大功率电动机调速控制的软件设计

XX大学毕业设计（论文）题目： 大功率电机转速控制软件设计学 院： 测试与光 电工程学 院专业名称 ： 测控技术 与仪器 班级学号 ：学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 ：二 Oxx 年 六 月大功率电机转速控制软件设计摘 要 半固态镁合金连续铸轧是一种全新的近终型金属成形技术，可用来提高镁合 金 的 性 能 。 但 目 前 镁 合 金 铸 轧 自 动 化 程 度 相 对 低 、 速 度 控 制 特 性 差 因 此 ， 通 过 对可控硅调速系统的改进，以实现铸轧速度的无级调速。在 本 系 统 中 ， 主 控 微 机 选 择 的 是 80C552， 通 过 给 定 电 位 器 给 定 一 定 电 压 ， 在微 机 内 部 进 行 A/D 转 换 后 作 为 电 机 速 度 的 给 定 值 ， 使 用 光 电 码 盘 配 合 改 进 型 M/T 法 对 电 机 进 行 测 速 ， 将 检 测 到 的 电 机 转 速 实 际 值 与 给 定 值 进 行 比 较 ， 分 析 电 机 转 速偏 差 的 大 小 与 变 化 的 情 况 ， 在 在 内 部 进 行 PID 运 算 ， 通 过 改 变 PWM0 脉 冲 宽 度 寄存 器 的 值 ， 改 变 单 片 机 输 出 的 PWM 脉 冲 的 占 空 比 ， 输 出 的 PWM 脉 冲 经 隔 离 、 驱 动 、放 大 后 对 电 机 的 速 度 进 行 有 效 调 节 ， 使 得 电 机 的 实 际 转 速 与 给 定 转 速 相 等 。通 过 此 次 调 速 系 统 的 改 进 ， 实 现 了 镁 合 金 半 固 态 加 工 技 术 的 自 动 化 水 平 ； 实现 螺 旋 杆 运 转 速 度 大 范 围 连 续 自 动 可 调 ， 可 把 现 在 用 于 铸 轧 辊 的 可 控 硅 调 速 系 统改 成 PWM 驱 动 控 制 系 统 ,并 把 电 压 控 制 改 为 电 流 控 制 ,适 当 提 高 PWM 放 大 器 的 输 出驱 动 能 力 和 系 统 的 抗 干 扰 能 力 ； 实 现 铸 轧 速 度 的 无 极 调 速 ， 而 且 运 转 平 稳 ， 低 速特 性 好 ， 其 调 速 控 制 设 计 成 由 微 机 来 实 现 的 软 、 硬 件 PWM 驱 动 控 制 系 统 ， 并 在PWM 系 统 之 前 加 上 一 个 PID 调 节 器 ， 以 克 服 外 部 各 种 干 扰 因 素 的 影 响 ， 提 高 系 统的 综 合 性 能 指 标 ； 用 PWM 和 光 电 码 盘 实 现 了 镁 合 金 铸 轧 速 度 的 无 级 调 速 ， 而 且 运转平稳，稳态误差0.3 。关键词 80C552 直流电机 PWM 调速 PID 控制metal forming technology can be used to improve the properties of magnesium alloys. But the current level of magnesium alloy casting automation relatively low speed control characteristic difference Therefore, the governor of the SCR system improvements in order to achieve casting speed of variable speed.In this system, the master computer chose the 80C552, by a given potentiometer setting a certain voltage, the microcomputer inside the given value as the motor speed of the A / D conversion, using optical encoder with improved M / T method of motor speed, the motor speed to the actual value of a given value, the motor speed deviation analysis of the size and change in internal PID operation by changing the value of the PWM0 pulse width register, change MCU output PWM pulse duty cycle, the output PWM pulse by the isolation, drive, amplified to effectively regulate the speed of the motor so that the actual speed of the motor and given equal speed.By improving the speed control system to achieve the level of automation of magnesium alloy semi-solid processing technology; to achieve a wide range of operating speed auger automatically and continuously adjustable speed control system is now available for the SCR casting roll into a PWM The drive control system, and to change the current control voltage control, an appropriate increase in anti-jamming capability PWM amplifier output drive capability and systems; to achieve casting speed stepless and smooth operation, good low-speed characteristics, its speed control design a software and hardware PWM drive control system implemented by the computer, plus a PID controller before the PWM system to overcome the effects of various interference of external factors, to improve the overall performance of the system; with PWM and photoelectric encoder achieve magnesium alloy casting speed variable speed, and smooth, steady-state error 0.3%.The software design of the high power motor speed controlAbstract Semi-solid magnesium alloy continuous casting is a new near-net-shapeKeyword： 80C552 DC motor PWM speed control PID control目 录1 绪论1.1 课题研究的背景与意义 11.2 国内外研究概况与发展趋势 11.3 研究内容 52 直流电机调速系统设计2.1 直流电机的调速方案 52.2 直流电机 PWM 调速原理 72.3 PWM 脉冲产生方式 82.3 速度调节方案 92.4 测速原理 .123 硬件系统及特点3.1 硬件系统简介 .143.2 脉宽调制器 .153.3 改进型 M/T 法测速 .163.4 PWM 功率放大器 .174 软件系统设计4.1 C51 语言简介 .194.2 微机头文件的设置 .194.3 主程序的设计 .194.4 子程序的设计 .215 结论参考文献 .31致谢 .32附录 .331大功率电机转速控制软件设计1 绪论1.1 课题研究的背景与意义当 今 ， 由 于 地 球 资 源 的 有 限 性 ， 能 源 的 紧 缺 ， 人 们 越 来 越 重 视 自 然 资 源 的 合 理利 用 。 运 载 工 具 的 减 重 是 节 约 能 源 的 重 要 途 径 之 一 。 人 们 迫 切 希 望 通 过 降 低 产 品 的自 重 以 减 少 能 源 消 耗 和 环 境 污 染 。 由 于 镁 合 金 所 表 现 出 来 的 重 量 轻 ， 易 于 压 铸 ， 良 好的 机 械 性 能 和 电 磁 屏 蔽 效 果 好 等 特 点 ， 是 交 通 运 输 和 便 携 式 电 子 产 品 壳 体 的 首 选 材料 之 一 ,同 时 ， 由 于 镁 合 金 的 可 回 收 性 和 环 保 性 ， 因 此 被 称 为 绿 色 材 料 。 但 由 于 镁 合金 和 铝 合 金 一 样 仍 然 在 强 度 、 硬 度 、 抗 拉 强 度 及 抗 疲 劳 强 度 等 方 面存在着一些缺陷，这就很大程度上限制了镁合金一些重要的汽车部件上的应用 。 所 以 ， 提 高 镁 合 金铸 件 的 质 量 ， 已 成 为 镁 合 金 使 用 的 关 键 因 素 。 传 统 的 成 形 方 法 ， 无 论 全 固 态 的 轧 制的 ， 锻 造 ， 挤 压 ， 拉 拨 ， 冲 压 ， 还 是 全 液 态 的 铸 造 技 术 ， 要 么 是 耗 能 高 ， 要 么 是 效率 低 下 ， 产 品 组 织 性 能 差 。 因 此 ， 新 的 半 固 态 加 工 技 术 被 用 来 提 高 镁 合 金 铸 件 的 性能 。 半 固 态 金 属 成 型 有 别 于 传 统 成 形 方 法 ， 是 以 上 两 类 工 艺 制 度 相 结 合 的 产 物 ， 具 有低 残 余 应 力 ， 高 致 密 性 ， 低 能 耗 ， 短 流 程 ， 近 终 型 等 优 点 ， 是 一 种 全 新 的 近 终 型 金 属成 形 技 术 。我 国 有 相 当 丰 富 的 镁 资 源 ,储 量 占 世 界 的 60%以上,镁合金具有密度小,比强度 高 ,减 振 性 好 ,抗 电 磁 干 扰 屏 蔽 性 好 和 机 械 加 工 性 能 好 。 汽 车 工 业 来 自 节 能 和 环保 方 面 的 压 力 为 镁 合 金 提 供 了 巨 大 的 发 展 空 间 。 因 此 ,大 力 进 行 镁 合 金 的 研 究 开发势在必行 1。半 固 态 镁 合 金 连 续 铸 轧 是 一 种 全 新 的 近 终 型 金 属 成 形 技 术 ， 可 用 来 提 高 镁 合金 的 性 能 。 但 目 前 镁 合 金 铸 轧 自 动 化 程 度 相 对 低 、 速 度 控 制 特 性 差 。 因 此 ， 必 须设 计 一 个 合 理 调 速 系 统 ， 提 高 镁 合 金 铸 轧 自 动 化 程 度 ， 本 文 通 过 对 可 控 硅 调 速 系统 的 改 进 ， 实 现 了 铸 轧 速 度 的 无 级 调 速 ， 稳 态 误 差 可 达 甚 至 小 于 0.3%。1.2 国内外研究概况与发展趋势研 究 表 明 ， 半 固 态 加 工 技 术 中 的 一 个 关 键 问 题 就 是 如 何 制 备 优 质 的 半 固 态 合金 棒 坯 。 在 半 固 态 合 金 棒 坯 制 备 过 程 中 ， 被 搅 拌 合 金 熔 体 的 冷 却 速 率 和 受 到 的 搅 拌力 是 合 金 熔 体 凝 固 过 程 中 两 个 重 要 参 数 。 这 两 个 参 数 的 变 化 将 直 接 影 响 到 半 固 态合 金 坯 料 的 质 量 。 无 论 流 变 铸 造 还 是 触 变 成 形 ， 都 包 含 半 固 态 制 浆 及 半 固 成 形 两 部分 。 其 中 ， 核 心 是 如 何 获 得 等 轴 、 细 小 、 均 匀 的 非 枝 晶 的 半 固 态 浆 料 。 其 方 法 主 要有 两 大 类 ， 一 类 是 在 外 力 或 外 场 作 用 下 来 打 破 业 已 形 成 的 枝 晶 ， 主 要 有 机2械 搅 拌 法 、 电 磁 搅 拌 法 、 MIT 工 艺 、 液 体 混 合 工 艺 、 喷 射 成 形 法 等 ; 另 一 类 是 通过 控 制 凝 固 过 程 来 抑 制 枝 晶 的 形 成 ， 主 要 有 添 加 剂 法 、 液 相 线 铸 造 法 、 粉 末 压 实工艺、应变诱导熔化活化法、等温处理法等 2。近 年 来 ， 随 着 半 固 态 技 术 的 发 展 ， 出 现 了 许 多 制 备 半 固 态 金 属 浆 料 的 新 工 艺 和新 技 术 。 冷 却 斜 槽 法 是 其 中 的 一 种 。 冷 却 斜 槽 法 的 原 理 为 ： 将 略 高 于 液 相 线 温 度 的熔 融 金 属 倒 在 冷 却 斜 槽 上 ， 由 于 斜 槽 的 冷 却 作 用 ， 在 斜 槽 壁 上 有 细 小 的 晶 粒 形 核 长 大 ，金 属 流 体 的 冲 击 和 材 料 的 自 重 作 用 使 晶 粒 从 斜 槽 壁 上 脱 落 并 翻 转 ， 以 达 到 搅 拌 效 果 。通 过 冷 却 斜 槽 的 金 属 浆 料 落 入 容 器 ， 控 制 容 器 温 度 ， 即 缓 慢 冷 却 ， 冷 却 到 一 定 的 半 固态 温 度 后 保 温 ， 达 到 要 求 的 固 相 体 积 分 数 ， 随 后 可 进 行 流 变 成 形 和 触 变 成 形 。 图 1 所 示 是 冷 却 斜 槽 法 的 几 种 工 艺 过 程 ， 图 11（ a） 和（b） 是 将 先 将 制 备 的 半 固 态浆 料 直 接 铸 轧 成 板 带 坯 ， 图 11（ c） 是将制备的半固态浆料铸造成坯锭后，再二次加热，重熔后触变成形的工艺过程。在 冷 却 斜 槽 方 法 中 ， 影 响 熔 融 金 属 转 变 为 半 固 态 浆 料 的 主 要 因 素 有 三 个 ： 一是 浇 注 条 件 ， 熔 融 金 属 倒 入 冷 却 斜 槽 ， 逐 步 凝 固 形 核 ， 很 多 细 小 固 相 颗 粒 随 液 相 流入 容 器 ， 只 有 在 浇 注 温 度 高 于 液 相 线 温 度 时 ， 才 可 能 在 斜 槽 上 形 成 晶 核 ， 同 时 斜 槽温 度 要 尽 可 能 低 ； 第 二 个 是 斜 槽 长 度 ， 如 果 斜 槽 过 长 ， 会 在 斜 槽 底 部 凝 固 形 成 金属 壳 ， 阻 碍 金 属 的 流 动 ， 降 低 冷 却 效 率 ， 如 果 斜 槽 过 短 ， 熔 融 金 属 内 没 有 产 生 大 量细 小 晶 粒 ， 达 不 到 半 固 态 浆 料 要 求 ； 三 是 斜 槽 的 倾 斜 角 度 ， 倾 斜 角 度 的 大 小直接影响熔融金属的流动速度。采 用 冷 却 斜 槽 法 制 备 的 半 固 态 浆 料 的 固 相 百 分 数 在 3%-10%之 间 ， 其 流 动 性 同熔 融 金 属 一 样 。 在 流 变 铸 造 中 ， 固 相 百 分 数 越 低 ， 越 容 易 铸 造 。 因 此 ， 冷 却 斜 槽法能应用于流变铸造成形很薄的铸件。图 1-1 冷却斜槽法的几种工艺过程直接将金属熔体“轧制”成半成品带胚或成品带材的工艺称为连续铸轧。这3种 工 艺 的 显 著 特 点 是 ， 其 结 晶 器 为 两 个 带 水 冷 系 统 的 螺 旋 铸 轧 辊 ， 熔 体 在 其 辊 缝间完成凝固和受到热轧两个过程，而且在很短的时间内（23s）完 成 的 。 原 理是 铸 轧 辊 把 浆 料 的 大 量 热 能 迅 速 带 走 ,使 浆 料 在 很 短 时 间 内 完 成 结 晶 过 程 。 同 时 , 又 对 已 形 成 的 组 织 经 过 轧 辊 进 行 压 力 加 工 。 它 不 同 于 连 铸 连 轧 ， 后 者 实 际 上 将 锭胚 铸 造 与 热 轧 连 续 进 行 ， 即 金 属 熔 体 在 连 铸 机 结 晶 器 中 凝 固 成 肧 后 ， 再 在 后 续 的双 机 架 温 连 铸 机 上 连 续 铸 轧 成 供 冷 轧 机 用 的 带 胚 或 成 品 板 带 材 ， 铸 造 和 温 轧 是 两个独立的工序。（1） 铝带铸轧连 续 铸 轧 技 术 具 有 投 资 省 、 成 本 低 、 流 程 短 等 优 点 ， 一 直 在 有 色 合 金 ， 特 别 式 铝带的生产上得到了广泛的应用。（2） 钢铁材料铸轧连 续 铸 轧 生 产 钢 铁 材 料 还 未 完 全 成 功 ， 其 重 要 原 因 之 一 是 钢 铁 材 料 的 熔 点 很高 ， 控 制 铸 轧 过 程 稳 定 性 的 操 作 参 数 范 围 很 窄 ， 铸 轧 过 程 中 钢 铁 材 料 的 传 热 、 凝 固过程比有色金属更复杂。20 世 纪 初 以 来 ， 澳 大 利 亚 CSIRO 联 邦 科 学 与 工 业 研 究 组 织 工 业 技 术 研 究 院 就 对镁 合 金 板 带 铸 轧 技 术 进 行 了 深 入 的 研 究 ， 而 且 为 此 建 立 了 一 个 大 规 模 的 实 验 工 厂 ， 制备 出 了 一 个 性 能 优 异 的 设 备 ， 这 台 设 备 可 以 生 产 出 600 mm 宽 的 镁 薄 板 带 ， 而 且 符合 商 业 质 量 标 准 。 CSIRO 把 镁 合 金 板 带 广 泛 应 用 许 多 领 域 中 ， 如 汽 车 发 动 机 和 打 印机 、 移 动 电 话 、 DVD、 火 车 、 电 池 、 甚 至 自 行 车 中 。 通 过 CSIR0 的 研 究 表 明 ， 此 项工 艺 具 有 许 多 优 点 ， 它 安 全 、 可 靠 、 低 能 耗 、 高 效 率 。 无 论 大 批 量 还 是 小 批 量 都 适用 。 而 且 适 用 性 广 泛 ， 它 出 了 适 用 于 各 种 传 统 和 新 型 镁 合 金 之 外 ， 还 能 够 生 产 出 高质 量 的 镁 合 金 板 带 产 品 3。在 日 本 ， 研 究 半 固 态 镁 合 金 技 术 的 有 国 立 小 山 工 业 高 等 学 校 的 H。 Watari 等人 。 他 们 的 主 要 研 究 方 向 为 半 固 态 镁 合 金 双 辊 铸 轧 技 术 ， 他 们 的 研 究 取 得 了 许 多 进展 ， 通 过 大 量 的 实 验 研 究 ， 他 们 发 得 出 了 一 些 参 数 之 间 的 相 互 关 系 ， 比 如 在 加 工 板厚 为 3 毫 米 左 右 的 板 时 ， 辊 速 为 20 mmin 能 得 到 很 好 的 效 果 并 且 还 发 现 了 铸轧出的镁板带具的塑性加工能力较强，引领了人们对此项技术的研究。我 国 有 相 当 丰 富 的 镁 资 源 ,储 量 占 世 界 的 60%以上,镁合金具有密度小,比强度 高 ,减 振 性 好 ,抗 电 磁 干 扰 屏 蔽 性 好 和 机 械 加 工 性 能 好 。 汽 车 工 业 来 自 节 能 和 环保 方 面 的 压 力 为 镁 合 金 提 供 了 巨 大 的 发 展 空 间 。 但 目 前 国 内 还 没 有 镁 合 金 板 带 连铸 技 术 的 相 关 报 道 ， 南 昌 大 学 耿 茂 鹏 教 授 等 人 正 在 用 自 制 的 水 平 式 镁 合 金 板 带 铸4轧试验机开展这方面的研究工作。因此,大力进行镁合金的研究开发势在必行：（ 1） 发展我国的镁合金应用技术，使我国的镁合金铸轧技术水平接近世界先进水平。（ 2） 满足我国市场对运输工具，便携式电子产品高可靠，轻量化要求。（ 3） 项目为高效，节能，短流程的先进加工技术，有利于资源的合理及有效运用。（ 4） 有利于我国镁资源，特别是西部镁资源的开发和利用。由 于 镁 合 金 的 应 用 不 断 扩 大 ， 产 量 逐 年 有 较 大 上 升 ， 材 料 界 希 望 有 一 种 生 产成 本 低 的 板 带 轧 制 工 艺 。 传 统 的 镁 板 带 材 是 用 0 3 m×10 m×20 m 镁 锭 先经 过 几 小 时 的 加 热 ， 至 480再 连 续 热 轧 至 56 mm 厚 度 的 板 坯 ， 后 一 步 的 轧 制过 程 是 高 能 耗 、 费 时 的 ， 而 且 会 导 致 低 的 金 属 屈 服 应 力 。 镁 的 晶 体 结 构 为 密 集 六 方晶 格 ， 在 204 以下仅是基面即单位晶胞的上下底面为滑移面，因此镁及镁合金 的 热 轧 温 度 不 能 低 于 343 ， 如 果 能 生 产 出 厚 度 只 有 6 mm 的 带 坯 ， 就 可 能 以较 少 的 冷 轧 道 次 生 产 较 薄 的 带 材 ， 进 而 可 用 这 种 板 带 材 加 工 成 各 种 目 前 是 用 压 铸法 生 产 的 零 部 件 ， 压 铸 薄 壁 镁 合 金 件 的 成 品 率 很 低 ， 制 造 成 本 高 。 而 镁 合 金 板 带连 续 铸 轧 技 术 显 著 降 低 了 镁 带 的 生 产 成 本 ， 保 持 和 增 加 了 带 材 的 韧 性 。 由 此 可 见，用铸轧带坯轧制的板材成形加工零部件有市场竞争力，前景广阔。1.3 研究内容半 固 态 镁 合 金 连 续 铸 轧 是 一 种 全 新 的 近 终 型 金 属 成 形 技 术 ， 可 用 来 提 高 镁 合金 的 性 能 。 但 目 前 镁 合 金 铸 轧 自 动 化 程 度 相 对 低 、 速 度 控 制 特 性 差 。 本 文 针 对 这 个问 题 ， 通 过 对 可 控 硅 调 速 系 统 的 改 进 ， 以 实 现 铸 轧 速 度 的 无 级 调 速 。 本 设 计 中， 被 控 对 象 为 稀 土 永 磁 型 直 流 电 机 200LYX04 (其主要参数：峰值堵转转矩 .， 峰 值 堵 转 电 流 . ， 峰 值 堵 转 电 压 60V， 最 大 空 载 转 速 110 转 分 。 )，通 过 新 型 单 片 机 80C552 单 片 机 的 使 用 ， 采 用 PWM 方 式 控 制 与 调 节 直 流 电 机调 速 的 方 法 ， 实 现 了 电 机 的 无 极 调 速 。 PWM 控 制 技 术 以 其 控 制 简 单 、 灵 活 和 动 态 响应 好 的 优 点 而 成 为 电 力 电 子 技 术 最 广 泛 应 用 的 控 制 方 式 ， 也 是 人 们 研 究 的 热 点 。 由 于当 今 科 学 技 术 的 发 展 已 经 没 有 了 学 科 之 间 的 界 限 ， 结 合 现 代 控 制 理 论 思 想 或 实 现 无谐 振 软 开 关 技 术 将 会 成 为 PWM 控 制 技 术 发 展 的 主 要 方 向 之 一 。 本 文 就 是 利 用 这 种控 制 方 式 来 改 变 电 压 的 占 空 比 实 现 直 流 电 机 速 度 的 控 制 。 通 过 使 用 80C552 的 PWM 信号 发 生 系 统 ， 然 后 通 过 放 大 来 驱 动 电 机 。 利 用 光 电 码 盘 与 单 片 机 的 3 个 定 时 器 对电 机 精 确 测 速 ， 反 馈 给 单 片 机 ， 在 内 部 进 行 PI 运 算 ， 输 出 控5制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。62 直流电机调速系统设计2.1 直流电机的调速方案通过电机学基本理论可得直流电动机转速的基本特性方程式为n U IRKe（21）式中：U电枢端电压；I电枢电流；R电枢电路总电阻； 每极磁通量。由上式可见，直流电动机调速的一般方法有以下三种。第 一 种 电 枢 回 路 串 电 阻 调 速 。 由 式 2-1 可 知 ， 如 果 保 持 电 源 电 压 和 励 磁 电 压不 变 ， 在 电 枢 回 路 中 串 入 不 同 阻 值 大 小 的 电 阻 ， 则 特 性 曲 线 的 斜 率 也 随 之 改 变 ， 因此 ， 通 过 改 变 电 枢 回 路 的 电 阻 可 使 电 动 机 运 行 在 不 同 的 转 速 ， 达 到 调 速 目 的 ， 其 原 理 如 图 2-1 所 示 。第二种弱磁调速。所能达到的最高转速受换向能力、电枢机械强度和稳定性等 因 素 的 限 制 ， 转 速 不 能 升 得 高 。 本 系 统 所 用 电 机 为 永 磁 电 机 ， 磁 通 不 可 该 变 ， 因此这种方法也是不适合的。图 2-1 变电阻调速特性图 2-2 弱磁调速特性第 三 种 是 调 压 调 速 。 调 压 调 速 的 原 理 为 在 保 持 励 磁 电 压 与 电 枢 电 阻 不 变 的 情况 下 ， 通 过 改 变 电 机 的 电 枢 电 压 ， 可 使 电 动 机 运 行 在 不 同 的 转 速 上 。 其 原 理 如 图723 所 示 ， 由 式 21 可 知 ， 调 压 调 速 的 方 法 不 会 改 变 电 机 的 机 械 特 性 硬 度 且 能 够实 现 无 极 调 速 ， 在 低 速 运 行 时 电 机 转 速 受 负 载 波 动 的 影 响 较 小 ， 精 度 较 高 ， 与 电 枢回 路 串 电 阻 的 方 法 相 比 ， 由 于 没 有 附 加 电 阻 损 耗 ， 因 此 提 高 了 电 机 的 运 行 效 率 ， 改 变电 机 电 压 调 速 时 ， 出 于 对 电 机 安 全 性 的 考 虑 ， 电 枢 电 压 一 般 不 超 过 电 机 的 额 定 电 压 ，所 以 ， 调 压 调 速 只 能 在 基 速 (额 定 转 速 )以 下 调 速 。 基 于 以 上 优 点 ， 调压调速的方法被广泛采用 4。图 23 调压调速特性2.2 直 流 电 机 PWM 调 速 原 理调 压 调 速 的 方 法 比 较 常 用 有 两 种 ， 一 种 是 采 用 可 控 硅 变 流 设 备 ， 将 交 流 电 变为 可 调 的 直 流 电 ， 另 一 种 常 见 的 方 法 是 PWM（脉冲宽度调制） 技 术 ， 脉 宽 调 速 系统在过去早已出现，但过去由于缺乏高速开关元件而未能在生产实际中推广应用 。 近 年 来 由 于 大 功 率 晶 体 管 技 术 的 成 熟 与 成 本 的 不 断 下 降 ， 晶 体 管 脉 宽 调 速 系 统再次的得到重视，并在实际生产中得到了广泛的应用。如 图 24 所 示 ， 将 直 流 电 机 置 于 以 一 个 晶 体 管 作 为 开 关 的 电 路 中 ， 电 机 两 端的 电 压 为 电 机 的 额 定 电 压 ， 晶 体 管 受 单 片 机 的 控 制 ， 当 单 片 机 输 出 高 电 平 时 使 晶 体 管导 通 ， 低 电 平 使 晶 体 管 截 止 ， 所 以 晶 体 管 在 这 里 便 作 为 开 关 的 作 用 ， 控 制 开 关 导 通 与关 断 的 时 间 ， 可 改 变 电 机 两 端 在 一 个 周 期 内 的 平 均 电 压 ， 而 当 开 关 切 换 的 频 率 足 够 快时 ， 在 电 机 两 端 加 的 脉 冲 电 压 与 在 电 机 两 端 加 一 定 大 小 直 流 电 压 的 作 用 相 同 ， 且 其 大小 等 于 脉 冲 电 压 在 一 个 周 期 内 的 平 均 值 ， 所 以 电 机 两 端 的 电 压 可 通 过 调 节 单 片 机 输 出的 脉 冲 的 占 空 比 来 实 现 。 这 就 是 脉 宽 调 速 的 基 本 原 理 。通常改变占空比的方法有3种：第 一 种 为 定 宽 调 频 法 ， 这 种 方 法 是 保 持 导 通 时 间 不 变 ， 只 改 变 关 断 时 间 ， 这样可使脉冲的占空比改变，但同时也改变了脉冲的周期T（或频率） ；第二种是调宽调频法，即保持关断的时间不变，而改变开关导通的时间，这8种方法也会使脉冲的周期T（或频率）改变；第三种是定频调宽法，这种方法是使脉冲的周期T（或频率）保持不变，而同时改变开关导通与关断的时间。前 两 种 方 法 都 需 改 变 脉 冲 的 周 期 ， 在 实 际 应 用 中 计 算 与 调 节 比 较 复 杂 ， 三 种方 法 中 只 有 第 三 种 保 持 了 周 期 不 变 ， 在 计 算 与 单 片 机 的 编 程 中 较 为 简 单 ， 因 此 广泛被使用。Q1 UsMotor Servo图2-4 PWM控制示意图在 定 频 调 宽 法 中 ， 若 电 动 机 两 端 得 到 的 电 压 波 形 如 图 2-5 所 示 ， 则 电 机 电 枢 电 压平均值可由下式表示：式 中 ： tonUav ton / T Us Us 开关每次接通的时间；（22）T开关通断的时间周期 ； 占空比 ， ton / T 。2.3PWM 脉 冲 产 生 方 式图 2-5 PWM 控制波形图PWM 脉冲波的产生方法有四种：最早期的 PWM 脉冲波是通过使用独立的电子元件根据实际需求自行组建 PWM9脉 冲 发 射 电 路 ， 这 种 方 法 实 施 起 来 极 为 不 便 ， 成 本 也 较 高 ， 这 种 方 法 已 随 着 电 子技术的发展被淘汰。第 二 种 是 软 件 模 拟 法 ， 利 用 单 片 机 的 一 个 I/O 引 脚 ， 通 过 编 程 对 该 引 脚 不 断地 输 出 高 低 电 平 来 实 现 P W M 波 输 出 。 单 片 机 在 输 出 高 低 电 平 时 ， 需 等 待 很 长 的时 间 ， 在 此 期 间 ， CPU 无 法 进 行 其 它 的 工 作 ， 而 且 精 度 不 高 ， 若 要 实 现 较 高 的 精度，则编程的过程会极为复杂，因此也逐渐被淘汰。第 三 种 是 通 过 专 用 PWM 集 成 芯 片 来 实 现 的 。 该 芯 片 有 一 PWM 脉 冲 输 出 口 和 一个 电 压 输 入 端 ， 芯 片 根 据 输 入 电 压 的 大 小 改 变 输 出 脉 冲 的 占 空 比 ， 所 以 可 用 单 片 机的 I/O 输 出 一 个 数 ， 通 过 AD 转 换 成 电 压 信 号 加 到 PWM 芯 片 上 的 电 压 输 入 端 ， 即 可 实 现 单 片 机 对 脉 冲 占 空 比 的 控 制 。 这 些 芯 片 带 有 有 过 流 过 压 保 护 功 能 和 “死区 ”调 节 功 能 等 ， 通 过 使 用 PWM 集 成 芯 片 ， 可 减 轻 单 片 机 的 工 作 量 ， 但 其 脉 冲 占空 比 的 精 度 受 AD 转 换 精 度 的 影 响 。 目 前 ， 现 在 市 场 上 的 PWM 芯 片 已 经 有 很 多 种型 号 ， 如 东 芝 公 司 的 2SK3131 芯 片 和 TI 公 司 的 TL494 芯 片 等 。第 四 种 是 通 过 单 片 机 的 PWM 口 输 出 脉 冲 波 ， 在 许 多 新 一 代 的 许 多 单 片 机 中 增加 PWM 功 能 ， 它 通 过 单 片 机 的 一 个 端 口 输 出 脉 冲 波 。 如 飞 利 浦 公 司 生 产 的 8XC552 系列 单 片 机 与 Inter 公 司 的 16 位 单 片 机 8XC196 等 。 通 常 可 通 过 改 变 单 片 机 内 部 相应 的 寄 存 器 值 来 改 变 脉 冲 信 号 的 频 率 与 占 空 比 ， 其 输 出 的 PWM 波 的 占 空 比 不 受 内 部执 行 程 序 的 影 响 ， 只 有 在 改 变 占 空 比 时 ， CPU 才 会 对 波 形 作 出 相 应 的 调 整 ， 因此占空比的输出精度较高，且编程也较为简单。2.3 速度调解方案由 于 铸 轧 系 统 需 无 极 调 速 ， 且 精 度 要 求 较 高 ， 经 过 多 方 面 的 考 虑 采 用 了 速 度闭 环 PID 调 节 ， PID 调 节 是 最 早 发 展 起 来 的 控 制 方 法 策 略 ， 由 于 其 算 法 简 单 、 鲁棒 性 好 并 且 可 靠 性 高 。 被 广 泛 运 用 于 工 业 控 制 系 统 。 下 面 介 绍 PID 控 制 的 基 本 原理 、 数 字 PID 控 制 算 法 及 在 本 系 统 中 的 应 用 。2.3.1 模 拟 PID 调节器控制规律是模拟控制系统中应用最为广泛的一种在模拟控制系统中， 最 基 本 的 PID 控 制 系 统 原 理 图 如 图 所 示 ， 系 统 由 模 拟 PID 控 制 器 和 被 控 对 象 组 成 。10图 2-6 PID 控制系统原理图由 图 可 知 系 统 的 控 制 量 由 偏 差 值 的 比 例 、 微 分 与 积 分 的 和 ， 其 中 偏 差 值 e (t) 是 被 控 对 象 的 入 输 值 或 设 定 值 r (t)与 检 测 到 的 输 出 值 c(t)之差，即e(t) r(t) c(t) (23)所 谓 控 制 器 的 控 制 规 律 就 是 输 入 e 与 输 出 P 之 间 的 关 系 ， 在 PID 控 制 规 律 中 ， 则表示为U (t) 1 t de(t) K p e(t) T 0 e(t)dt Td dt (24)i 式中：e(t) 控制偏差； Kp 比例系数；Ti 积分时间常数； Td 微分时间常数。PID 各 控 制 矫 正 环 节 的 原 理 如 下 ： 1 比例环节当 存 在 偏 差 信 号 时 ， 比 例 控 制 器 便 会 以 一 定 的 比 例 产 生 控 制 量 ， 其 极 性 与 偏差 信 号 相 同 ， 加 到 被 控 制 对 象 上 ， 使 偏 差 减 小 。 比 例 系 数 Kp 越 大 ， 比 例 控 制 越强 ， 响 应 速 度 也 越 快 ， 系 统 的 稳 态 误 差 随 Kp 的 增 大 而 减 小 ， 超 调 量 随 Kp 增 大 而增大，Kp 过 大 会 使 系 统 产 生 震 荡 。2 积分环节比 例 环 节 可 减 少 误 差 ， 但 却 不 可 消 除 ， 于 是 便 引 入 了 积 分 环 节 ， 由 上 式 可 知 ， 当 存 在 偏 差 信 号 时 ， 积 分 项 便 会 随 着 时 间 的 增 加 不 断 累 积 ， 直 至 消 除 误 差 。 其 控 制的 强 弱 由 积 分 时 间 常 数 Ti 决 定 ， Ti 的 增 大 可 缩 短 系 统 的 调 整 时 间 ， 但 Ti 过 大 同样 会 使 系 统 产 生 震 荡 。3 微分环节微分环节是偏差信号的导数，反映了偏差信号的变化趋势，若系统稳定运行11时 ， 有 干 扰 信 号 加 到 被 控 对 象 ， 微 分 环 节 便 会 产 生 一 个 预 期 的 修 正 信 号 ， 使 系 统 的偏 差 不 至 于 过 大 ， 所 以 微 分 项 其 中 的 一 个 作 用 就 是 提 高 系 统 的 稳 定 性 ， 还 可 减 小系 统 的 调 整 时 间 ， 其 控 制 强 弱 由 微 分 系 数 Td 决 定 5。因 此 ， 在 实 际 应 用 中 应 根 据 实 际 需 求 合 理 设 置 相 应 的 参 数 ， 才 能 使 PID 控 制得到满意的效果。2.3.2 数 字 PID 控制器上 述 PID 控 制 规 律 仅 适 用 于 模 拟 系 统 ， 为 使 单 片 机 实 现 单 片 机 的 PID 控 制 ， 需 将 上 式 离 散 化 ， 写 成 差 分 方 程 的 形 式 ， 设 单 片 机 的 采 样 周 期 为 T，n 代 表 采 样次 数 ， 则 连 续 的 时 间 t 可 由 nT 代 替 ， 再 以 偏 差 的 累 积 和 代 替 微 分 ， 以 相 邻 两 次 偏差 在 的 增 量 一 个 采 样 周 期 内 的 平 均 值 代 替 微 分 ， 即U (t) U (k)e(t) e(k)t k0 e(t)dt Te ( j)j 0de(t) e(k) e(k 1)（25）dt T式中：T采样周期；K采样序号。通 过 以 上 近 似 ， 可 得 到 最 基 本 数 字 PID 控 制 算 法 ， 即 位 置 式 PID 算 法 ， 其 精度 随 采 样 周 期 T 的 减 小 而 提 高 ， 其 控 制 规 律 为U (k ) T ke(k ) e(k 1) K p e(k ) T e( j) Td T 式中： k采样序号；i j 0 （26）u（k）第 k 次 采 样 时 刻 系 统 的 输 出 值 ； e（k）第 k 次 采 样 的 偏 差 值 ；e（k-1）第 k-1 次 采 样 的 偏 差 值 ； Ki积分系数，Ki=Kp/Ti；Kd微分系数，Kd=Kp/Td。位 置 式 PID 算 法 为 最 基 本 的 一 种 PID 算 法 ， 在 实 际 的 应 用 中 它 存 在 一 定 的 局 限 性 。根 据 实 际 的 需 求 ， 有 很 多 种 PID 算 法 在 此 基 础 上 做 了 相 应 改 进 ， 如 增 量 式 、 积 分 分离 式 、 微 分 先 行 式 等 PID 算 法 ， 这 里 就 不 再 赘 述 。122.4 测速原理本 系 统 的 调 速 方 法 为 速 度 闭 环 PID 调 节 所 以 需 对 电 机 的 速 度 进 行 测 量 ， 并 送入 单 片 机 中 进 行 计 算 ， 一 般 的 测 速 方 法 有 测 速 发 电 机 测 速 法 与 光 电 码 盘 测 速 法 。2.4.1 测速发电机测速测 速 发 电 机 是 输 出 电 动 势 与 转 速 成 比 例 的 微 特 电 机 。 通 过 对 测 速 发 电 机 的 绕组 和 磁 路 进 行 精 确 设 计 ， 可 使 其 输 出 电 压 U 和 转 速 n 成 比 例 关 系 ， 即 U=Kn,其 中K 是 为 常 数 。 当 电 机 旋 转 方 向 改 变 时 其 输 出 电 压 的 极 性 也 随 之 改 变 。 在 检 测 时 需 将被 测 电 机 与 测 速 发 电 机 同 轴 联 接 ， 通 过 检 测 出 其 输 出 电 压 的 大 小 ， 即 可 根 据 关 系式推导出电机的转速，故测速发电机又称速度传感器。图 27 直流脉宽调速系统结构图传 统 的 直 流 脉 宽 调 速 控 制 系 统 如 图 1 所 示 ， 其 控 制 精 度 较 低 。 该 系 统 中 以 测速 发 电 机 作 为 测 速 传 感 器 ， 而 以 测 速 发 电 机 作 为 测 速 传 感 器 时 ， 测 速 的 精 度 并 不 高 ，其 原 因 是 在 实 际 检 测 过 程 中 电 机 需 与 伺 服 电 机 同 轴 连 接 ， 伺 服 电 机 在 运 行 过 程 中 温度 会 升 高 ， 使 得 测 速 发 电 机 的 温 度 也 随 之 升 高 ， 测 速 发 电 机 中 的 比 例 系 数 K 并 不 是恒 定 不 变 的 ， 当 测 速 发 电 机 的 温 度 升 高 时 ， 比 例 系 数 K 会 减 小 ， 因 此 ， 在 检 测 时 ，检 测 到 的 电 压 也 随 之 降 低 ， 从 而 给 系 统 带 来 了 误 差 ， 这 种 误 差 是 调 速 系 统 无 法 消 除的 。 并 且 相 对 误 差 随 电 机 速 度 的 下 降 而 增 大 。2.4.2 光电码盘测速光 电 码 盘 的 测 速 原 理 如 图 所 示 ， 在 电 机 上 安 装 一 个 周 围 开 有 等 距 离 小 孔 的 码盘 ， 并 在 码 盘 两 侧 安 装 红 外 光 电 传 感 器 ， 在 电 机 运 行 过 程 中 ， 由 于 电 机 与 码 盘 同 轴连 接 ， 码 盘 会 与 电 机 一 起 转 动 ， 且 转 速 相 等 ， 当 码 盘 挡 在 红 外 光 电 发 光 二 极 管 和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器因检测不到光信号将会输出一个低电平 ， 而当 码 盘 的 圆 孔 经 过 传 感 器 时 ， 并 不 能 挡 住 传 感 器 的 接 受 到 光 信 号 ， 因 此 ， 输 出一 个 高 电 平 ， 因 此 当 电 机 旋 转 一 周 时 ， 传 感 器 便 会 发 出 与 码 盘 上 圆 孔 数 相 等 的 脉 冲波 ， 因 此 ， 若 在 一 点 时 间 内 的 转 数 t 内 所 接 收 到 的 脉 冲 个 数 为 m， 码 盘 上13孔的数量为 P，则电机的平均转数为：N=60m/pt (r/min)图 28 脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）最 初 的 光 电 码 盘 是 选 用 金 属 作 为 材 料 ， 然 后 在 材 料 上 开 通 孔 使 码 盘 能 够 工 作 ，其 优 点 之 一 就 是 金 属 材 料 的 强 度 高 ， 使 用 寿 命 长 ， 但 金 属 的 热 稳 定 性 比 较 差 ， 由于码盘厚度较厚，所以低速测量时精度较低，为了克服金属码盘的这些缺点， 选 用了 热 稳 定 性 较 高 的 玻 璃 作 为 光 电 码 盘 的 材 料 ， 为 了 克 服 厚 度 带 来 的 误 差 ， 玻 璃 码盘 以 刻 线 代 替 开 通 孔 ， 在 精 度 上 有 了 很 大 的 提 高 ， 但 一 般 玻 璃 易 碎 ， 强 度 不 如 金 属 ，有 时 为 了 节 约 成 本 也 有 选 用 价 格 较 低 的 塑 料 作 为 材 料 。光电码盘最主要的一个指标就是分辨率，它表示编码器每旋转一周所产生的脉冲个数，也称为解析度，或直接撑多少线，分辨率越高，测速精度也就越高， 对系统的电路的及计数系统的要求也越高。综 上 所 述 ， 在 单 片 机 控 制 电 机 系 统 中 ， 以 光 电 码 盘 代 替 传 统 的 测 速 发 电 机 ， 消 除 了 测 速 时 由 于 温 度 变 化 带 来 的 误 差 ， 同 时 也 使 得 测 速 环 节 信 号 的 处 理 变 得 简单 ， 它 以 计 数 的 方 式 取 代 了 传 统 的 AD 转 换 ， 同 时 也 消 除 了 由 于 AD 转 换 精 度 不 高带 来 的 误 差 。一般认为光电码盘测速的方法有以下三种：M 法 也 称 为 测 频 法 ， 在 规 定 时 间 内 测 量 光 电 码 盘 产 生 的 脉 冲 数 ， 通 过 计 算 得出速度。这种方法在电机转速较高时精度较高 ，所以常应用于高速测量 。T 法 也 称 为 测 周 法 ， 测 量 相 邻 两 个 脉 冲 的 时 间 间 隔 ， 通 过 计 算 的 出 速 度 ， 这 种方法在低速测量时精度较高，因此常用于低速测量。在 实 际 的 测 速 中 ， 若 检 测 对 象 同 时 存 在 高 速 与 低 速 运 行 ， 单 独 采 用 上 述 方 法 中的 一 种 时 ， 在 速 度 较 高 或 较 低 时 误 差 会 较 大 ， 这 时 可 使 用 上 述 两 种 方 法 相 结 合 ，14即 在 设 定 的 时 间 内 同 时 测 量 一 个 高 频 时 钟 脉 冲 与 光 电 脉 冲 的 个 数 ， 通 过 计 算 可 得电 机 的 转 速 ， 这 就 是 M/T 法 6。153 硬件系统及特点3.1 硬件系统简介为 使 系 统 达 到 设 计 的 任 务 和 要 求 ， 设 计 的 调 速 系 统 框 图 如 图 3， 本 系 统 选 用的 单 片 机 为 80C552， 由 于 80C552 内 部 无 程 序 存 储 器 ， 选 用 2764 芯 片 作 为 单 片机 的 程 序 存 储 器 ， 电 机 转 速 由 给 定 电 位 器 给 定 一 定 电 压 通 过 单 片 机 内 部 的 A/D 转 换 后 设 定 电 机 速 度 ， 将 检 测 到 的 电 机 转 速 实 际 值 与 给 定 值 进 行 比 较 ， 分 析 电 机 转速 偏 差 的 大 小 与 变 化 的 情 况 改 变 PWM0 脉 冲 宽 度 寄 存 器 的 值 ， 从 而 改 变 单 片 机 输 出的 PWM 脉 冲 的 占 空 比 ， 对 电 机 的 速 度 进 行 有 效 调 节 ， 使 得 电 机 的 实 际 转 速 与 给 定 转速 相 等 。 并 通 过 并 行 I/O 口 扩 展 芯 片 8255 与 7 段 一 码 驱 动 芯 片 74LS47 的 联 合使 用 ， 以 静 态 显 示 的 方 式 驱 动 LED 数 码 管 ， 实 时 显 示 电 机 的 测 量 转 速 。 为 了 控 制 系统 的 稳 态 误 差 、 超 调 量 以 及 调 整 时 间 等 ， 电 机 的 调 速 方 案 采 用 PID 调 节 。 另 外 ， 用 电流 传 感 器 检 测 驱 动 电 路 中 的 电 流 ， 通 过 A/D 转 换 送 入 单 片 机 中 ， 实 时 监 测 电 机 电 流 ，防 止 电 流 过 大 损 坏 PWM 功 率 放 大 器 。图 31 数字式 PWM 调速系统电路图3.2 脉宽调制器80C552 的 一 大 特 点 就 是 片 内 带 有 有 两 路 PWM， 其 结 构 如 图 所 示 ， 其 输 出 脉 冲的 占 空 比 可 由 脉 冲 宽 度 寄 存 器 PWM0 和 PWM1 编 程 实 时 改 变 ， 输 出 脉 冲 的 重 复 频 率fPWM 由 特 殊 功 能 寄 存 器 PWMP 确 定 ：fPWM = fosc / 2×(1+PWMP)×255fosc 为 单 片 机 的 振 荡 器 频 率 ， 脉 冲 的 低 电 平 宽 度 取 决 于 脉 冲 宽 度 寄 存 器 的 值 ， 即输 出 低 电 平 时 间 /高 电 平 时 间 =PWM/（ 255-PWM） 。在本系统中，PWMP 的 值 为 2，16即 PWM 的频率为 7.8KHz。图 32 80C552 的 PWM 结构3.3 改 进 型 M/T 法 测 速由 于 铸 轧 速 度 需 要 无 级 调 速 ， 故 需 使 用 M/T 法 。 M/T 法 已 在 第 二 章 中 作 了 介绍 。 若 光 电 码 盘 转 速 脉 冲 的 个 数 为 mn， 高 频 时 钟 脉 冲 的 个 数 mc。 则 依 据 光 电 码 盘测速原理，电机的速度为n=60fn/P=60mn/(P×Tn)=(60/P)×mn/(mc/fc)=60fcmn/(Pmc) 式中：f c高频脉冲的频率；P光电码盘转的分辨率； Tn光电脉冲计数时间； T时钟脉冲的计数时间。这 种 方 法 ， 使 用 比 较 简 单 ，