是被调量有静差的控制系统，从静特性上看，比例控制系数越大，系统的稳态性能越好，稳态误差越小，而且，比例控制没法消除误差，只能减小误差，因为比例控制系数不可能达到无穷大；从动态上看，比例控制系数越大，系统快速性也越好；但是存在一个问题，比例控制越强，系统的超调量 越大，这就是一个矛盾的问题，因此要设计出无静差的系统，光靠比例控制是不能达到效果的 6。 流调速系统的数字控制 由于数字控制具有很高的精度和可靠性，因此，在电力拖动系统中被广泛应 17 用。 为了提高系统精度，目前大多直流电机调速系统均采用数字给定和数字检测速度装置，以微型计算机为核心，开发出的微型计算机控制系统，其基本采样控制系统框图如图 示： 控制对象控制算法+型计算机采样 控制系统框图 图中 给定值的采样开关， 检测速度的反馈值的采样开关， 微型计算机输出的控制信号的输出采样开关。如果所有开关均是以同样一个周期的开和关断，那么成为同步采样。否则是异步采样。微型计算机是没法连续输入输出给定信号、反馈信号和输出值，只有在采样开关闭合时才能输入输出数据。当控制量和反馈信号是模拟信号时，为了把它们输入计算机，需要对信号离散化，变成脉冲信号。为了使离散信号能够不失真的复原模拟信号，对系统的采样频率提出了要求，一般情况下根据香农定理来确定采样频率。这样采集出来的信号才 能代表真实的信号。在直流电机调速系统中，控制对象是直流电动机的转速和电流，两者均为快速变化的量，必须具有较高的采样频率，然而并不是采样频率越高越好，这受到开关器件的功率损耗，微型计算机的数据处理速度来决定的。 数字测量具有测速精度高、分辨能力强和受器件影响小的优点，能够很好的适应目前直流调速系统精度要求高的特点，广泛应用于调速范围大和伺服电机调速系统。目前应用较多的转速检测装置是光电旋转编码器，而旋转编码器可以分为增量式和绝对式。绝对式旋转编码器适合测电机转角，而测电机速 度应该采用增量式旋转编码器。光电式旋转编码器示意图如图 示： 18 发光装置码盘轴接收装置图 量式旋转编码器示意图 为了获得电机的转向，增加了一对发光和接受装置，使两对发光和接受装置错开光栅节距的 1/4；这样，两组脉冲序列的相位相差 /2,通过判断两组序列脉冲的相位前后就可以判断电机的正反转情况。如图 示 : 反转 图 分电机旋转方向的脉冲序列 流电机双极性脉宽调制方式工作原理 直流电动机双极性脉宽调制方式电路图如图 示： 流电动机双极性脉宽调制方式电路图 它工作时 组， 一组，同时交替导通，晶闸管的基极控制信号分别如图 0 0t 图 闸管基极控制信号 在这种调制方式下，电动机具有四种工作模态： 19 在模态 I 时， 通， 止，电机电枢两端的电压为 U ，电机工作在电动状态下； 在模态 ， 止，电枢电流经 流， 能导通， 电机电枢两端的电压为由于电流未反向，因此电机仍然工作在电动状态下； 在模态 ， 止， 通，电机电枢两端电压为电流反向，因此此时电机工作在反接制动状态下； 在模态 ， 止，电枢电流经 流，电机电枢两端电压为 流反向，此时电机的工作状态为回馈制动。 在这种调制方式下直流电机两端的电压为 U 0（ 3 式中0 为 制波占空比。 当 的时候，电机正转； 时，电机反转； 时，电机停止不转。 值得注意的是在这种调制方式下，当 电机不转时，并不能说明电机电枢电压等于0，而是平均电压等于 0，并且电枢电流也是交变的。 在这种脉宽调制方式下的直流电机调速系统，电机正反向电动运行电压电流波形如图 示： UUO T(a)正向电动运行波形 (b)反向电动运行波形 图 流电机正反向电动运行波形图 流电机驱动模块 介 司生产的一种高压大电流电机驱动芯片，它的最高工作电压可以达到 20 46V，输出电流大，可以达到 3A，持续工作电流为 2A，额定功率为 25W。内含两个 以用来驱动两台直流电动机或一台两相步进电机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号进行控制，并且可以对其指定引脚外接电阻来检测电机电流进行反馈。 用 驱动直流电动机，通过控制 个输入端的电平高低来实现电机的正反转，并且通过使能端 控制信号的有效性，由于第二台电机的控制跟第一台一样，因此在这里只列出 动一台电机的引脚功能表，如表 示： 表 动直流电动机的引脚功能表 机运行状态 1 0 1 正转 0 1 1 反转 1 1 急停 0 无效信号 由表可知，使能端为高电平时，控制信号对于电机有效，为低电平时，控制信号无效，而对于双极性 制系统，当系统工作时开关器件有的要打开，有的需要关断，因此，当 系统 中应该置 1，然而为了防止上下桥臂直通，保证器件的可靠开通和关断，需要在开关器件状态切换时通过关闭 能端来达到这种目的。 示模块简介 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对显示区域进行的控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。 晶显示器是一种带背光的显示器，具有薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色的特点，被广泛应用于便携式电脑和通讯工具等。它不仅可以显示字符，也可以显示数字，符号和汉字。它的显示容量是 16*2 个字符，作电流在电压 5V 的情况下为 符尺寸为 对液晶进行第一次操作时需要对液晶进行初始化，并且初始化以后每次进行操作时都需要对液晶进行检测其是否忙碌，不忙进行操作，忙时不操作。 21 *3 键盘模块 本次设计通过键盘给定电机转速，实现电机的启动 /停止，正反转，实现电动机的控制。键盘功能表如表 示： 表 盘功能表 键值 0能 启动 (Q) 停止 (S) 反 向 (F) 位选 (W) 键值 0能 加 (+) 取消 (E) 设速（ I） 确定 (I) 节器的设计 控制系统开环传递函数为 ()1()(（ 3 根据（ 3积分项的个数，把控制系统分为了几大类， 0 时为 0 型系统， 1为 I 型系统 根据终值定理，在阶跃输入作用下，如果要求系统不存在稳态误差，那么系统应该设计为 I 型或者 I 型以上的系统 7。 典型 I 型系统的动态跟随性能好，能够使被控量跟随给定值，它是一个二阶系统，然而，它的开环增益越大，截止频率越大，系统响应越快，但是相角裕度却越小，这是一个矛盾的关系。对于典型 系统，它的快速性能好，需要两个积分环节。 根据图 速反馈控 制直流调速系统动态结构框图可知，除了转速调节器，系统外无任何积分环节，因此系统设计为典型 I 型系统就够了，只要参数合理，就能够保证系统的稳定性和快速性。 在图 反电动势对系统的影响是包含在整个回路之内的，根据闭环调节规律可知，系统可以抵抗反电动势的影响。因此，在设计调节器的过程中可以不考虑反电动势的影响。由于电机的电磁时间常数，因次在一定条件下可以把电机的二阶传递函数等效为一阶惯性环节。因此图 速反馈直流调速系统动态结构框图可以等效为图 示： 22 A S * sN n )(sN nm e)(图 速反馈直流电机调速系统等效动态结构框图 典型 I 型系统的开环传递函数为： )1()( 3 对比图 的开环传递函数可 知，转速调节器 需要进行积分环节环节设计就可以达到预期效果。因此调节器的开环传递函数为： 1)( （ 3 因此系统的开环传递函数为 )1()( （ 3 令 T=，则系统的闭环传递函数为 2222 21)(1)()( （ 3 在没有特殊设计要求时，我们按照西门子 ”最佳整定 ”的方法，取 即，这样就得到了转速调节器的参数公式： *（ 3 式中 电机的电动势系数； 输出电压和它的占空比之间的比值，也就是外接的直流电源电压； 直流电机机电时间常数。 因此直流电机调速系统的转速调节器为： （ 3 23 在只有积分调节器的情况下，系统的快速性和稳定性都是通过调节积分项的系数来决定的，然而积分项越强，那么系统快速性也越好，但是超调也越大，如果要求系统超调小，但是系统的快速性却很难保证，在这种情况下，应该根据对系统设计要求来具体取值。本次设计对系统的快速性没有多大要求，只是要求其能够跟随给定，因此按照西门子整定方法整定出的参数能够达到系统设计的要求。 节器的数字化 由于 节器是电力拖动控制系统中使用最多的调节器算法，因此，在这部分中只介绍 节器的数字化。 节器的传递函数为： 1 （ 3 若输入误差为 e(t)，输出为 u(t)，则 节器的时域函数为： ()()(1)()( （ 3 式中 比例系数， 1 将式（ 3换为差分方程，得到 节器的第 k 拍输出为： )1()()()( a 3 式中 采样周期。 式（ 3 节器的位置式算法，当需要对调节器的输出限幅时，它需要对积分项和输出同时限幅，缺一不可；为了使 节器的输出限幅时只需要进行输出限幅，通过将（ 3第 k 拍减去第（ 得到 节器 的增量式算法： )()1()()1()()( （ 3 这样只需要当前的和上一拍的偏差即可计算出当前的输出： )()1()( （ 3 增量式算法只需要在计算机中保存上一拍的输出即可，并且需要输出限幅时，不需要对积分环节限幅。因此大多数的情况下，数 字 节器均采用增量式算法。 24 机电枢电流检测及电流保护方式 电机电流的检测通过对桥式电机驱动芯片 后通过对采集电流来进行判断，对电枢电流进行限幅。当电枢电流在时间 T 内均大于1是为了防止电机只是瞬间的电枢电流过大而进行的误操作。通过对 能端 进行控制停止对电机供电，当电机电流恢复到小于22 I ）后，对电机恢复供电。 章小结 本章主要介绍了直流电机调速系统的主要结构框图，并对各个模块的工作原理进行了详细介绍，主要包括系统整体结构框图和直流电机速度闭环系统动态结构框图，速度闭环调节器的设计原理和电机电流保护的基本方法。 25 第 4章 直流电机调速系统实现 直流电机调速系统的实现包括两部分：软件部分和硬件部分，在本论文中主要介绍软件部分的实现。单片 机编程语言有汇编语言和一些高级语言，常用的高级语言是 C 语言 10。采用汇编语言时，程序占用内存空间小，实时性强，但是编程麻烦，程序可读性不强，修改不方便；而使用 C 语言，因其内含很多库，编程比较方便，简单，大大缩短了程序的开发周期，并且程序的可移植性增强。本次设计使用 C 语言进行程序编程 ， 开发环境 为 要包括显示程序、调节器的算法、键盘的算法、 产生的以及测速五大部分。 程序 主程序主要进行定时器 /计数器和液晶等的初始化，键盘检测，液晶显示程序的调用，系统调节器算法的调用。其流程图如图 示： 开始初始化调用键盘子程序计算给定转速?开