(新)直流電動機轉(zhuǎn)速智能檢測與控制(1)

1、摘要此次研究分為兩個模塊測速模塊和控制轉(zhuǎn)速模塊。測速模塊采用TMS320F2812的轉(zhuǎn)速檢測功能，來提高檢測直流電動機轉(zhuǎn)速精度。它是運用DSP的M/T測速算法，該方法充分利用它的高精度的測速反饋。控制轉(zhuǎn)速模塊采用AT89C51 單片機為核心，將計數(shù)器與定時器、傳感器合理結(jié)合測速。電動機每轉(zhuǎn)將旋轉(zhuǎn)一圈所得出的信號按一定的形式變成脈沖波，這種波是由光電碼盤產(chǎn)生。這時電動機轉(zhuǎn)速由控制定時器、計數(shù)器形成的。產(chǎn)生 PWM 波是單片機接受由PID 算法發(fā)送的信號。因此實現(xiàn)由直流電動機轉(zhuǎn)速控制產(chǎn)生的脈寬調(diào)制的高精度閉環(huán)控制。驅(qū)動電動機是由對 PWM 調(diào)制信號進行調(diào)試良好的調(diào)制信號產(chǎn)生的，從而形成高精度的電動

2、機轉(zhuǎn)速控制。它以精度高平穩(wěn)性好操作簡單易于實現(xiàn)，而且數(shù)字化集成度高，因此該裝置得到廣泛應用。第1章 緒論1.1課題背景采用高精度的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制，其電動機的轉(zhuǎn)速能快速的檢測。為了得到高精度的控制系統(tǒng)，必須使用轉(zhuǎn)速高精度檢測才行。測量轉(zhuǎn)速是采用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖頻率的，同時根據(jù)電動機同軸的光電脈沖發(fā)生器的產(chǎn)生的脈沖頻率與直流電動機轉(zhuǎn)速成線性關系，即轉(zhuǎn)速的數(shù)字檢測方法原理。其方法有很多，主要以符合測速精度為要求。根據(jù)傳感器準確的檢測到轉(zhuǎn)速瞬時值，以及適當?shù)母鶕?jù)需要進行修正。其位置傳感器產(chǎn)生速度信號。由于速度檢測的性能跟伺服系統(tǒng)的速度控制特性很大關系,因此提高高精度瞬時速度計算方法很有必要，在研

3、究在位置分辨率有限的基礎情況下的。直流電動機通常應用于調(diào)速控制精度要求較高的場合。由于具有平穩(wěn)性啟動性、負荷能力強、轉(zhuǎn)矩大、寬范圍精準調(diào)速等優(yōu)良特性。由于采用了高性能的算法的單片機控制，因此得到高精度轉(zhuǎn)速的直流電動機平穩(wěn)運行。在工業(yè)生產(chǎn)方面得到廣泛的應用，并且主要在電子設備的直流電機控制系統(tǒng)。但如果采用AT89C51 單片機的控制優(yōu)勢，使得直流電動機控制精度能更進一步，真正實現(xiàn)智能控制。 1.1.1 檢測技術的重要意義 檢測用指定的方法檢驗測試某種物體指定的技術性能指標。適用于各種行業(yè)范疇的質(zhì)量評定。它以檢測有價值的信息為目的。通過檢測出來的信息進行加工處理，然后再進行篩選出有用的信息來利用。

4、檢測技術在產(chǎn)品研發(fā)、試驗、檢查、監(jiān)控等這些重要的工業(yè)生產(chǎn)中占著非常重要的地位。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，孕育了自動檢測技術的出現(xiàn)，使得人類生產(chǎn)出來的產(chǎn)品性能非常好。 1.1.2 檢測過程的構(gòu)成 在檢測物理信息量的過程中最主要的最普遍的是電信號的檢測，因其具有快速傳送、容易變換、不難篩選、易提取和易實現(xiàn)等優(yōu)良特點。深受廣大科研工作者的偏愛，因此當遇到不是電信號時檢測是，則只需進行簡單的處理轉(zhuǎn)換為電信號就行了。同時因檢測的目的不相同，則需要根據(jù)合理的形式來分析和處理，最后得出檢測目標真實的信號。下圖檢測過程的基本流程圖。 一般來說，檢測過程因檢測目標的區(qū)別而包括不同的檢測部分，因此在不同的情況下需要

5、用合理的形式激勵檢測目標，檢測和轉(zhuǎn)換檢測目標發(fā)出的信號，并對信號進行調(diào)理，之后對調(diào)理的信號進行必要的分析與處理，最終在檢測平臺上予以顯示與記錄。如圖 1-1所示檢測系統(tǒng)的基本流程框圖。 被測目標 驅(qū)動裝置傳感裝置信號處理裝置反饋裝置數(shù)據(jù)收集裝置顯示結(jié)果裝置觀察人員如圖 1-1所示檢測系統(tǒng)的基本流程框圖。對于檢測來說，一般有兩種情況即直接檢測和間接檢測，主要依據(jù)于檢測目標的多樣復雜的。而對于每個環(huán)節(jié)來說，都需要不同的傳感器來檢測信息。傳感裝置部分則通過多研究的目標發(fā)出的信號按照某種算法轉(zhuǎn)換成我們需要的信號，同時我們也得放大信號。信號調(diào)理部分是數(shù)據(jù)收集來進行處理即收集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成可以采集處

6、理的有用數(shù)據(jù)。并為接下來的環(huán)節(jié)做好記錄顯示的效果，而該環(huán)節(jié)會以合適的表現(xiàn)已讓觀察者快速的記錄。 1.1.3 直流電動機智能檢測技術的發(fā)展 經(jīng)過現(xiàn)代技術快速發(fā)展，傳統(tǒng)的直流電動機與電力電子、計算機控制等技術結(jié)合形成了現(xiàn)代的直流電動機檢測技術，其中由于直流電機物理、機械、運動等特性都能作為可以檢測的參數(shù)，并可以轉(zhuǎn)換成電信號快速檢測出來。同時由于自動化技術的快速發(fā)展，因此出現(xiàn)了主要幾類自動檢測設備。 （1） 參數(shù)檢測設備在國內(nèi)直流電動機檢測主體是主要采用參數(shù)檢測設備，這種技術通過檢測動態(tài)和靜態(tài)的參數(shù)，有計算機技術和傳感器結(jié)合檢測出?，F(xiàn)在尤其在一些高校科研所與企業(yè)合作共同研發(fā)非常多，并進展很不錯。（2

7、） 特性檢測裝置根據(jù)一些特性采集獲得直流電機轉(zhuǎn)速快慢，例如機械、負載、空載等一些容易獲得檢測性能，然后特定的算法更加精確的獲得直流電動機轉(zhuǎn)速等其他的性能。在這方面一般只有高校和科研單位才有探索的國內(nèi)外情況。（3）單項檢測裝置單項檢測裝置一般將直流電動機的功率和磁性作為檢測對象，該檢測方法已經(jīng)在一些工廠得到一些推廣應用。（4）大型電機自動檢測系統(tǒng) 該檢測設備一般通過對工廠中的大型的發(fā)電機組群運行狀態(tài)進行實時檢測，并且通常這些檢測的傳感器較為靈敏精確度較高和自動化程度高等優(yōu)良特點得到廣泛的應用。因此它能很能及時的避免損失和排除故障。所以該自動檢測系統(tǒng)在發(fā)電廠等一些工廠應用較好。1.1.4 檢測技術

8、在虛擬設備裝置提供的發(fā)展 由于檢測技術在我生產(chǎn)生活中起這巨大的作用，并且取得顯著的提高，正因為如此才能我們的世界能更深入的了解，以及發(fā)現(xiàn)掌握其中的規(guī)律，并利用其內(nèi)在的規(guī)律為我們所利用。隨著當今科技技術不斷發(fā)展的時代，檢測技術也得到了快速發(fā)展，在數(shù)據(jù)處理、信號收集等都能快速檢測出。不論其環(huán)境的復雜性，都能很好的檢測出。由于人類要求越來越高檢測技術朝著智能化、自動化的方向發(fā)展是大勢所趨。現(xiàn)代技術通過軟硬件的結(jié)合，如在運行軟件研發(fā)平臺與傳統(tǒng)的機器結(jié)合，并在PC的基礎上形成虛擬儀器，形成了虛擬操作控件、顯示控件等一些檢測過程?，F(xiàn)在虛擬技術的發(fā)展為用戶廠家提供了符合自身需求的檢測開發(fā)平臺，因而不同特色的

9、操作的檢測性能。在這個平臺上為了能在較快的時間內(nèi)滿足檢測的需求，則只需簡單的對軟件程序進行適當?shù)男薷模屯耆m應各種生產(chǎn)要求。1.2直流電動機的控制方向現(xiàn)在,直流電動機的研究主要集中在轉(zhuǎn)矩脈動控制,無傳感器控制以及控制算法三個方面轉(zhuǎn)矩脈動控制轉(zhuǎn)矩脈動的問題一直是交流伺服應用領域的一大難題,尤其是在直接驅(qū)動應用場合,轉(zhuǎn)矩脈動的問題更加突出。由于有些機械抗干擾使得它的一些優(yōu)良性沒有很好地應用。由于我國在控制算法的抗干擾電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動方面的研究起步較晚，許多這方面研究成果與國外仍然有很大差距。所以在研究直流電動機轉(zhuǎn)矩脈動控制技術非常具有現(xiàn)實意義。1.3控制算法由于傳統(tǒng)的直流電機控制系統(tǒng)是個非線性系統(tǒng)，

10、所以增加了控制的難度在高性能高速運算處理應用場合。因此目前誕生了由單片機為軟件編程對直流電動機的控制，實現(xiàn)了快速性、穩(wěn)定性、靈活性和魯棒性優(yōu)良的性能。目前重要研究方向就是傳統(tǒng)的直流電動機與芯片結(jié)合實現(xiàn)先進的控制。1.3.1自適應控制自適應控制根據(jù)不斷的運行識別校正系統(tǒng)的參數(shù)，然后逐步達到各方面的完善，去除系統(tǒng)中其他的因素干擾。即隨著變化而變化，已達到我們所要求的指標。但是該方法對于快速變化的參數(shù)，自適應控制校正和識別等響應較慢，因此在表現(xiàn)情況方面不是非常突出。1.3.2變結(jié)構(gòu)控制變結(jié)構(gòu)控制是根據(jù)系統(tǒng)的運行情況的偏差，然后按照設計好的程序進行。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在于它的間斷性。無刷直流電動機能在動

11、態(tài)的運行情況下快速響應，這是當無刷直流電動機處于變換速度和開機運行時，而為順應同步電機運行方式，在無刷直流電動機達到預設定的值時，這樣可以做到具有平穩(wěn)性和準確性。當然無刷直流電動機與傳統(tǒng)的電動機不同之處是簡單方便控制，開環(huán)直接控制，響應速度和精度高，在調(diào)速控制方面非常靈活。由于控制的核心技術是怎樣使無刷直流電動機在不同的情況下銜接順利，這由于它的不連續(xù)性的控制算法限制。1.3.3模糊控制模糊控制美國加利福尼亞大學教授提出，經(jīng)過這些年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為研究這方面的熱點。模糊控制能為了得到合適的控制量，通過設計好的模糊控制算法，進行演算來適應專家和控制人員的控制。并由于它不需要非常精確的數(shù)學算法

12、，就能夠非常合理的進行強耦合、非線性、多參數(shù)變量的無刷直流電機的控制系統(tǒng)。由于模糊控制有時效果不能達到我們所要求的，這是因為直接將他應用于高精度的電機控制系統(tǒng)，很難去除內(nèi)在的穩(wěn)態(tài)誤差，所以為了達到我們所要求的，必須與其他的算法合適的運用。就目前國內(nèi)外模糊控制發(fā)展具有接近線性、非線性、自學習性和自穩(wěn)定性優(yōu)良特點。所以應用于以直接轉(zhuǎn)矩控制的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，并可以優(yōu)化伺服設計算法。由于它具有很強的魯棒控制性，同時不需要發(fā)雜的建模就可以應用于線性和非線性的控制對象。所以應用于無刷直流電機上，在自適應快速精準了解轉(zhuǎn)速情況，這是由于它的隨時跟蹤識別無刷直流電動機轉(zhuǎn)速的運行。就目前而言，雖然在智能控制方面

13、得到了成就，但如系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性很難及早發(fā)現(xiàn)變化、系統(tǒng)模擬要求高和缺乏智能控制的大數(shù)據(jù)等，所以還需不斷地研究。而本文以無刷直流電動機為被控對象實現(xiàn)全數(shù)字無刷直流電動機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，在自控和自抗兩種控制方法。今后需要進一步分析直流電動機操作平臺以及和相關軟件設計，根據(jù)檢測到的電流作為反饋響應來減小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的脈動。同時轉(zhuǎn)速和電流由軟件編程來實現(xiàn)，控制和自抗干擾控制分別轉(zhuǎn)速，為達到預期效果必須這樣完成控制策略。 第二章 直流電動機的基本結(jié)構(gòu)原理和檢測方法2.1直流電動機的結(jié)構(gòu)由電子開關逆變器、位置檢測器和電動機構(gòu)成。同時采用無刷直流電動機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電動機，因這種電動機沒有機械摩擦，

14、換相快，靈敏度高等優(yōu)良特性。無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。控制器位置檢測電動機電力電子開關逆變器直流電源 圖2-1直流電動機的結(jié)構(gòu)圖 2.2直流電動機工作原理 直流電動機正常工作是以控制電路為核心的電力電子開關逆變器和位置信號檢測裝置產(chǎn)生的信號去觸發(fā)開關線路中的功率開關元件斷或通。電力電子開關逆變器的功能是為了直流電動機形成接連不斷的轉(zhuǎn)矩，則需要電源的功率按比例分配電機轉(zhuǎn)子繞組上來觸發(fā)。而位置信號檢測器為了使控制直流電動機轉(zhuǎn)起來，則必須由該裝置產(chǎn)生持續(xù)的脈沖信號來是開關線路的開關斷和開。而電動機的功能為使得直流電動機定子電樞繞組形成旋轉(zhuǎn)磁場的電角度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子運行，則此必須由電力電子開關

15、逆變器的功率管按照比例關系使開關斷與通與否。由于電樞的電流只和直流電動機的轉(zhuǎn)矩有關，所以為了形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，則必須以恒定的電流通過點數(shù)繞組同時在一個均勻的磁場下為前提才能正常工作。由于電樞感應電動勢、轉(zhuǎn)子的氣隙的磁通都為矩形波和反電動勢產(chǎn)生的信號都為矩形波。所以為了滿足各項指標，因此必須要把握好開斷瞬間時刻通過電力電子開關逆變器各個功率開關的配合才行。為了不讓轉(zhuǎn)矩不降低，則必須嚴格使感應電動勢的波形與定子繞組的方波電流導通瞬時時刻、轉(zhuǎn)子的位置之間的函數(shù)關系。Y和連接對三相繞組直流電動機都可以，所以就形成了各種電路，其中三相連接全橋電路得到廣泛的推廣運用。因此本次研究就采用全橋驅(qū)動的三相繞組的直

16、流電動機來檢測轉(zhuǎn)速。圖2-2為無刷直流電動機三相全控電路原理圖。 由速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成的直流電動機控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-3所示。每相參 考電流每相直流電動機電流滯環(huán)控制器電壓逆變器速度控制器 圖2-3直流電動機控制原理框圖按照圖2-3直流電動機控制原理圖進行建模，則由速度調(diào)節(jié)板塊、電力電子開關逆變器板塊、電流滯環(huán)調(diào)節(jié)板塊以及直流電動機板塊等構(gòu)成整個轉(zhuǎn)速智能檢測模型系統(tǒng)。圖2-4直流電動機控制系統(tǒng)原理建模圖 2.3 直流電動機轉(zhuǎn)速檢測方法概述測速范圍和測速精度為直流電動機轉(zhuǎn)速檢測方法兩個重要技術評價指標，因為高精度寬范圍是直流電動機轉(zhuǎn)速檢測方法的兩個重要因素。而且根據(jù)這兩點與不同的直流電

17、動機轉(zhuǎn)速檢測方法的好壞結(jié)合，來適應完成最終的要求。 2.3.1 轉(zhuǎn)速檢測方法的選擇 轉(zhuǎn)速檢測的元件對測速整個模塊顯得非常重要，由于轉(zhuǎn)速檢測的元件的不同，則使轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)有很大的差別。我們可以把模擬測速模式和數(shù)字測速模式為直流電動機轉(zhuǎn)速檢測方法的不同方法，是根據(jù)上述對直流電動機轉(zhuǎn)速檢測元件和直流電動機轉(zhuǎn)速檢測模式的分析以及總結(jié)現(xiàn)在的研究成果得出的。同時根據(jù)我們所了解的直流電動機轉(zhuǎn)速檢測元件和直流電動機轉(zhuǎn)速檢測模式有著非常緊密的聯(lián)系，由于直流電動機轉(zhuǎn)速檢測模式的千差萬別導致直流電動機轉(zhuǎn)速檢測的元件不同，但我們可以大致分為模擬式的直流電動機轉(zhuǎn)速檢測元件和數(shù)字式的直流電動機轉(zhuǎn)速檢測元件。直流電動機轉(zhuǎn)速

18、檢測首要選擇是模擬式，而且這種測試算法已經(jīng)得到了非常廣泛的應用。通常與計算機控制技術緊密結(jié)合的數(shù)字式直流電動機轉(zhuǎn)速檢測能在很好的提高各方面的性能?，F(xiàn)在大部分工廠、科技公司都是應用光電式脈沖發(fā)生器，以致能夠很好地適應各種性能的要求。在直流電動機轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)中應用尤其廣泛。 2.3.2 模擬量轉(zhuǎn)速檢測模式的原理 直流電動機轉(zhuǎn)速檢測的小型直流發(fā)電機本質(zhì)上是直流測速發(fā)電機，直流測速發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為了電能，并輸出直流電，這是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的因素進行分類的。直流測速發(fā)電機將轉(zhuǎn)速信號與轉(zhuǎn)速信號成線性關系，所以可以進行變換為直流電壓信號，之后輸出給其他采集設備，這是從信號轉(zhuǎn)換的角度來分類的。由于存在定子和電

19、刷之間存在吻合空間、內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境的變化的干擾，還存在一些難以克服的缺陷即換向電刷的機械磨損的損失。但它有個非常突出的優(yōu)良特點即它的轉(zhuǎn)速檢測范圍寬度很廣，盡管有些地方還是存在一些難以克服的困難，但使得仍然也具有很好的應用。作為伺服控制系統(tǒng)的直流電動機轉(zhuǎn)速檢測元件的基本要求是穩(wěn)定性好、靈敏度好、精度好等指標。而這些具體的性能特點在直流測速發(fā)電機主要體現(xiàn)一些電氣的品質(zhì)。如下：1、 體積小、結(jié)構(gòu)形式簡單、工作運行安全可靠、機械噪音低、高頻干擾不是問題。2、 為使得有足夠的快速響應，則需要直流發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量很小。3、 輸出的時候其靈敏度很高。4、 要求在滿足系統(tǒng)要求下輸出電壓平緩，所以波動小即輸出

20、電壓的波動小。5、 為能保證轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，要求輸出電壓與轉(zhuǎn)速成線性關系和對稱關系。 2.3.3 數(shù)字量轉(zhuǎn)速檢測模式的原理 輸出穩(wěn)定、分辨率強、機械抗干擾能力強、準確度高、反應響應速度快、非間接輸出數(shù)字量等特點，都是角度編碼器作為數(shù)字量轉(zhuǎn)速檢測模式的測速元件，在一般下角度編碼器就是一種高精度的角位移傳感器。為得到被測電機的轉(zhuǎn)速，則需要角度編碼器連續(xù)不斷的輸出穩(wěn)定的脈沖信號，再通過收集裝置進行轉(zhuǎn)換分析處理才能得到。這是在實際生產(chǎn)中，它的連軸與被測直流發(fā)電機的輸出軸進行連接，以及與被測電機一起轉(zhuǎn)動。 增量式編碼器和絕對式編碼器是主要情況下角度編碼器的類型，有時也可以稱為脈沖發(fā)生器，是因為它能夠直接發(fā)出

21、數(shù)字量的特性。可以通過絕對式編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及測試方法主要分為光電式和接觸式。因其能直接根據(jù)角度的變化進行編碼的傳感器，然后直接把被測轉(zhuǎn)角的結(jié)果用數(shù)字形式表現(xiàn)出來。而分辨的最小角度是增量式編碼器的測量精度的主要影響因素，這與它的碼盤圓周上的狹縫條數(shù)密切分不開的。所以增量式編碼器在角度編碼器的實際應用情況是最廣泛的。下圖是增量式編碼器的原理圖。 光源 透鏡 碼盤 透鏡 光盤元件 發(fā)達整形 脈沖輸出 圖3-1增量式光電編碼器原理圖2.4 數(shù)字轉(zhuǎn)速檢測算法 根據(jù)檢測脈沖周期或頻率來測量轉(zhuǎn)速，這是由脈沖形式是光電編碼器輸出的。直流測速發(fā)電機的模擬測速方式可以有光電編碼器替代成為數(shù)字式測速設備。數(shù)字式

22、測速方法主要有這幾種：M 法、T 法，以及后來發(fā)展的 M/T 法、變 M/T 法等。 2.4.1 常用的數(shù)字測速算法一般常用的數(shù)字式測速方法有這三種：M 法、T 法和 M/T 法，以下做簡要介紹:M 法測速 M 測速法(也稱為測頻率法)：用編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)在一定的采樣周期內(nèi)(比如 10s、1s、0.1s 等)，來確定速度的方法稱為 M 測速法。M 法測速的技術指標：分辨率、測量精度、檢測時間。 T 法測速 T 法測速(又稱測周期法)：用編碼器所產(chǎn)生的相鄰兩個脈沖之間的時間來確定被測電機轉(zhuǎn)速的方法成為 T 法測速。T 法測速的技術指標：分辨率 、測量精度、檢測時間、時鐘脈沖 fc 的確定。法

23、測速 M/T 法測速 ：同時進行測量時間和檢測時間的標準頻率的高速時鐘發(fā)出脈沖數(shù)進行統(tǒng)計，由此我們便可以確定電機轉(zhuǎn)速。 M/T 法測速的性能指標：分辨率、測速精度。2.4.2 M測速發(fā)與T測速法結(jié)合分析通過閱讀大量的文獻資料以及詢問相關老師得知， M/T 法是對電機測速系統(tǒng)的改進主要的解決方法。為了改進 M/T 測速法中存在的一些突出問題例如檢測時間過長，因此檢測誤差過大而提出來的，這都是 M/T 測速法以及對其進行的改進測速算法。由于延時性問題突出、軟件編程困難、硬件輔助設備要求多、工程實現(xiàn)要求難等，都是現(xiàn)實工程中M/T 測速法以及對 M/T 測速法的改進算法存在的困難。有時對系統(tǒng)硬件要求較

24、高，則會增加開發(fā)成本。因此這次研究主要放在直流電動機的檢測轉(zhuǎn)速的方法上，以M測速法和T測速法的基礎上進行改進的。通過上面所述的每個檢測算法的表述，T測速法在應用過程中脈沖的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)速檢測到的速度是一起的。即通過光電編碼器產(chǎn)生的每一個脈沖，就會馬上計算出以及更新轉(zhuǎn)換一次其檢測的時間間隙。為了能得到測速精度線性準確度高以及速度曲線具有規(guī)律性，必須編碼器產(chǎn)生的脈沖隨著轉(zhuǎn)速變化而進行變化。由于T測速法適用于較低速情況，所以當被測電機的單位轉(zhuǎn)速不斷增加，而且提高到光電編碼器產(chǎn)生的脈沖的時間間隔小于時，將無法測量出編碼器產(chǎn)生的相鄰脈沖之間的時間。而M測速法具有高速范圍內(nèi)的檢測優(yōu)勢，但它存在著在具體的單個采

25、樣周期內(nèi)編碼器形成的脈沖數(shù)量的變化時刻影響到測速精度，這是它一個缺陷。同時會跟著轉(zhuǎn)速的降低單個采樣周期內(nèi)的編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)而減少，因此導致測速精度持續(xù)的降低。盡管時效性、精度好、線性好等優(yōu)良特點，對T測速法在低速范圍內(nèi)相比其他的方法無法相比的，當然M測速法在高速情況下具有很明顯的優(yōu)勢，但不管采用哪種方法，都不能保證在整個運行里都具有較高的測速精度。所以這次研究就是將M測速法和T測速法進行結(jié)合來進行測量轉(zhuǎn)速，以致能使更多范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)速檢測，這都是基于它們各自的基本原理以及優(yōu)點結(jié)合加以改進。第三章 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)3.1系統(tǒng)總體控制設計方案概述系統(tǒng)硬件包括單片機、電動機轉(zhuǎn)速測量裝置、PWM

26、 波調(diào)制、電動機功率驅(qū)動電路、直流電動機以及顯示和鍵盤輸入等部分。軟件設計采用 PID 算法，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速控制功能?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。顯示電路電動機驅(qū)動PWM調(diào)制AT89C51鍵盤轉(zhuǎn)速測量裝置直流電動機圖3-1控制系統(tǒng)方框圖該方案采用傳感器與定時器、計數(shù)器配合測速，其中傳感器采用光電碼盤，利用其產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速相對應的脈沖。將電動機每轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換成一個矩形脈沖，通過定時器、計數(shù)器可以記錄并計算電動機的轉(zhuǎn)速，再通過 PID 算法計算轉(zhuǎn)速偏差，將其送到另外一片 CPU (稱作從 CPU)，利用它產(chǎn)生 PWM 波，經(jīng)驅(qū)動放大后供給電動機，從測速到驅(qū)動再測速進行循環(huán)控制，使電動機

27、的轉(zhuǎn)速達到預定值。測得電動機轉(zhuǎn)動周期，得到轉(zhuǎn)速后再經(jīng) PID 算法得出控制量發(fā)送給從 CPU 產(chǎn)生 PWM 波，驅(qū)動電動機，形成閉環(huán)控制。該系統(tǒng)成本低，體積小，適合于控制小功率直流電動機。 3.1轉(zhuǎn)速控制方法概述現(xiàn)在轉(zhuǎn)速的控制方法具有很多，主要是續(xù)流二極管法、定子三次諧波控制法、反電動勢邏輯電平積分法和反電動勢過零點控制法等?，F(xiàn)在來對這幾種方法進行簡要介紹，并分析其優(yōu)缺點。3.1.1續(xù)流二極管法采用直流電機控制系統(tǒng)導通方式，控制六個功率管上的電流導通，并有非導通相的繞組有個續(xù)流的過程。這種方法能很好地拓寬電動機調(diào)速范圍，尤其在轉(zhuǎn)速下限方面具有顯著成效。然而它也有一些缺點，必須在不斷變換斬波形式

28、下上下功率管工作，因此也增加了控制難度。同時尖點干擾形成的誤差信號和無效信號消除比較困難這對于續(xù)流二極管來說。由于反電動勢波形、電感量的波動、位置誤差等因素使得轉(zhuǎn)子位置不準確。由于以上缺點不以消除和技術不成熟，所以此方法在國內(nèi)應用不是很多。3.1.2定子三次諧波控制法定子三次諧波控制法是通過控制電樞相電壓中的三次諧波分量,并對這組測量值進行積分,當積分值為零時,便得到功率管的開關信號。一種是通過濾波器上的電阻進行積分處理，并有一個星型電阻網(wǎng)絡連接點數(shù)的三個端點，其中點連接電樞的中線。但這種方法也有缺點若電動機的中線接出不方便時，就不好使用了。然而如果采用濾波器來去除干擾，則可以使用這方法。但不

29、管怎么說，該方法缺點比較突出，因為操作使用不是很容易，而且必須要較多外加設備，同時低轉(zhuǎn)速的時候，三次脈沖波不好得到。3.1.3反電動勢邏輯電平積分法這種方法對絕對積分值必須在過零點的開路相反電動勢前提下，或者使得轉(zhuǎn)子位置時，此時則是定子繞組換流時刻，它則是積分值到了預設定的暫停積分值。即為了獲得轉(zhuǎn)子的位置信息則需要根據(jù)電動機不導通反相電動勢的積分得到才行。但這種方法也有缺點對于較低速度的情況下，必須得開環(huán)的方式才能消除開關噪聲不敏感的影響。為了得到準確的轉(zhuǎn)子的位置，則需要通過比較過零點的相反的兩個電動勢，進而得到該電平對這兩條路線上的電平進行積分，這也反映了它們之間的聯(lián)系。同時為了拓寬調(diào)速上下

30、限，則可以判斷不導通的相反電動勢的性能。3.1.4反電動勢過零點控制法現(xiàn)在運用最成熟、最高效、最廣泛的轉(zhuǎn)子位置信號k控制方法反電動勢法。該方法運用星型繞組相互連通三種相位六種狀態(tài)的直流電動機中。通過要求下次換相點必須落后每個過零點，且在一個運行周期內(nèi)兩次過零點在直流電動機未導通的狀態(tài)前提下。因此要得出下次換相點的瞬間值，則只要檢測出每個過零點并延遲一段時間就行了。接收端電壓的濾波器電阻會與輸入頻率的改變而改變，即轉(zhuǎn)速變化時，輸入的頻率也隨之改變。但形成的轉(zhuǎn)矩的能力會受濾波延時即轉(zhuǎn)速非常快而影響，從而使得電動機不能正常運行。如果需要取得良好的運行，則需要一些改進的手段即可做到，因此簡單易于實現(xiàn)，

31、得到大量的推廣。3.1.5比較以上各種方法在直流電動機轉(zhuǎn)速的控制關鍵信號是轉(zhuǎn)子位置信號。因此從上面的分析總結(jié)各種性能，可以得出續(xù)流二極管法、三次諧波法、反電動勢邏輯電平積分法都有些不好處理問題，因此在實際情況不太容易得到推廣。而反電動勢過零點控制法與它們相比較具有操作簡單、控制信號快、準確度高、運行平穩(wěn)性好。當然這種方法也需要進一步改進，才能更好的檢測出好的信息。因此本次研究轉(zhuǎn)速的控制運用的方法是反電動勢過零點控制法。2.1測速環(huán)節(jié)設計方案用定時器、計數(shù)器配合光電式位置傳感器測速，光電開關由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，遮光盤處于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。紅外發(fā)光二極管

32、通電后發(fā)出紅外光，當遮光盤隨電動機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)時，紅外光間斷地照在光敏三極管上，使其不斷的導通和截止，輸出信號反映轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)過波形整形放大后送到計數(shù)器進行計數(shù)，可以計算每分鐘脈沖的個數(shù)，硬件電路如圖 2 所示。2.2直流電動機驅(qū)動電路方案驅(qū)動電路是將前級電路的輸出信號進行功率放大，并向后級負載提供功率驅(qū)動信號。采用 H 橋電路驅(qū)動，如圖 3 所示。該電路簡單可靠，用于驅(qū)動無刷直流電動機，波形的高電平或低電平寬一些，直流電動機可正反轉(zhuǎn)。第 4 章 直流電機轉(zhuǎn)速檢測與控制實驗系統(tǒng)硬件設計（檢測模塊）電機的性能檢測尤其是對轉(zhuǎn)速參數(shù)的檢測是保證電機正常運行的重要環(huán)節(jié)之一，而傳統(tǒng)的檢測儀表在功能上存

33、在一定的局限性，因此研究新型的電機檢測系統(tǒng)就變得有必要。無刷直流電機不管是在航天領域，還是在一般工業(yè)領域都占據(jù)著相當大的使用比例，因此本文將采用無刷直流電機作為試驗系統(tǒng)的驅(qū)動電機。 4.1 實驗系統(tǒng)的工作原理 實驗系統(tǒng)主體由兩部分組成,電機控制部分和信號采集部分，如圖 4.1 所示。由文獻調(diào)研可知，無刷直流電機的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式有以下幾種：可以通過采用調(diào)節(jié)PWM 電信號的占空比來調(diào)節(jié)無刷直流電機的轉(zhuǎn)速；可以通過改變無刷直流電機的輸入模擬直流電壓的大小去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；可以通過采用 PID 原理對無刷直流電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)；通過改變脈沖信號的周期或頻率也可以達到對無刷直流電機轉(zhuǎn)動速度調(diào)節(jié)的目的。 本實驗

34、系統(tǒng)將采用 PWM 信號和模擬電壓兩種方式，均可以對無刷直流電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。在本實驗系統(tǒng)中首先通過 Lab VIEW 軟件編程生成無刷直流電機所需要的模擬直流電壓信號或 PWM 信號，該信號通過數(shù)據(jù)采集設備輸出，再經(jīng)驅(qū)動器放大后驅(qū)動無刷直流電機運轉(zhuǎn)，并可以通過改變 PWM 信號的占空比或模擬直流電壓的大小來得到不同的轉(zhuǎn)速值。至此無刷直流電機轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)硬件設計的控制部分的基本功能設計完成。電機控制部分的正常運行將使無刷直流電機實現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速下正常運轉(zhuǎn)，然后由轉(zhuǎn)速傳感器采集電機轉(zhuǎn)速信號，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的信號格式與數(shù)據(jù)采集卡相匹配的信號輸入格式之間的差異，選擇合適的調(diào)理電路模塊或者采取直接

35、采集的方式將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集設備中，進而輸入到基于計算機平臺的軟件系統(tǒng)中進行處理、顯示，并自動生成各種試驗的試驗結(jié)果，并按照試驗的時間進行保存，方便用戶查閱。本實驗系統(tǒng)將設計使用雙軸輸出電機，可以同時使用多個轉(zhuǎn)速傳感器采集電機轉(zhuǎn)速，此設計方案的目的是可以通過多個轉(zhuǎn)速傳感器同時采集數(shù)據(jù)的對比，消除因單一傳感器故障而出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集異常的隱患，同時也可以對軟件進行雙重驗證，對促進軟件的精確性起到積極作用。 4.2 實驗系統(tǒng)各組成部分選型及介紹 4.2.1 電機及驅(qū)動器 （1）內(nèi)部電位器調(diào)速：在驅(qū)動器側(cè)面我們看到有一個電位器調(diào)節(jié)鈕，驅(qū)動器的實物圖 4.2 所示，可以通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器側(cè)面的電位器旋鈕來調(diào)

36、節(jié)速度，逆時針旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速減小，順時針旋轉(zhuǎn)則轉(zhuǎn)速增大； （2）外接電位器調(diào)速：此種方法與內(nèi)置電位器調(diào)速原理基本相同，驅(qū)動器為用戶提供了連接外置電位器的端口，具體操作方式是將電位器的兩個固定端分別接于電機驅(qū)動器的“COM”和“REF+”端，將電位器的調(diào)節(jié)端接于“SV”端，經(jīng)過上述操作后即可使用外接電位器(10K-100K)進行調(diào)速操作。 為了進一步突出虛擬儀器技術在本課題中的作用，本實驗系統(tǒng)并沒有采用以上兩種調(diào)速方式，而是在軟件中嵌入實驗系統(tǒng)方案中設計的兩種調(diào)速方式，PWM 信號調(diào)速和模擬電壓調(diào)速。4.2.2 轉(zhuǎn)速傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器是實現(xiàn)測控系統(tǒng)功能的主要功能器件，在使用轉(zhuǎn)速傳感器時，要根據(jù)被測

37、信號的特性與轉(zhuǎn)速傳感器的性能指標來選用。本實驗系統(tǒng)將設計使用雙軸輸出電機，可以同時使用多個轉(zhuǎn)速傳感器采集電機轉(zhuǎn)速，此設計方案的目的是可以通過多個轉(zhuǎn)速傳感器同時采集數(shù)據(jù)的對比，消除因單一傳感器故障而出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集異常的隱患，同時也可以對軟件進行雙重驗證，對促進軟件的精確性起到積極作用?；谝陨夏康奈疫x用了上海某公司生產(chǎn)的 YS 51XFW975 組裝式旋轉(zhuǎn)變壓器及其解碼器、歐姆龍生產(chǎn)的 E6B2-CWZ3E 型增量式光電編碼器。 以下是兩種轉(zhuǎn)速傳感器的主要技術指標。 （1）旋變及其解碼器（2）光電編碼器 4.2.3 信號調(diào)理模塊 信號調(diào)理模塊是對進入數(shù)據(jù)采集裝置的傳感器信號進行預處理的接口，使傳

38、感器傳輸過來的電信號和數(shù)據(jù)采集卡平穩(wěn)對接。一般來說信號調(diào)理模塊要完成的工作基本上是完成對信號的放大、濾波、激勵、隔離等處理。 （1）放大 轉(zhuǎn)速傳感器所接收得到的被測目標發(fā)出的信號，一般都非常微弱，通常需要對其進行放大處理以提高信號的分辨率，同時也可以使經(jīng)過放大的信號符合數(shù)據(jù)采集設備的輸入范圍要求，以增加檢測的精度。 （2）濾波 濾波的主要目的是消除測量中不需要的信號，如噪聲信號等，只讓需要的信號進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般在現(xiàn)場工作時會有很多的外界信號干擾，為此就需要對信號進行濾波。當前大多的數(shù)據(jù)采集設備，己經(jīng)在自身內(nèi)部集成了抗失真的濾波器。 （3）激勵 許多傳感器都必須通過外加的激勵信

39、號才能夠正常的丁作，例如應變式傳感器、熱敏電阻以及光敏電阻等工作時都需要外接電壓或者電流激勵信號，信號調(diào)理電路可以產(chǎn)生這些傳感器所需要的激勵信號。 （4）隔離 在檢測某些信號時，由于被測信號中通常含有超過檢測儀器額定功率的信號成分或者干擾信號，為此需要將被測信號與數(shù)據(jù)采集卡之間進行隔離以避免直接的電接觸或者物理接觸，可以保證檢測系統(tǒng)的準確性。 4.3 本章小結(jié) （1）首先對本文的無刷直流電機轉(zhuǎn)速檢測實驗系統(tǒng)的工作原理和設計方案進行了簡介；（2）接著詳細介紹了本實驗系統(tǒng)的各個組成部分的功能以及硬件選擇，包括被測無刷直流電機及其驅(qū)動器，傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡等。 第 5 章 無刷直流電機測速檢測實驗系統(tǒng)軟件設計本文所設計的基于虛擬儀器技術的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)的核心部分在于軟件。虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 Lab VIEW 是開發(fā)和設計基于虛擬儀器系統(tǒng)的關