直流電動機(jī)設(shè)計方案

1 直流電動機(jī) 設(shè)計方案 第 1章 前 沿 題研究的背景及意義 直流電動機(jī)以其良好的起動、制動性能，較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，在許多調(diào)速要求較高、要求快速正反向、以蓄電池為電源的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，雖然高性能交流調(diào)速技術(shù)得到了很快的發(fā)展，在某些領(lǐng)域交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。然而直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)不僅在理論上和實踐上都比較成熟，目前還在應(yīng)用，比如軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車等都還有用直流電機(jī)；而且從控制規(guī)律的角度來看，交流拖動控制系統(tǒng)的控制方式是建立在直流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，從某種意 義上說有相似的地方。因此，掌握和了解直流拖動控制系統(tǒng)的控制規(guī)律和方法是非常必要的。 從生產(chǎn)機(jī)械的要求的角度看，電力拖動控制系統(tǒng)分為調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、多電動機(jī)同步控制系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)等多種類型。而各種系統(tǒng)大多都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是電力拖動控制系統(tǒng)最基本的系統(tǒng) 1。 從直流電機(jī)在國民生產(chǎn)生活中所占位置的角度來看，直流電機(jī)目前依舊應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，并廣泛應(yīng)用于人們的生活中。因此直流電機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展很大程度上影響著國民經(jīng)濟(jì)的增長，影響著人們的生產(chǎn)生活水平，因此，對直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究還是很有必要的。 題發(fā)展歷程及趨勢 在很長的一段時間里直流電動機(jī)作為最主要的電力拖動工具，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的各個方面。早期電動機(jī)調(diào)速控制器主要由模擬器件構(gòu)成，由于模擬器件存在的固有缺點(diǎn)，比如存在溫漂，零漂電壓等，使系統(tǒng)控制精度和可靠性降低。后來，隨著可編程控制器比如 和 電力電子開關(guān)器件，傳感器技術(shù)等的發(fā)展使得直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入了數(shù)字控制的階段，這使得直流電機(jī)調(diào) 2 速系統(tǒng)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，從而出現(xiàn)了各種控制算法，比如比較經(jīng)典的 節(jié)算法和后來的模糊控制算法等，這些領(lǐng)域的發(fā)展使得直流電機(jī)調(diào)速的精度和可靠性能大大提高，它取代了常規(guī)的模擬檢測、顯示等單元，基本上實現(xiàn)了智能化，使被控對象的動態(tài)過程按照規(guī)定的方式運(yùn)行，已經(jīng)能夠滿足絕大部分的工作要求，這使得以微控制器為核心的控制系統(tǒng)成為工業(yè)生產(chǎn)中控制系統(tǒng)的主流。 90 年代由于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用 理速度更高，需要的外圍單元更少，這使得直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)向著更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。 目前，國內(nèi)外主要電氣公司，如瑞典 司，日本三菱，德國西門 子， 司，美國 司均已開發(fā)出數(shù)字式直流調(diào)速裝置，開發(fā)出各種各樣的系列化，模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用產(chǎn)品供選用，使得直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計更加方便，更加簡單，精度更高，可靠性更好。 在今后的時間里，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)會朝著更高的精度，更好的可靠性，更加智能化，網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。 本次課題正是結(jié)合實際生產(chǎn)要求，以直流電機(jī)電機(jī)為被控對象，以自動控制理論為基礎(chǔ)，結(jié)合大學(xué)所學(xué)知識，通過軟件程序的編寫來實現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。 章小結(jié) 本章主要介紹了從多個方面研究直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義，并且介紹了直流電機(jī)調(diào) 速系統(tǒng)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，以及直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)今后的發(fā)展方向及前景。從而確定了本次課題研究的意義和目的。 3 第 2章 設(shè)計方案的選擇 本次設(shè)計以 核心，自動控制原理為基礎(chǔ)， 速為方法，實現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，用鍵盤設(shè)定一個一定范圍內(nèi)的速度，直流電機(jī)會按照給定速度運(yùn)行，并最終達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，并能夠?qū)﹄姍C(jī)的電樞電流進(jìn)行檢測顯示并能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行電流保護(hù)。 流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速方式的選擇 直流電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為： 2 由上式可知，直流電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方案有： 方案一：調(diào)節(jié)電樞兩端電壓 U ； 方案二：減弱勵磁磁通 ； 方案三：改變電樞回路電阻 R ； 改變電樞回路電阻的方法只 能實現(xiàn)有級調(diào)速，減弱磁通雖然能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，但是調(diào)速范圍不大，因此直流電機(jī)調(diào)速最好的方法是調(diào)節(jié)電樞兩端的電壓，能夠在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，且調(diào)速范圍寬 2。 因此，根據(jù)本次設(shè)計的要求要實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，選擇方案一調(diào)節(jié)電樞兩端電壓的方式來進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速。 流調(diào)速系統(tǒng)可控直流電源的選擇 直流電機(jī)所用的電源為直流電源，而如何得到直流電源有以下方法： 方案一：采用晶閘管整流器 通過調(diào)節(jié)可控觸發(fā)裝置晶閘管的控制電 4 壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流器輸出的平均電壓，即電樞兩端電 壓，以實現(xiàn)直流電動機(jī)的平滑調(diào)速； 方案二：脈寬調(diào)制變換器 脈沖寬度調(diào)制的方法把給定的恒定的直流電壓調(diào)制成頻率一定，寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變電樞兩端的平均電壓，以實現(xiàn)直流電機(jī)的平滑調(diào)速； 方案一中的晶閘管是單向?qū)щ姷模o電動機(jī)的可逆運(yùn)行帶來極大的困難，在可逆運(yùn)行中，需要采用正反兩組可控整流電路；晶閘管對過電壓和過電流以及過高 和十分敏感，任何一項指標(biāo)超過其允許值都會使晶閘管燒壞；當(dāng)電動機(jī)在低速運(yùn)行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，系統(tǒng)功率因數(shù)變小，在交流側(cè)產(chǎn)生較大諧波電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，因此要在電網(wǎng)中增設(shè)無功補(bǔ)償裝置；由于電壓波形的脈動，使得電流波形也會脈動，因此要設(shè)置一個電感量足夠大的平波電抗器；電路比較復(fù)雜。 方案二中開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電動機(jī)損耗和發(fā)熱都較少；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高；變換器的開關(guān)頻率高，電流脈動幅值不大，再影響到反電動勢和轉(zhuǎn)速，波動就更小了；具有低速性能好，穩(wěn)速 精度高，調(diào)速范圍寬的優(yōu)點(diǎn)；電路比較簡單。 綜合考慮，本次設(shè)計采用方案二直流 速系統(tǒng)。 流電動機(jī)驅(qū)動模塊選擇 對直流電機(jī)驅(qū)動有很多種方法，然而根據(jù)設(shè)計要求選擇一個合適的方法很重要： 方案一：用繼電器來啟動和停止電機(jī)，通過不斷的切換繼電器的開和關(guān)來對電機(jī)調(diào)速，這種方案電路簡單，但是繼電器響應(yīng)時間較長，只能在開關(guān)頻率低時使用，機(jī)械結(jié)構(gòu)易磨損； 方案二：用功率開關(guān)器件構(gòu)成的 H 橋來驅(qū)動直流電機(jī)，功率開關(guān)器件開關(guān)頻率高，響應(yīng)時間短，能夠快速響應(yīng)給定，系統(tǒng)滯后時間短，通過單片機(jī)輸出 來控制 而改變直流電機(jī)電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的。 考慮到 的頻率問題，本次設(shè)計采用方案二，應(yīng)用電機(jī)驅(qū)動模塊 驅(qū)動直流電機(jī)。 現(xiàn)方式 的實現(xiàn)方法主要分為硬件和軟件兩種實現(xiàn)方法，而硬件和軟件的實現(xiàn)方法又 5 是多種多樣的，由于條件限制，我們能采取的實現(xiàn)方法主要有： 方案一：應(yīng)用單片機(jī)用軟件延時的方式產(chǎn)生 ，這種方法比較占用處理器的資源，并且精度不高； 方案二：采用模擬 形發(fā)生器芯片產(chǎn)生 ，通過單片機(jī)給定來改變輸出的 的占空比，這種方 法控制簡單，精度也比較高，但是需要外圍的 發(fā)生電路； 方案三：應(yīng)用單片機(jī)的定時器來產(chǎn)生 定時器賦不同的初始值來改變 而實現(xiàn) 定頻調(diào)寬，這種方式精度比較高，單片機(jī)內(nèi)部帶有定時器，使用方便簡單。 通過對三種方案的比較，本次設(shè)計最終選擇方案三來產(chǎn)生 。 橋可逆斬波調(diào)速系統(tǒng)調(diào)制方式 H 橋可逆斬波控制的方法有很多種，也各有其優(yōu)缺點(diǎn)，供我們選擇的方案有： 方案一：單極性脈寬調(diào)制方式，通過控制直流電壓的極性來改變輸出電壓的極性，這種控制方式要求直流電壓極性控 制和脈寬調(diào)制信號配合使用比較麻煩，并且要進(jìn)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)時要求外加直流電源極性變化； 方案二：雙極性脈寬調(diào)制方式，這種方式通過改變控制信號的占空比來進(jìn)行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，當(dāng)占空比大于 2/T 時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，小于 2/T 時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，等于 2/T 時，電機(jī)停止，這種調(diào)制方式電機(jī)電流一定連續(xù)； 可以使電機(jī)在四象限運(yùn)行；電機(jī)停止時有微震電流，恩能夠消除靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)調(diào)速范圍寬可以達(dá)到 1:20000左右；低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通，但是這種調(diào)速方式在工作過程中 4 個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大；在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故 3。 通過綜合考慮，本次設(shè)計最終采用方案二雙極性脈寬調(diào)制方式，雖然雙極性有其自身的缺點(diǎn)，但在一定程度上不影響直流電機(jī)的調(diào)速，并且對于上、下橋臂直通的事故，可以通過軟件的編程來避免，在本次設(shè)計中，主要通過對 能端的控制來達(dá)到防止上、下橋臂直通事故。 示模塊的選擇 在現(xiàn)在的生活中，用來顯示的東西也是各種各樣，基本的顯示器件如下： 6 方案一：采用 碼管動態(tài)掃描顯示，價格相對便宜，亮度高，顯示數(shù)字簡單，但是顯示字母就不是很方便，并且連線復(fù)雜，驅(qū)動電路復(fù)雜； 方案二：采用點(diǎn)陣進(jìn)行顯示，點(diǎn)陣是由發(fā)光二極管組成，顯示字母，漢字比較方便，但是顯示數(shù)字浪費(fèi)資源，并且價格相對較高； 方案三：用 行顯示， 示程序簡單，無需驅(qū)動電路，功能強(qiáng)大，可以顯示字符，數(shù)字以及各種圖形，亮度比較高，連線很方便 。 通過比較，根據(jù)對各種方案熟悉程度和設(shè)計要求選擇方案三，用 行顯示。 盤的方案選擇 鍵盤作為輸入設(shè)備，是大多電子產(chǎn)品的輔助物品，然而鍵盤的實現(xiàn)方案有兩種： 方案一：應(yīng)用獨(dú)立鍵盤，這種在鍵盤數(shù)量大于四的時候會占用較多的 I/O 口，但是其編程簡單； 方案二：應(yīng)用矩陣鍵盤，這種鍵盤的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)鍵盤數(shù)量多的時候，應(yīng)用矩陣鍵盤可以大大節(jié)省 I/O 口，但是編程比較復(fù)雜； 綜合考慮，本次設(shè)計只選用 6 個按鍵，采用獨(dú)立鍵盤得用 6 個 I/O 口，采用矩陣鍵盤只需 5 個 I/O 口，因此本次設(shè)計選用 2*3 矩陣鍵盤。 節(jié)器的實現(xiàn)方式選擇 根據(jù)所學(xué)知識，提供給我們實現(xiàn)調(diào)節(jié)器的方式有兩種： 方案一：選擇模擬器件搭建的模擬調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器由于模擬器件本身的缺陷比如存在溫漂、零漂電壓等，使得控制精度和控制的可靠性能大大降低，并且電路復(fù)雜，需要更多的元器件，但是這種調(diào)節(jié)器對程序要求不高，程序簡單； 方案二：用單片機(jī)來進(jìn)行調(diào)節(jié)器的設(shè)計，采用數(shù)字調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器能夠克服模擬器件的缺點(diǎn)，使得控制精度和可靠性提高，并且不需要外圍電路，電路簡單，對調(diào)節(jié)器的輸出限幅等都很方便。 本次設(shè)計綜合考慮方案一和方案 二的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇方案二來進(jìn)行調(diào)節(jié)器的設(shè)計。 字 節(jié)器算法的實現(xiàn)方式 用單片機(jī)通過程序?qū)崿F(xiàn) 節(jié)器有兩種方法： 7 方案一：位置式算法，第 k 拍的輸出為 )1()()()( a 公式可以看出比例部分只與當(dāng)前偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的積累，這種算法結(jié)構(gòu)清晰， P 和 I 兩部分作用分明，便于參數(shù)調(diào)整，但是這種算法在輸出需要限幅的情況下必須積分限幅和輸出限幅同時進(jìn)行，兩者缺一不可； 方案二：增量式算法，第 k 拍的輸出為 )()1()()1()( a ，由公式可以看出，這種算法只需在程序中保存上一拍的輸出即可，當(dāng)需要限幅時，只需對輸出限幅 4。 在不需要輸出限幅的情況下兩種算法都是一樣的，但是本次設(shè)計需要對輸出限幅，因此，本次設(shè)計采用方案二，因為方案二只需輸出限幅，會使程序比較簡單。 機(jī)測速模塊的選擇 用于電機(jī)測速的設(shè)備有很多，精度也不一樣，適合的場合也不一樣，因此選擇合適的電機(jī)測速方案是很必要的： 方案一：利用測速發(fā)電機(jī)進(jìn)行測速，通過測量發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓來 計算直流電機(jī)速度，這種測速方法需要一個 A/D 轉(zhuǎn)換，電路比較復(fù)雜； 方案二：利用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測速，通過對光電旋轉(zhuǎn)編碼器輸出電壓脈沖數(shù)量的檢測來計算電機(jī)轉(zhuǎn)速，這種方法電路簡單，程序編寫也不復(fù)雜； 方案三：利用絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測速，這種編碼器通常用于對電機(jī)轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量，需要測量速度需要對轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分，比較麻煩。 通過比較，本次設(shè)計采樣方案二，利用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器對直流電機(jī)進(jìn)行測速，通過對兩路脈沖相位的鑒別可以知道直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過對單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)量來進(jìn)行測量，得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 字測速方法的選擇 供我們選擇的數(shù)字測速的方案有： 方案 一： M 法測速，這種測速方法是通過對一定的時間M ,然后根據(jù)公式 )/(601 來計算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種測速方法的分辨率與實際轉(zhuǎn)速無關(guān)，它的最大誤差率為11 M，因此它適合直流電機(jī)高速運(yùn)行時的速度測量。 方案二： T 法測速，這種測速方法是通過測出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個輸出脈沖之間的時間 8 間隔來計算轉(zhuǎn)速，它所計的是兩個脈沖時間間隔內(nèi)計算機(jī)發(fā)出的高頻時鐘脈沖的個數(shù)2M ，然后根據(jù) )/(60 20 來計算電機(jī)轉(zhuǎn)速，它的分辨率和實際轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，分辨率越高，它的最大誤差率為 )1/(12m M,因此比較適合電機(jī)低速運(yùn)行時直流電機(jī)的測速。 通過比較，方案二需要對單片機(jī)另外接時鐘脈沖芯片，電路比較復(fù)雜，并且適合低速運(yùn)行時，本次設(shè)計主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，我們是在直流電機(jī)的高速段實現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，因此，我們選擇方案一 M 法測速。 機(jī)電樞電流采集方案選擇 直流電的采集方式主要是將電流轉(zhuǎn)換為電壓，讓后通過對電壓的測量來檢測電流，而電壓的采集的主要部分是 A/D 轉(zhuǎn)換，而 A/D 轉(zhuǎn)換有下列幾種可供選擇方案： 方案一：工作方式為 雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，這種芯片的轉(zhuǎn)換精度高，價格低廉；但是轉(zhuǎn)換速度較慢。 方案二：工作方式為逐次逼近式式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，它的精度比較高，并且速度快。 通過比較，本次設(shè)計選擇方案二來進(jìn)行電流檢測。 章小結(jié) 本章通過對系統(tǒng)某一功能實現(xiàn)的不同方法的比較，從而得到更加可靠合理的方法，主要包括顯示模塊、鍵盤模塊、調(diào)節(jié)器算法等的多種實現(xiàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較，根據(jù)自身設(shè)計要求，選擇合適的方案，這是系統(tǒng)能夠成功的關(guān)鍵所在。 9 第 3章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 片機(jī)的簡介 小系統(tǒng)跟其他微控制器最小系統(tǒng)一樣，處理器是不能獨(dú)立工作的，必須給它接上電源，加上時鐘信號，并有復(fù)位電路，如果芯片沒有片內(nèi)存儲器，還得外部提供存儲器，才能保證最小系統(tǒng)能夠運(yùn)行。最小系統(tǒng)如圖 示： 處理器時鐘系統(tǒng) 調(diào)試測接口供電系統(tǒng)復(fù)位系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)圖 小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 對于 小系統(tǒng)，由于其內(nèi)部自帶有存儲器，因此可以沒有存 儲器系統(tǒng)，如果系統(tǒng)不需要調(diào)試，調(diào)試測試接口也可以沒有，但是在這次設(shè)計中，需要進(jìn)行軟件調(diào)試，因此調(diào)試測試接口必須。 供電系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)能夠工作的基礎(chǔ)，具有很重要的地位，電源設(shè)計需要考慮到輸出電壓、電流、功率等因素。 工作電壓為 10 一般情況下設(shè)計時設(shè)計的工作電壓為 5V。 所有的微控制器均為時序電路，只有有了時鐘信號，微控制器才能正常工作。部自帶有時鐘電路，但是必須外接一個晶體或者陶瓷諧振器，這樣才能給單片機(jī)提 供時序，使單片機(jī)能夠工作，如圖 部時鐘電路 外接晶振與電容 成并聯(lián)諧振電路，加電以后延遲約 10，振蕩器開始起振并產(chǎn)生時鐘信號，不受軟件的控制。電容器的作用是幫助諧振電路起振，稱為諧振電容，振蕩器的振蕩頻率取決于晶體的頻率，一般常用的晶振有 612次設(shè)計單片機(jī)晶振采用 設(shè)計電路板的時候應(yīng)該使晶體和電容盡量接近單片機(jī)的芯片，這 樣可以減少寄生電容，保證振蕩器能夠穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行和工作，并且晶振的外殼一般要可靠接地，才能減少晶振高頻振蕩產(chǎn)生的干擾。 復(fù)位系統(tǒng)是對單片機(jī)進(jìn)行初始化操作的一種方式，單片機(jī)復(fù)位方式有兩種方式，外部復(fù)位和看門狗復(fù)位兩種方式，復(fù)位并不影響片內(nèi)存儲器存放的內(nèi)容，它只是使單片機(jī)從 0000H 開始執(zhí)行程序，特殊功能寄存器也恢復(fù)到初始化狀態(tài)。 看門狗復(fù)位是為了防止程序跑飛而出現(xiàn)的安全隱患而設(shè)置的復(fù)位方式，當(dāng)看門狗復(fù)位打開后，看門狗計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器溢出時，看門狗會使單片機(jī)復(fù)位，因此需要及時喂狗，這種復(fù) 位方式是一種軟件復(fù)位方式。 外部復(fù)位是一種硬件復(fù)位，它是通過復(fù)位電路持續(xù)給單片機(jī)復(fù)位引腳一個有效的電平達(dá)到一定得時間后，會使單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，對于 持續(xù)給 腳兩個機(jī)器周期的高電平時，單片機(jī)完成復(fù)位。外部復(fù)位又分為上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種，相應(yīng)的電路圖如圖 11 R S 5 R 2a) (b) 圖 位電路 （ a）手動開關(guān)復(fù)位；（ b）上電復(fù)位 兩種 儲器編程方法：并行編程和串行編程。 并行編程方法是：首先，在地址線上加上要編程單元的地址信號；接著，在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)；然后，激活相應(yīng)的控制信號；接著，將 加上 +12后每對 儲器寫入一個字節(jié)或者每寫一個程序加密位，都要給上編程一個脈沖；改變編程單元的地址和數(shù)據(jù)重復(fù)上述步驟，直到程序都寫入 止。 串行編程是將 至電源正極，通過串口 口進(jìn)行編程，串行接口包含串行時鐘線、輸入線和輸出線。 本次設(shè)計的調(diào)試測試接口用串口調(diào)試方式，通過 串芯片 行程序的下載。 程序存儲器一般用于存放編好的程序、表格和常數(shù)，而數(shù)據(jù)存儲器用于存放運(yùn)算中間結(jié)果，起到數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位以及用戶自定義的字形表等。 有 256 8K 的片內(nèi) 本次設(shè)計中已經(jīng)足夠了，因此不需要外擴(kuò)的存儲器系統(tǒng)。 時器 單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行和 其他系統(tǒng)一樣，需要不斷的與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，當(dāng) 大大的占用 資源，浪費(fèi)了時間去等待外設(shè)，為了解決這一問題，單片機(jī)系統(tǒng)引入了中斷技術(shù)。中斷時單片機(jī)暫時停止當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)而去處理觸發(fā)中斷的事件，處理完后，自動返回到被暫停的程序斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí) 12 行被暫停的程序。 51 子系列單片機(jī)有 5 個中斷源， 52 子系列單片機(jī)比 51 子系列多一個，具有 6 個中斷源，具有兩級中斷優(yōu)先級，可以實現(xiàn)中斷的兩級嵌套，用于控制中斷的特殊功能寄存器有 4 個，它們是 別控制中 斷的開放、禁止和優(yōu)先級。 51 系列單片機(jī)的 5 個中斷源可以分為兩大類：外部中斷和內(nèi)部中斷，外部中斷由 入，內(nèi)部中斷源包括兩個定時器 及串行口中斷， 52 子系列比 51 子系列多一個內(nèi)部中斷定時器 斷，其他均一樣。 外部中斷有兩種觸發(fā)方式：邊沿觸發(fā)方式和電平觸發(fā)方式，由特殊功能寄存器 采用邊沿觸發(fā)方式時，外部中斷輸入的高電平和低電平時間需要保持一個機(jī)器周期，才能保證單片機(jī)可靠的檢測到中斷信號。當(dāng)采用電平觸發(fā)方式時，需要保持低電平有效，直到中斷請求被響應(yīng) ，才能夠撤銷中斷請求信號。 外部進(jìn)行信息交換稱為通信，通信的方式有串行通信和并行通信。并行通信的主要特征是傳輸速度快，在傳輸距離較短的情況下，占有很大的優(yōu)勢，對于長距離傳輸來說，由于信號線太多導(dǎo)致線路復(fù)雜，成本變高；串行通信線路簡單，但是傳輸速度慢，當(dāng)傳輸距離較長時，在成本方面占有很大的優(yōu)勢。 定時 /計數(shù)器中斷有 4 種工作方式：方式 0、方式 1、方式 2 和方式 3。 方式 0 為 13 位定時 /計數(shù)器。 13 位計數(shù)寄存器由 高 8 位和 低 5 位構(gòu)成，其他位不用。這種 方式下的最大計數(shù)值為 132 ，即 8192 個數(shù)。 方式 1 為 16 位定時 /計數(shù)器。 16 位計數(shù)寄存器由 成，其用法和方式 0 基本一樣，只是最大計數(shù)值為 162 ，即 65536 個數(shù)。 方式 2 是能自動重裝計數(shù)初值的 8 位計數(shù)器， 來存放計數(shù)初值， 來計數(shù)，當(dāng)?shù)?8 位產(chǎn)生中斷溢出后，單片機(jī)自動將高 8 位中的計數(shù)初值重新裝入低 8位計數(shù)器，如此循環(huán)不止。不過這種方式的計數(shù)最大值為 82 ，即 256 個數(shù)。 方式 3 跟前三種方式大不相同，只有 工作在方式 3 模式， 能工作在方式 3，這種方式下是將 為兩個獨(dú)立的 8 位計數(shù)器， 能用作定時器方式，對機(jī)器周期進(jìn)行計數(shù)， 能不僅可以工作在計數(shù)器模式也可以工作在定時器模式，功能和操作和方式 0、方式 1、方式 2 完全相同。 定時 /計數(shù)器的初始化包含下面幾點(diǎn)內(nèi)容： 計數(shù)器的工作模式和工作方式，給寄存器 相應(yīng)的值； 13 根據(jù)工作方式對 相應(yīng)的值； 需要中斷，需要對中斷允許寄存器和中斷優(yōu)先級控制寄存器賦相應(yīng)的值； 計數(shù)器控制寄存器送入命令字，啟動定時 /計數(shù)器。 行 I/列單片機(jī)具有四個雙向 8 位 I/O 口，分別為 ，共 32根 I/O 口線。每個 I/O 口都可以作為 8 位并行 I/O 口使用，并且可以獨(dú)立的作為 1 位雙向I/O 口線進(jìn)行使用。各個口的每一位都由一個鎖存器和一個輸出驅(qū)動器以及輸入緩沖器組成。作為輸出時，數(shù)據(jù)可以鎖存；作為輸入時，數(shù)據(jù)可以緩沖。 試一個三態(tài)的雙向 I/O 口，在系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展時，作為低 8 位地址線和數(shù)據(jù)總線的分時復(fù)用，當(dāng)沒有系統(tǒng)擴(kuò)展時作為通用的準(zhǔn) I/O 口使用。值得注意的是當(dāng) 作為輸出口時，若要驅(qū)動 者其他拉電流負(fù)載時，需要外接上拉電阻。 是一個準(zhǔn)雙向口，通常作為通用 I/O 口使用，作為輸出口使用時，不需要接上拉電阻，它能夠共拉電流 負(fù)載。 也是一個準(zhǔn)雙向口，有兩種功能，作為通用 I/O 口使用和高 8 位地址總線輸出兩種功能，當(dāng)作為通用 I/O 口使用時和 的使用方法一樣，當(dāng)需要外部擴(kuò)展時， 0 口作為外部接口的地址總線，給外圍電路輸出地址。 也是一個準(zhǔn)雙向口， 可以作為通用 I/O 口，并且每一位都可以獨(dú)立的定義為通用 I/O 口功能輸入輸出。但是它的很多端口都具有第二功能，外部中斷 時計數(shù)器 外部時鐘接口、串行中斷源，都是通過 的。因此， 一般不作為通用口使用，而是作為它 的第二功能口來使用 5。 流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體框圖 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制硬件主要部分包括單片機(jī) 及外圍電路、 機(jī)驅(qū)動模塊， 晶顯示模塊，轉(zhuǎn)速給定模塊 2*3 鍵盤以及光電旋轉(zhuǎn)編碼器直流電機(jī)測速模塊，實現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的單閉環(huán)，使得直流電機(jī)速度能夠跟隨給定，并且抵抗負(fù)載擾動和閉環(huán)內(nèi)的擾動，用 片進(jìn)行電機(jī)電樞電流的檢測并實現(xiàn)電流限幅而對電機(jī)進(jìn)行電流保護(hù)。系統(tǒng)整體框圖如圖 示： 14 圖 流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體框圖 流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 對系統(tǒng)的動態(tài)性能分析，需要知道動態(tài)響應(yīng)，而這些都是建立在對描述系統(tǒng)動態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型的分析之上的，因此建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的，它影響到系統(tǒng)所選擇的控制規(guī)律對系統(tǒng)的作用，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差分析都是建立在系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型之上的。因此要對系統(tǒng)先進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立。 他勵直流電動機(jī)在額定勵磁條件下的等效電路圖如圖 M+勵直流電動機(jī)在額定勵磁條件下的等效電路 在主回路電流連續(xù)的前提下，動態(tài)電壓方程為： 0 （ 3 在忽略各種阻力的情況下，電動機(jī)軸上的動力學(xué)方程為： e 3752 （ 3 公式中 括電動機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為 N*m， 2電力拖動裝置這算到電動機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為 2* 額定勵磁下的感應(yīng)電勢以及電磁轉(zhuǎn)矩分別如下： e （ 3 S T C 8 9C 5 2復(fù) 位 電 路電 源 電 路時 鐘 電 路顯 示 模 塊電 機(jī) 驅(qū) 動電 機(jī) 測 速電 流 檢 測電 機(jī)鍵 盤 模 塊 15 （ 3 電動機(jī)額定勵磁條件下的電動勢系數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為 C 30 （ 3 定義電樞回路時間常數(shù)； 定義電力拖動時間常數(shù)。單位均為 s。 整理式（ 3 3 3 3 3得到 )(0 （ 3 （ 3 在零初始條件下得到電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，電流與電動勢之間的傳遞函數(shù)分別為： 1/1)()( )(0 sI ld d（ 3 sE )()( )(（ 3 整理后得到直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 示： 1/12 e)1( l)0 )(流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 在設(shè)計中使用的是光電旋轉(zhuǎn)編碼器來進(jìn)行測速，在程序中根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)來計算電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此反饋回來的是電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，放大系數(shù)為 1，因此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為單位負(fù)反饋系統(tǒng)框圖；由于設(shè)計中是用直流電源供電，因此 管裝置的滯后時間常數(shù)為 0。其閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖 示： 16 1/12 e)1( l)(0 )( )(* )(速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖中 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， D 為 占空比， 0，當(dāng) D=1 時，0K ，即直流電機(jī)所加的最大耐壓，也就是給直流電機(jī)供電的外接直流電源電壓。 從圖中可以看出，反饋控制的基本規(guī)律是： （ 1） 反饋控制的作用是抵抗擾動， 服從給定，系統(tǒng)能夠抵抗所在閉環(huán)內(nèi)的擾動，比如負(fù)載擾動，電動機(jī)勵磁的變化和主電路電阻的變化都會影響轉(zhuǎn)速，而閉環(huán)調(diào)節(jié)抵抗這些擾動，使電機(jī)實際轉(zhuǎn)速對于給定轉(zhuǎn)速可以唯命是從；但是它對于反饋環(huán)所包圍外的擾動沒有抵抗作用，比如對于給定速度的擾動和測速裝置的擾動沒用作用。 （ 2） 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度，如果給定有一定的波動，那么反饋系統(tǒng)就很難沒有波動，因為根據(jù)控制規(guī)律（ 1），被控量是要跟隨給定的，給定存在波動，被控量也會跟著有波動，因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)需要高精度的給定；根據(jù)控制規(guī)律（ 1），系統(tǒng)沒法克服反饋檢測裝 置的誤差，因此對于反饋裝置的誤差，系統(tǒng)沒有辦法克服，從而使得控制效果不是很理想，電機(jī)實際轉(zhuǎn)速可能和給定速度存在偏差。因此高精度的測速反饋裝置對于高精度的調(diào)速系統(tǒng)同樣重要?，F(xiàn)在大部分的系統(tǒng)都通過數(shù)字給定和數(shù)字測速裝置來提高系統(tǒng)的精度。 （ 3） 比例控制的反饋系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)，從靜特性上看，比例控制系數(shù)越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好，穩(wěn)態(tài)誤差越小，而且，比例控制沒法消除誤差，只能減小誤差，因為比例控制系數(shù)不可能達(dá)到無窮大；從動態(tài)上看，比例控制系數(shù)越大，系統(tǒng)快速性也越好；但是存在一個問題，比例控制越強(qiáng)，系統(tǒng)的超調(diào)量 越大，這就是一個矛盾的問題，因此要設(shè)計出無靜差的系統(tǒng)，光靠比例控制是不能達(dá)到效果的 6。 流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 由于數(shù)字控制具有很高的精度和可靠性，因此，在電力拖動系統(tǒng)中被廣泛應(yīng) 17 用。 為了提高系統(tǒng)精度，目前大多直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)均采用數(shù)字給定和數(shù)字檢測速度裝置，以微型計算機(jī)為核心，開發(fā)出的微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，其基本采樣控制系統(tǒng)框圖如圖 示： 控制對象控制算法+型計算機(jī)采樣 控制系統(tǒng)框圖 圖中 給定值的采樣開關(guān)， 檢測速度的反饋值的采樣開關(guān)， 微型計算機(jī)輸出的控制信號的輸出采樣開關(guān)。如果所有開關(guān)均是以同樣一個周期的開和關(guān)斷，那么成為同步采樣。否則是異步采樣。微型計算機(jī)是沒法連續(xù)輸入輸出給定信號、反饋信號和輸出值，只有在采樣開關(guān)閉合時才能輸入輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)控制量和反饋信號是模擬信號時，為了把它們輸入計算機(jī)，需要對信號離散化，變成脈沖信號。為了使離散信號能夠不失真的復(fù)原模擬信號，對系統(tǒng)的采樣頻率提出了要求，一般情況下根據(jù)香農(nóng)定理來確定采樣頻率。這樣采集出來的信號才 能代表真實的信號。在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，控制對象是直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，兩者均為快速變化的量，必須具有較高的采樣頻率，然而并不是采樣頻率越高越好，這受到開關(guān)器件的功率損耗，微型計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度來決定的。 數(shù)字測量具有測速精度高、分辨能力強(qiáng)和受器件影響小的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的適應(yīng)目前直流調(diào)速系統(tǒng)精度要求高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于調(diào)速范圍大和伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)速檢測裝置是光電旋轉(zhuǎn)編碼器，而旋轉(zhuǎn)編碼器可以分為增量式和絕對式。絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器適合測電機(jī)轉(zhuǎn)角，而測電機(jī)速 度應(yīng)該采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖如圖 示： 18 發(fā)光裝置碼盤軸接收裝置圖 量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖 為了獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)向，增加了一對發(fā)光和接受裝置，使兩對發(fā)光和接受裝置錯開光柵節(jié)距的 1/4；這樣，兩組脈沖序列的相位相差 /2,通過判斷兩組序列脈沖的相位前后就可以判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)情況。如圖 示 : 反轉(zhuǎn) 圖 分電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的脈沖序列 流電機(jī)雙極性脈寬調(diào)制方式工作原理 直流電動機(jī)雙極性脈寬調(diào)制方式電路圖如圖 示： 流電動機(jī)雙極性脈寬調(diào)制方式電路圖 它工作時 組， 一組，同時交替導(dǎo)通，晶閘管的基極控制信號分別如圖 0 0t 圖 閘管基極控制信號 在這種調(diào)制方式下，電動機(jī)具有四種工作模態(tài)： 19 在模態(tài) I 時， 通， 止，電機(jī)電樞兩端的電壓為 U ，電機(jī)工作在電動狀態(tài)下； 在模態(tài) ， 止，電樞電流經(jīng) 流， 能導(dǎo)通， 電機(jī)電樞兩端的電壓為由于電流未反向，因此電機(jī)仍然工作在電動狀態(tài)下； 在模態(tài) ， 止， 通，電機(jī)電樞兩端電壓為電流反向，因此此時電機(jī)工作在反接制動狀態(tài)下； 在模態(tài) ， 止，電樞電流經(jīng) 流，電機(jī)電樞兩端電壓為 流反向，此時電機(jī)的工作狀態(tài)為回饋制動。 在這種調(diào)制方式下直流電機(jī)兩端的電壓為 U 0（ 3 式中0 為 制波占空比。 當(dāng) 的時候，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 時，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 時，電機(jī)停止不轉(zhuǎn)。 值得注意的是在這種調(diào)制方式下，當(dāng) 電機(jī)不轉(zhuǎn)時，并不能說明電機(jī)電樞電壓等于0，而是平均電壓等于 0，并且電樞電流也是交變的。 在這種脈寬調(diào)制方式下的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)正反向電動運(yùn)行電壓電流波形如圖 示： UUO T(a)正向電動運(yùn)行波形 (b)反向電動運(yùn)行波形 圖 流電機(jī)正反向電動運(yùn)行波形圖 流電機(jī)驅(qū)動模塊 介 司生產(chǎn)的一種高壓大電流電機(jī)驅(qū)動芯片，它的最高工作電壓可以達(dá)到 20 46V，輸出電流大，可以達(dá)到 3A，持續(xù)工作電流為 2A，額定功率為 25W。內(nèi)含兩個 以用來驅(qū)動兩臺直流電動機(jī)或一臺兩相步進(jìn)電機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號進(jìn)行控制，并且可以對其指定引腳外接電阻來檢測電機(jī)電流進(jìn)行反饋。 用 驅(qū)動直流電動機(jī)，通過控制 個輸入端的電平高低來實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并且通過使能端 控制信號的有效性，由于第二臺電機(jī)的控制跟第一臺一樣，因此在這里只列出 動一臺電機(jī)的引腳功能表，如表 示： 表 動直流電動機(jī)的引腳功能表 機(jī)運(yùn)行狀態(tài) 1 0 1 正轉(zhuǎn) 0 1 1 反轉(zhuǎn) 1 1 急停 0 無效信號 由表可知，使能端為高電平時，控制信號對于電機(jī)有效，為低電平時，控制信號無效，而對于雙極性 制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)工作時開關(guān)器件有的要打開，有的需要關(guān)斷，因此，當(dāng) 系統(tǒng) 中應(yīng)該置 1，然而為了防止上下橋臂直通，保證器件的可靠開通和關(guān)斷，需要在開關(guān)器件狀態(tài)切換時通過關(guān)閉 能端來達(dá)到這種目的。 示模塊簡介 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對顯示區(qū)域進(jìn)行的控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。 晶顯示器是一種帶背光的顯示器，具有薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于便攜式電腦和通訊工具等。它不僅可以顯示字符，也可以顯示數(shù)字，符號和漢字。它的顯示容量是 16*2 個字符，作電流在電壓 5V 的情況下為 符尺寸為 對液晶進(jìn)行第一次操作時需要對液晶進(jìn)行初始化，并且初始化以后每次進(jìn)行操作時都需要對液晶進(jìn)行檢測其是否忙碌，不忙進(jìn)行操作，忙時不操作。 21 *3 鍵盤模塊 本次設(shè)計通過鍵盤給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電機(jī)的啟動 /停止，正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電動機(jī)的控制。鍵盤功能表如表 示： 表 盤功能表 鍵值 0能 啟動 (Q) 停止 (S) 反 向 (F) 位選 (W) 鍵值 0能 加 (+) 取消 (E) 設(shè)速（ I） 確定 (I) 節(jié)器的設(shè)計 控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 ()1()(（ 3 根據(jù)（ 3積分項的個數(shù)，把控制系統(tǒng)分為了幾大類， 0 時為 0 型系統(tǒng)， 1為 I 型系統(tǒng) 根據(jù)終值定理，在階躍輸入作用下，如果要求系統(tǒng)不存在穩(wěn)態(tài)誤差，那么系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計為 I 型或者 I 型以上的系統(tǒng) 7。 典型 I 型系統(tǒng)的動態(tài)跟隨性能好，能夠使被控量跟隨給定值，它是一個二階系統(tǒng)，然而，它的開環(huán)增益越大，截止頻率越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但是相角裕度卻越小，這是一個矛盾的關(guān)系。對于典型 系統(tǒng)，它的快速性能好，需要兩個積分環(huán)節(jié)。 根據(jù)圖 速反饋控 制直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖可知，除了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)外無任何積分環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)設(shè)計為典型 I 型系統(tǒng)就夠了，只要參數(shù)合理，就能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。 在圖 反電動勢對系統(tǒng)的影響是包含在整個回路之內(nèi)的，根據(jù)閉環(huán)調(diào)節(jié)規(guī)律可知，系統(tǒng)可以抵抗反電動勢的影響。因此，在設(shè)計調(diào)節(jié)器的過程中可以不考慮反電動勢的影響。由于電機(jī)的電磁時間常數(shù)，因次在一定條件下可以把電機(jī)的二階傳遞函數(shù)等效為一階慣性環(huán)節(jié)。因此圖 速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖可以等效為圖 示： 22 A S * sN n )(sN nm e)(圖 速反饋直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等效動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 典型 I 型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： )1()( 3 對比圖 的開環(huán)傳遞函數(shù)可 知，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 需要進(jìn)行積分環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)設(shè)計就可以達(dá)到預(yù)期效果。因此調(diào)節(jié)器的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 1)( （ 3 因此系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 )1()( （ 3 令 T=，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 2222 21)(1)()( （ 3 在沒有特殊設(shè)計要求時，我們按照西門子 ”最佳整定 ”的方法，取 即，這樣就得到了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)公式： *（ 3 式中 電機(jī)的電動勢系數(shù)； 輸出電壓和它的占空比之間的比值，也就是外接的直流電源電壓； 直流電機(jī)機(jī)電時間常數(shù)。 因此直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為： （ 3 23 在只有積分調(diào)節(jié)器的情況下，系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性都是通過調(diào)節(jié)積分項的系數(shù)來決定的，然而積分項越強(qiáng)，那么系統(tǒng)快速性也越好，但是超調(diào)也越大，如果要求系統(tǒng)超調(diào)小，但是系統(tǒng)的快速性卻很難保證，在這種情況下，應(yīng)該根據(jù)對系統(tǒng)設(shè)計要求來具體取值。本次設(shè)計對系統(tǒng)的快速性沒有多大要求，只是要求其能夠跟隨給定，因此按照西門子整定方法整定出的參數(shù)能夠達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的要求。 節(jié)器的數(shù)字化 由于 節(jié)器是電力拖動控制系統(tǒng)中使用最多的調(diào)節(jié)器算法，因此，在這部分中只介紹 節(jié)器的數(shù)字化。 節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 1 （ 3 若輸入誤差為 e(t)，輸出為 u(t)，則 節(jié)器的時域函數(shù)為： ()()(1)()( （ 3 式中 比例系數(shù)， 1 將式（ 3換為差分方程，得到 節(jié)器的第 k 拍輸出為： )1()()()( a 3 式中 采樣周期。 式（ 3 節(jié)器的位置式算法，當(dāng)需要對調(diào)節(jié)器的輸出限幅時，它需要對積分項和輸出同時限幅，缺一不可；為了使 節(jié)器的輸出限幅時只需要進(jìn)行輸出限幅，通過將（ 3第 k 拍減去第（ 得到 節(jié)器 的增量式算法： )()1()()1()()( （ 3 這樣只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計算出當(dāng)前的輸出： )()1()( （ 3 增量式算法只需要在計算機(jī)中保存上一拍的輸出即可，并且需要輸出限幅時，不需要對積分環(huán)節(jié)限幅。因此大多數(shù)的情況下，數(shù) 字 節(jié)器均采用增量式算法。 24 機(jī)電樞電流檢測及電流保護(hù)方式 電機(jī)電流的檢測通過對橋式電機(jī)驅(qū)動芯片 后通過對采集電流來進(jìn)行判斷，對電樞電流進(jìn)行限幅。當(dāng)電樞電流在時間 T 內(nèi)均大于1是為了防止電機(jī)只是瞬間的電樞電流過大而進(jìn)行的誤操作。通過對 能端 進(jìn)行控制停止對電機(jī)供電，當(dāng)電機(jī)電流恢復(fù)到小于22 I ）后，對電機(jī)恢復(fù)供電。 章小結(jié) 本章主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)框圖，并對各個模塊的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，主要包括系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖和直流電機(jī)速度閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計原理和電機(jī)電流保護(hù)的基本方法。 25 第 4章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn) 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)包括兩部分：軟件部分和硬件部分，在本論文中主要介紹軟件部分的實現(xiàn)。單片 機(jī)編程語言有匯編語言和一些高級語言，常用的高級語言是 C 語言 10。采用匯編語言時，程序占用內(nèi)存空間小，實時性強(qiáng)，但是編程麻煩，程序可讀性不強(qiáng)，修改不方便；而使用 C 語言，因其內(nèi)含很多庫，編程比較方便，簡單，大大縮短了程序的開發(fā)周期，并且程序的可移植性增強(qiáng)。本次設(shè)計使用 C 語言進(jìn)行程序編程 ， 開發(fā)環(huán)境 為 要包括顯示程序、調(diào)節(jié)器的算法、鍵盤的算法、 產(chǎn)生的以及測速五大部分。 程序 主程序主要進(jìn)行定時器 /計數(shù)器和液晶等的初始化，鍵盤檢測，液晶顯示程序的調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)節(jié)器算法的調(diào)用。其流程圖如圖 示： 開始初始化調(diào)用鍵盤子程序計算給定轉(zhuǎn)速?開