PWM控制電機調速系統(tǒng).doc

摘要：提出一個基于PWM控制的直流電機控制系統(tǒng)，從硬件電路和軟件設計兩方面進行系統(tǒng)設計，介紹了調速系統(tǒng)的整體設計思路、硬件電路和控制算法。下位機采用MPC82G516實現硬件PWM的輸出，從而控制電機的電樞電壓，并顯示電機調速結果。上位機采用LABVIEW軟件，實現實時跟蹤與顯示。最后對控制系統(tǒng)進行實驗，并對數據進行分析，結果表明該系統(tǒng)調速時間短，穩(wěn)定性能好，具有較好的控制效果。隨著計算機控制技術的發(fā)展，微處理器已經廣泛使用于直流傳動系統(tǒng)，實現了全數字化控制。電機采用微處理器控制的電壓、電流、轉矩、轉速、轉角等，實現全數字直流調速，控制精度、可靠性、穩(wěn)定性、電機的性能得到提高。目前，PWM 調速成為電機調速的新方式，并憑借開關頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)1-65-6性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點，在電機調速中被普遍運用 。但很多文獻 提到的 PWM 信號，多采用軟件 PWM調速，即通過單片機的中斷實現，缺點是占系統(tǒng)資源，易受系統(tǒng)中斷影響和干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文將針對這一點，設計一種基于硬件 PWM 控制，調速時間更短的電機調速系統(tǒng)，并具有較好的穩(wěn)定性能。一、電機控制系統(tǒng)的整體設計1.1 系統(tǒng)整體設計原理圖系統(tǒng)整體設計如圖1所示，主要原理框圖包括：LCD顯示、按盤輸入、測速模塊、PWM調速模塊四部分。電路原理圖如圖2所示： 圖 1 圖21.2 PWM信號 PWM信號的產生采用硬件PWM信號，即不采用中斷實現PWM信號，而是利用單片機MPC82G516的PCA模式，PCA設置成PWM模式直接產生PWM信號。頻率取決于PCA定時器的時鐘源，占空比取決于模塊捕獲寄存器CCAPNL與擴展的第9位ECAPNL的值。由于使用9位比較，輸出占空比可以真正實現0%到100%可調，占空比計算公式為:占空比=1- ECAPnH，CCAPnH/256在電源電壓 Ud 不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比 的大小。通過改變 的值可以改變電樞端電壓的平均值，從而達到調速的目的。1.3 測速模塊測速模塊采用自帶霍爾傳感器并具有整形功能的直流電機調速板 J1，該模塊能實現電機正反轉、測速、調速功能，并自帶整形芯片，調試效果較好。通過霍爾傳感器把測速脈沖信號送單片機 P3.2，由單片機 P1.0送到測速模塊第 5 腳，控制電機正反轉。PWM 信號由 P1.2 送到測速模塊第 3 腳，實現電機的調速。1.4 I/O接口電路輸入模塊采用 4 個按鍵 S1、S2、S3、S4，接在單片機 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，分別實現啟動、加速、擴展功能、減速功能。電機正反轉控制由 P1.0 送到測速模塊第 1 腳。輸出顯示模塊采用 LCD1602，是一種內置 8192 個 16*16 點漢字庫和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅動器/ 列驅動器及 12832 全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示 7.52 個(1616 點陣)漢字，與外部 CPU 接口采用并行或串行方式控制。二、電機調速系統(tǒng)的軟件設計2.1 程序流程圖當系統(tǒng)啟動后，單片機進行初始化設置，單片機檢測是否有鍵按下，再執(zhí)行按鍵子程序，讀取鍵值，調用中斷，主單片機將傳感器輸入的信號進行計算，控制PWM 的輸出，從而控制電機的轉速，依次循環(huán)使電機趨于穩(wěn)定值。系統(tǒng)主程序框圖如圖 3 所示。 圖 32.2 上位機軟件系統(tǒng)由計算機控制單片機，從而控制直流電機的速度，PC 機做為上位機，單片機作為下位機。為了便于查詢和保存數據以及通過 PC 機調直流電機速度。上位機采用美國 NI 公司 LabVIEW 軟件。LabVIEW 是一種圖形編程語言，通常稱為 G 語言，具有開放的環(huán)境，能和第系統(tǒng)通過 PC 機與單片機串口實現三方軟件輕松連接通訊，構成一個數據采集系統(tǒng)。 4 為 LabVIEW 軟件程圖序框圖。 圖 4三、系統(tǒng)測試與分析PWM 信號的輸出，實現對直流電機轉速進行控制的方法。利用上位機 LabVIEW 軟件，可得到電機調速結果。圖 5 為電機空載情況下的調速結果，測量數據結果如表 1。 圖 5 數據分析：啟動段，電機轉速從零上升到 53 r/s，只需用 6 s，并很快趨于穩(wěn)定；加速段，電機轉速從 53 r/s 上升到 86 r/s，只需用 5 s，并很快趨于穩(wěn)定；減速段，電機轉速從 86 r/s 下降到 53 r/s，只需用 7 s，并很快趨于穩(wěn)定。從數據中看出，通過 PWM 調速，電機轉速變化至穩(wěn)定，若不考慮按鈕靈敏度，基本保持在 5 s 左右，并能很快趨于穩(wěn)定，較好地滿足設計要求。四、PWM調速程序介紹PWM調速通過改變一定頻率方波脈沖的占空比來改變電機速度，本設計脈沖周期恒定,本設計通過把方波分成160份，改變高低脈沖的份數來改變PWM的波形，單片機PWM調速的程序代碼如下所示：voidcontrol() EA=1;while(1) if(a=150) a=150; if(a=10)a=10;P1_1=0;delay(160-a);P1_1=1;delay(a);key=GeyKey(); if(key=-)a-=n;else if(key=+)a+=n;else if(key=)P1_0=1;dprintf(0,72,方向:順時針); else if(key=c)P1_0=0;dprintf(0,72,方向:逆時針);elseif(key=*)P1_1=0;break;elseif(key!=0)break;EA=0; 總結本設計中，調速是系統(tǒng)的主要功能，通過研究直流電動機的機械特性，得出了幾種常見的改變轉速的方法，因調壓調速可實現額定轉速以下大范圍平滑調速，并且在整個調速范圍內機械特性硬度不變。這種方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛采用。為了使系統(tǒng)能保證穩(wěn)定的前提下實現轉速無靜差，且能夠快速起制動，重點介紹了轉速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。轉速負反饋得到的反饋電壓，與給定值進行比較后，產生了頻率一定，占空比可調的脈寬序列，并通過功率放大后，對主電路變換器的電力電子元件的導通和關斷進行驅動控制，從而改變電動機的轉速，本設計，為了實現PWM控制，介紹了PWM調制技術的原理，并對PWM變換器進行了詳細介紹，為了使系統(tǒng)能正反轉運行，主電路采用雙極式橋式變換器。最后，通過計算機仿真軟件MATLAB對系統(tǒng)進行了仿真，通過對波形的分析驗證了轉速、電流雙閉環(huán)脈寬調速系統(tǒng)的優(yōu)點。通過本次設計，加強了我對知識的掌握，使我對設計過程有了全面地了解。通過學習控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用仿真軟件進行仿真，我查閱了