基于單片機(jī)的直流伺服電機(jī)PWM控制系統(tǒng)(共25頁)

1、PAGE PAGE 4成績運(yùn)動(yndng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計題 目: 基于(jy)單片機(jī)的直流伺服電機(jī)PWM控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 院系名稱: 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級: xxx 學(xué)生姓名: xxx 學(xué) 號: xxxx 指導(dǎo)教師: 石慶生 評語：摘 要單片機(jī)是應(yīng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的要求而出現(xiàn)的，隨著單片機(jī)的迅速發(fā)展，起應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。盡管目前已經(jīng)發(fā)展眾多種類的單片機(jī)，但是應(yīng)用較廣、也是最成熟的還是最早有Intel開發(fā)的MCS-51系列單片機(jī)（51系列單片機(jī)）。51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)成為(chngwi)目前主流的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。直流電機(jī)脈沖寬度(kund)調(diào)制（Pulse Width M

2、odulation簡稱PWM）調(diào)速產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代中期，最早用于自動跟蹤天文望遠(yuǎn)鏡，自動記錄儀表等的驅(qū)動，后來用于晶體管器件水平的提高及電路技術(shù)(jsh)的發(fā)展，PWM技術(shù)得到了高速發(fā)展，各式各樣的脈寬調(diào)速控制器，脈寬調(diào)速模塊也應(yīng)運(yùn)而生，許多單片機(jī)也都有了PWM輸出功能。而MCS51系列單片機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)之一，卻沒有PWM輸出功能，本課設(shè)采用配合軟件的方法實(shí)現(xiàn)了MCS51單片機(jī)的PWM輸出調(diào)速功能，這對精度要求不高的場合時非常實(shí)用的。目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc22675 1、前言(qin yn) PAGEREF _Toc22675

3、3 HYPERLINK l _Toc12451 1.1 單片機(jī)的發(fā)展史 PAGEREF _Toc12451 3 HYPERLINK l _Toc19868 1.2 本設(shè)計(shj)任務(wù) PAGEREF _Toc19868 4 HYPERLINK l _Toc29475 2、總體設(shè)計方案(fng n) PAGEREF _Toc29475 5 HYPERLINK l _Toc2411 3、硬件電路設(shè)計 PAGEREF _Toc2411 5 HYPERLINK l _Toc32109 3.1硬件組成 PAGEREF _Toc32109 5 HYPERLINK l _Toc23174 3.2主要器件功

4、能介紹 PAGEREF _Toc23174 6 HYPERLINK l _Toc16083 3.2.1直流伺服電機(jī)簡介 PAGEREF _Toc16083 6 HYPERLINK l _Toc27215 3.2.2 PWM簡介及調(diào)速原理 PAGEREF _Toc27215 7 HYPERLINK l _Toc15646 3.2.3 傳感器選擇 PAGEREF _Toc15646 8 HYPERLINK l _Toc27038 3.3 電路組成 PAGEREF _Toc27038 9 HYPERLINK l _Toc18249 3.3.1 晶振電路 PAGEREF _Toc18249 9 HYP

5、ERLINK l _Toc20209 3.3.2 復(fù)位電路 PAGEREF _Toc20209 9 HYPERLINK l _Toc14191 3.3.3 單相橋式整流電路 PAGEREF _Toc14191 10 HYPERLINK l _Toc6987 3.3.4 調(diào)制電路 PAGEREF _Toc6987 10 HYPERLINK l _Toc1186 4、系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc1186 11 HYPERLINK l _Toc774 4.1系統(tǒng)簡介及原理 PAGEREF _Toc774 11 HYPERLINK l _Toc11532 4.2系統(tǒng)設(shè)計原理 PAGEREF

6、_Toc11532 11 HYPERLINK l _Toc537 4.3 程序流程圖 PAGEREF _Toc537 13 HYPERLINK l _Toc393 5、建模 PAGEREF _Toc393 14 HYPERLINK l _Toc24479 5.1控制框圖 PAGEREF _Toc24479 14 HYPERLINK l _Toc26520 5.2參數(shù)計算 PAGEREF _Toc26520 15 HYPERLINK l _Toc687 5.3 PWM變換器環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc687 16 HYPERLINK l _Toc2906 5.4 仿真結(jié)果圖 PAGE

7、REF _Toc2906 17 HYPERLINK l _Toc19127 總 結(jié) PAGEREF _Toc19127 18 HYPERLINK l _Toc2801 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc2801 18 HYPERLINK l _Toc28673 附件(fjin)1：匯編設(shè)計 PAGEREF _Toc28673 19 HYPERLINK l _Toc11655 附件(fjin)2： PAGEREF _Toc11655 21PAGE 201、前言(qin yn)1.1 單片機(jī)的發(fā)展史單片機(jī)作為微型計算機(jī)的一個重要分支,應(yīng)用面很廣,發(fā)展很快。自單片機(jī)誕生至今以發(fā)展為上百種(bi zh

8、n)系列的近千個分支。如果將8位單片機(jī)的推出作為起點(diǎn)，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個階段：（1）第一階段（19761978）：單片機(jī)的控索階段(jidun)。以Intel公司的MCS48的推出是在工控領(lǐng)域的控索，參與這一控索的公司還有Motorola、Zilog等，都取 得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單片機(jī)”一詞由此而來。（2）第二階段（19781982）：單片機(jī)的完善階段。Intel公司在MCS48的基礎(chǔ)上推出了完善的，典型的單片機(jī)系列MCS51.它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。 完善的外部總線。MCS51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括8位

9、數(shù)據(jù)總線16位地址總線控制總線及具有很多通信功能的串行通信接口。 CPU外圍功能單元的集中管理模式。 體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。（3）第三階段（19821990）：8位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS96系列單片機(jī)，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運(yùn)行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器的特征。隨著MCS51系列的廣泛應(yīng)用，許多電氣廠商競相使用80C51為內(nèi)核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多通道A/D轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等

10、應(yīng)用到單片機(jī)中，增強(qiáng)了外圍電路的功能，強(qiáng)化了智能控制的特征。（4）第四階段（1990）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機(jī)在各個領(lǐng)域全面深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的8位/16位/32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價的專用型單片機(jī)。 1.2 本設(shè)計(shj)任務(wù)任務(wù): 單片機(jī)為控制(kngzh)核心的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)。功能主要(zhyo)包括：直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)；直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)；直流電機(jī)的加速；直流電機(jī)的減速；直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示；直流電機(jī)的啟動；直流電機(jī)的停止；2、總體設(shè)計方案總體設(shè)計方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。數(shù)碼管顯示按鍵控制單片機(jī)PWM電機(jī)驅(qū)動圖

11、1鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過P1.0與P1.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅(qū)動H型橋式電動機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過數(shù)碼管顯示出來。電動機(jī)所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“三” ，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時最高位顯示“F”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。每次電動機(jī)啟動后開始顯示，停止時數(shù)碼管顯示出“0000”。 3、硬件(yn jin)電路設(shè)計3.1硬件(yn jin)組成本系統(tǒng)(xtng)由PC機(jī)、MCS-51單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)、PWM脈寬調(diào)制控制板以及直流伺服電動機(jī)等組成。具體相關(guān)硬件如下所示

12、：二極管（1N4077）4個，場效應(yīng)管（2SJ50）4個，非門74LS04 1個，與門74LS08 2個，電容（CAPACITOR） 2個，芯片（AT89C51） 1個，開關(guān)（BUTTON）3個，直流伺服電動機(jī)（MOTOR）1個，電阻（RES）4個，電源3個，地（GROUND）4個。如表3.1所示：硬件型號數(shù)量硬件型號數(shù)量1N40774MOTOR12SJ504RES474LS041CAPACITOR274LS082GROUND4AT89C511VCC3BUTTON3表3.1 元件表3.2主要器件功能介紹3.2.1直流伺服電機(jī)簡介伺服電機(jī)也稱執(zhí)行電機(jī)，它具有一種服從控制信號的要求而動作的電機(jī)，在

13、信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)信號小時，轉(zhuǎn)子能即使自行停轉(zhuǎn)，由于這種“伺服”性能，因此而得名。按照在自動控制系統(tǒng)中的功用所要求(yoqi)，伺服電機(jī)具備可控性好、穩(wěn)定性高和速應(yīng)性強(qiáng)等基本性能?？煽刂菩院檬侵笇ず孟б院?，能立即自行停轉(zhuǎn)；穩(wěn)定性高是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而均勻下降，速應(yīng)性強(qiáng)是指反應(yīng)快，靈敏。直流伺服電動機(jī)在自動控制系統(tǒng)中常用作執(zhí)行元件,對它的要求(yoqi)是要有下垂的機(jī)械特性、線性的調(diào)節(jié)特性和對控制信號能作出快速反應(yīng)。該系統(tǒng)采用的是電磁式直流伺服電動機(jī),其型號為45SY01型,其轉(zhuǎn)速n的計算公式如下:n=E/K=(Ua-IaRa)/K式中n為轉(zhuǎn)速(zhu

14、n s);為磁通;E為電樞反電勢;Ua為外加電壓;IaRa為電樞電流和電阻。 直流伺服電機(jī)與普通直流電機(jī)以及交流伺服電機(jī)的比較：直流伺服電機(jī)的工作原理和普通直流電機(jī)相同。只要在其勵磁繞組中有電流通過且產(chǎn)生了磁通，當(dāng)電樞繞組中通過電流時，這個電樞電流與磁通互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使伺服電機(jī)投入工作。這兩個繞組其中的一個斷電時，電動機(jī)立即停轉(zhuǎn)，它不象交流伺服電動機(jī)那樣有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。所以我們選擇直流伺服電動機(jī)來進(jìn)行自動門的拖動。3.2.2 PWM簡介及調(diào)速原理（1）簡介：PWM控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等待地獲得所需要波形。PWM的一個優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系

15、統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持在數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式。（2）調(diào)速原理：占空比表示了在一個周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。其變化范圍為01。如圖2.1，在電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值U取決于占空比的大小。改變其值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在PWM調(diào)速時，占空比是一個重要的參數(shù)。以下是3種方式都可以改變占空比的值：圖2.1 占空比示意圖計算公式：占空比=ton/Ta)定寬調(diào)頻(dio pn)法b)調(diào)寬調(diào)頻(dio pn)法c)定頻調(diào)寬法目前

16、，在直流伺服電機(jī)的控制中，主要(zhyo)使用定頻調(diào)寬法。（3）與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用可能就足以獲得脈沖動很小的直流電流，電樞容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1：10000左右。又由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。 同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。 由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率比較高。3.2.3 傳感器選擇霍爾器件是一種磁傳感器。按照霍爾器件的

17、功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量，可用于磁場的測量和控制?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1 MHz) ,耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻栭_關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高。此外，其工作溫度范圍寬。其中最常用(chn yn)的有以下幾種：（1）霍爾元件(yunjin)式位置傳感器霍爾元件式位置傳感器是磁敏式位置傳感器的一種。它是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場中，即輸出霍爾電勢信號，當(dāng)其不受外磁場作用時，

18、其輸出端無信號。用霍爾元件作轉(zhuǎn)子位置傳感器通常有兩種方式。第一種方式是將霍爾元件粘貼(zhnti)于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝在與電機(jī)軸同軸的永磁體。對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)，三個霍爾元件在空間彼此相隔120電角度，永磁體的極弧寬度為180電角度。這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，三個霍爾元件便交替輸出三個寬度為180電角、相位互差120電角的矩形波信號。第二種方式是直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體主極作為傳感器的永磁體，根據(jù)霍爾元件的輸出信號即可判斷轉(zhuǎn)子磁極位置，將信號放大處理后便可驅(qū)動逆變器工作。（2）電磁式

19、位置傳感器 電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成。轉(zhuǎn)子由扇形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成。電機(jī)運(yùn)行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉(zhuǎn)子磁芯耦合，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器工作。這種傳感器具有較高的強(qiáng)度，可經(jīng)受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動開關(guān)管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。由于這種傳感器過于笨重復(fù)雜，因而大大限制了其在普通條件下的應(yīng)用。3.3 電路組成3.3.1 晶振電路圖2.3.1晶振電路圖，由兩個電容和一個晶振組

20、成，晶振頻率為12MHZ。圖2.3.1晶振電路圖3.3.2 復(fù)位(f wi)電路圖2.3.2為復(fù)位電路圖，由直流電源，電容(dinrng)和電阻組成，其主要功能是對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位功能。圖2.3.2復(fù)位(f wi)電路圖3.3.3 單相橋式整流(zhngli)電路圖2.3.3是單相橋式整流電路圖，由4個場效應(yīng)管IGBT和四個二極管組成，其功能是將交流電轉(zhuǎn)化成直流電。其負(fù)載為伺服直流電機(jī)，通過(tnggu)門控信號的改變可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向圖2.3.3單相(dn xin)橋式整流電路圖3.3.4 調(diào)制電路圖2.3.4是調(diào)制電路圖，由兩個與門和一個非門組成，其功能主要是產(chǎn)生PWM脈沖來控制IGB

21、T。圖2.3.4調(diào)制電路圖4、系統(tǒng)軟件(x tn run jin)設(shè)計4.1系統(tǒng)(xtng)簡介及原理(yunl)該課設(shè)是基于單片機(jī)利用脈沖寬度調(diào)制來控制伺服直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向，是一個典型的控制系統(tǒng)。脈沖寬度調(diào)制主要是改變脈沖信號的占空比來實(shí)現(xiàn)控制的。當(dāng)增加脈沖的占空比，伺服直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加；反之，其速度降低。所以通過控制脈沖的占空比可以控制伺服直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。單片機(jī)AT89C51，其主要功能就是將開關(guān)的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并通過固定程序，通過對信號的識別，輸出相應(yīng)的控制信號。采用IGBT作為開關(guān)器件的單相橋式PWM逆變電路。以電動機(jī)作為負(fù)載，工作時Q1,Q3的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，Q2

22、,Q4的通斷狀態(tài)也互補(bǔ)。PWM逆變電路中間是調(diào)制電路，輸入信號分別是信號波和載波，輸出的信號分別送至4個IGBT的門極，對其控制。4.2系統(tǒng)設(shè)計原理（1）正反轉(zhuǎn)控制原理該系統(tǒng)中利用開關(guān)K3控制伺服直流電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)開關(guān)閉合時既輸入信號為1，通過單片機(jī)編程處理后，控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)；反之，控制電動機(jī)的反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)該功能的子程序?yàn)椋篖OOP: JB K3,LOOPZF ；高電平逆時針轉(zhuǎn)，低電平順時針轉(zhuǎn) CLR ZF ；針轉(zhuǎn) LJMP LOOPK1LOOPZF: SETB ZF（2）加速控制原理該系統(tǒng)中利用開關(guān)K1控制伺服直流電動機(jī)的加速。當(dāng)開關(guān)閉合時既輸入信號為1，通過單片機(jī)編程處理后，增加控制脈

23、沖的占空比，從而增大了電動機(jī)兩側(cè)的電壓，使伺服直流電動機(jī)加速；反之，電動機(jī)保持勻速轉(zhuǎn)動。實(shí)現(xiàn)該功能的子程序?yàn)椋篖OOPK1: JB K1,LOOPK2 ；K1按下加速(ji s) LCALL DELAY MOV A,PWML ADD A,#1 ；調(diào)寬值低4位加1 MOV PWML,A MOV A,PWMH ADDC A,#0 ；調(diào)寬值高4位加1 MOV PWMH,A JNC LOOPK2 ；最大值時 MOV PWMH,#0FFH（3）減速控制(kngzh)原理該系統(tǒng)中利用開關(guān)K2控制伺服直流電動機(jī)的加速。當(dāng)開關(guān)閉合時既輸入信號為1，通過單片機(jī)編程處理后，減少控制脈沖的占空比，從而減小了電動機(jī)兩

24、側(cè)的電壓(diny)，使伺服直流電動機(jī)減速；反之，電動機(jī)保持勻速轉(zhuǎn)動。實(shí)現(xiàn)該功能的子程序?yàn)椋篖OOPK2: JB K2,OVER ；K2按下減速 LCALL DELAY MOV A,PWML CLR C SUBB A,#1 ；調(diào)寬值低4位減1 MOV PWML,A MOV A,PWMH SUBB A,#0 ；調(diào)寬值高4位減1 MOV PWMH,A JNC OVER MOV PWMH,#00H ；最小值時4.3 程序(chngx)流程圖由以下(yxi)流程圖可知，系統(tǒng)先檢測開關(guān)3（正反轉(zhuǎn)開關(guān)）的信號。如果是0信號（開的狀態(tài)），則發(fā)出正轉(zhuǎn)信號，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反之電動機(jī)反轉(zhuǎn)。檢測完開關(guān)3，接下來檢測開

25、關(guān)1（加速開關(guān)），若信號為1（關(guān)的狀態(tài)），發(fā)出加速的信號，電動機(jī)加速，若信號為0（開的狀態(tài)），速度保持不變。再檢測開關(guān)2（減速開關(guān)），若信號為1（關(guān)的狀態(tài)），發(fā)出減速的信號，電動機(jī)減速，若信號為0（開的狀態(tài)），速度保持不變。系統(tǒng)一直對三個開關(guān)信號循環(huán)檢測，循環(huán)的執(zhí)行程序。圖4.3程序(chngx)流程圖5、建模5.1控制(kngzh)框圖 根據(jù)設(shè)計要求，所設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，選定轉(zhuǎn)速為反饋量，采用變電壓(diny)調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的無極平滑調(diào)速。 轉(zhuǎn)速用與電動機(jī)同軸相連的測速電機(jī)產(chǎn)生的正比于轉(zhuǎn)速的電壓信號反饋到輸入端，再與給定值比較，經(jīng)放大環(huán)節(jié)產(chǎn)生控制電壓，再通過電力電子

26、變換器來調(diào)節(jié)電機(jī)回路電流，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。這里，電壓放大環(huán)節(jié)采用集成電路運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，主電路用晶閘管可控整流器調(diào)節(jié)對電機(jī)的電源供給。有了原理圖之后(zhhu)，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數(shù)用自控原理中的結(jié)構(gòu)圖5.1表示(biosh)，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖5.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)(jigu)框圖 同理，用各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，表示成結(jié)構(gòu)圖形式，就得到了系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。由所學(xué)的相關(guān)課程知：放大環(huán)節(jié)可以看成純比例環(huán)節(jié)，電力電子變換環(huán)節(jié)是一個時間常數(shù)很小的滯后環(huán)節(jié)，這里把它看作一階慣性環(huán)節(jié)，而額定勵磁下的直流電動機(jī)是一個二階線性環(huán)節(jié)。所以，可以得到5.2的框圖

27、：圖5.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖5.2參數(shù)計算 設(shè)計完系統(tǒng)框圖，就可以用已知的傳遞函數(shù)結(jié)合設(shè)計要求中給定的參數(shù)進(jìn)行對系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)兩套參數(shù)的計算。以便于后續(xù)步驟利用經(jīng)典控制論對系統(tǒng)的分析。為了方便以下的計算，每個參數(shù)都采用統(tǒng)一的符號，這里先列出設(shè)計要求中給出的參數(shù)及大小： 電動機(jī)：PN=10kw UN=220v IdN=55A nN=1000rpm Ra=0.5 晶閘管整流(zhngli)裝置：二次線電壓E2l=230v Ks=44 主回路(hul)總電阻：R=1 測速發(fā)電機(jī)：PNc=23.1kw UNc=110v IdN=0.21A nNc=1900rpm 系統(tǒng)運(yùn)動部分(b fen)

28、：飛輪矩GD2=10Nm2 電樞回路總電感量：要求在主回路電流為額定值10時，電流仍連續(xù) 生產(chǎn)機(jī)械：D=10 s51、靜態(tài)參數(shù)設(shè)計計算 A、空載到額定負(fù)載的速降nN由公式： （其中D，s已知） 得：nN5.26rpm B、系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)K由公式： （由公式 算出Ce =0.1925Vmin/r） 得：K=53.3 C、測速反饋環(huán)節(jié)放大系數(shù)a設(shè)：測速發(fā)電機(jī)電動勢系數(shù)= UNc/ nNc=0.0579 Vmin/r測速發(fā)電機(jī)輸出電位器RP2分壓系數(shù)a2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，人為選定a2=0.2則a=Cec a2=0.01158 2、RP2的選擇主要從功耗方面考慮，以不致過熱為原則。D、運(yùn)算放大器的放大系數(shù)K

29、p由公式 （其中即a） Kp 20.14 取Kp=21 （若向小方向取，可能影響(yngxing)快速性，由于后加限幅電路，略大無妨）此處的近似(jn s)，使k由53.3變?yōu)?5.582、動態(tài)參數(shù)(cnsh)設(shè)計計算 在經(jīng)典控制論中，動態(tài)分析基于確定系統(tǒng)的傳函，所以要求出傳函并根據(jù)已知求的傳函中的未知參數(shù)，再用勞斯判據(jù)得出系統(tǒng)穩(wěn)定性，在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上再加校正以優(yōu)化系統(tǒng)，使穩(wěn)、準(zhǔn)、快指標(biāo)平衡在要求范圍內(nèi)的值上。5.3 PWM變換器環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型圖5.3繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動電壓都由 PWM 控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。按照上述對P

30、WM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓改變時，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一個開關(guān)周期 T 。圖5.3 PWM變換器環(huán)節(jié)框圖根據(jù)其工作原理，當(dāng)控制電壓改變時，PWM變換器的輸出電壓要到下一個周期方能改變。因此，脈寬調(diào)制器和PWM變換器合起來可以看成一個滯后環(huán)節(jié)，它的延時最大不超過一個開關(guān)周期T。則，當(dāng)整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截至頻率滿足因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成 當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時，T = 0.1ms ，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一

31、階慣性環(huán)節(jié)，因此 Kp脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)。 5.4 仿真(fn zhn)結(jié)果圖下圖是系統(tǒng)的仿真圖，圖中左下方是三個控制開關(guān)，分別控制直流伺服電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速。開關(guān)按下時，是高電平信號，開關(guān)開時，是低電平信號（信號為高電平時有效）。開關(guān)右側(cè)的單片機(jī)AT89C51，其主要功能就是將開關(guān)的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并通過固定程序，通過對信號的識別，輸出相應(yīng)的控制信號。系統(tǒng)圖的最右側(cè)是采用IGBT作為開關(guān)器件的單相橋式PWM逆變電路。以電動機(jī)作為負(fù)載，工作時Q1,Q3的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，Q2,Q4的通斷狀態(tài)也互補(bǔ)。PWM逆變電路下方是調(diào)制(tiozh)電路，輸入信號分別是信號波和載波，

32、輸出的信號分別送至4個IGBT的門極，對其控制。圖5.4 仿真(fn zhn)結(jié)果圖總 結(jié)通過此次(c c)課程設(shè)計，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)電機(jī)(dinj)技術(shù)(jsh)方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過親自動手設(shè)計與仿真調(diào)試，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。本設(shè)計的中心思想就是結(jié)合各課的知識，來完成一個綜合的設(shè)計。通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖，來控制單相橋式整流電路，從而實(shí)現(xiàn)了對直流伺服電動機(jī)的調(diào)速控制。在今后的學(xué)習(xí)中，我不但要將理論知識學(xué)好，還要將其應(yīng)用到實(shí)踐，并且將各科知識聯(lián)系起來應(yīng)用。參考文獻(xiàn)【1】蔣輝平 基于Proteus的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(shj)與仿真實(shí)例(M)。機(jī)械工業(yè)出版社，2009【2】李群芳 單片微機(jī)計算機(jī)與接口技術(shù)(M)北京。電子(dinz)工業(yè)