1、毕 业 设 计（论文）设计 论文 题目：直流大电机控制器毕业设计 院 系： 电 力 工 程 系 专 业： 电 气 自 动 化 技 术 班 级： 08 电气（2）班 姓 名： 李日初 设计 论文 地点: 校 外 指 导 教 师: 劳 丽 教 研 室 主 任： 曹 薇 摘 要-直流电动机广泛应用于各种场合,为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。该实验中搭建了基于 MCS-96 单片机的转速单闭环调速系统，利用 PWM 信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环 PI 控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并对 PI 控制原理及其参数的确定进行更深的理解。实验结果显示，控制 8
2、位 PWM 信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速及反转等功能。实验中使用霍尔元件进行电动机转速的检测、反馈。期望转速则可通过功能按键给定。当选择比例参数为 0.08、积分参数为0.01 时，电机转速可以在 3 秒左右达到稳定。由实验结果知，该单闭环调速系统可对直流电机进行调速，达到预期效果。- 第 一 章 绪论- 1.1 开发背景1.1.1、直流调速系统发展概况在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。在可调速传动系统中，按照传动电动机
3、的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系
4、统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件 MOSFET 和 IGBT 成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。1964 年 A.Schonung 和 H.stemmler 首先提出把 PWM 技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入 70 年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器
5、为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM 常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。通常 PWM 配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。目前，电机调速控制模块主要有以下三种：（1）、采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；（2）、采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整；（3）、采用由 IGBT 管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制 IGBT 管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动
6、机转速。1.1.2、国内外发展概况1.1.2.1、 国内发展概况我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4200KW 晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：（1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。（2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双
7、闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的 PI 调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。（3）、单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。（4）、模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经 1.5kw 电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个
8、侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。1.1.2.2、 国外发展概况 随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其 80 年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I-P 控制器取代 PI 调节器的方法、自适应和模糊 PID 算法等等。目前，国外主要的电气公司，如瑞典 ABB 公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国 GE 公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化
9、、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的 SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为 15A 至 1200A，并可通过并联 SITOR 可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。 1.1.2.3、总结随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出
10、了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。1.1.2.4、本课题研究目的及意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。随着单片机的发展，数字化直流 PWM 调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有 PWM 口，用于自动产生 PWM 波；有捕捉功能，用于测频；有 A/D 转换器、
11、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部 ROM 和 RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中选用单片机 MCS-96。通过设计基于 MCS-96 单片机的直流 PWM 调速系统并调试得出结论，在掌握MCS-96 的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI 控制器的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。1.2、 本文工作1.2.1、 论文主要研究内容本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用MCS-96 自带的 PWM 口，通过调整 PWM 的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制转速。系统硬件
12、设计为：以 MCS-96 为核心，由转速环、显示、按键控制等电路组成。具体内容如下：（1）、介绍直流电动机工作原理及 PWM 调速方法。（2）、完成以 MCS-96 为控制核心的直流电机数字控制系统硬件设计。（3）、以该系统的特点为基础进行分析，使用 PWM 控制电机调速，并由实验得到合适的 PI 控制及相关参数。（4）、对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。- 第二章 他励电动机的控制基础- 2.1、 直流电动机的结构和工作原理- 2.1.1、 直流电动的结构直流电动机的结构：主要由定子、转子（电枢）两大部分组成。-图 1 直流电动机模型图 1 是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止
13、的磁极 N 和 S 之间，装设一个可以绕 Z-Z轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈 abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端 a 和 d 分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环 1 和 2 上。换向片 1 和 2 之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。A 和 B 是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。图 2 换向器在直流电动机中的作用当电刷 A 和 B 分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷 A 流入，而从电刷 B 流出。这时线圈中的电流方向是从 a 流向 b，再从 c 流向
14、d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图7-5（a ）所示的位置时，线圈 ab 边的电流从 a 流向 b，用 表示，cd 边的电流从 c 流向 d，用 表示。根据左手定则可以判断出，ab 边受力的方向是从右向左，而 cd 边受力的方向是从左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。当电枢转到使线圈的 ab 边从 N 极下面进入 S 极，而 cd 边从 S 极下面进入N 极时，与线圈 a 端联接的换向片 1 跟电刷 B 接触，而与线圈 d 端联接的换向片 2 跟电刷 A 接触，如图 2（b）所示。这样，线圈内的电流方向
15、变为从 d 流向c，再从 b 流向 a，从而保持在 N 极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。图 1 所示的直流电动机，只有一匝线圈，它所受到的电磁力是很小的，而且有较大的脉动。如果由直流电源流入线圈的电流大小不变，磁极磁密在垂直于导体运动方向的空间按正弦规律分布，电枢为匀速转动时，此电机有电流和磁场产生的电磁转矩随时间变化的波形，如图 3 所示。由图可以看出，转矩是变化的，除了平均转矩外，还包含着交变转矩。为了克服这些缺点，实际的电动机都是由很多匝线圈组成，并且按照一
16、定的联接方法分布在整个电枢表面上，通常称为电枢绕组。随着线圈数目的增加，换向片的数目也相应地增多，由许多换向片组合起来的整体叫做换向器。图 3 平均电磁转矩的产生由上可知，直流电动机工作时，首先需要建立一个磁场，它可以由永久磁铁或由直流励磁的励磁绕组来产生。由永久磁铁构成磁场的电动机叫永磁直流电动机。对由励磁绕组来产生磁场的直流电动机，根据励磁绕组和电枢绕组的联接方式的不同，分为他励电动机、并励电动机、串励电动机、复励电动机。他励电动机是电枢与励磁绕组分别用不同的电源供电，如图 4（a）所示，永磁直流电动机也属于这一类。并励电动机是指由同一电源供电给并联着的电枢和励磁绕组，如图 4（b）所示。
17、串励电动机的励磁绕组和电枢绕组相串联，串励绕组中通过的电流和电枢绕组的电流大小相等，如图 4（c）所示。复励电动机是既有并励绕组又有串励绕组，并励绕组和串励绕组的磁势可以相加，也可以相减，前者称为积复励，后者称为差复励，如图 4（d）所示。图 4 直流电动机按励磁分类接线图（a ）他励（b）并励（c）串励（d）复励近几十年来，随着永磁材料的发展，尤其是稀土永磁的相继问世，其磁性能有了很大提高。与电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，重量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。- 2.1.2、 直流电机的工作原理串励式双转直流电动机。1前
18、支承 2磁系统绕圈 3后支承 4电框 5轴承图 5 电动机原理结构1转子轴承 2滑环 3换向器电刷 4磁系统 5电枢 6磁系统轴承 7外轴8内轴 9磁绕组 10壳体 11换向器 12滑环电刷图 6 电动机结构简图图 5 所示。电动机装在支承座或壳体内，电动机在其上转动。而电动机通过支承座（或壳体）固定。电动机本体由磁系统、转子（电枢） 、换向器、电刷等组成。图 4 是有外壳的串励式电动机剖面简图。磁系统是用以产生磁场的，当电枢的磁通在此磁场内相互作用时，产生作用力矩及反作用力矩，使电枢和磁系统转动，并且二者转动方向相反。磁系统由铁心和激磁绕组组成。磁系统有主磁极和辅助磁极两部分。主磁极的作用是
19、产生磁场，磁极的磁通即由绕在其上的绕组线圈所产生。辅助磁极的功用是产生补充磁通，以改善换向性能。因为当电枢绕组中的线圈电流在换向时，与线圈相联的换向片同电刷之间会产生火花。为了减少火花，改善换向性能，通常在两主极之间均装有一辅助磁极，也可称换向磁极。电枢也是用来产生磁通的，它由电枢铁心和绕组线圈组成。电枢铁心作为磁的通路及嵌放电枢绕组之用。当电枢在磁场中旋转时，铁心中的磁通方向不断变化，因而也会产生涡流及磁滞损耗，为了减少涡流损耗，电枢铁心一般用0.5 或 0.35mm 厚的涂有绝缘漆的硅钢片迭压而成。电枢绕组是由许多个完全相同的绕组元件按一定的规律联接起来所组成。绕组元件一般就是一个线圈，它
20、的两个线端分别接到换向器的两个换向片上，各元件是在换向片上相互联接起来的。换向器是电动机的整流部分，它是用来向旋转电枢供电和向各段绕组分配电流的。电枢绕组内流过的是交变电流，而外电路是直流电，换向器即是将电源提供的直流电转换为电枢绕组中的交变电流，使电动机工作时始终按一个方向连续旋转。电刷是用以将转动的磁系统和电枢与外线路过程回路系统。鱼雷双转电动机有两组电刷。一组与滑环接触，滑环与磁系统一起转动，而电刷固定不动。另一组电刷装在磁系统上，与随同电枢轴一起转动的换向器接触。图 7 电动机的线路图图 7 是电动机的线路图，由电源出来的电流所经过的途径是：蓄电池正极正极接线柱滑环电刷后滑环换向器正极
21、电刷电枢绕组换向器的负极电刷磁极绕组前滑环滑环电刷负极接线柱蓄电池负极。当电流流过电枢及励磁绕组时，二者形成相互作用的磁场，导致磁系统和电枢作相对的旋转。而磁系统与外轴联接，电枢与内轴联接，因此电动机形成两个旋转方向相反的输出轴。- 2.1.3、 直流电机的特性及基本公式2.1.3.1、 直流电机的特性直流电动机按照励磁方式的不同，可分为他励、并励、串励和复励四种类型。他励直流电动机:励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机。永磁直流电机也可看作他励直流电机。并励直流电动机:并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能
22、上讲与他励直流电动机相同。串励直流电动机：串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。复励直流电动机：复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式。当供电电源比较稳定时，他励励磁和并励励磁的效果基本是相同的，也是使用最多的一种形式。（二）他励和并励电动机的励磁电流是不受负载影响的，即：当外加电压一定时 为一常数。这时由 n=（U a-IaRa）/C E= U a
23、 / CE-R a/CECT 2T 可得：转速 n 可改写为 n=n0-CT。 式中：n 0= Ua / CE 称为理想空载（T=0）转速；C= R a/CECT 2是一个很小的常数，他代表电动机随负载增加而转速下降的斜率。故他励和并励电动机的机械特性曲线是一条稍微向下倾斜的直线，如图 8所示。因此，他励和并励电动机常用于转速不受负载影响又便于在大范围内调速的生产机械。如大型车床、龙门刨床。图 8 并励电动机的机械特性曲线（三）串励电动机的机械特性串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，因此励磁电流等于电枢电流。=C IaC :比例常数，代入 T=CTI a=CT/C 2 代入 n 表达式中得 n
24、=A/T-B 式中：A=U/C RC T/C B=Ra/CE C 是常数图 9 串励电动机的机械特性曲线由此可见，随着转矩 T 的增大，转速 n 下降十分明显。常用于电车、电气机车、起重机等场合。例：当起重机提升重量轻的货物时，速度较高，而提升很重的货物时，速度较低，以保证安全。串励电动机不允许在空载或轻载的情况下运行，因其理想空载转速无限大，易损坏电机。为防止出现空载飞车，串励电动机与负载不允许采用皮带传动等中间环节传动，而采用固定连接。（四）、复励电动机的机械特性复励电动机兼有并励和串励两方面的特性，机械特性曲线也介于两者之间。复励电动机既具有串励电动机的特点，适用于负载转矩变化大需要比较
25、软的机械特性的生产设备中，又可象并励电动机那样在空载或轻载的情况下运行。常用于轮船、无轨电车、起重采矿设备中。2.1.3.2 直流电动机的基本公式在这里我们将讨论直流电动机的电压、功率和转矩的平衡方程，说明其能量关系。(一) 电枢电路电压平衡方程电动机的反电势 在电机工作原理的讨论中，我们知道电枢旋转时，电枢中的载流导体割切磁力线产生感应电动势 Ea=Cen。这个电动势的方向与电枢电流的方向相反，抵制电枢电流的流入，故称为反电动势。因此，电源要向电枢输入电流，就必须克服反电动势的作用，即必须使加在电枢绕组两端的电压 UEa。l电压平衡方程Ea=UIaRa式中，Ia 为电枢电流 (A） ； Ra
26、 为电枢绕组电阻()上式改写后即得电压平衡方程为：U=Ea+IaRa 上式表明，电枢绕组两端的电压 U 可分为两部分，一部分用来平衡反电动势Ea，另一部分就是电枢绕组的电阻压降 IaRa。电枢电流由 U=Ea+IaRa 可导出电枢电流公式，即(二) 功率平衡方程(三) 转矩平衡方程2.1.4 直流电动机的调速为了确保产品质量并提高生产率，要求生产机械能够经常在不同的转速场合下运行。对于电力拖动系统而言，系统可以通过生产机械本身实现速度调节如减速机构的换档等，也可以通过电动机的速度调节满足系统对转速的要求；而大多数电力拖动系统则是通过两者的配合来满足调速要求的。随着各种控制策略的不断完善和实现手
27、段（如微处理器技术、电力电子以及微电子技术等）的采用，生产机械自身结构的复杂性降低，而相应的电气系统的复杂性却在大REIaaUPMcu201nTMo5.92幅度提高。最终结果是，电力拖动系统的性能不断提高，所加工的产品质量和生产率大幅度提高，而生产机械本身的体积却在不断减小。目前这已成为电力拖动系统发展的必然趋势。一般把具有速度调节功能的电力拖动系统简称为调速系统。根据所采用电动机的类型不同，调速系统又可分为直流调速系统与交流调速系统。调速系统的性能指标对于一般调速系统，主要通过如下几个指标评价系统的优劣：（1）调速范围；（2）静差率；（3）调速的平滑性；（4）原始投资与运行成本。前三项为技术
28、指标，最后一项为经济性指标直流电动机的转速 n 和其他参量的关系可表示为式中 Ua电枢供电电压（V）； Ia 电枢电流（A）；励磁磁通（Wb）； Ra电枢回路总电阻（）；CE电势系数， ，p 为电磁对数，a 为电枢并联支路数，N 为导体数。由上式可以看出，式中 Ua、Ra、 三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有四种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻 Ra； (2)改变电枢供电电压 Ua；(3) 采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法;(4)改变励磁磁通 。2.1.4.1、改变电枢回路电阻调速各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调
29、速，如图 1(a)所示。此时转速特性公式为 ： 式中 Rw 为电枢回路中的外接电阻（）。图 1(a) 改变电枢电阻调速电路图 1(b) 改变电枢电阻调速时的机械特性当负载一定时，随着串入的外接电阻 Rw 的增大，电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。其机械特性如图 1(b)所示。Rw 的改变可用接触器或主令开关切换来实现。这种调速方法为有级调速，调速比一般约为 2：1 左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。2.1.4.2、改变电枢电压调速连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。如前所述，改变电枢供电电压的方法有两种，一种是
30、采用发电机-电动机组供电的调速系统；另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。下面分别介绍这两种调速系统。a.采用发电机-电动机组调速方法图 2a(a)发电机-电动机调速电路 图 2a(b)发电机-电动机组调速时的机械特性如图 2a(a)所示，通过改变发电机励磁电流 IF 来改变发电机的输出电压Ua，从而改变电动机的转速 n。在不同的电枢电压 Ua 时，其得到的机械特性便是一簇完全平行的直线，如图 2a(b)所示。由于电动机既可以工作在电动机状态，又可以工作在发电机状态，所以改变发电机励磁电流的方向，如图 2a(a)中切换接触器 ZC 和 FC，就可以使系统很方便地工作在任意四个象限内。由图可知
31、，这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机(LF)，因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大、维护不方便。为克服这些缺点，50 年代开始采用水银整流器（大容量）和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。目前已被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。b.采用晶闸管变流器供电的调速方法图 2b(a) 晶闸管供电的调速电路 图 2b(b) 晶闸管供电时调速系统的机械特性有晶闸管变流器供电的调速电路如图 2b(a)所示。通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。在此调速方法下可得到与发电机-电动
32、机组调速系统类似的调速特性。其开环机械特性示于图 2b(b)中。图 2b(b)中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较硬，改变延迟角 a 时，特性呈一簇平行的直线，它和发电机-电动机组供电时的完全一样。但在电流断续区，则为非线性的软特性。这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响（也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式），则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速
33、方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。如果采用反馈控制系统，调速范围可达 50:1150：1,甚至更大。2.1.4.3、采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法脉宽调速系统出现的历史久远，但因缺乏高速大功率开关器件而未能及时在生产实际中推广应用。今年来，由于大功率晶体管(GTR)，特别是 IGBT 功率器件的制造工艺成熟、成本不断下降，大功率半导体器件实现的直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展，目前其最大容量已超过几十兆瓦数量级。2.1.4.4 、改变励磁电流调速当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式转速特性公式可看出，电动机的转速与磁通 （也就是励磁电流）成反比
34、，即当磁通减小时，转速 n 升高；反之，则 n 降低。与此同时，由于电动机的转矩 Te 是磁通 和电枢电流 Ia 的乘积（即 Te=CTIa），电枢电流不变时，随着磁通 的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通 的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。采用弱磁调速时的范围一般为 1.5:13:1，特殊电动机可达到 5:1。- 2.2、直流电机的调速控制在生产中经常需要改变生产机械
35、的工作速度，改变方法有机械和电气两种，机械方法是通过改变传动机构的传动比来实现调速的。电气方法是通过改变电动机的参数、电源的参数和电动机的接线方式，是电动机运行在不同人为特性曲线上以得到不同的相对稳定转速。- 2.2.1、直流电动机的 PWM 调压调速原理脉宽调制 PWM 是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了 PWM 型，还有 PFM 型和 PWM、PFM 混合型。脉宽宽度调制式（PWM ）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。-PWM 的工作原理是利用脉脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM ）是英文“Pulse
36、 Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM ）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON) ，要么完全无(OFF)。
37、电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。2.2.1.1、PWM 控制的基本原理 理论基础： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 图 1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 面积等效原理： 分别将如图 1 所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L 电路）上，如图 2a所示。其输出电流 i(t)对不同窄脉冲时
38、的响应波形如图 2b 所示。从波形可以看出，在 i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各 i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应 i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各 i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。图 2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波 N 等分，看成 N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。 SPWM 波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波
39、形。图 3 用 PWM 波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 PWM 电流波： 电流型逆变电路进行 PWM 控制，得到的就是 PWM 电流波。 PWM 波形可等效的各种波形： 直流斩波电路：等效直流波形 SPWM 波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制相同，也基于等效面积原理。2.2.1.2、PWM 相关概念占空比：就是输出的 PWM 中，高电平保持的时间 与 该 PWM 的时钟周期的时间 之比如，一个 PWM 的频率是 1000Hz，那么它的时钟周期就是 1ms，就是 1000us，如果高电平出现
40、的时间是 200us，那么低电平的时间肯定是 800us，那么占空比就是 200：1000，也就是说 PWM 的占空比就是 1：5。分辨率也就是占空比最小能达到多少，如 8 位的 PWM，理论的分辨率就是1：255(单斜率)， 16 位的的 PWM 理论就是 1：65535(单斜率)。频率就是这样的，如 16 位的 PWM，它的分辨率达到了 1：65535，要达到这个分辨率，T/C 就必须从 0 计数到 65535 才能达到，如果计数从 0 计到 80 之后又从0 开始计到 80.，那么它的分辨率最小就是 1：80 了，但是，它也快了，也就是说 PWM 的输出频率高了。双斜率 / 单斜率假设一
41、个 PWM 从 0 计数到 80，之后又从 0 计数到 80. 这个就是单斜率。假设一个 PWM 从 0 计数到 80，之后是从 80 计数到 0. 这个就是双斜率。可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的 PWM 频率就慢了一半，但是分辨率却是 1：(80+80) 1：160，就是提高了一倍。假设 PWM 是单斜率，设定最高计数是 80，我们再设定一个比较值是 10，那么T/C 从 0 计数到 10 时(这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值 80)，单片机就会根据你的设定，控制某个 IO 口在这个时候是输出 1 还是输出 0 还是端口取反，这样，就是 PWM 的最基本的原理了。 脉
42、宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关、时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的方波电压，加到直流电动机的两端，。通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，达到调节电动机转速的要求。 图是 PWM 控制方式的速度控制单元的框图。图中速度调节器及电流调节器都采用了 PI 调节器。电路中的核心部分是主回路及脉宽调制器。其它还有自适应反馈电路可改善低速动态特性，电路设有电流极限设定环节及特性校正环节。监视器的功能是作瞬时调节或阻止延滞，对极限电流信号的处理，检测和处理交流电源或直流回路的过压，检测速度调节器在极限情况下是否超过允许的时间，检查桥式功率晶体管是否过流等。以上皆为特点所在。2.2
43、.1.3.脉宽调制（PWM）原理PWM 驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通” 与“断开”时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“ 占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置” 。PWM 控制的示意图如图所示，可控开关 S 以一定的时间间隔重复地接通和断开，当 S 接通时，供电电源 U。通过开关 S 施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能；当开关 S 断开时，中断了供电电源 U。向电动机提供能量，但在开关 S 接通期间电枢电感所储存的能量此时通过续
44、流二极管 VD 使电动机电流继续流通。图所示为桥式 PWM 驱动装置的控制原理框图。PWM 驱动装置的控制结构可分为两大部分：从主电源将能量传递给电动机的电路称为功率转换电路；其余部分称为控制电路。控制电路通常由恒频率波形发生器、脉冲宽度调制电路、基极驱动电路、保护电路等基本电路组成。我们这里使用循环移位的算法：产生 PWM 信号可以由定时器来完成,但是由于 96 内部只提供了两个定时器,因此如果要向三个或更多的直流电机输出不同占空比的信号要反复设置定时器,实现较为复杂,我们采用一种比较简单的方法不仅可以实现对更多的直流电机提供不同的占空比输入信号，而且只占用一个定时器资源。这种方法可以简单表
45、述如下：在内存的某段空间内存放各个直流电机所需的输入信号占空比信息，如果占空比为 1 则保存 0FFH(11111111B)；占空比为 0.5 则保存 0F0H(11110000B)或任何 2 进制数中包括 4 个 0 和 4 个 1。即占空比1 的个数/8具体选取什么样的二进制数要看输出频率的要求。若要对此直流电机输出PWM 信号，只要每个时间片移位一次取出其中固定的一位（可以用位寻址或进位标志 C 实现）送到电机端口上即可。另外，移位算法是一种对以前结果依赖的算法，所以最好定期检查或重置被移位的数，防止移错导致一直错下去。这种算法的优点是独立进程，可以实现对多个电机的控制，缺点是占用资源较
46、大，PWM 频率较低。2.2.1.4.脉宽调制（PWM）的优点PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0 或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。从模拟信号转向 PWM 可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的 RC 或 LC 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。可以将 PWM 控制器的输出连接到电源与制动器之间的一个开关。要
47、产生更大的制动功率，只需通过软件加大 PWM 输出的占空比就可以了。如果要产生一个特定大小的制动压力，需要通过测量来确定占空比和压力之间的数学关系(所得的公式或查找表经过变换可用于控制温度、表面磨损等等)。总之，PWM 既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。- 2.2.2、直流电动机 H 型驱动可逆 PWM 系统2.2.2.1 H 型格式电路基本理论直流电机驱动电路使用最广泛的就是 H 型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图 1 所示。全桥式驱动电路的 4 只开关管都工
48、作在斩波状态，S1、S2 为一组，S3、S4为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须判断。当 S1、S2 导通时，S3、S4 判断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当S3、S4 导通时，S1、S2 判断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。在电机动作过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在 S1、S2 导通且 S3、S4 判断，到 S1、S2 判断且S3、S4 导通，这两种状态之间转换。在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和判断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上
49、桥臂判断的过程中，下桥臂导通了。这个过程可用图 2 说明。因此，为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性，两组控制信号在理论上要求互为相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可以通过软件实现。驱动电流不仅可以通过主开关管流通，而且还可以通过续流二极管流通。当电机处于制动状态时，电机便工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时烧毁。开关管的选择对驱动电路的影响很大，开关管的选择宜遵循以下原则：（1）由于驱动电路是功率输出，要求开关管输出功率较大；（2）开关管的开通和关断时间应尽可能小；（3）电机使用的电源电压不高，因此开关管的饱和压降应该尽量低。在实际制作中，我们选用大功率达林顿管 TIP122 或场效应管 IRF530，效果都还不错，为了使电路简化
