直流电机调速技术.docx
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直流电机调速技术
第一章前言
21世纪，科学技术日新月异，科技的进步带动了控制技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了翻天覆地的变化。
我们已进入高速发展的信息时代，控制技术成为当今科技的主流之一，广泛深入到研究和应用工程等各个领域。
控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
其控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。
而直流电机的调速控制正是控制系统的重要组成部分。
直流电机与交流电动机相比，结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。
近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。
这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。
单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。
随着单片机应用技术水平不断提高，目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。
现在国内外工业上对电机的调速控制基本已经不再使用模拟调速，而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制，数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。
第二章直流电机调速技术
本文设计的直流调速系统主要由单片机，PWM速度调节电路，电源电路，测速电路，按键电路等五部分组成。
本设计以单片机为控制中心，发出一系列的矩形脉冲控制PWM电路中的开关器件的通断，从而达到对电机端电压的控制。
系统中的测速电路，其作用是测量电机的转速，然后将其反馈到单片机中。
单片机通过PID调节，输出纠正后的矩形脉冲，从而使电机能稳定地运转。
下面是在设计中所用到的一些技术。
2.1PWM脉冲控制
PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。
即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
2.1.1PWM控制的基本原理
在采样控制理论中有一个重要的结论：
冲量相等而形状不同的窄
脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
例如图1中a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1的a为矩形脉冲，图1的b为三角脉冲，图1的c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。
当窄脉冲变为如图1的d所示的单位脉
图1.形状冲量相同的各种窄脉冲不同而
冲函数
时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。
图2a的电路是一个具体的例子。
图中
为窄脉冲，其形状和面积分别如图1的a、b、c、d所示，为电路的输入。
该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流
为电路的输出。
图2b给出了不同窄波时
的响应波形。
从波形可以看出，在
的上升段，脉冲形状不同时
的形状也略有不同，但其下降段几乎完全相同。
脉冲越窄，各
波形的差异也越小。
如果周期性的施加上述脉冲，则响应
也是周期性的。
用傅立叶级数分解后将可看出，各
在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同。
图2.冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
2.1.2直流电机的PWM控制技术
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。
直流电动机的转速调节主要有三种方法：
调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。
针对这三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。
例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。
所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。
其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。
直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：
由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。
同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
正因为直流PWM调速系统有以上优点，所以随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制（PWM）技术也得到了飞速的发展。
随着科学技术的迅猛发展，传统的模拟和数字电路已被大规模集成电路所取代，这就使得数字调制技术成为可能。
目前，在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制技术。
电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。
采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，并且结构简单、可靠性高、操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。
根据PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间T内脉冲宽度为
幅值为U，由图3可求得此时间内脉冲的等效直流电压为：
图3PWM脉冲
，若令
，
即为占空比，则上式可化为：
（
为脉冲幅值）（1.19）
若PWM脉冲为如图3所示周期性矩形脉冲，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即
（
为矩形脉冲占空比）
（1.20）
图4周期性PWM矩形脉冲
由式1.20可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值U和占空比
来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，所以通常通过控制占空比
的大小实现等效直流电压在0～U之间任意调节，从而达到利用PWM控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。
2.2PID调节
2.2.1PID
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。
反馈理论的要素包括三个部分：
测量、比较和执行。
测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。
这个理论应用在自动控制的关键是，如何做出正确的测量和比较后，来更好地纠正系统。
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（
，
和
）即可。
在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。
PID是周期性地控制操作。
假定控制器的执行频率足够高，以使系统得到正确的控制。
误差信号是通过将被控参数的期望设定值减去该参数的实际测量值来获得的。
误差的符号表明控制输入所需的变化方向。
（一）P项（比例）
由误差信号乘以一个P增益因子形成，使PID控制响应为误差幅值的函数。
当误差信号增大时，控制器的P项将变大以提供更大的校正量。
（二）I项（积分）
对全部误差信号进行连续积分。
因此，小的静态误差随时间累计为一个较大的误差值。
累计误差信号乘以一个I增益因子即成为PID控制器的I输出项。
（三）D项（微分）
D项输入是计算前次误差值与当前误差值的差来获得的。
该误差乘以一个D项增益因子即成为D输出项。
系统误差变化的越快，控制器的D项将产生更大的控制输出。
2.2.2PID控制具有以下优点
（1）.应用范围广。
虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。
（2）.参数较易整定。
PID参数
，
和
可以根据过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。
2.2.3PID调节中参数的选择：
在数字PID控制中，如果采样周期选得比较小，则PID控制参数
，
和
可按模拟PID控制器中的方法来选择。
在对电动机控制中，首先要求系统是稳定的，在给定值变化时，被控量应能迅速、平稳地跟踪，超调量要小。
在各种干扰下，被控量应能保持在给定值附近。
另外，控制变量不宜过大，以避免系统过载。
显然，上述要求要都满足是很困难的，因此，必须根据具体的实际情况，抓主要方面，兼顾其他方面。
在选择控制器参数前，应首先确定控制器结构。
对于电动机控制系统，一般常用PI或PID控制器接口，以保证被控系统的稳定，并尽可能清楚静态误差。
PID参数的选择有两种可用方法：
理论设计法和试验确定发。
理论设计法确定PID控制参数的前提，是要有被控对象准确的数学模型，着在电动机控制中往往很难做到。
因此，用下列试验确定法来选择PID控制参数，就成为目前经常采用的，并且是行之有效的方法。
2.2.4凑试法
凑试法是通过模拟或闭环运行系统，来观察系统的响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响，来改变参数，反复凑试，直到认为得到满意的响应为止。
凑试前，要先了解PID控制器参数值对系统的响应有哪些影响。
增大比例系数
，可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差；但是，过大的比例系数会使系统有较大的超调，因此产生振荡，破坏系统的稳定性。
增大积分常数
，会有利于减少超调，减少振荡，使系统更稳定；但系统静态误差的消除将随之减慢。
增大微分常数
，也可以加快系统的响应，使超调量减少，稳定性增加；但系统的抗干扰能力降低。
在考虑了以上参数对控制过程的影响后，凑试时，可按先比例—后积分—再微分的顺序反复调试参数。
具体步骤如下：
首先只调节比例部分，将比例系数由小变大，并观察系统所对应的响应，知道得到响应快，超调量小的响应曲线为止。
如果这时系统的静态误差已在允许范围内，并且达到1/4衰减度的响应曲线（最大超衰减到1/4时，已进入允许的静态误差范围），那么只需用比例环节即可，比例系数可由此确定。
如果在比例调节的基础上，系统的静态误差还达不到设计要求，则必须加入积分环节。
积分常数在凑试时，先给一个较大值，并将上一步调整时获得的比例系数略微减少（例如取原值的80%），然后逐渐减少积分常数进行凑试，并根据所获得的响应曲线进一步调试比例系数值和积分常数值，直到消除静态误差，并且保持良好的动态性能为止。
如果使用比例积分环节虽然消除了静态误差,但系统的动态性能仍不能令人满意,这时可加入微分环节。
在凑试时，可先给一个很小的微分常数，以后逐渐增大，同时响应地改变比例系数和积分常数，知道获得满意的效果为止。
第三章系统设计
3.1系统功能要求
本设计是利用89C52单片机来控制PWM调速电路实现小功率直流电机的转速调节。
故系统必须要求能够实现以下几项要求：
（1）.在（1000—5500）转/分内对直流电机进行任意调速，最小调速级差为1转/分。
（2）.电机能在所设速度下稳定运转，运转速度与设定速度之差小于±20转/分。
（3）.电机启动和加减80%额定负载时,其转速能迅速回到设定值，转速超调±5%内。
（4）.电机能进行正反转控制。
3.2系统硬件设计
3.2.1系统硬件组成
本设计在硬件电路上共分为5个部分，分别为单片机部分、按键输入、PWM斩波电路、测速电路和转向调节电路。
故本文将详细地介绍每一部分的功能原理以及元器件的选取。
图5.系统方案框图
3.2.2单片机部分
本设计采用的是STC（意法半导体公司）生产的89C52单片机，选用STC的89C52单片机是因为它是宽电压供电，工作电压范围为5.5V-3.4V，比起一般51系列单片机的5.5V-4.5V更能有效的避免电源抖动所带来的问题。
晶振选用石英晶振，频率为20MHz，比起传统的12MHz能有更快的处理速度。
在第9脚-RST，复位脚外，加了一个复位按键和复位电路，复位原理为：
第一次上电时，+5V通过给电容充电，于是此时电容相当于短路，+5V直接加到RST脚上，单片机自动复位。
过了极短的时间，电容充电完毕，此时电容则相当于开路，于是RST脚被电阻R113拉为低，单片机开始正常工作。
当RESET键按下时，+5V通过按键加到RST脚上，单片机复位，RESET键弹起之后，RST脚重新被R113拉为低，单片机开始正常工作。
单片机供电方面，采用的是12V直流通过7805三端稳压器稳压到5V，给单片机和显示部分供电。
图1单片机部分原理图
3.2.3按键输入电路
原理图如下：
图2按键部分原理图
在本设计中，按键输入比较简单，就是在按键信号输入I/O口与地线间串接一按键。
在按键没有按下的情况下，I/O口悬空，所以为高（由于STC单片机的I/O口是有内部上拉电路的，所以当其悬空时，内部将其上拉为高）；当按键按下后，地线的把I/O口的电平拉低，单片机便可识别有键按下。
3.2.4PWM驱动电路
本设计采用的是不可逆PWM变换器，其中功率开关器件为IGBT。
VT1的控制极由脉冲电压序列P1.1驱动。
当P1.1口为低时，VT1的基极电平被拉低，此时VT1截止，所以V2的基极为高，V2截止，电机两端没有电压。
图4PWM驱动电路原理图
当P1.1口为高时，VT1基极电压也为高，于是VT1导通，VT的集电极电压为低，此时V2的基极也为低，V2导通，+12V加到电机两端，电机开始转动。
故，P1.1端口为高电平时，电机两端电压也为高；P1.1口为低电平时，电机两端电压也为低。
于是当P1.1口产生PWM信号输出时，电机两端就会产生同样的PWM波形，从而达到调节电机转速的目的。
如图4所示，R21为P1.1口的上拉电阻，R20为限流电阻。
上拉电阻的选取取决于两方面，一.是能否保护单片机I/O口不过流，二.就是能否提供电路所需的电流。
首先我们分析I/O口方面，P1-P3口能承受的灌电流（输入电流）最大能达到6mA，所以上拉电阻的阻值必须大于
，而我们选用的是10K电阻，远远大于0.8K，故能有效的保护单片机I/O口；
其次再来分析10K的上拉电阻能否提供所需要的电流，假设电机工作电流为100mA（事实上远小于），V2的放大倍数按60倍计算的话，那么V2的基极，也就是VT1的集电极最少得提供1.6mA的电流才能使V2达到饱和。
如果按VT1能放大100倍的话，也就是说VT1的基极至少得提供16μA的电流才能使VT1饱和，事实上，10K的上拉电阻，加上I/O口的限流电阻，能提供（5-0.7）V/13.3K=350μA，远大于所需要的16μA，所以完全能提供足够的电流。
图4中电阻R19。
它的作用是限流，若不加这个电阻，则当单片机端口为高时，VT1，V2均饱和，此时可以认为12V直接对地短路（虽然有V2的be结和VT1的ce结，它们会产生零点几伏的压降，但是它们没有限流的作用，还是可以认为电源直接对地短路），所以加上此电阻很有必要。
图4中D3二极管的作用：
在PWM调速电路中，D3为续流二极管，其作用就是续流和消除反电势。
电机内部的转子是由线圈绕成的，所以可以看成是一个电感元件，在突然断电时，反电势很大，将近12V的两倍以上，若不加续流二极管，V2很可能被击穿，由于反电压的产生,使电机两端的直流平均电压接进0V,电极不会转动，只会不停地颤动并发出呜呜的声音，其本身也会有危险。
而加了续流二极管后，反向电势通过二极管和电机重新形成回路，消除了反电势，且能使电机上电流不中断，维持正常运转。
3.2.5测速电路
在本系统中，要将电机本次采样的速度与上次采样的速度进行比较，通过偏差进行PID运算，因此速度采集电路是整个系统不可缺少的部分。
本次设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现电机速度的采集，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，且其边缘上有N个等分凹槽，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽处，在另一侧和发光二极光平行的位置上固定一光敏三极管，当电动机转到凹槽处时，发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上，三极管导通，反之三极管截止，电路如图5所示，从图中可以得出电机每转一圈在INT1的输出端就会产生N个低电平。
这样就可根据低电平的数量来计算电机此时转速了。
例如当电机以一定的转速运行时，INT1将输出如图5所示的矩形脉冲，若知道一段时间t内传感器输出的低脉冲数为n，则电机转速v=r/s。
图5测速电路原理图
图6INT1输出的矩形脉冲
从图5可以看出，为配和软件编成需要,本系统加了一个起反向作用三极管，也就是说，V1集电极输出为高时，V3导通，于是V3的集电极输出为低；反之，V1集电极输出为低时，V3集电极的输出就为高。
测速电路参数的选取
R25：
一般发光二极管的正向压降2V，驱动电流5mA左右，而电流最大不能超过20mA，所以选取510Ω的电阻作为其限流电阻，一来保证不会过流烧坏发光管，二来也不会因电流太小而使光电开关不能正常工作。
R22：
此电阻串接在电源与三极管V1的集电极，它的选取直接影响到三极管是否能达到饱和状态，我们知道，因光照所产生的光电电流很小，大概只有几微安的样子，所以集电极电流不能太大，否则管子不能达到饱和。
假设发光二极管正常工作需要的电流为5μA，那么三极管的放大倍数为100倍的话，集电极电流就不能超过0.5mA，所以R22的大小选取为10K，此时若基极有光照时，集电极能正常拉低到地。
R24：
为V3的集电极电阻，同时也为单片机INT1口的上拉电阻。
作用为保证V3和单片机I/O口不会过流，所以选用10K就能达到要求。
3.2.6转向调节电路
图7转向调节电路原理图
因为本设计中采用的是小功率电动机，且没有接负载，硬件强制转向也不会对硬件造成损坏，故，采用硬件转向控制。
，
图7中，MOTOR两端的J1-1和J1-2分别为继电器的两组开关，J2则为继电器的线包开关，当拨动开关J0打向左边，J0悬空，则三极管9014基极为高，三极管导通，J2吸合，J1-1CB与J1-2CB接通，电机正转；当拨动开关J0打向右边时，J0接地，于是9014基极为低，三极管截止，J2松开，J1-1CK与J1-2CK接通，电机反转。
而指示方面，是将测速同轴电动机当成发电机使用，如图所示接一红一绿两个发光二极管，正转时，绿灯亮；反转时，红灯亮。
并且亮度随着转速的增加而增加，非常直观。
3.3系统软件设计
3.3.1编程环境
由于汇编语言程序的可读性和可移植性都较差，采用汇编语言编写单片机应用程序不但周期长，而且调试和排错也比较困难。
为了提高编制单片机应用程序的效率，改善程序的可读性可移植性，采用高级语言无疑是一种更好的选择。
C语言是一种通用的计算机程序设计语言，既具有一般高级语言的特点，又能直接对计算机的硬件进行操作，表达和运算能力也较强，许多以往只能采用汇编语言来解决的问题现在都可以改用C语言解决。
德国KeilSoftware公司多年来致力于单片机C语言编译器的研究。
该公司开发的KeilC51是一种专为8051单片机设计的高效率C语言编译器，符合ANSI标准，生成的程序代码运行速度极高，所需要的存储空间极小，完全可以与汇编语言相比美[4]。
所以,本设计采用的是C语言编程，利用KEILμvision2进行编译和仿真，使用STC专用下载板将HEX文件烧录到89C52单片机中。
3.3.2单片机程序组成
本设计采用的是20M晶振，12分频，所以每个指令周期为T=0.6μS。
中断方面，本程序一共用了3个中断源：
定时器0，定时器2以及外部中断1，它们的优先级分别为：
定时器0、外部中断1为高优先级，定时器2为低优先级。
另外还用了计数器1，用做计算脉冲宽度，与外部中断1一起构成测速系统。
3.3.3PWM程序
因为电机调速是本次设计的最主要任务之一，所以PWM程序也是程序中最重要的一环。
PWM的调速原理是通过调节一个斩波周期中的脉冲占空比来调节电机功率而达到调速目的。
本设计中，PWM的斩波周期为1ms，那也就是说斩波频率为1KHz，在理论上能达到1‰线性可调，也就是能以0.1%的调节精度来调节PWM占空比。
PWM调速子程序是放在定时器0中断中进行的，中断设置如下：
//------T0-----------T0用作斩波
ET0=1;//中断允许位
time0_set=300;
time0_tmp=65536-（time0_set）*fosc/12;//
TH0=（time0_tmp/256）;
TL0=（time0_tmp%256）;
TF0=0;//CLRTF0
TR0=1;//SETBTR0
PT0=1;//高优先级
可以看出，T0的中断级别为高，因为PWM的脉冲宽度就是在中断程序里设定，如果此时被其他更高级别的中断打断，那么脉冲宽度将不准确，从而导致控制转速失败。
所以将其设为高的话，就不存在被打断的问题了。
下面是PWM的中断子程序：
voidtime0_int（void）interrupt1
{
TH0=（time0_tmp/256）;
TL0=（time0_tmp%256）;
if（cut==1）
{
time0_tmp=65536-time0_set*20/12;
cut=0;
}
else
{
time0_tmp=65536-（time0-time0_set）*20/12;
cut=1;
}
}
程序中，cut为PWM信号输出口，也就是P1.1口，每进入一次中断，cut口就反向一次，而每次中断计时都由time0_set确定，time0_set也就是脉冲宽度，由外部赋给，范围从150-970，其值每增加1，电机转速就增加6圈/分，所以可以算出精度为1‰，而实际上，我们选用的误差允许范围为±20圈/分，精度为3‰。
但比起一般单片机自带的PWM输出口的1%线性可调精度高多了。
图8PWM波形示意图
图中为PWM输出波形图，A为占空比为95%时的波形，B为50%时的，C为5%时的波形。
从图中可以得出，当PWM输出A的波形时，电机将以全速运转；而输出B时，电机则以50%的速度运转；而当输出C时，电机转动速度将非常慢，并且伴随着很大的噪音和震动，可以感觉出电机内部的运转不连续。
3.3.4测速系统程序
本设计中测速系统的工作原理为：
利用电机轴上带的圆盘的缺口，引起光电开关产生高电平脉冲，单片机就采集此脉冲的宽度，加以计算，得出其实时速度。
具体实现如下：
平时缺口不在光电开关处时，光电开关处于断开状态，输入到单片机口电平为低，当圆盘缺口的其中一边刚运转到令光电开关接通时，单片机INT1口电平跳变为高，此时计数器1以内部时钟信号为周期开始计数，然后当圆盘转到缺口的另外一边刚好令光电开关断开时，单片机INT1口产生一个下降
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