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

[摘要] PWM(Pulse Width Modulation)控制就是指保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間T 對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)在晶閘管時(shí)代就已經(jīng)產(chǎn)生，但是最初為了使晶閘管通斷要付出很大的代價(jià)，因而難以得到廣泛應(yīng)用。以IGBT、功率MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善，給PWM控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)，推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展。對(duì)于直流電機(jī)，采用PWM控制技術(shù)構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，起停時(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)。

[關(guān)鍵詞] 直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)

直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門(mén)中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，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)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。

隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開(kāi)的時(shí)間比(占空比)來(lái)控制馬達(dá)的速度，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，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。最近幾年來(lái)，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，使調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。

一、PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

PWM信號(hào)發(fā)生器是由單片機(jī)和PWM脈沖發(fā)生電路兩部分組成，其原理如圖所示。PWM脈沖可由具有PWM輸出口的單片機(jī)(如80C552，80C198等)通過(guò)編程產(chǎn)生，或者由單片機(jī)外擴(kuò)8253來(lái)構(gòu)成脈寬調(diào)制器，還可以采用PWM專用芯片。在實(shí)踐中我們采用通用集成電路4585和4040設(shè)計(jì)了一種專用的PWM的脈沖發(fā)生電路。當(dāng)l2位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器u4(404o)的RST引腳為“1”高電平)時(shí)，Q2-Q9均為“0”(低電平)。當(dāng)RST為“0”時(shí)，CLK引腳每來(lái)一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器加l。當(dāng)系統(tǒng)晶振頻率為12MHz時(shí)，Q2-Q9由全“0”變?yōu)槿發(fā)”的時(shí)間為42.5μs。2片4位數(shù)值比較器U2，U3(4585)串聯(lián)組成8位數(shù)值比較器，其A組輸入端接U4的Q2-Q9，B組輸入端由U1的P1口送入預(yù)置數(shù)N。當(dāng)A組輸入小于B組輸入時(shí)，U2的l3腳輸出低電平，否則U2的l3腳輸出高電平，這樣在U2的l3腳就產(chǎn)生了脈沖信號(hào)，其占空比為(256-N)／256，周期為42．5μs。這里U1選擇美國(guó)ATMAL公司的AT89C2051，其芯片結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)與5l系列單片機(jī)兼容，內(nèi)部有2KB閃速存儲(chǔ)器，無(wú)需外擴(kuò)EPROM，而且僅有20條引腳，管腳排列參見(jiàn)圖。該芯片市場(chǎng)價(jià)格便宜，具有良好的性能價(jià)格比，特別適用于小型經(jīng)濟(jì)型控制器。在本系統(tǒng)中，由U1的Pl口向8位數(shù)值比較器U2和U3傳送預(yù)置數(shù)N，改變N就可以改變PWM脈的占空比。

二、直流電機(jī)速度閉環(huán)控制軟件實(shí)現(xiàn)方法

u1的P3.3，P3.4分別接升速按鈕s1和降速按鈕s2。當(dāng)s1鍵按下時(shí)，將送到P1口的預(yù)置數(shù)N減1以增大PWM信號(hào)的占空比；當(dāng)s2按下時(shí)，將N加1以減小PWM信號(hào)的占空比。

在進(jìn)行軟件編程時(shí)應(yīng)加入鍵盤(pán)去抖、速度限幅等處理程序。系統(tǒng)采用計(jì)時(shí)法測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)的輸出軸裝有測(cè)速盤(pán)，其上沿圓周方向均布32個(gè)孔，采用透射式光電傳感器，其輸出信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后輸入2051的P3-2口。每當(dāng)轉(zhuǎn)至小孔處，光電傳感器接收到信號(hào)，引起2051外部中斷。2051的定時(shí)器T1設(shè)定為16位定時(shí)器方式，初始化TH1，TL1為#00H。在外部中斷程序中啟動(dòng)定時(shí)器T1，然后中斷返回。當(dāng)下一個(gè)外部中斷到來(lái)時(shí)，讀取TH1，TL1的值，即兩孔間電機(jī)運(yùn)行時(shí)間t。依據(jù)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)計(jì)算得出電機(jī)各檔速度下的T值，組成速度一時(shí)間表。當(dāng)電機(jī)處于某檔速度時(shí)，測(cè)量所得到的t值，如比較從速度一時(shí)間表中查出的T值大，則說(shuō)明電機(jī)速度比設(shè)定的低，此時(shí)可通過(guò)增大PWM脈沖的占空比提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，反之，則通過(guò)減小PWM脈沖的占空比提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣通過(guò)軟件編程，就實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的速度閉環(huán)控制。實(shí)踐中，應(yīng)采用數(shù)字濾波去除抖動(dòng)或外部干擾的影響。

三、結(jié)論

本系統(tǒng)控制原理成熟可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)是基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)，采用PWM控制技術(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。工作安全可靠、維護(hù)量小，從而確保了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

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