直流电机调速范文（精选12篇）
直流电机调速 第1篇
关键词：直流电机,PWM,电机调速,速度测定
0 引言
随着数字信号处理理论、自适应理论、集成电路理论等的发展, 带动了调速控制设计方法的不断丰富, 加之直流电机具有良好的起动、制动和调速性能, 已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。电子技术不断进步, 脉宽调制 (PWM) 调速技术已成为直流电机常用的调速方法, 具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。新的电子器件, 高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用, 使得控制部件功能日益完善, 所需的控制元件愈来愈少, 控制器件的体积也日益减小, 可靠性提高而成本降低。直流电机的应用不再局限于传统的工业领域, 在商业、交通业等领域也得到很广泛的应用。由于微机以数字信号工作, 控制手段灵活方便, 抗干扰能力强等特点, 各种系统广泛使用微机, 直流传动系统也实现了全数字化控制。全数字直流调速控制精度和可靠性普遍高于模拟直流调速系统。避免了传统的调速系统带来的如模拟电路容易随时间漂移, 会产生一些不必要的热损耗, 以及对噪声敏感等缺陷。
1 设计方案的实现
1.1 系统硬件电路设计
1.1.1 硬件系统概述
本系统的硬件部分主要由STC89C52单片机最小系统电路, 电机控制及驱动电路, 电机转速测定电路三部分组成。
1.1.2 电机驱动及控制电路的设计
本驱动器控制接口采用光耦共阳极接法实现隔离功能, 因此在驱动器上不需要连接控制端的地, 控制时是通过控制端的地形成回路的, 也避免了控制地和驱动地共地造成电机启动对控制的干扰;只要把控制端的电源正 (一般有+3.3V、+5V、+12V、+24V等等) 接在驱动器端口J2的VCC上即可。
1.1.3 电机转速测定电路的设计
电机转速测定采用光电编码盘测速方。光电编码盘是将测得的角位移转换成为相应的电脉冲信号输出的数字传感器。其中以采用增量式光电编码器来采样转速信号为最常用, 增量式编码器是专门用来测量转动角位移的累计量。增量式光电编码器在圆盘上刻有有规则的透光和不透光的线条, 圆盘两侧分别安置着发光元件和光敏元件。当圆盘随电机开始旋转时, 光敏元件所接受的光增量会随着透光线条发生同步变化, 其输出的波形经整形后变成脉冲。码盘上有向标志, 每转一圈z相输出一个脉冲。此外, 为判断旋转方向, 码盘还提供相位相差90°的两路脉冲信号。将A、B两相脉冲中任何一相输入计数器中, 均可使计数器进行计数。编码盘输出的z相脉冲用于复位计数器, 每转一圈复位一次计数器。
由于电动机转速有高速和低速之分, 当电机高速运转时宜测量脉冲频率, 而当电机低速运转时宜测量脉冲周期。且当低速运转时脉冲频率较低, 测量频率时比较费时, 准确度低、误差大, 而高速运转时脉冲频率较高, 测量的频率比较精准。高速测量公式:v=N/10;低速测量公式:v=1/T。
当电机轴上的码盘转动时, 接收管的电阻会发生变化, 在电路上一般以电压的变化形式体现出来, 而经过LM324电路整形后得到处理后的输出结果。电阻的变化起取于电机上码盘转动的快慢。利用单片机的的定时器, 定时时间为一秒, 故转速S=M*60。
1.1.4 液晶显示
采用1602 LCD液晶显示。LCD液晶点阵字符模块是由点阵字符液晶显示器件和专用的行、列驱动器, 控制器及必要的连接件, 结构件装配而成, 空有显示数字和英文字符。1602液晶显示的RS/RW/EN脚分别与单片机的P2.0, P2.1, P2.2接口连接
其基本操作时序如下:
读状态时:RS=L, RW=H, E=H输出:D0~D7=状态字
写指令时:RS=L, RW=L, D0~D7=指令码E=高脉冲无输出
读数据时:RS=H, RW=H, E=H输出:D0~D7=数据
写数据时:RS=H, RW=L, D0~D7=指令码E=高脉冲无输出
1.2 系统软件设计
1.2.1 软件总体设计流程
软件设计流程括按键扫描程序、PWM程序、PID控制程序、液晶显示程序等。通过键盘设定给定转速并由显示器显示, 红外测速装置测量当前电机转速, 单片机将显示当前转速并与设定转速进行比较, 并通过PWM进行调节控制, 使电机转速快速跟踪给定转速。电机调速范围在300r/min——2000r/min, 当前显示转速和设定转速的差值控制在误差范围±1%以内, 达到设定转速所需时间控制在3S以内。
1.2.2 PWM程序设计
(1) 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期。
(2) 在PWM控制寄存器中设置接通时间。
(3) 设置PWM输出的方向, 这个输出是一个通用I/O管脚。
(4) 启动定时器。
(5) 使能PWM控制器。
2.3.3液晶显示程序设计
液晶显示程序如下:
初始化过程 (复位过程) 延时15ms
写指令38H (不检测忙信号) 延时5ms
写指令38H (不检测忙信号) 延时5ms
写指令38H (不检测忙信号)
(每次写指令、读/写数据操作之前均需检测忙信号)
写指令38H:显示模式设置
写指令08H:显示关闭
写指令01H:显示清屏
写指令06H:显示光标移动设置
写指令0CH:显示开及光标设置
2结束语
本设计的题目为直流电机PWM调速系统设计, 直流电机控制在现代控制领域作为一个重要的指标, 有着重要的实际意义。工业自动化的显著提高, 对直流电动机自动控制系统产生了更高的要求, 特别是在高精尖领域, 调速的精确度和稳定性已经成为评价性能的首选指标。本系统以单片机STC89C52为核心部件, 利用C语言编程, 通过按键实现了电机的加速、减速等基本要求, 并通过光电门完成了对电机转速的测定, 再利用1602液晶显示将转速显示出, 通过PWM控制使电机当前转速达到设定的转速。
参考文献
[1]于少娟.电机控制技术实践[M].北京:中国电力出版社, 2009[2]杨帮文.减 (变) 速电机技术与选用手册[M].北京:中国电力出版社, 2010
[3]李泓.单片机控制的直流PWM调速装置的研究.变频世界[J], 20065 (2) .
直流电机调速 第2篇
康玉龙
（河北钢铁集团宣钢公司焦化厂 075100）
摘要：本文以现代交流调速技术的应用领域及发展趋势为背景，介绍中压交-直-交电压型H桥级联变频器的工作原理、控制方式和技术优缺点，并通过宣钢焦化厂除尘电机变频与液力耦合器不同调速方式下的对比分析，指出变频调速在高压大功率风机上使用的优越性能和良好的节能效果。
关键词：交流调速 中压H桥级联变频器 除尘风机 干法熄焦 节能
0前言
电力电子技术的发展产生了采用半导体开关器件的交流调速系统，随着对大规模集成电路和计算机控制技术的研究，以及现代控制理论的应用，促进了各种类型的交流调速技术的飞速发展，如串联调速系统、变频调速系统、无换向器电动机调速系统及矢量控制调速和直接转矩调速系统等。其中变频器作为较为成熟的高科技调速产品，其性能稳定、操作调节方便、自动化程度高、节能效果明显等优点，已普及国民经济各部门的传动领域，得到了广泛的推广应用。
1交流调速技术概况
1.1应用领域
1.1.1通用机械的节能调速
通用机械指风机、泵、压缩机等，量大而广，应用于各行各业。此类机械由交流电动机驱动，经调速改造，替代原有挡板及阀门调节，使其风量、流量可实现连续平滑和快速精确控制，优化了工艺控制过程，有助于提高产品的质量和产量。
1.1.2工艺调速
由于机械设备的工艺需要，要求驱动电动机必须调速运行的传动系统，如金属加工、造纸、提升等机械的传动系统。1.1.3牵引调速
各种电动机车及船舶等运输机械的电驱动系统，要求在运行中及时调速，属于工艺调速范畴，但有许多不同于一般机械的特殊要求，如供电电源、设备尺寸、散热及防护要求等，正由于牵引机械对设备尺寸、防护严格要求及交流较直流调速的优势，交流牵引调速取得更快发展。1.1.4特殊调速
某些应用场合为满足用户对调速特殊要求的调速系统，如转速6000r/min以上的高速系统，调速范围1:50000至1:100000的极宽调速系统，只有采用特殊的永磁交流电动机才能实现。1.2调速用电力电子装置
交流调速用电力电子装置有交流调压装置和变频装置两大类。现有交流调压装置仅晶闸管交流调压器一种，变频装置有交-直-交间接变频器和交-交直接变频器两种，其中交-直-交间接变频器又分为电压型和电流型型两种，电压型储能元件为电容，在控制规律不变而负载变化时输出电压基本不变，电流型储能元件为电感，在控制规律不变而负载变化时输出电流基本不变。1.3发展趋势
1.3.1电力电子器件与材料的更新
在提高现有电力电子开关器件的同时，研发新型大容量电力电子器件，通过降低MOSFET通态电阻，提高电压；研制集成电力电子模块（简称IPEM）实现标准化、模块化、高效率、低成本、低污染、可编程；采用新型半导体材料碳化硅（SiC），其工作温度可达600℃，PN结耐压可达5000KV以上，导通电阻小，导热性能好，漏电流特别小。1.3.2控制策略和手段研究
在以矢量控制和直接转矩控制技术为中心的控制理论不断完善的研究中，开辟了自适应和滑膜变结构控制、模糊控制、神经网络控制、无速度传感器控制系统等。
2中压交-直-交电压型H桥级联变频器
随着交流调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术得到了广泛的应用并取得了良好的效果，其中电压型H桥级联变频器由于其电压畸变率小、功率因数高、逆变模块技术要求低、技术成熟、运行效果好等特点，得到了广泛的应用。2.1工作原理
电压型H桥级联变频器中每一项都由多个H桥功率单元串联而成，串联数取决于变频器输出电压等级，每个H桥由4个IGBT构成，并用独立彼此隔离的整流电源供电。
图一 H桥级联变频器和H级功率单元
2.2控制方式
H桥级联变频器的输出电压电平数多，通常采用三角载波比较法实现PWM（脉宽调制），通过给定频率的等腰三角载波与给定频率的正弦调制波相比较，以二者交点确定功率单元中逆变器的开关时刻，使脉冲宽度按正弦规律变化，输出频率等于且幅值正比于指定调制电压的基波成分。2.3特点及问题
此类H桥级联变频器使用1200V或1700V低压IGBT不需均压措施，且输出电压电平数多，电压畸变率小，电压波形每次跳变幅值小，无需输出滤波器，同时输入整流桥数多，通过输入变压器二次绕组移相，进线交流电流谐波小，功率因数高。
但是由于H桥级联数多，主电路复杂，储能电解电容技术要求高，可靠性受一定影响；整流电源数多，电机制动再生能量吸收或回馈技术实现难度大、成本高。
3除尘高压风机中的应用
除尘风机作为焦化行业环保除尘环节中重要设备，其运行状态将直接影响烟尘回收处理效果。现以河北钢铁集团宣钢公司焦化厂1#、2#干熄焦地面除尘风机调速方式为例，对比分析变频和液力耦合调速方式下的风机运行技术特点。3.1工艺概况
干法熄焦过程中会产生大量焦灰尘和有害物，这些有害物不仅对现场操作人员造成危害，而且将对环境造成严重污染，为消除生产过程中产生的粉尘，由除尘风机负压收集各收尘点含尘气体经管道送至脉冲布袋除尘站，净化后排放至大气。根据宣钢焦化厂干熄焦除尘工艺所需除尘风量，综合考虑系统漏风等因素，选用10KV 800KW单吸入离心式除尘风机。
其中1#干熄焦2010年投产，设计初期，由于考虑高压变频器投资高、技术不够成熟、市场应用不普及等多方面因素，该项目除尘风机设计为液力耦合调速方式；随着电力电子技术的高速发展，高压变频基本成熟，其性能稳定、控制操作方便，节能明显等优点得到普遍认可，2#干熄焦除尘风机2014年设计采用高压变频调速方式，装焦时高速运行，非装焦时低速运行。3.2二者调速性能比较 3.2.1调速效率
液力耦合器是装于电动机轴和负载轴之间的机械无极调速装置，利用油和两个互不接触的金属叶轮的摩擦力传导转矩，带动负载转动，可通过调节油压改变输出转矩，实现调速。当忽略轴承、鼓风损失和工作液体容积损失及摩擦力矩损失等，其调速效率近似为：nT=i；式中i为液力耦合器转速比，因此转速比nB减小调速效率降低，同时作为一种低效调速方法，其转差能量转换为油的热能儿消耗掉，当小于0.4时工作油升温加快，给设备运行带来不稳定状况。
而变频调速通过电力电子整流和脉宽调制逆变技术改变电动机电枢的电压和频率，仅控制电路本身需消耗很少一部分能量，因此可在全转速范围内保持较高的效率运行。3.2.2启动性能
液力耦合器不能直接改善启动性能，启动电流仍达到电机额定电流的5至7倍，而变频启动可实现软启动，启动电流小，且启动全过程可控，启动点和爬坡时间可设置，可避免启动电流对电网和电动机的冲击。3.2.3运行维护
结合焦化厂1#干熄焦除尘风机调速设备运行情况来看，液力耦合器机械结构和管路系统复杂，日常维护工作量大，且在故障下无法定速运行，必须停机检修；而2#干熄焦除尘风机H桥级联变频调速装置虽电子线路复杂，但技术成熟，尤其是单元自动切换和冗余运行特性，可在单元故障下实现不停机连续运行，运行可靠性较高，且其检修维护只需定期更换进风滤网。3.2.4调节控制特性
液力耦合器依靠调节工作腔油量大小改变输出转速，因此响应慢（需30秒左右），速度调节精度较低，在干熄焦装焦过程期间灰尘负压回收能力不能及时跟上，影响烟尘回收效果；而变频调速属于数字式控制，频率改变速度快，稳频精度高，可实现精准控制，提高了装焦过程期间烟尘回收率。3.3节能经济效益分析
由于液力耦合器液力效率、转差消耗及变频器自身能量消耗的存在，其二者均存在额外的功率损耗，但变频调速运行效率随输出转速降低变化不大，而液力耦合器效率基本呈正比降低，且综合轴功率随转速呈三次方比例下降，节能和运行效率均不及变频调速。
下面在忽略液力耦合器辅机（冷油器、油泵等）所消耗功率和设备自身消耗等的理想状态下，对比1#、2#干熄焦除尘风机调速耗能情况：
1#干熄焦除尘风机为24小时工作，电机输入电流平均约为50A，年运行时间为300天，其全年用电量为：
F13UIcosHD1.732105024300=6235200kWh
2#干熄焦除尘风机为24小时工作，高速运行时，电机输入电流平均约为50A，低速运行时，电机输入电流平均约为30A，按每15min装焦一次，装焦时间5min，即每天高速运行时间为8小时，低速运行运行时间为16小时，年运行时间为300天，其全年用电量为：
F213UIcosHD1.73210508300=2078400kWh F223UIcosHD1.732103016300=2494080kWh F2F21F224572480kWh 综上可得：
全年节电量为FF1-F26235200-4572480=1662720kWh 节电率为=F166272027% F162352004结束语
通过中压交-直-交电压型H桥级联变频器与液力耦合器运行节能效果的对比分析，不难发现其在运行效率、启动性能、运行维护等方面有着突出的优势，且随着电力电子技术和控制理论的不断进步，会有更高性能的设备应用到国民经济的电气传动领域。
参考文献：
新型电机调速方式 第3篇
关键词：永磁磁力偶合 调速 节能
中图分类号：TM35 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-050-02
资源紧缺是全人类所面临的难题，在相当长的一段时间内，节能减排将是我国必须持之以恒开展的一项工作。由一次能源及其他可再生能源转换而来的电能大约70%用于电动机拖动消耗，在生产实践中，对电力拖动设备进行节能降耗的研究和实践从没有间断过。90年代以来，变频器大规模的开发应用，负载设备工艺流程的改进，还有近年来各种调速设备的应用，都是伴随着节能的需要应运而生，永磁磁力偶合调速驱动器是建立在电磁涡流磁场力作用下，通过铜导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输。该技术实现了在驱动电机和被驱动负载侧没有机械链接。其工作原理不同于滑差电机调速装置，它是靠磁力传动转矩一种技术，可以大大降低机械振动和噪音，节能效率约在10～50%之间。
1 永磁耦合驱动系统构成与工作原理
永磁磁力耦合调速驱动器主要由铜盘转子，永磁磁盘转子和控制执行机构三部分组成。铜盘转子固定在电动机轴上，永磁磁盘转子固定在负载转轴上，铜盘转子和永磁磁盘转子之间有气隙。
铜盘转子和永磁磁盘转子可以自由独立旋转，当动力侧的铜盘转子旋转时，铜转子和永磁转子产生相对运动，铜转子切割强力永磁体产生的强磁场中磁力线而产生涡电流，涡电流产生感应磁场与永磁体相互作用产生的扭矩来带动负载旋转工作。在永磁转子和铜转子间存在气隙而没有机械连接，永磁磁力耦合调速就是通过调节永磁转子与铜转子之间气隙的大小来改变传递扭矩的大小，而获得能够调节、控制 、可重复的负载转速，达到减速节能的效果。
永磁调速器PMD安装于工业系统中，可响应于过程信号以满足控制需求。
2 永磁调速节能设计原理
在风机或水泵等负载设计选用中，我们将用到以下的相似定律：
Q1/Q2 = n1/n2 （流量与转速成正比）
H1/H2 = （n1/n2）2 （压力与转速的平方成正比）
T1/T2 = （n1/n2）2 （负载扭矩与转速的平方成正比）
在现实应用当中，为了使风机或水泵等负载保证系统输出的要求，一般都根据系统最大输出能力来配备风机或水泵的容量，但实际上系统通常不是在满负荷状况下运行。为适应工况变化，不得不通过实现流量或压力的控制，来达到生产的要求。
于是，上述系统的效率€%` = 电机效率€%`1€卓刂粕璞傅男蕗%`2€追缁蛩眯蕗%`3€资渌凸艿赖男蕗%`4。
从公式中，假设€%`1 ，€%`3 和€%`4 不变，那么系统的效率就由控制设备的效率来决定。使用永磁磁力耦合调速技术通过改变气隙大小来实现流量或压力的连续可调，在电机转速没有变化的情况下，来实现风机或水泵转速的改变。而在传统的通过调节阀门或挡板的开度来实现输出流量或压力的调节中，由于电机、风机或水泵的转速都没有发生变化，从相似定律可得输入功率不会根据阀门或风门挡板开度的变化而变化。反而由于在阀门或挡板两端有很大的压差，使得风机或水泵的运行点偏离最佳效率点，而且阀门开度越小，能量的损失就越大。
根据公式P=T*€%r（功率=扭矩*转速），于是，电机输出功率：P1/P2 = （n1/n2）2
上式中，如果电机速度不变，那么负载功率就与转速的平方成正比。我们看到，当输出的流量或压力下降时，根据离心负载的相似定律，电动机的功率就会剧烈下降，这就使得用电量减少，从而节省了电能。例如，当输出流量比满负荷流量下降20%时，则输出压力只有满负荷时的38%，而电能的消耗就只有满负荷时将近一半，剔除调速装置的较小损耗，节能效果是非常显著的。
必须指出：节能效果主要取决于风机、水泵系统实际持续运行的工况，选择合理的等效工作点是系统节能设计的基点。
图2可看到，开始工作时，风机H-Q曲线与管网H-Q曲线的交点是其工作点A，而流量从Q1变化到Q2时：
（1）通过调节阀门或挡板的开度，管网或风道特性曲线由R1改变为R2，其工作点A变化到B点，其功率为OQ2BH2’所围成的面积，与原来相比，功率变化不大，但系统效率却降低不少。
（2）采用永磁磁力耦合调速时，可调整电机的转速来改变设备的性能曲线，图中n1到n2，工作点由A调到了C点，此时功率为OQ2CH2所围成的面积，可以看到其效率曲线在平移后还是处在高效区，而节能的区域十分大。
（3）节能量P=（H2’-H2）
3 永磁驱动调速技术的发展动态
我国从50年代开始这一技术的研究，当时的出发点是解决隔离转矩传动的问题，目前国内还没有从节能的高度提出规模利用及开展永磁磁力调速方面的研究和生产，磁力偶合调速对于国内而言是全新的概念，甚至在欧美德日也属于全新的技术。国内使用的产品主要是美国生产的。
4 工程实例
磁力偶合调速在国内应用很少。浙江嘉兴发电厂300 MW机组的除渣系统中配置有两台DN350-60€？离心式高压水泵，A泵和B泵交替运行，互为备用。
2007年9月，嘉兴电厂在B泵上实施了永磁耦合调速驱动技术改造，这是我国电力系统安装的第一台永磁调速驱动器，从运行效果来看，節能效益显著，设备安装容易，运行稳定。为永磁调速驱动技术的推广应用提供了有益的经验。
直流电机PWM可逆调速系统设计 第4篇
直流电机是形成最早的一种电机形式, 广泛应用于交运、航天、自动化等各种领域中。早期的直流电机控制系统由各种非线性电子电路组成, 结构复杂、功能单一, 限制了其应用。随着电力电子技术的发展和进步, 脉冲宽度调制技术 (Pulse-Width Modulation, 简称PWM) 逐渐成熟, 在很大程度上带动了直流电机的发展。PWM的主要原理是通过控制半导体器件的通断来产生一系列幅度相同、宽度不等的矩形波, 根据等面积定则可以通过控制这些矩形波的宽度来模拟各种形式的信号, 即PWM通过控制半导体器件的通断时间来控制输出电压的幅值和频率。
随着电子技术、信息技术和控制技术的发展, 采用芯片对直流电机的速度进行调节逐渐得到应用。芯片在直流电机调速系统中的主要作用是产生PWM调制信号, 还具有一定的其他控制功能。单片机以其占地面积小、能耗低、价格便宜、使用简便而成为直流电机调速系统的第一选择。
1 直流电机的调速方法
根据直流电机的基本工作原理, 其转速主要由三个条件决定:端电压U、主磁通 Φ 和电枢回路内阻R, 根据这三个条件可以将直流电机的调速方法分为三种。
(1) 改变端电压U调速。直流电机的转速与其端电压U正相关, 调节端电压U的高低可以连续得调节转速的快慢, 在调节的过程中, 电机的转矩近似保持恒定。采用这种方式, 可以获得比较快的响应速度和比较平滑的速度特性, 但是需要装置额外的可调电源, 价格较高。
(2) 改变主磁通 Φ 调速。通过调节励磁电流If的大小可以方便得控制电机主磁通 Φ 的高低, 进而改变直流电机的转速。在调节的过程中, 直流电机的电磁功率近似保持恒定。采用这种方式, 可以获得比较平滑的速度特性曲线, 但是只能使电机的速度由低到高变化而不能使转速降低, 并且响应速度较慢。
(3) 改变点数回路内阻R调速。改变电枢回路的内阻R, 可以间接改变端电压U的大小, 进而改变电机的转速。采用这种方式, 具有价格低廉、操作简单的优势, 但是不能获得平滑的转速特性, 机械特性较差, 在启动的过程中基本上无法发挥作用, 并且外接电阻会消耗额外的能量。因此, 这种方式的使用场合很少。
综合比较以上几种方法的优缺点, 本文采用改变电枢电压的方式进行调速。根据上文的分析, 采用这种方式需要配备大容量的可调电源, 本文通过PWM电路实现。
2 PWM调速系统整体设计及基本原理
(1) 系统整体设计。本文采用STC89C52RC型单片机产生PWM信号对直流电机的速度进行调节。系统需要实现的主要功能有五个:电机的启动、停止、加速、减速、反转。根据系统的功能可以将其分为三个主要部分:输入、控制、输出。输入部分可以通过选择直流电机的运行状态;控制部分的主体为STC89C52RC型单片机, 还包括其他的辅助电路;输出部分主要有液晶数码显示器组成, 主要作用是读取PWM电路的占空比, 可以方便得了解电路的运行状态。输入部分和输出部分构成比较简单, 本文主要对控制部分进行分析。
(2) PWM调速原理。PWM通过控制电力电子器件的通断, 产生一系列幅值相同、宽度不等的矩形波, 对直流电机进行控制。图1给出了PWM调速的基本结构。
图1 给出的PWM电路结构为双极性, 即电路的输出只有两种形式的电平。电路的主要元件为VT1、VT2、VT3、VT4四个晶闸管, 通过控制其所在支路的通断时间, 即可自由控制直流电机两端的电压。VT1和VT4所在支路导通时, 电枢供电电压UAB为正, VT2和VT3所在支路导通时, 电枢供电电压UAB为负, 两条支路的控制信号互补, 并且留有一定的死区时间。通过控制VT1和VT4所在支路和VT2和VT3所在支路的通断时间比例, 即占空比的高低, 即可以方便得控制PWM电路输出矩形波的等效正弦电压的幅值, 进而控制直流电机电枢回路的供电电压。
3 系统硬件设计
本文的设计为基于STC89C52RC型单片机的直流电机PWM可逆调速系统, 本章将对系统各模块的硬件构成进行设计。
(1) STC89C52RC型单片机介绍。STC89C52RC型单片机是由我国宏晶科技有限公司生产的一种8 为STC增强型8051 系列单片机。篇幅所限, STC89C52RC型单片机各管脚的功能本文不再赘述, 具体见参考文献5。
(2) 系统电源。系统中的STC89C52RC型单片机及控制部分中的其他辅助电路均采用DC-5V供电电源, 但是直流电机的驱动电路供电电源为DC-12V, 所以, 系统中还需要设置一个将可以实现直流电压变换的电路。本设计选择使用线性稳压电源实现此功能。其工作原理见图2。
从图2 可以看出, 系统所采用的直流电压变换器具有两个输出, 电路结构非常简单, 并且具有稳态精度高的优点, 还能够在一定程度上抵抗交流侧输入电压的不正常波动。
(3) PWM输出。PWM信号的产生主要由系统控制部分的STC89C52RC型单片机完成, 在P3.7 端口生成一系列幅值相同、宽度不等的矩形波。关于矩形波的形式, 本文采用周期恒定、占空比改变的方式, 通过调节占空比的高低来控制直流电机电枢两端电压U的大小, 进而控制转速连续变化。
(4) 电动机驱动模块。本文采用L298 芯片对直流电机进行驱。由于STC89C52RC型单片机P3.7 端口产生的矩形波幅值较小, 所以不能直接将其加在电机两端进行驱动, 需要加设一些辅助电路对矩形波的幅值进行放大, L298 芯片即可完成此功能。L298 芯片工作于单极性方式, 即直流电机电枢供电电压极性保持不变。STC89C52RC型单片机P3.7 端口的输出作为L298 芯片的是能信号, 控制其工作与否, 间接控制直流电机的端电压高低进行调速。由于本文研究的对象为小容量直流电机, 因此, 只需要占用L298 芯片的两个驱动端口中的一组即可, 另一组引脚可以悬空或通过上拉电阻接高电平。
(5) 系统整体设计图。图3 为直流电机PWM可逆调速系统的整体设计图, 系统的DC-5V和DC-12V供电电源由图2 单独给出。
4 结论
本文对基于STC89C52RC型单片机的直流电机PWM可逆调速系统进行了设计, 重点对系统的控制部分进行了分析。系统的控制部分主要由STC89C52RC型单片机和L298 芯片以及供电电源和一些辅助电路构成。STC89C52RC型单片机的主要作用是产生一系列幅值相同、宽度不等的矩形PWM信号波, L298 对这些矩形波的幅值进行放大, 增强对电机的驱动能力。由于能力所限, 本设计尚存在各种缺点, 需要在将来的工作中作进一步改进。
摘要：旋转电机的形式主要有三种:直流电机、异步电机、同步电机。其中, 直流电机由于具有较为完善的启动性能和宽广平滑的调速特性在生产和生活的各个领域得到广泛的应用。本文对直流电机的调速方法进行了分析, 重点对PWM控制的直流电机调速系统进行了设计。
关键词：直流电机,PWM,调速
参考文献
[1]何新霞, 邢瑞军.基于PLC的直流电机PWM调速系统设计[J].机械与电子, 2011 (06) :29-32.
[2]王海超.基于SOPC的PWM无刷直流电机控制系统的研究[D].哈尔滨理工大学, 2012.
[3]岳东海, 颜鹏.直流电机PWM无级调速控制系统设计[J].价值工程, 2010 (02) :135-136.
[4]计晶.基于DSP的无刷直流电机调速系统的设计与实现[D].北京印刷学院, 2015.
直流电机调速 第5篇
基于红外传感器的智能车电机调速系统设计
介绍一种基于红外光电传感器的.智能车电机调速系统设计方案.系统以飞思卡尔16位单片机为核心控制单元,使用红外光电传感器采集电机转速信息,用PWM波驱动直流电机,实现智能车驱动电机的闲环速度控制.
作 者：柴旺兴 赵文兵 Chai Wanxing Zhao Wenbin 作者单位：湖北汽车工业学院电气工程系,442002刊 名：中国科技信息英文刊名：CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：2009“”(2)分类号：U4关键词：智能车 红外传感器 PWM 电机
直流电机调速 第6篇
关键词：PID控制；调速系统；模糊-PID混合控制；直流电机
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 03-0000-02
Fuzzy-PID Hybrid Control Technique for DC Motor Speed Control System
Zhang Yufei
(Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics,Hohhot 010070,China)
Abstract: In order to improve the system performance of DC motor speed control by fuzzy PID control and MATLAB software tool-aided design of the DC motor speed control system.
Keywords: PID control; Speed control system; Fuzzy-PID hybrid control; DC motor
直流电机调速系统的应用于数控机床；工业生产；纺织、造纸、医疗、通讯等方面的加工生产设备；是工业化快速发展设备更新提速的关键环节之一。模糊PID控制能够随着直流电机的运行变化控制电动机的速度。比较常规的PID控制的参数不随控制对象的变化自行调整这一方面因素，具有更好的控制效果。
一、PID控制
PID的解释是比例-积分-微分，也就是说自动控制技术的三个方面，测量、比较、执行，通过误差纠正的方式调节控制系统使其做出正确的反映。
比例控制（P）：
比例控制是对控制器输入与输出的误差建立比例关系，找到稳态误差。
积分控制（I）：
积分控制是对控制器输入与输出的误差信号积分建立比例关系，并建立积分项，随着时间的增加，积分项越来越大，误差也就越来越大，这样就随着误差的增加进行控制器的调整达到稳态误差。
微分控制（D）：
微分控制是对控制器的输入与输出的误差变化规律建立比例关系，通过微分的控制可以提前预测误差的变化趋势，从而对误差进行预防控制。
通过比例控制、积分控制、微分控制（PID）对系统的调节方面可以起到动态处理的效果。
二、直流电动机的动态数学模型
电动机动态特征框架如图：
直流电动机动态方程式：
u=e+iaRa+La
e=Ce =Kt
Tem=TL+R+J
Tem=CT ia=Ktia
速度函数：
（s）=G1(s)·U(s)+G2(s)·TL(s)
G1(s)=
G2(s)=
La=绕线电感；Ra=绕组电阻；J=转子转动惯量；R =阻力系数；Kt=转矩系数；TL=负载转矩；Tem电磁转矩； e=电气时间常数；e=La/Ra； m=机械时间常数；m=J/R ； em为机电时间常数。
三、模糊PID控制系统
（一）模糊控制系统原理
模糊控制系统原理是针对传统PID调速系统的无法根据控制对象参数的变化而变化的问题而产生的。本文以二维模糊PID控制直流电动机调速系统，电流环采用PI控制，当直流电动机调速系统速度误差较大时，通过二维模糊PID控制器可以得到高稳态的精度，当误差较小时，采用PI控制可以减少结构的复杂程度，同样具有稳定的优点。
二维模糊PID控制框架图
Kp=比例系数；Ki=积分系数；Kd=微分系数；e=误差；△e=误差变化；u=系统控制值（输出量）。
（二）模糊控制设计
模糊PID控制可以提高直流电机调速系统的抗干扰能力，采用二维模糊控制器，对输入的变量（即给定速度值与反馈速度值的误差变化）进行模糊处理得到输出量，再将输出量作为电流环的给定值，进行控制。
模糊控制设计方法：
1.设语言变量与输入、输出变量模糊子集对应为：负大→NB，负中→NM，负小→MS，零→ZO，正小→PS，正中→PM，正大→PB，论域均为：-6至+6。
2.隶属函数选择正态型隶属函数，如图:
3.模糊决策利用Mamdani型推理算法，逆模糊采用中心平均法，模糊控制规则如表：
NBNMNSZOPSPMPB
NBNBNBNBNBNMZOZO
NMNBNBNBNBNMZOZO
NSNMNMNMNSZOPSPS
ZONMNMNSZOPSPMPM
PSNSNSZOPSPMPMPM
PMZOZOPMPBPBPBPB
PBZOZOPMPBPBPBPB
四、仿真结果
直流电机调速系统仿真是通过使用MATLAB软件的控制工具SIMULINK工具箱进行操作的。为转速环设置有限幅度，再为电流环设置有限幅度，这样对积分输出发散有这控制和防止的作用。对模糊-PID控制器封装、再对电流环PID控制器封装、最后为直流电机模型进行封装，它们组织电机调速系统。这三个封装系统分别作为电机调速系统的子系统，其结构如图：
模糊PID控制器封装子系统FUZZY PID controller、电流环PID控制器封装子系统ACR、直流电机的模型封装子系统BLDCM模块
电机参数：
UN=220V；IN=136A； N=1460r/min；Ce=0.132Vr min-1；电枢回路总电阻R=0.5 ；电枢电感L=0.015H；电流反馈系数 =0.05 ；转速反馈系数 =0.007
仿真结果:
5s加负载转速响应
电流曲线
当直流电机设备无工作条件下进行空载运行，在t=5s时加入负载，在t=8s时加入电网扰动，从而得到上图曲线，为仿真曲线。
通过上图分析，当直流电机调速系统加入负载和加入电网扰动后，直流电机调速系统设备可以正常的工作，实现平稳运行，无静差控制。所以模糊-PID混合控制技术在直流电机调速系统中的应用可以得到较好的仿真效果。
五、结束语
通过模糊-PID混合控制技术在直流电机调速系统的应用可以看出，模糊-PID混合控制技术对于直流电机调速的控制可以减小系统的误差，从而提高直流电机的工作性能，对于直流电机系统中的不确定因素，如：电机工作中的自感、阻尼、惯量等的变化，使用模糊控制与PID控制混合在一起进行高精度的控制，达到直流电机调速的准确性。
参考文献：
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[2]戚鹏等.基于模糊PID控制的永磁无刷直流电动机调速系统研究[J].黑龙江科技信息,2008（32）
[3]葛薇等.模糊PID控制及其进展[J].安徽职业技术学院学报,2007（4）
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[5]董子文等.模糊PID控制在双闭环直流调速系统中的应用研究[J].电气自动化,2010（32）
直流电机调速 第7篇
直流电机具有结构简单、响应速度快、易于调速等优点,被广泛应用在数码消费产品、机器人控制等多种应用场合[1]。传统的直流电机调速方法有调压调速、弱磁调速等,但响应慢、精度差、实现复杂,而脉宽调制(PWM)响应速度快、调速精度高、调速范围宽以及耗损低,逐渐成为直流电机应用的主要调速方式[2]。PWM调速易于实现数字化、精密化控制,应用数字化PID控制手段可以实现更稳定、可靠的控制。本文研究了直流电机的数学模型,分析了直流电机的参数特性以及PWM调速原理,借助于Proteus仿真实现PWM直流电机调速。
1 直流电机模型分析
直流电机由转子、定子、换向器等组成,其等效模型如图1所示。电阻R为转子线圈内阻,是一常数,vm为电机工作时内部线圈产生的反向电动势,v为电机端电压,KV、KQ分别为速度常数和转矩常数。设电机的转矩、转轴输出功率效率分别为Q、P、η,可构建直流电机模型为[3]:
上述公式可变形为
由此可分别获得电机电压、电流、转矩及效率。在零摩擦和零阻损耗前提下,(7)式可以变形为:
电机电阻R可以直接使用万用表测量,零负载下的电流i0在电机空载时(工作于额定电压)使用电流表测得。空载时的反向电动势vm可由i0、R直接求解如下[4]:
因此电机速度常数为:
转矩常数KQ可近似认为与KV相等。Qm与i-i0比值为过零点的一条曲线(1/KQ)。
对于给定型号电机的输出功率P为一常数,由前所述其值为转矩Q与转速Ω的乘积,二者为线性关系。又转矩Q与转速Ω关系为:
式(9)-(10)中QS为堵转转矩,Ωn为空载转速,合并上两式到公式4有
上式求解一阶倒数后在Q=Qs/2、Ω=Ωn/2时可求得功率P的极大值,此时电机工作在最大功率点,如图2所示。
2 直流电机调速及仿真
2.1 直流电机PWM调速
根据直流电机使用实际情况,调整其转速。通过分析直流电机反向电动势与转速间的关系可知[5]:
上式变形后有:
式(13)-(14)中K为线圈常数,φ为磁通量,改变直流电机电枢端电压v、磁通量φ、内阻R均可以实现对电机调速,其中改电机电枢变电压最容易实现,且电压与电机速及转矩成线性关系。
如图3所示,MOSFET用于驱动直流电机的功率器件,改变脉冲宽度可以实现电机调速,VCC为电源,V为电机端电压,VP为电机转速控制信号输入端,且VP与V具有相同的变化趋势。当VP输入矩形波时电机两端获得的平均电压为[6]:
其在t1-t2期间的积分等于0,因此
定义占空比ρ=t1/T,改变占空比时电机两端平均电压相对于电源电压VC成比例变化,即实现了直流电机的PWM调速。
2.2 直接PWM数字调制
图4为ATMEGA单片机T/C1定时器波形发生器结构原理图,由双斜率三角波计数器、2个比较器、2个比较寄存器、2个波形发生器等组成,可以输出2路占空比独立可调的PWM波形。驱动电机通常工作于相位修正的PWM模式,其工作过程为计数器从0开始加法数时,当比较器比较到TCNT1与比较寄存器OCRx值时则控制OCx引脚输出低电平,计数器继续计数到最大值,然后开始减法计数,当TCNT1再次与OCRx相等时控制OCx引脚输出高电平,直到下次TCNT1与OCRx再次发生比较匹配为止[7]。由于这种PWM模式具有相位可修正性、波形对称性,适合用于电机驱动。改变比较寄存器OCRx值可以改变比较器输出三角波的匹配时刻,改变输出脉冲的宽度,实现PWM调制。
2.3 Proteus仿真
ATMEGA48是AVR内核的一款RISC高性能单片机,32个引脚,内部集成4 k B程序存储器和512个字节SRAM,内置6个比较器,可以输出6路独立可调的PWM波形。ATMEGA48 T/C1定时器为16 bit计数器,其用作产生PWM波形时最高分辨率为16 bit,通过设置TCCR1A、TCCR1B寄存器可以设置包含快速PWM模式、相位、频率可修正PWM模式等在内的共15种不同的工作模式。其可输出相位-频率修正、占空比独立可调的PWM波形,输出频率由公式(16)设定:
输出PWM占空比分别为:
公式设定:fosc为CPU时钟频率,N为对fosc的分配系数,可取1、8、64、256、1024。
设计调速、调向直流电机驱动仿真电路如图5所示。使用L298N芯片驱动2台直流电机。L298N是用于直流电机驱动的专用芯片,内部集成了2路独立的H全桥驱动电路,并有超温保护功能,最大工作电压46 V,最大输出电流4 A,具有较强的驱动能力和较广的适用范围。单片机OC1B、OC1A输出PWM信号控制L298N通道A、B,通过PC3-PC6来控制电机的转向,PD4-PD7接SW1、SW2开关分别用于控制电机转向和转速。SW1拨到位置1电机正传,拨到位置2电机停转,拨到位置3电机反转,按下SW2电机速度增加10%,控制逻辑如表1所示。
若fsoc=1M、fPWM=0.5 kHz,分频系数N=1时,编程流程图如图6所示,控制逻辑如表1所示,编写程序如下
3 结束语
本文详细介绍了直流电机的模型及参数计算,阐述了直流电机PWM调速原理及实现方法,通过对ATMEGA48单片机编程输出相位对称且相位和频率均可修正的PWM波形,使用集成H桥式电机驱动芯片,易于实现、成本低。直流电机转矩与电流成正比关系,在智能小车的启停瞬间电流大、转矩大,以及突然停止时由于负载惯性会小车保持继续运动,使用时还需克服因此导致的控制不稳定。
摘要：为了实现智能小车的精确控制,分析了直流电机模型及其参数特性,讨论了直流电机调速方法,在分析PWM直流电机调速实现原理的基础上,借助Proteus仿真软件实现直流电机的PWM调速。
关键词：直流电机,PWM,智能小车,仿真,直流调速
参考文献
[1]庹朝永.基于单片机的直流电机PWM调速系统设计与开发[J].媒体技术,2011,30(06):62-63.
[2]王苏.直流电机PWM调速研究及单片机控制实现[J].机电工程技术,2008,37(11):82-95.
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[6]Ahmed Telba Member,IAENG,Member,IEEE.Motor Speed Control Using FPGA[C].Proceedings of the World Congress on Engineering,2011,1.
直流电机调速 第8篇
关键词：光电隔离,直流电机,调速电路,电机控制,可控硅,过零触发
(一) 引言
因工作需要, 开发了一款可以应用于工业现场的能可靠控制24V或者220V小功率直流电机的调压电路以用于驱动24V或者220V直流电机 (220V这款是德国的小型直流电机) 。本人使用光电隔离, 双向可控硅等元件制作的直流电机控制器, 该装置结构简单, 输出功率大, 经过多次实验反复调试工作安全可靠, 而且使用单层板即可实现, 制作成本低。
(二) 直流电机调速电路特点
自制电路命名为STGJ2009, 该电路的原理图如图1:电路最大的特点, 与传统的直流电机直接使用改变串联电阻大小的方式进行调速比较, 传统的调速方式在电机处于低速时候把大量的电能浪费在电阻上面, 不符合节能环保的要求。而使用该电路是通过控制可控硅BTA12的开通时间, 来控制输出的直流脉冲的个数来对直流电机进行调速, 使用该方法不仅节能环保而且得到理想的调速特性而且也避免了使用单向晶闸管调压电路的复杂繁琐, 从成本上看, 使用单向晶闸管调速电路需要两个单向晶闸管, 而市面上两个同等耐压等级12A的晶闸管的价格高于单个12A双向晶闸管的价格。而且控制和保护环节也更多。所以采用双向晶闸管构成直流调压电路也更为简单, 另外由于采用了光耦合隔离器件隔离了驱动脉冲信号发生电路和主电路, 防止了误触发, 提高了电路的可靠性[1,3]。
(三) 工作原理
该电路分主要为两个部分:一是驱动双向晶闸管的驱动电路即控制脉冲发生的电路, 该电路位于原理图的上半部分;二是直接驱动直流电机的主电路, 它位于原理图的下半部分;两个部分通过一个光耦合器件隔离开来, 这样就保证了驱动电路在工业现场可以不受其他瞬时电流脉冲的影响而产生误触发, 大大提高了该电路的调速的可靠程度。
1. 脉冲发生电路
该电路位于原理图的上半部分, 位于光耦之前, 通过D1~D4这4个整流二极管把交流变为直流, 并且通过R1降压和D5稳压得到12V左右直流电压, 这作为后面以BT33F为主和RV1、R2、C2、R3和R9构成的脉冲发生电路, 其中由RV1控制通过C3输出的脉冲的个数。其基本原理是通过RV1调节经R2往小电容C2充电电流的大小, 当C2充满到达放电时, 触发BT33F在b2 (与C3连接的脚) 脚产生被放大的电脉冲, 之后C2因为放电电位下降, 需要再经过充电电流的充电才能再次放电。触发BT33F产生电脉冲。所以如果充电电流越大, 则C2充电满的时间间隔越短, 同一个时间内输出的电脉冲也越多, 所以电脉冲的输出是通过RV1调整对C2的充电电流的大小来控制的, 当RV1调整为100K时, 充电电流最小, 电机转速最慢, 当RV1调整为0欧姆时候, 充电电流最大, 输出脉冲最多。脉冲最密集的时候控制双向晶闸管输出的电压也达到最大[4,5]。
2. 驱动电机的主电路
通过电桥DQ1把输入的交流 (交流24V或220V) 电转化为直流电 (24V或220V) ;直流电作为直流电机的电源, 当双向可控硅接收到来自光耦合的控制信号就会触发导通, 当信号消失则关断。为防止驱动双向晶闸管的电流过大损坏双向晶闸管, 经光耦合送来的脉冲信号需要经过R6和1N4148进行保护。如果V2端输入的是24V交流电, 则把SW打到R8的位置 (如果V2输入的是220V交流电则把SW打到R7位置) , 确保提供12V左右的交流电源, 再通过D9、D7和C5进行整流稳压为光耦合提供12V直流电源再使用RV2调整光耦合器件的C极电流大小, 确保输出电脉冲电流大小。
注意:再双向晶闸管两侧要并联RW1和C6作为双向晶闸管的保护电路。
(四) 元件选择
为确保该电路可以长时间连续稳定带动直流电机运行, 该电路在主要器件的选用上要注意一下, 例如主电路的电桥, 最好选用带散结构的8A左右的整流桥, 因为根据如果该电路用于长时间带直流电机等负载最好留有一定的余量, 整流桥的额定电流最好是工作电流的2倍。另外主要的功率器件双向晶闸管BTA12额定电流最大能通过12A, 为确保直流电机连续稳定工作, 也应留有一定余量, 根据经验公式, 取其标称值的1/3左右。所以该电路可以用于带动功率在880瓦及以下的直流电机连续运行。
(五) 电路调试
该电路在调试时, 先调试触发电路, 使用示波器观察触发电路产生的波形, RV1起调时脉冲波形下如图
此时, 输出电压也最小, 约为额定电压的5%左右。
当RV1调到电阻最小 (也即脉冲最密集时候) , 示波器显示如图, 此时输出电压为额定电压。
接着调试主电路, 主电路主要调节供给光耦的电流的电阻RV2, 它的大小决定了触发脉冲的大小, 最好调整到合适的范围。一开始可以把RV1和RV2调到中间, 此时, 电路多数是关断的, 接着逐步把RV2逐渐调小, 电路会在这个过程开通, 然后再有缓慢地增大, 如果调小RV2调小还不能提高输出电压, 那说明电流正好够用了。不必再调小R V2了。
最终电路的实物图如下, (由于调试需要笔者多留了几个放调试针脚的插孔) 图中, 亮点处为光耦, 左侧为触发电路, 右侧为主电路。
(六) 小结
该电路由于采用了光耦器件进行隔离, 确保了主电路与触发电路各自独立运作, 互不干扰。经过现场测试, 该电路符合在工业现场长时间稳定应用的要求;而且一次调试即可以长期运行基本免维护。该电路采用相控原理, 通过控制触发角大小, 控制输出电压的大小, 不仅输出电压连续可调, 也使电源得到有效利用, 符合国家现在提倡的节能环保的要求。而且采用单层板就可以制作, 造价低廉, 对于广大的需要小型直流调速控制装置的工厂企业来说。具有广阔的应用前景。
参考文献
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[2]张国峰, 张维.实用稳压电源150例[M].人民邮电出版社
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[4]王承缘.现代电机控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2009 (1) .
直流电机调速 第9篇
关键词：直流电机,单片机,无级调速,变形
0 引言
直流电机具有良好的线性调速性能和动态特性,目前仍是多数调速控制电机的最佳选择,而采用PWM技术是直流电机调速控制的首选方案。本文提出了利用AT89C51单片机产生PWM信号,通过模拟信号调节PWM的占空比进而实现直流电机的无级调速。
1 直流电机PWM调速原理
直流电机转速表达式为
由表达式(1)可知直流电机的调速方法有三种:电枢回路串联电阻(R)的调速方法,调节励磁磁通(Φ)的励磁调速方法,调节电枢电压的电枢控制方法(U)。电枢回路串联电阻的调速方法特点是:机械特性变软,负载变化时转速波动大,静态稳定性差,调速范围不大,轻载时调速效果不明显,有级调速,调速平滑性差,调速时R上损耗大,效率低。励磁调速方法也称弱磁调速一般与降压调速配合使用以扩大调速范围。调节电枢电压的电枢控制方法也称降压调速因其具备负载变化时转速波动小,静态稳定性好,调速范围大,转速调节平滑,可实现无级调速,调速时能量损失小,效率高等优点而被广泛的应用到直流电机的调速控制中。
降压调速一般是通过脉冲宽度调制(PWM)技术实现的,也就是通过改变电枢电压接通时间与通电周期的比值即占空比来实现直流电机的调速。PWM信号波形图如图1所示,占空比则加在电枢两端的PWM电压信号的平均值由此可见PWM的占空比α决定输出到直流电机电枢电压的平均电压,进而决定了直流电机的转速。如果能够实现占空比的连续调节即可实现直流电机无级调速。
2 PWM信号的软件实现方法
基于单片机用软件产生PWM信号的方法是目前比较常用的方法。这里选择AT89C51单片机,其晶振频率为12MHz。利用定时器T0,T1的交替工作产生频率为50Hz的PWM信号以P1口的实时数据作为T0,T1定时器初值调整的参数。
PWM信号的频率是50Hz则其周期T=20ms,所以定时器T0,T1定时时间之和就等于20ms。定时器T0和T1采用工作方式1,用30H和31H单元分别存放定时器T0初值TL0和TH0,32H和33H单元用于存放定时器T1的初值TL1和TH1。
程序流程图如图2所示,其中P1口的实时数据来自于模数转换芯片ADC0808的输出端口。单片机的P2.0口负责输出占空比可连续调节的PWM信号,供直流电机的驱动和控制所用。
3 直流电机驱动及控制电路实现
本系统的直流电机采用集成电路L298芯片驱动。L298芯片内部包含4通道逻辑驱动电路,是一种二相和四相电机的专用驱动器,可驱动50V、2A以下的电机。L298芯片的引脚图如图4所示。IN1~IN4输入标准TTL逻辑电平信号,控制两个H桥的输出OUT1~OUT4。其中IN1和IN2对A桥的输出OUT1和OUT2进行控制,IN3和IN4对B桥的输出OUT3和OUT4进行控制。ENA和ENB分别为A桥和B桥的使能端(高电平有效)。SENSA和SENSB接电流检测电阻,以引出电流反馈信号,不需要反馈电流时,该引脚直接接地。VCC接逻辑控制的+5V电源,VS接电机驱动电源,最高可接50V电源。OUTl、OUT2或OUT3、OUT4之间接直流电机,则当相应的使能端接高电平,输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平时,直流电机正转,反之,直流电机反转。若IN1与IN2相同,直流电机快速停止。逻辑控制电路用于完成对直流电机的启停及正反转控制。实质上是将单片机P2.0引脚输出的可连续调节占空比的PWM信号,按照直流电机正反转和启停要求加到IN1和IN2两个引脚上(本系统采用A桥控制直流电机)。
具体要求是,正反转控制开关闭合,启停控制开关闭合,则控制电路可将P2.0输出的PWM信号加到L298芯片的IN1引脚,而IN2引脚接低电平,直流电机正转运行。反之,直流电机反转运行。在直流电机运行期间可以实现正反转的转换,启停控制开关断开,使IN1和IN2引脚同时为低电平,电机快速停止。
采用组合逻辑电路实现上述控制要求,A表示PWM信号,B表示正反转控制开关,C表示启停控制开关。Y1表示IN1,Y2表示IN2。逻辑控制电路如图3所示。
4 无级调速系统构成与系统仿真测试
该系统由三个模块组成:单片机模块,AD转换模块,电机驱动及控制模块,利用Proteus软件绘制的系统仿真原理图如图4所示。AD转换模块完成将模拟电压量转换为数字量;单片机模块完成对前端AD转换模块输出数字量的实时采集(由P1口负责),并以此为调节参数,产生占空比连续变化的PWM信号并由P2.0口输出;电机驱动及控制模块主要是利用单片机模块产生的PWM信号完成对直流电机的驱动,并利用组合逻辑电路对直流电机驱动芯片L298进行控制,完成直流电机的启停和正反转控制。
利用Proteus软件进行仿真测试:加载单片机控制程序后启动仿真,启停控制开关和正反转控制开关闭合,直流电机开始正转运行。通过调节模数转换芯片ADC0808前端的滑动变阻器,使通道IN3的电压发生连续变化,进而实现直流电机速度的连续调节即无级调速。在正转过程中断开正反转控制开关可实现直流电机反转运行,任一时刻断开启停控制开关,直流电机都会停止运行。
5 结论
利用Proteus软件设计的直流电机无级调速系统,实现了直流电机的启停、正反转和无级调速控制。仿真结果表明该系统调速范围大,响应速度快,性能稳定。以往大多数的直流电机调速系统中单片机的任务很重,除了产生PWM信号以外,还要负责完成将PWM信号按照一定的控制要求加到电机驱动芯片上,进而实现电机的启停和正反转,这样就增加了单片机程序的复杂性。本系统中,单片机只需完成利用P1采集的实时数据产生占空比可调PWM信号并由P2.0输出。至于如何将PWM信号按照控制要求加到L298芯片上,是由时序逻辑控制电路负责完成,实现了软件控制与硬件控制的有机结合。
参考文献
[1]周润景,张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京航天航空大学出版社,2006:1-100.
直流电机调速 第10篇
伴随自动化技术的产生, 设备和检测技术得到了飞速的发展并且已经成为推动现代化生产和管理的主要环节, 想要实现高水平的自动化, 必须具有高精度、高性能、高质量的仪器来检测各种相关信息, 同时还需要有智能式、嵌入式和网络式的检测技术。
虚拟图形化编程软件Lab VIEW致力于解决工业生产中的检测与控制难题。Lab VIEW可按照应用需求定制检测系统。手工测试速度慢, 价格昂贵且容易出错, 而基于软件设计的系统能够迅速地执行, 并且软件编程时无需考虑如内存分配、语法等问题, 通过专注数据分析与数据执行加快程序运行速度。本文在Lab VIEW环境下设计了直流电机转向调速系统, 实现对转速的采集与控制。系统有较好的人机交互界面, 可以实现对转速的实时检测与控制。
1 设计原理与控制算法
1.1 转速测量原理
系统是用脉冲计数方式来实现对转速的测量。该方式主要有测周法和测频法, 这里选择测周法。由于转速是单位时间内的转动次数, 根据霍尔感应原理, 在电机转轴上的转盘边缘放置一块永久磁钢, 磁钢将随测轴同步旋转而产生感生磁场。在此磁场的影响下, 霍尔转速传感器会产生脉冲输出信号, 其频率与转速成正比。脉冲信号周期与电机转速之间的关系为
式中:n为电机转速;P为电机每转脉冲数;T为输出脉冲信号周期。
1.2 脉冲周期测量原理
系统使用NI的PCI-6221 (37-Pin) 数据采集卡的计数器对脉冲周期进行测量。PCI-6221 (37-Pin) 的参数有16路16位模拟输入, 采样率250k S/s;2路16位模拟输出通道, 更新速率83k S/s;10条数字I/O线, 2路32位80MHz计数器;关联DIO (2条时钟线, 1MHz) ;包含NI-DAQmx驱动软件。选择计数器CTR0对脉冲周期测量。计数器是由4部分组成:计数寄存器 (Count register) 、信号源端 (Source) 、信号门控端 (Gate) 、信号输出端 (Output) 。其中计数寄存器 (Count register) 用于存储当前的计数值, 它的存储范围跟计数器的分辨率有关;Source端用于接入被计数的信号;Gate端用于接入开始计数的门控信号;Output端用于输出单个脉冲或脉冲序列。脉冲周期测量是使用频率已知的时基信号对未知信号进行测量, 在物理连接上, Source端接入较高频的时基信号, 而Gate端接入较低频的待测信号。图1为脉冲周期测量原理图。
1.3 PID控制算法设计
使用离散PID控制算法控制电机转速, 离散PID控制算法分成3种, 第一种为位置算法, 直接输出u (k) ;第二种为增量算法, 输出△u (k) =u (k) -u (k-1) ;第三种为速度算法, 输出v (k) =△u (k) /△t, 式中△t为采样周期。系统控制程序采用位置算法输出。
如果算法不改变, △uI (k) 全部由e (k) 确定, 当测量值发生跳变, △uI (k) 会产生较大变化。修改后, 可使△uI (k) 受噪声的影响较小, 改变的PI算法如下, 改变为, 该算法称为梯形积分。
对于具有微分环节的控制器, 如果瞬间改变设定值偏差e (k) 会发生阶跃变化, 从而使输出u (k) 产生大范围突变, 给控制过程带来不利效果。改进办法是只对输出量u (k) 进行微分, 而对设定值不做微分, 改进的微分算法如下, KD[e (k) -e (k-1) ]改进为-KD[pv (k) -pv (k-1) ], 称为微分先行。这样, 改进后的位置算法[4]为
式中:k为采样序号, k=0, 1, 2, 3……;u (k) 为第k次采样时刻的计算机输出值;e (k) 为第k次采样时刻输入的偏差值;Kc为PID比例放大系数;Ti为PID积分时间参数;Td为PID微分时间参数;pv (k) 为第k次采样时刻控制器的回馈值。
图2为位置式PID控制系统框图, 对e (k) 进行PID运算输出控制电压, 其中输入量为电机设定转速与测量转速的差值, 输出量为驱动电机电压。
2 系统组成及工作原理
图3为直流电机场效应管驱动电路。其中数据采集卡模拟输出AO0口输出电压经三极管驱动后导通场效应管Q4与Q6, 直流电机实现正转;模拟输出AO1口输出电压经三极管驱动后导通场效应管Q3与Q7, 直流电机实现反转[5]。该电路能控制额定电压12V、最大电流不超过5A的直流电机, 其它规格的电机可对电机驱动控制部分电压、场效应管型号进行调整。
图4为系统结构框图。转速传感器测量电机转速, 利用数据采集卡的计数器CTR0将采集信息反馈到计算机, 计算机中的Lab VIEW软件对其进行计算处理, 利用数据采集卡模拟输出AO0与AO1口产生模拟电压经过驱动电路驱动较大功率电机。
3 系统软件设计
3.1 系统软件前面板
使用Lab VIEW实现系统软件设计。系统软件程序由2部分组成:前面板、程序框图。在前面板上可以进行PID以及参数设置, 波形图表能实时监控显示设定转速与测量转速的具体值与变化趋势。转速传感器测量电机转速, 将转速模拟量转化为数字脉冲, 通过PCI-6221 (37-Pin) 的计数器将脉冲信号的周期传递到计算机中, 通过编写公式 (1) 程序即可得到电机转速。图5为直流电机控制系统前面板。图中波形图曲线中显示设定转速 (由转速旋钮设定) 和检测到的电机实时转速。
3.2 系统软件程序框图
软件程序框图由以下3部分构成:数据采集部分、PID控制部分和模拟信号输出部分。数据采集部分采用PCI-6221 (37-Pin) 的计数器来实现, 在NI-DAQmx驱动软件的DAQmx函数中主要需要配置DAQmx创建虚拟通道函数、定时函数与读取函数。配置创建虚拟通道函数时, 在测量方法节点上选择带1个计数器的低频, 根据待测周期的大致范围, 可设定最大值与最小值, 这样驱动底层会按照这个范围选取适合的时基信号进行准确测量, 在计数器节点上选择CTR0, 在开始边沿节点上选择上升沿, 表示在信号的上升沿开始计数, 选择PFI0引脚为周期输入接线端;配置定时函数时, 选择隐式 (计数器) , 在采样模式节点选择连续采样;配置读取函数时, 选择计数器DBL1采样, 在超时节点上配置延迟时间常数。
PID控制部分使用Lab VIEW PID控制工具包 (PIDToolkit) 中的PID (Sub VI) .vi[6], 图6为PID (Sub VI) .vi算法程序。该算法程序主要由积分算法程序与微分算法程序构成。积分算法程序首先计算积分算法累加部分;然后计算积分算法与比例算法的和;最后是积分算法、比例算法与微分算法的和。最后的和作为整个算法的输出。微分算法程序计算的是。程序将测量转速数据输入到系统回馈值 (process variable) 节点, 将设定转速数据输入到实际期望值 (setpoint) 节点, 在PID增益节点 (PID gains) 通过调整比例放大系数 (Kc) 、积分时间参数 (Ti) 和微分时间参数 (Td) 实现稳定控制, 在输出范围节点控制输出值的范围。
模拟信号输出部分使用DAQ Assistant, 通过配置DAQ Assistant选择模拟输出通道AO0与AO1输出0~5V模拟电压信号。程序中使用了while循环确保数据的连续采集与处理, 以及等待下一个整数倍毫秒函数用于控制循环执行速率。图7为直流电机控制系统框图程序。4结语
本文主要介绍了在图形化编程软件Lab VIEW下进行数据采集与处理方法。选择相应传感器采集待测信号连接到数据采集卡的模拟/数字输入通道或计数器通道, 使用NI-DAQmx函数或者DAQ Assistant将待测信号送入Lab VIEW软件中通过编程进行运算处理, 之后通过数据采集卡的模拟/数字输出通道或计数器输出通道输出控制信号。基于上述系统构建方法, 设计了基于Lab VIEW的直流电机转向调速系统, 设计结果表明系统实现了对转速的监控显示, 具有一定的应用价值。
摘要：文中给出了基于Lab VIEW的直流电机转向调速系统的设计方法, 介绍了系统的组成和软件程序设计。通过安装在计算机中的虚拟仪器软件并结合仪器硬件设计, 选择PCI-6221 (37-Pin) 数据采集卡计数器采集转速传感器信号并且输出模拟电压, 改进PID控制算法控制电机转速, 使用三极管和场效应管开关实现直流电机驱动与转向调整, 并用虚拟仪器图形编辑软件Lab VIEW采集与处理数据, 完成对转速的监测及准确控制功能。
关键词：Lab VIEW,数据采集卡,PID控制,转速传感器
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直流电机调速 第11篇
(上海海事大学物流工程学院，上海 201306)
0 引言
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)以其结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点，广泛应用于国防、工农业生产和日常生活等各个方面，目前正向大功率、高功能和微型化的方向发展.PMSM大多采用直接转矩控制方法调速，仅根据已知矢量表进行控制，一般不对系统未来采样时间内可能产生的负载电流进行预测.［1-6]此外，直接转矩控制中的滞环控制器导致开关频率变化，当测量值与参考值的误差大于限定阈值时进行一次控制以减小误差，但在后续控制中误差可能再次超出阈值.长时间的控制计算会导致转矩和磁通超出滞环限制.［7]
采用预测电流控制方法对PMSM进行调速可解决上述问题.电机调速系统中三相脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)逆变器对电流的控制有一个周期延迟，预测电流控制的思想是在一个PWM周期内实现实际电流趋近并最终等于参考电流，具体方法是在每个周期内选取与参考电流误差最小的电流控制电压矢量，预测性地控制电流矢量.［8-12]预测电流控制实时优化开关配置，每次选择配置可以控制电流矢量轨迹相对于参考电流矢量轨迹保持最小的空间误差，并在未来的每个采样计算周期内重新选择配置状态，实时减小电流矢量误差.［13]预测电流控制能在尽可能短的时间内高精度地控制定子电流，这使得PMSM调速系统的动态性能更佳、谐波影响更低.
1 PMSM建模
1.1 PMSM数学模型
PMSM的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上.PMSM运行时定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组以及绕组之间的相互影响使得电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，很难建立 PMSM精确的数学模型.为简化PMSM数学模型，假设:(1)忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的;(2)不考虑涡流和磁滞损耗;(3)当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波;(4)开关管和续流二极管为理想元件;(5)忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响.［14]
PMSM的数学模型主要由电压方程、磁链方程和转矩方程组成，为简化运算、便于建模，采用两相旋转d-q坐标系下的数学模型，并通过坐标变换得到三相静止a-b-c坐标系下的方程.
PMSM在d-q坐标系下的电压方程为
式中:Rs为定子电阻;ud和uq分别为d和q轴的相电压;id和iq分别为d和q轴的相电流;Ld和Lq分别为d和q轴的电感;Ψd和Ψq分别为d和q轴的磁通;ω为电角速度.
由于d-q轴不是由真实物理量组成的坐标轴，在仿真试验中通过坐标变换得到a-b-c坐标系下的电压方程
式中:ua，ub，uc分别为 a，b，c轴的相电压;θ为 d-q坐标系与a-b-c坐标系之间的电角度.
永磁同步电机的磁链方程为
式中:Ψf为永磁转子产生的磁链.
永磁同步电机的转矩方程为
式中:p为电机的极对数.
把式(3)代入式(4)可得
式中等号右侧:第1项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩;第2项是转子凸极效应引起的转矩，称为磁阻转矩.若Ld=Lq，则不存在磁阻转矩且永磁体磁链为常数，此时电机转矩只与iq有关，转矩方程简化为
1.2 PMSM模型离散化
离散化PMSM模型是为降低连续系统的时间复杂度，实现离散时间内的信号采样，为电流预测控制作理论准备.
根据式(1)可得PMSM在d-q坐标系下的状态方程
设Ld=Lq=Ls，可以推出
式中:Rs，Ls和Ψf为与时间无关的常数.
利用泰勒公式的一阶展开，得到PMSM模型的离散化方程［15]
为便于实现离散模型，需排除d，q轴电流的耦合效应.在仿真过程中选取满足香农采样定理的足够小的采样时间T，从而可以忽略采样时间内电机的旋转角度.因此，可以忽略矩阵F和H中T与ω相乘的项.
1.3 逆变器及其电压矢量
PMSM的驱动电流为三相相差120°的正弦电流，目前常用MOSFET或IGBT等电力电子器件构成的三相逆变电路对其进行矢量控制.三相电压型逆变器的拓扑结构见图1.
图1 三相电压型逆变器拓扑结构
图1 中，三相半桥电路控制三相电压(ua，ub，uc)的高低相位输出.每相半桥内两个开关通断相反(如ua和1－ua)，即仅有一个开关可以闭合，以避免半桥内部短路.同时，每相半桥电路可以输出高低两种电平，当上端开关闭合时输出高电平，反之为低电平.因此，单相半桥可能产生2种开关配置，三相半桥则有8(23)种开关配置.每种开关配置对应一组输出电压，见表1.
表1 逆变器开关配置与相间电压
当三组开关配置相同(即每相同时闭合上端或下端开关)时，逆变器无法形成电流回路，此时相间没有电压.这两组开关状态产生的矢量称为零矢量(U0与U7等价)，在后文中U0将不被应用于仿真模型.逆变器6组电压矢量和2组等价零矢量的分区和合成见图2.
图2 逆变器电压空间矢量的分区和合成
2 PMSM预测电流控制
PMSM预测电流控制的结构见图3，该闭环系统的主要控制变量为d，q轴电流.实时采集转速信号ω和三相定子电流ia，ib，ic，并通过坐标变换得到id，iq，与给定的参考电流 id0，iq0一起作为预测电流控制模块的输入.
图3 PMSM预测电流控制结构
PMSM预测电流控制遵循滚动优化思想，其原理是利用控制器内的动态模型，实时预测控制过程的未来趋势和变化.具体实施步骤如下.
步骤1 在采样时刻k，测量得到id(k)，iq(k)，ω(k)，并由7组电压矢量Ui(i=1，…，7)经坐标变换得到Ud(k)和Uq(k).
步骤2 利用 id(k)，iq(k)，Ud(k)，Uq(k)，ω(k)，根据式(9)得到7组预测电流 Id(k+1)，Iq(k+1).
步骤3 分别计算7组预测电流与参考电流id0，iq0的误差
步骤4 根据预测代价函数［15]
从7组预测电流矢量Ii(k+1)(i=1，…，7)中选取最逼近(即误差ei(i=1，…，7)最小)参考电流矢量I0的一组，作为采样时刻k+1的预测电流矢量.预测代价函数在线计算流程见图4.
图4 预测代价函数计算流程
步骤5 选择最优预测电流矢量Is(k+1)所对应的电压配置Ui(i=1，…，7)，决定图3中逆变器模块的开关状态，实现PMSM调速的预测电流控制.
步骤6 实时测出采样时刻k+1的电流id(k+1)和iq(k+1)，从k+1时刻开始重复使用上述步骤滚动优化.
3 PMSM调速系统仿真
3.1 PMSM调速仿真系统
采用MATLAB/Simulink仿真软件建立PMSM调速仿真系统，其主体结构见图5.
图5 PMSM调速仿真系统
参考电流id0，iq0和反馈电流id，iq被送入离散系统(Discrete System)模块，根据预测电流控制方法计算7组预测电流Ii(k+1)(i=1，…，7)，求出它们与参考电流的误差ei(i=1，…，7).将7组误差送入S函数编写的逻辑运算模块(Logic)中，求出最小误差后输出该组对应的电压矢量，通过直流电压模块(Udc)得到电机实际的三相电压，输入PMSM模型，其主要参数见表2.
表2 PMSM模型主要参数
3.2 预测电流控制仿真结果
在PMSM调速Simulink仿真系统中验证预测电流控制方法的性能.设定电机运行的初始转速为100π rad/s，在10 ms时引入10 000π rad/s2的加速度.为防止转速无限增加给系统带来危害，在40 ms时电机达到限制的最高转速400π rad/s，并持续30 ms.在70 ms时电机以－10 000π rad/s2的加速度开始减速，至90 ms时转速减至设定的200π rad/s后维持恒定.为更有效地观察PMSM调速系统的动态性能，除改变转速设定外还在仿真过程中加入负载变化.0～50 ms时电机空载运行，在50 ms时引入2.16 N·m的负载转矩.
仿真得到PMSM的电磁转矩曲线，见图6.10～40 ms时电机的加速转矩为1.8 N·m;50 ms时由于外部引入负载转矩，为维持转速恒定，电机的电磁转矩也升至2.16 N·m;70 ms时电机减速，电磁转矩相应减为0.36 N·m，以提供－1.8 N·m的减速转矩;90 ms时电机完成减速过程，电磁转矩恢复到2.16 N·m，以匹配外部负载，维持转速恒定.
图6 PMSM电磁转矩曲线
PMSM静止a-b-c坐标系三相定子电流曲线见图7.由图可知三相电流为相位相差120°的正弦纹波曲线.电流频率快速响应电机转速变化:随转速增大而变大、减小而变小.电流幅值快速响应电磁转矩变化:随转矩增大而变大、减小而变小.电流频率和幅值的快速响应均符合PMSM三相电流的控制规律.
图7 静止a-b-c坐标系三相定子电流曲线
PMSM旋转d-q坐标系两相电流曲线见图8.由图可知，d，q轴电流是以参考电流id0，iq0为基准的纹波曲线，随转速变化无较大波动，证明预测电流控制方法对电流控制的有效性.d轴电流一直在0附近振荡，在突加负载转矩时的瞬时振荡略增大.q轴电流与电机电磁转矩的变化趋势一致:在10～40 ms时保持在10 A;50～70 ms时保持在12 A;70～90 ms时保持在2 A;此后回升至12 A.
PMSM的转速曲线见图9.由图可见，预测电流控制方法可以使电机转速很好地跟随设定值，并且在增加负载转矩时仍能维持设定转速不变，证明该法对PMSM具有良好的调速特性.
图8 旋转d-q坐标系两相电流曲线
图9 PMSM转速曲线
4 结论
在分析和建立 PMSM模型的基础上，利用MATLAB/Simulink实现PMSM的预测电流控制.仿真结果表明:波形符合理论要求，系统可以平稳运行，具有较好的动态性能.采用预测电流控制方法不仅可省去整定参数的复杂过程，而且可实时预测电流，具有一定优越性.通过仿真可有效地分析PMSM的特性，也可为实际电机控制提供可行策略和思路.
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直流电机调速 第12篇
长期以来,直流电动机具有良好的起动、制动性能,在对电动机的起动和调速性能要求较高的生产机械或位置伺服控制系统中得到了广泛的应用。早期直流电动机的控制均为模拟电路实现,控制系统调试困难,触发脉冲不对称,运放及一些非线性集成电路因网压和温度变化会产生运算误差[1]。随着高速处理器和电力电子开关器件的发展,数字控制直流电机调速系统得以实现,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并提高其速度控制的精确性[2]。现有大多数文献只是对直流电机转速做检测及开环控制,本文实现的数字直流电机调速系统,是在比较了直流电机调速方法的基础上,分析优化了PI调节器的控制原理,并用软件编程实现改进的数字PI双闭环调速;并基于工程实践的应用成果,给出了系统的硬件电路实现。
1 系统方案选择
直流电机调速方法主要有三种,调压调速、调阻调速和弱磁调速,改变电阻调速缺点很多,电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用[3];弱磁调速不仅调速范围不大,低速时受到磁极饱和的限制,高速时还会受到换向火花和换向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大,动态响应较差[4]。因此选择改变电枢电压进行调速。随着电力电子技术的进步,可由PWM斩波器进行斩波调压。调脉宽的方式有三种:定频调宽、定宽调频和调宽调频,定频调宽法(即周期不变宽度改变)采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便,电动机在运转时也比较稳定,因此我们采用了定频调宽方式。在工程应用中,我们采用由IGBT管组成的H型PWM电路,用单片机I/O口控制IGBT管饱和截止状态,调节PWM脉冲宽度即占空比,从而调整电机转速。
2 系统方案设计
该直流电机调速系统将AT89S52单片机作为主控部件,由键盘、显示器、电机驱动模块、光耦隔离模块等构成系统外围硬件电路。利用单片机的定时器资源产生PWM信号,该信号通过光耦隔离,驱动放大控制电机电压的占空比,调节电机转速;利用光电编码器检测电机速度,反馈给速度闭环,对偏差信号进行PI调节,得到电流闭环的输入信号,再与反馈的电流值比较得到控制电流,电流环的PI运算结果改变PWM信号占空比D的大小,调节电机转速直至和给定相同;另外,系统的键盘控制模块可以控制电机启动、停止、高速、中速、低速、定时、转向等动作,通过LCD显示模块可以显示电机当前转速。系统总体框图如图1所示。
2.1 电机功率驱动电路
单片机输出的PWM信号的电压值很小,因此需要利用驱动芯片将信号进行放大,采用的功率放大模块由芯片L298以及一些逻辑器件构成。L298是双H桥直流电机驱动芯片,内部包含4通道逻辑驱动电路,是一种二相和四相电机的专用驱动器,可利用单片机的I/O口作为控制信号进行电机转速和转向的调节,硬件电路简单。L298芯片逻辑功能如表1所示。
可见,当L298的使能端为高电平时,可驱动电机调速运行。系统利用光电耦合器TLP620隔离单片机系统电源与电机系统的电源,利用芯片L298控制双H桥中IGBT的通断,L298的OUT1和OUT2分别接直流电机的两个接头,为直流电机提供驱动电压。直流电机的功率驱动电路如图2所示。
当ENA输入端为高电平时,将单片机引脚P2.6经过光耦与IN1相连,引脚P2.7与IN2相连,为防止开关管误导通,必须设置“死区”时间(本设计“死区”时间为15us)。当输入端IN2为低电平,IN1为延时产生的PWM信号,电机正转,改变占空比可调速;输入端IN1为低电平信号,IN2为延时产生的PWM信号时,电机反转改变占空比可调速;IN1与IN2相同时,电机快速停止。
2.2 PWM信号发生电路
在实际生产中,控制设备都采用闭环控制,本系统采用电压环(ASR)和电流环(ACR)双闭环控制,保证电机的精确控制。转速、电流双闭环控制原理如图3所示。
图3中,U*n是给定转速,Un为转速反馈值,经过比较得到误差信号△u送入转速环(ASR),转速环输出作为电流环(ACR)的给定信号,与反馈电流值Ui的差值送入电流环,输出生成PWM波,经功率放大后控制电机转速。
转速检测信号采用型号为DG338H-1000BZ-5-24C光电编码器测速得到,该光电编码器为增量式编码器,码盘提供相位相差90°的两路A、B脉冲信号以及用于复位计数的z相脉冲,输出转速n=N/m T,其中N为在给定时间T中采样的脉冲数,m为每转输出脉冲数(本文m=1000p/r),编码器得到的脉冲序列送入计数器计数,再送入单片机T1进行信号采集。电流采样选用霍尔电流传感器,通过A/D芯片转换后送入单片机P0口进行信号采集。
按照工程设计方法设计转速环时,要求转速环具有较好的抗扰性,电流环具有较好的跟随性,因此先按照典型Ⅰ系统设计电流环,再将电流环作为内环,按照典型Ⅱ型系统设计外环转速环,均采用PI调节器进行设计[5]。我们采用增量式控制算法实现数字PI控制,离散增量式PI算法公式为:
u(k)为PI调节器的第k次输出值,u(k-1)为PI调节器的第k-1次输出值,e(k)为给定量和反馈量之间的第k次采样偏差值;e(k-1)为第k-1次采样偏差值,KP为比例系数,TI为积分时间常数,则偏差信号?u(k) =u(k)-u(k-1) ,联立式(1)可得:
可见只需要知道当前和前一次的偏差值,就可以算出当前的控制增量[6]。
先对PWM脉冲设定一个固定的周期值(在本设计中为50us)对电流进行一次采样和PI调节,每100个PWM周期(5ms)对转速进行一次反馈采样和PI调节,假设电机最高转速为100r/m即1.67r/s,光电编码器是1000线,则每转发出1.67×1000=1670个脉冲,在5ms内发生的最大脉冲数为1670×5/103=8.35,该值倒数即为编码器速度转换系数,脉冲累计值除以编码器速度转换系数即为PWM信号占空比D,转速值为Vmax×D/216。
PWM软件实现流程如图4所示。
2.3 键盘及显示模块电路
系统的键盘控制模块可以控制电机启动、停止、高速、中速、低速等动作,按键分别连接到单片机的P3.0~P3.4引脚上,通过键盘扫描模式来判断按键是否被按下,按键被按下,进入处理程序。LCD显示选用LM016L液晶模块,单片机的P1.0~P1.7引脚作为数据输出端,P2.2~P2.4引脚作为控制端,单片机控制显示转速及定时时间。
3 系统仿真
我们选用的直流电机额定电压110V,额定电流6A,额定转速1000r/min,电枢内阻2?,过载倍数λ=2,功率驱动电路放大倍数为11。按照双闭环设计原则,先按照典型Ⅰ系统设计电流环,得到电流环比例放大系数Kpi为0.76,积分时间常数TIi为0.007s;再按照典型Ⅱ型系统设计转速环,得到速度环比例放大系数Kpn为35.92,积分时间常数TIn为0.0009s。我们用Proteus软件搭建直流电机速度控制系统仿真电路,如图5所示。模拟频率为20KHz的PWM发生信号送入T1口,电机可以通过高速、中速、低速按键进行速度设定,不同速度对应PWM占空比发生变化。以低速运转为例,系统设定低速速度为21r/min,仿真结果如图5所示;当中速速度为95r/min,高速速度为130r/min时,三种设定PWM占空比变化如图6所示。
4 结束语
本文所述的直流电机调速系统是以成本较低的AT89S52单片机做为主控器件实现数字式的PWM直流电机调速系统,通过软件编程实现双闭环PI控制,相对于硬件实现的系统,所需外围器件少,调试方便,控制精度高,可靠性和稳定性加强。通过调试结果表明,该系统能精确控制电机在高速、中速和低速时的运转,系统实现方案对工程应用设计有一定的参考价值。
参考文献
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