直流電機(jī)PID調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，它的特點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，主要由51單片機(jī)、電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、LCD液晶顯示器、霍爾測(cè)速電路以及獨(dú)立按鍵組成的電子產(chǎn)品。主要是以直流電機(jī)（所選電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分鐘）為被控對(duì)象，以MCU為控制器設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)PID控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，最大超調(diào)量小于10%，電源采用78系列芯片實(shí)現(xiàn)+5V、+15V對(duì)電機(jī)的調(diào)速采用PWM波方式，PWM是脈沖寬度調(diào)制，通過(guò)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟停、調(diào)速、轉(zhuǎn)向的人工控制，LCD實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)（速度）的顯示。電機(jī)轉(zhuǎn)速利用霍爾傳感器檢測(cè)輸出方波，通過(guò)51單片機(jī)對(duì)1秒內(nèi)的方波脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的反饋控制。關(guān)鍵字：直流電機(jī)調(diào)速；PID控制器；電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路；LCD顯示器；51單片機(jī)AbstractDCmotorhasagoodstartupperformanceandspeedcharacteristics,itischaracterizedbystartingtorque,maximumtorque,inawiderangeofsmooth,economicalspeed,speed,easycontrol,speedcontrolafterthehighefficiency.ThisdesignofDCmotorspeedcontrolsystem,mainlybythemicrocontroller51,powersupply,H-bridgedrivercircuits,LCDliquidcrystaldisplay,theHallvelocityandindependentkeycomponentcircuitsofelectronicproducts.Powersupplywith78serieschip+5V,+15VformotorspeedcontrolusingPWMwavemode,PWMisapulsewidthmodulation,dutycyclebychangingtheMCU51.Achievedthroughindependentbuttonsstartandstopthemotor,speedcontrol,turningthemanualcontrol,LCDrealizethemeasurementdata(speed)ofthedisplay.MotorspeedusingHallsensoroutputsquarewave,by51secondsto1microcontrollersquarewavepulsesarecountedtocalculatethespeedofthemotortoachieveaDCmotorfeedbackcontrol.Keywords:DCmotorspeedcontrol；Hbridgedrivercircuit；LCDdisplay目錄1緒論 11.1直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究意義 31.2直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展趨勢(shì) 51.3本文研究的內(nèi)容 62直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 102.1設(shè)計(jì)方案綜述 102.1.1H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案 122.1.2調(diào)速設(shè)計(jì)方案 132.2硬件設(shè)計(jì) 142.2.1電源電路 142.2.2H橋驅(qū)動(dòng)電路 162.2.3基于霍爾傳感器的測(cè)速模塊 162.3.4LCD顯示模塊 173直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 193.1PWM技術(shù)簡(jiǎn)介 193.1.1PWM介紹 193.1.2PWM控制的基本原理 193.1.3PWM調(diào)速原理 213.2調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 223.2.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 223.2.2速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 233.2軟件設(shè)計(jì) 253.2.1系統(tǒng)總控制流程圖及說(shuō)明 253.2.2PWM波軟件設(shè)計(jì) 263.2.2測(cè)速軟件設(shè)計(jì) 294基于matlab的仿真分析 304.1仿真步驟 304.2仿真分析 345結(jié)論 38致謝 39參考文獻(xiàn) 40附錄 。1緒論1.1直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究意義三十多年來(lái)，直流經(jīng)歷了重大的變革。首先，實(shí)現(xiàn)了整流器件的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了使用己久的直流發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電機(jī)拖動(dòng)完成了一次大的飛躍。同時(shí)，控制電路己實(shí)現(xiàn)高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅度提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，所以，在對(duì)調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合，一般都采用直流電機(jī)拖動(dòng)。直流調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆、寬調(diào)速、高精度的電機(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域中一直居于壟斷地位。早期，直流傳動(dòng)的控制系統(tǒng)采用模擬分立器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點(diǎn)，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。隨著單片機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)己經(jīng)廣泛使用單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制。數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)。1.提高了調(diào)速性能由于測(cè)速采用數(shù)字化，能夠在很寬的范圍內(nèi)高精度測(cè)速，所以擴(kuò)大了調(diào)速范圍，提高了速度控制的精度。另一方面，一些模擬電路難以實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)律和控制方法，例如各種最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、復(fù)合控制等都變得十分容易了，從而使系統(tǒng)的控制性能得到提高。2.提高了運(yùn)行的可靠性由于硬件高度集成化，所以零部件數(shù)量和觸點(diǎn)大大減少;很多功能都是由軟件(即程序)來(lái)完成的，使硬件得以簡(jiǎn)化，所以采用單片機(jī)控制的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的故障率比模擬系統(tǒng)小。另外，數(shù)字電路的抗干擾性能強(qiáng)，不易受溫度等外界條件變化的影響，沒(méi)有工作點(diǎn)的溫漂等問(wèn)題，所以運(yùn)行的可靠性高。3.易于維修由于單片機(jī)可以與計(jì)算機(jī)相連，而計(jì)算機(jī)具有存儲(chǔ)、顯示、記錄等功能，可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)、診斷、顯示和記錄，并對(duì)發(fā)生故障的時(shí)間、性質(zhì)和原因進(jìn)行分析和記錄，所以維修很方便，維修周期變短。由于單片機(jī)以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。所以，數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的控制精度和可靠性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。而且通過(guò)系統(tǒng)總線(xiàn)，數(shù)字控制系統(tǒng)能與管理計(jì)算機(jī)、過(guò)程計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程電控裝置進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的分級(jí)自動(dòng)化控制。所以，直流傳動(dòng)控制采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新階段。1.2直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展趨勢(shì)(1)國(guó)外發(fā)展概況隨著各種微處理器的出現(xiàn)和發(fā)展，國(guó)外對(duì)直流電機(jī)數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的研究也在不斷的發(fā)展和完善，尤其在80年代在這方面的研究達(dá)到空前的繁榮。大型直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)一般采用晶閘管整流來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了提高調(diào)速系統(tǒng)的性能，研究工作者對(duì)晶閘管觸發(fā)脈沖的控制算法作了大量研究:有的提出了內(nèi)?？刂频乃惴?有的提出了用I-P控制器取代PI調(diào)節(jié)器的方法;有的提出了自適應(yīng)PID算法和模糊PID算法，等等。近幾年來(lái)，國(guó)外各大公司紛紛推出以DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)的稱(chēng)為DSP單片電機(jī)控制器（如ADI的ADMC3××系列、TI的TMS320C240和Motorola的DSP56F8××系列），價(jià)格大大降低，體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。DSP的最大速度為20～40MIPS，單周期指令執(zhí)行時(shí)間快達(dá)幾十納秒，它和普通的單片機(jī)相比，處理數(shù)字運(yùn)算能力增強(qiáng)10～15倍，確保系統(tǒng)有更優(yōu)越的控制性能。數(shù)字控制使硬件簡(jiǎn)化，柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，使現(xiàn)代控制理論在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，易于與上層系統(tǒng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于故障診斷加強(qiáng)保護(hù)和監(jiān)視功能，使系統(tǒng)智能化（如有些變頻器具有自調(diào)整功能）。(2)國(guó)內(nèi)發(fā)展概況我國(guó)在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的水平還遠(yuǎn)落后于于發(fā)達(dá)國(guó)家，在電機(jī)調(diào)速的很多裝備方面都還不夠成熟。全數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)各大專(zhuān)院校、科研單位和廠(chǎng)家也都在開(kāi)發(fā)數(shù)字直流調(diào)速裝置。因此國(guó)內(nèi)調(diào)速系統(tǒng)的研究也非?；钴S，但很多電機(jī)調(diào)速的市場(chǎng)還是被國(guó)外公司所占據(jù)。在國(guó)家十五計(jì)劃中，對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方面的研究投入將高達(dá)500億元，所以電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)將有非常巨大的市場(chǎng)需求?；谀壳皣?guó)內(nèi)外的研究狀況，本設(shè)計(jì)主要研究的是用數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬調(diào)速系統(tǒng)。雖然本設(shè)計(jì)研究的調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法與國(guó)外先進(jìn)的調(diào)速系統(tǒng)相比擬，但相對(duì)國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)研究還是具有一定的實(shí)用價(jià)值的 1.3本文研究的內(nèi)容該系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為核心，用PWM實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，并介紹PWM的基本原理和占空比調(diào)節(jié)的方法。以小直流電機(jī)為控制對(duì)象，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)，速度調(diào)節(jié)。要求通過(guò)單片機(jī)外圍的鍵盤(pán)按鍵實(shí)現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，并在LCD上實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)。2PID控制器2.1PID控制器的定義：PID控制器（比例-積分-微分-控制器），由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。通過(guò)Kp，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、幾份、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算量進(jìn)行控制。比例調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)是對(duì)偏差的一種既是反應(yīng)，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生，控制作用，是輸出量朝著減小偏差的方向改變，控制作用得強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)。加大比例系數(shù)可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但是，過(guò)大時(shí)會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量的震蕩，甚至閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)。在積分調(diào)解中，控制器具有累計(jì)成分，消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用。塔通過(guò)累計(jì)作用影響控制量，從而減小偏差，之大偏差為零。如果積分時(shí)間常數(shù)大，那么積分作用弱，反之為強(qiáng)。增大將減慢消除穩(wěn)態(tài)誤差的過(guò)程。引入積分環(huán)節(jié)會(huì)降低真?zhèn)€系統(tǒng)的快速性。微分調(diào)節(jié)。為了消除自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)震蕩甚至系統(tǒng)的不穩(wěn)定才引入微分環(huán)節(jié)。微分環(huán)節(jié)按照偏差變化的趨向進(jìn)行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)。微分作用將有助于較小超調(diào)量，克服振蕩，從而使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。根據(jù)上述的控制器的作用，對(duì)上述的直流伺服電動(dòng)機(jī)的一階慣性系統(tǒng)，加入PID控制器之后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3：圖3根據(jù)建立的PID控制器，得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：根據(jù)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，可以確定閉環(huán)零點(diǎn)為根軌跡增益為，閉環(huán)極點(diǎn)為0，-24.39。根據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，可以確定系統(tǒng)的根軌跡。開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)位置，根軌跡增益由PID參數(shù)來(lái)決定。根據(jù)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的零點(diǎn)位置大概確定系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)，通過(guò)對(duì)主導(dǎo)極點(diǎn)的分析來(lái)確定系統(tǒng)的性能。在工程中，常常使用主導(dǎo)極點(diǎn)的概念對(duì)高階系統(tǒng)進(jìn)行近似分析。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能基本上由接近虛軸的閉環(huán)極點(diǎn)確定。系統(tǒng)地調(diào)節(jié)時(shí)間主要取決于最靠近虛軸的閉環(huán)復(fù)數(shù)極點(diǎn)的實(shí)部絕對(duì)值；如果實(shí)數(shù)極點(diǎn)距離虛軸最近，并且它的周?chē)鷽](méi)有實(shí)數(shù)零點(diǎn)，則調(diào)節(jié)時(shí)間主要取決與該實(shí)數(shù)極點(diǎn)的模值。為了便于后面的計(jì)算，我們?cè)诒疚闹兄饕懻撻]環(huán)實(shí)數(shù)主導(dǎo)極點(diǎn)的作用。閉環(huán)實(shí)數(shù)主導(dǎo)極點(diǎn)的作用，相當(dāng)于增大系統(tǒng)的阻尼，是峰值時(shí)間推遲后，超調(diào)量下降，。如果實(shí)數(shù)比共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)更接近原點(diǎn)坐標(biāo)，甚至可以使振蕩過(guò)程變?yōu)榉钦袷庍^(guò)程。實(shí)數(shù)極點(diǎn)越接近坐標(biāo)原點(diǎn)，意味著這種作用越強(qiáng)。下面我們討論根軌跡可能出現(xiàn)的形式，分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)。當(dāng)共軛零點(diǎn)位于（0，-24.39）時(shí)。一種是兩個(gè)兩個(gè)實(shí)極點(diǎn)，位于實(shí)軸上，阻尼比大于1，閉環(huán)極點(diǎn)的模值小于24.39，調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大于未調(diào)速系統(tǒng)；兩個(gè)共軛極點(diǎn)，負(fù)實(shí)部的模值小于24.39，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大于未調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)實(shí)零點(diǎn)位于（0，-24.39）之間時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)位于實(shí)軸上，阻尼比大于1，并且，閉環(huán)極點(diǎn)的模值小于24.39，調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間一定大于未調(diào)速的系統(tǒng)。當(dāng)兩個(gè)實(shí)零點(diǎn)位于（0，-24.39）之間和-24.39左邊時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)一定位于實(shí)軸上，系統(tǒng)阻尼比大于1，并且一定有一個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)的模值小于24.39，相當(dāng)于主導(dǎo)極點(diǎn)，調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)大于未調(diào)速的系統(tǒng)。當(dāng)共軛零點(diǎn)實(shí)部位于-24.39左邊時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)有兩種可能。一種是兩個(gè)實(shí)極點(diǎn)位于實(shí)軸上，在-24.39的右邊，此時(shí)阻尼比大于1，閉環(huán)極點(diǎn)的模值小于24.39，調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大于為調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。另一種存在兩個(gè)共軛極點(diǎn)，其負(fù)實(shí)部的模值大于24.39，調(diào)節(jié)時(shí)間變小，系統(tǒng)快速性變好。當(dāng)實(shí)零點(diǎn)位于(0,-24.39)左邊時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)的位置有3種可能。第一種：兩個(gè)實(shí)極點(diǎn)位于-24.39的右邊，此時(shí)阻尼比大于1，閉環(huán)極點(diǎn)的模值小于71.43，調(diào)速控制后的系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間大于未控制的系統(tǒng)。第二種：兩個(gè)共軛極點(diǎn)，共軛極點(diǎn)的負(fù)實(shí)部的模值小于24.39，調(diào)速控制后系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大于未調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)共軛極點(diǎn)的實(shí)部的模值大于24.39時(shí)，調(diào)速控制后系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間小于未調(diào)速系統(tǒng)。第三種：兩個(gè)實(shí)極點(diǎn)位于-24.39的左邊，實(shí)極點(diǎn)的模值大于24.39，調(diào)速控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間小于未調(diào)速的系統(tǒng)。由上述分析可以得到，選取合適的參數(shù)，是的閉環(huán)極點(diǎn)的負(fù)實(shí)部的模值大于于直流電機(jī)負(fù)實(shí)部的模值，就可以使得調(diào)速控制后的系統(tǒng)快速性?xún)?yōu)于直流電機(jī)的快速性。我們選取第五種情況下的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)位置，其根軌跡如圖4，將系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)設(shè)置為，那么根據(jù)式子得到：圖4，所以只要給出的值，就可以確定PID的參數(shù)。按照試湊的方法，設(shè)置，那么求得，閉環(huán)極點(diǎn)為：，阻尼比約為0.866。加入PID控制器后系統(tǒng)階躍響應(yīng)見(jiàn)下頁(yè)圖5圖53直流調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)方案綜述方案一：PWM波調(diào)速采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路（圖2.1）。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。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(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)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)[4]。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍。圖3.1PWM波調(diào)速電路其結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示：圖3.2電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖方案二：晶閘管調(diào)速采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止式變流裝置供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。1957年，晶閘管（俗稱(chēng)“可控硅”）問(wèn)世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）。如圖2-3，VT是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，其門(mén)極電流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)），得到了廣泛的應(yīng)用[6]。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的與都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。另外，由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”，因此必須添置無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。圖3.3晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）兼于方案一調(diào)速特性?xún)?yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案一。3.1.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案圖3-4所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為H橋式驅(qū)動(dòng)電路它包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)，電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。如圖3-4所示，要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。圖3.4H橋驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖2-5所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周?chē)募^指示為順時(shí)針?lè)较颍?。圖3.5H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖2-6所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周?chē)募^表示為逆時(shí)針?lè)较颍?。圖3.6H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)3.1.2調(diào)速設(shè)計(jì)方案調(diào)速采用PWM（PulseWidthModulation）脈寬調(diào)制，工作原理：通過(guò)產(chǎn)生矩形波，改變占空比，以達(dá)到調(diào)整脈寬的目的。PWM的定義:脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒(méi)有限制。9V電池就是一種模擬器件，因?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類(lèi)似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在{0V,5V}這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來(lái)進(jìn)行控制，如對(duì)汽車(chē)收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變?。涣鹘?jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線(xiàn)性比例。盡管模擬控制看起來(lái)可能直觀(guān)而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問(wèn)題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能?chē)?yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。通過(guò)以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。3.2硬件設(shè)計(jì)3.2.1電源電路1）芯片介紹78XX,XX就代表它所輸出的電壓值，能降低電壓4-5V電子產(chǎn)品中常見(jiàn)到的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負(fù)電壓輸出的79××系列。故名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少,電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。有時(shí)在數(shù)字78或79后面還有一個(gè)M或L，如78M12或79L24,用來(lái)區(qū)別輸出電流和封裝形式等，其中78L調(diào)系列的最大輸出電流為100mA，78M系列最大輸出電流為1A，78系列最大輸出電流為1.2）電路原理圖電源電路采用78系列芯片產(chǎn)生+5V、+15V。電路圖如圖2.7：IC采用集成穩(wěn)壓器7805和7815，C2、C3、C5、C6分別為輸入端和輸出端濾波電容，穩(wěn)壓二極管D1串接在7805穩(wěn)壓器2腳與地之間，可使輸出電壓U得到一定的提高，輸出電壓U為7805穩(wěn)壓器輸出電壓與穩(wěn)壓二極管D1穩(wěn)壓值之和。D2是輸出保護(hù)二極管，一旦輸出電壓低于D1穩(wěn)壓值時(shí)，D2導(dǎo)通，將輸出電流旁路。圖2.778系列的電源電路3.2.2電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路基于三極管的使用機(jī)理和特性，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)中采用H橋功率驅(qū)動(dòng)電路，H橋功率驅(qū)動(dòng)電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動(dòng)．永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說(shuō)繞組有時(shí)需正向電流，有時(shí)需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)控制使用H橋驅(qū)動(dòng)電路（圖2.8），當(dāng)PWM1為低電平,通過(guò)對(duì)PWM2輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時(shí)導(dǎo)通Q5截止，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速的控制；同理，當(dāng)PWM2為高電平,通過(guò)對(duì)PWM1輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時(shí)導(dǎo)通，Q6截止，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速的控制。圖2.8H橋的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.2.3基于霍爾傳感器的測(cè)速模塊1）霍爾傳感器的工作原理霍爾效應(yīng)：在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長(zhǎng)度為l，寬度為b，厚度為d,當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。工作原理：霍爾開(kāi)關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波，代表轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)齒。單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N，因此可求出單位時(shí)間內(nèi)的速度V＝NT。2）霍爾傳感器的電路原理圖當(dāng)電流流過(guò)霍爾傳感器時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過(guò)磁環(huán)氣隙中霍爾元件進(jìn)行測(cè)量并放大輸出，其輸出電壓V精確的反映原邊電流。圖2.9霍爾傳感器的測(cè)速電路3.3.4LCD顯示模塊1）1602芯片介紹1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。因?yàn)?602識(shí)別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A’。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地第2腳：VDD接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。2）電路原理圖圖2.10LCD顯示電路3.3.5A\D轉(zhuǎn)換原理圖1-1-4ADC0809外部管腳圖本設(shè)計(jì)用ADC0809完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。輸入模擬信號(hào)有A/D轉(zhuǎn)換單元可調(diào)電位器提供的0~5V，將其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)讀入累加器，做為控制電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速。4直流調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1PWM技術(shù)簡(jiǎn)介4.1.1PWM介紹脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿(mǎn)幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。4.1.2PWM控制的基本原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖3-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖分別將如圖3-1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖3-1a所示。其輸出電流i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖3-1b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。圖3-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論，非線(xiàn)性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。4.1.3PWM調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=(U-IR)/Kφ其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻,φ為每極磁通量，K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時(shí)受到磁飽和限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線(xiàn)圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中PWM(脈寬調(diào)制)便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。PWM調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開(kāi)的時(shí)間比(占空比)來(lái)改變直流電機(jī)電樞上電壓的"占空比"，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)．啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無(wú)沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。圖4.3電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系圖如圖4.3所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t／T，則電機(jī)的平均速度為Vd=VmaxD式中，Vd--電機(jī)的平均速度；Vmax--電機(jī)全通電時(shí)的速度（最大）；D=t1/T--占空比。由公式可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比D=t1/T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比D并不是嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以其近似地看成線(xiàn)性關(guān)系。本次設(shè)計(jì)中PWM信號(hào)是由單片機(jī)EM78P156輸出的，然后通過(guò)控制導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度的控制。其電路圖如圖所示圖4.4單片機(jī)控制單元電路圖4.2調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)4.2.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即DE≈0。這時(shí)，電流環(huán)如下圖3.5所示。圖3.5電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡(jiǎn)如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U*i(s)/b，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)（圖3.6所示）。圖3.6等效單位負(fù)反饋系統(tǒng)4.2.2速度控制器的設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)節(jié)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)Wcli(s).電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:式中。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為U*i(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為：（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后加了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。其傳遞函數(shù)為：其中Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超調(diào)時(shí)間常數(shù)；3.7用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)3.8等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處3.9校正后成為典型II型系統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：令轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益KN為則有調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為4．3軟件設(shè)計(jì)4.3.1系統(tǒng)總控制流程圖及說(shuō)明圖4.10系統(tǒng)總控制流程圖如流程圖所示（1）單片機(jī)控制電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)入中斷保護(hù)過(guò)程。中斷保護(hù)過(guò)程將完成如下5方面的工作：保存端口的狀態(tài)值。保存中斷前的片內(nèi)寄存器值。保存存儲(chǔ)器的尋址地址。保存主程序的執(zhí)行代碼斷點(diǎn)。初始化脈沖寬度、延時(shí)長(zhǎng)度和狀態(tài)信息。（2）完成中斷保護(hù)后，系統(tǒng)將檢查脈沖寬度計(jì)時(shí)時(shí)間是否達(dá)到。脈沖寬度計(jì)時(shí)用于開(kāi)啟可控硅，控制電機(jī)運(yùn)行。如果既定時(shí)間寬度的脈沖已完成（即判定結(jié)果為‘是’），則必須撤銷(xiāo)脈沖；如果既定時(shí)間寬度的脈沖已完成（即判定結(jié)果為‘否’），則不撤銷(xiāo)脈沖。（3）判斷電機(jī)是否正在運(yùn)行。如果電機(jī)沒(méi)有運(yùn)行，則恢復(fù)寄存器初始值，完成中斷，返回系統(tǒng)主程序；如果電機(jī)正在運(yùn)行，則繼續(xù)執(zhí)行。（4）判斷脈沖延時(shí)時(shí)間是否到達(dá)。如果延時(shí)到達(dá)，中斷將重新開(kāi)啟脈沖，并給出脈沖初始值，重新決定是否開(kāi)啟可控硅，控制電機(jī)運(yùn)行；如果延時(shí)不到，則恢復(fù)寄存器初始值，完成中斷，返回系統(tǒng)主系統(tǒng)。（5）完成中斷，返回系統(tǒng)主程序。4.3.2PWM波軟件設(shè)計(jì)Pwm波軟件設(shè)計(jì)的思想是：通過(guò)控制總中斷使能EA控制電機(jī)的開(kāi)關(guān)，同時(shí)使能對(duì)霍爾傳感器輸出的方波在單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)。其中定時(shí)器T0,T1分別對(duì)脈沖的寬度、霍爾元件輸出的脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的1秒時(shí)間定時(shí)。對(duì)脈沖寬度的調(diào)整是通過(guò)改變高電平的定時(shí)長(zhǎng)度，由變量high控制。變量change、sub_speed、add_speed分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、加速、減速。其程序流程圖如圖3.11所示。產(chǎn)生矩形波開(kāi)始產(chǎn)生矩形波開(kāi)始按鍵查詢(xún)OPEN是否按下時(shí)定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)Add_speed是否按下初始化是是增大矩形波占空比Sub_speed是否按下是減小矩形波占空比Swap或close是否按下改變轉(zhuǎn)向或關(guān)閉電機(jī)圖3.11PWM波軟件設(shè)計(jì)方框圖部分程序代碼如下：/***********通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)開(kāi)關(guān)、調(diào)速、轉(zhuǎn)向的控制的程序*****************/voidmotor_control(){ if(open==1)EA=1;if(close==1)EA=0;if(swap==1){change=~change;while(swap!=0){}}if(sub_speed==1){high++;if(high==30)EA=0;while(sub_speed!=0){}}if(add_speed==1){high--;if(high==5)high=5;while(add_speed!=0){}}}4.3.3測(cè)速軟件設(shè)計(jì)開(kāi)始開(kāi)始初始化OPEN是否按下定時(shí)器T1開(kāi)始計(jì)時(shí)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù) N根據(jù)公式計(jì)算出電機(jī)的速度液晶顯示電機(jī)速度圖3.12軟件測(cè)速的方框圖/****T1中斷服務(wù)程序********單位時(shí)間（S）方波的個(gè)數(shù)*************/voidtime1_int(void)interrupt3{count_speed++;if(count_speed==20){count_speed=0;num_display=num_medium;num_medium=0;}}5基于matlab的仿真分析5.1仿真步驟直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR，速度、電流反饋環(huán)節(jié)、PWM信號(hào)發(fā)生器等。其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器各封裝在子模塊中，里面包含PI調(diào)節(jié)，限幅值等。1.控制電路mosfet，采用系統(tǒng)自動(dòng)給定的參數(shù)，不需要做調(diào)整。數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換選擇inheriviabackpropagation.采用數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)化的原因是信號(hào)經(jīng)速度和電流調(diào)節(jié)器后由double型變?yōu)閎oolean型。2.currentcontroller采用relay環(huán)節(jié)，圖5.1currentcontroller參數(shù)設(shè)置Speedcontroller參數(shù)KP=1.6，KI=16.圖5.2speedcontroller參數(shù)設(shè)置3.平波電抗器L=1H，其值偏大。4.電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如圖所示。負(fù)載T=50n.m圖5.3dcmachine參數(shù)設(shè)置脈寬調(diào)速系統(tǒng)的模型為圖5.4：圖5.4脈寬調(diào)速系統(tǒng)的模型5.2仿真分析圖5.5仿真效果圖如圖所示，在0-2秒的時(shí)間內(nèi)，分三個(gè)階段：電流上升階段，恒流升速階段，轉(zhuǎn)速調(diào)整階段。4秒時(shí)給定速度有100變?yōu)?0rad/s,4-4.4秒時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，電樞電流基本不變，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值時(shí)，電樞電流有大幅的下降，5-6秒時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速基本恒定，電樞電流有一振蕩的環(huán)節(jié)。第8秒時(shí)，負(fù)載給定變化，由20變?yōu)?0n.m。這時(shí)由于系統(tǒng)中由有速度與電流調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的作用，使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速基本沒(méi)有變化，電樞電流由小幅的振蕩上升過(guò)程最后達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載T=50n.m時(shí)，仿真結(jié)果為：圖5.6負(fù)載為50n.m仿真效果圖當(dāng)負(fù)載為T(mén)=30n.m時(shí)，仿真結(jié)果為：圖5.7負(fù)載為