直流電機調(diào)速系統(tǒng)的研究和設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 RM Cortex?M3 先進內(nèi)核的高性能的 Cortex?M3 開發(fā)板。EasyARM1138 的核心 MCU 是美國 Luminary Micro 公司的Stellaris174。（群星）系列 ARM 之 LM3S1138。具有如下功能特點：1）強大的 MCU 內(nèi)核：32 位 ARM Cortex?M3 內(nèi)核（ARM v7M 架構(gòu)） ；兼容 Thumb 的 Thumb2 指令集，提高代碼密度 25%以上；50MHz 運行頻率， DMIPS/MHz，加快 35%以上；單周期乘法指令，2～12 周期硬件除法指令；快速可嵌套中斷，6～12 個時鐘周期；具有 MPU 保護設(shè)定訪問規(guī)則； 64KB 單周期 Flash, 16KB 單周期 SRAM；內(nèi)置可編程的 LDO 輸出 ～，步進50mV；持非對齊數(shù)據(jù)的訪問，有效地壓縮數(shù)據(jù)到內(nèi)存；支持位操作，最大限度使用內(nèi)存，并提供創(chuàng)新的外設(shè)控制；內(nèi)置系統(tǒng)節(jié)拍定時器（SysTick ） ，方便操作系統(tǒng)移植。2）豐富的外設(shè)資源：7 組 GPIO，可配置為輸入、輸出、開漏、弱上拉等模式；4 個 32 位 Timer，每個都可拆分為 2 個獨立的 16 位子定時器，具有定時、捕獲、PWM、RTC 等豐富功能；3 路全雙工 UART，位速率高達， 16 單元接收 FIFO；和發(fā)送 FIFO，支持串行紅外協(xié)議（IrDA SIR） ；2 路 I2C，支持 100kbps 標(biāo)準(zhǔn)模式、400kbps 快速模式；2 路 SSI，兼容 Freescale SPI、MICROWIRE 、Texas Instruments；串行通信協(xié)議，位速率高達25Mbps；6 路 16 位 PWM，通過 CCP 管腳能產(chǎn)生高達 25MHz 的方波；3 個模擬比較器；8 通道 10 位 ADC，采樣速率可達 1M/s，附帶溫度傳感器；內(nèi)置看門狗定時器（WatchDog Timer） ，確保芯片可靠運行。3）內(nèi)嵌 USB 接口的下載仿真器：僅需插入一根 USB 電纜就能實現(xiàn)“ 三合一”功能：5V 供電、程序下載與在線仿真、UART 串行通信，不再要求電腦具有串口或并口，無論臺式機還是筆記本電腦，只要擁有 USB 或 USB 接口就能運用自如。USB 接口提供虛擬 UART 的功能，不需要額外的接口電路 。4）開發(fā)軟件：IAR EmbeddedWorkbench for ARM 。 直流電機的概述 直流電機的特點和分類電機是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。電機的種類繁多，如果按電源類型分，可分為直流電機和交流電機兩大類。常見的直流電機包括有刷電機、無刷電機、步進電機等。直流有刷電機是所有電機的基礎(chǔ)，它具有啟動快、制動及時、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對簡單等特點。本設(shè)計采用的是有刷直流電機。直流電機的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。 有刷直流電機（BDC）的工作原理BDC 電機的基本構(gòu)造的組件包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器。定子和轉(zhuǎn)子磁場相互作用驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。有刷直流電機的類型根據(jù)電機定子或外殼中磁場的產(chǎn)生方式來劃分。根據(jù)有刷直流電機的類型，定子磁場可以由永磁鐵或定子中的繞組產(chǎn)生。對于后一種情況，定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組可以是并行、串行、或混合方式連接。這三種有刷直流電機分別稱為并激電動機、串激電動機和復(fù)激電動機。定子產(chǎn)生靜止磁場。這一靜止磁場圍繞在電樞（或稱轉(zhuǎn)子）的周圍。外加電源激發(fā)出電樞磁場。BDC 電機軸上還有兩個圓弧形的銅片，稱為換向片。電機轉(zhuǎn)動時，碳質(zhì)的電刷在換向器上滑動。這樣就可以產(chǎn)生一個與定子的靜止磁場相吸引的旋轉(zhuǎn)磁場。電樞和定子繞組中的電流由電池或其它直流電源供給（永磁 BDC 電機沒有定子繞組） 。電池（或直流電源）提供恒定的直流電壓。電壓幅度決定了電機的轉(zhuǎn)速，因此是電池或直流電源是一個線性激勵源。改變BDC 電機速度的最有效方式是采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。PWM 技術(shù)是以固定的頻率開關(guān)恒壓源。改變 PWM 信號的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機的速度。脈沖高低電平間的比例稱為 PWM 信號的占空比。直流電池電平的幅度等于 PWM信號的平均幅度。 直流電機的電器特性圖 11 為直流電機的等效電路圖。電源 Eb 給電機供電，產(chǎn)生電流 Ia。電機在運轉(zhuǎn)過程中等效于電阻 Ra 和反向電動勢 Ec 串接起來。其中 Ra 為電樞等效電阻；Ec 為電樞旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反向電動勢，它和轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越快，反向電動勢越大。根據(jù)圖 列出了如下公式：Eb = Ra ? Ia + Ec （11）上面已經(jīng)說過，反向電動勢和轉(zhuǎn)速成正比，具體關(guān)系為:Ec = Ce ?Φ?N （12）式中 Ce 是電動勢常數(shù)，Φ 是氣隙磁通，它們都是電機的固有常數(shù)。另外，電機的電流 Ia 和電機的輸出轉(zhuǎn)矩 T 成正比。具體關(guān)系為：T = CT ?Φ? Ia （13）式中 CT 是電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)，它是電機的固有常數(shù)。把上面三式合拼并整理得到：N = K1?Eb ? K2 ?Ra ?T （14）式中 K1 和 K2 是比例系數(shù)。電源電壓越高，轉(zhuǎn)速越高。當(dāng)轉(zhuǎn)矩為零時直線與縱軸的交點為某一電源電壓下的最大轉(zhuǎn)速，即空載時的轉(zhuǎn)速；當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時，直線與橫軸的交點為某一電源電壓下的最大轉(zhuǎn)矩，即電機啟動瞬間的轉(zhuǎn)矩。圖 11 直流電機的電路等效圖 PWM 技術(shù)簡介在直流電機系統(tǒng)中，開關(guān)放大器提供驅(qū)動電機所需要的電壓和電流，通過改變加在電動機上的電壓的平均值來控制電機的運轉(zhuǎn)。在開關(guān)放大器中，常采用晶體管作為開關(guān)器件，晶體管如同開關(guān)一樣，總是處在接通和斷開的狀態(tài)。在晶體管處在接通時，其上的壓降可以略去；當(dāng)晶體管處在斷開時，其上壓降很大，但是電流為零，所以不論晶體管接通還是斷開，輸出晶體管中的功耗都是很小的。一種比較簡單的開關(guān)放大器是按照一個固定的頻率去接通和斷開放大器，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”的相位寬窄，這樣的放大器被稱為脈沖調(diào)制放大器。PWM(Pulse Width Modulation)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)的技術(shù)。根據(jù) PWM 控制技術(shù)的特點，到目前為止主要有八類方法：相電壓控制PWM、線電壓控制 PWM、電流控制 PWM、空間電壓矢量控制 PWM、矢量控制 PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制 PWM、非線性控制 PWM、諧振軟開關(guān) PWM。本文研究的等脈寬 PWM 法屬于相電壓控制 PWM。等脈寬 PWM 法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來實現(xiàn)的。其逆變器部分只能輸 PWM 法正是為了克服 PAM 法的這個缺點發(fā)展而來的，是 PWM 法中最為簡單的一種。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為 PWM 波,通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓。采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。相對于PAM 法，該方法的優(yōu)點是簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)。但同時也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。采用直流脈寬調(diào)制的調(diào)速系統(tǒng)，在許多方面有較大的優(yōu)點：①主電路線路簡單，需要的功率元件少；②開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較小；③低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；④系統(tǒng)快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強；⑤主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；⑥直流電源采用不可控三相整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高。 直流電機的應(yīng)用直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能和啟動性能,具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載；能滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運行的要求。而直流發(fā)電機則能提供無脈動的大功率直流電源，且輸出電壓可以精確地調(diào)節(jié)和控制。由于直流電動機具有良好的啟動和調(diào)速性能，常應(yīng)用于對啟動和調(diào)速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機、礦井卷揚機、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機車、內(nèi)燃機車、城市電車、地鐵列車、電動自行車、造紙和印刷機械、船舶機械、大型精密機床和大型起重機等生產(chǎn)機械中。運動控制系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備──電機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子器件及功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)運動控制的運動要求。控制技術(shù)的發(fā)展是通過電機實現(xiàn)系統(tǒng)的要求，電機的進步帶來了對驅(qū)動和控制的要求。電機的發(fā)展和控制、驅(qū)動技術(shù)的不斷成熟，使運動控制經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員在電子應(yīng)用初期就采用電磁控制電路，為電機、繼電器、螺線管和揚聲器提供激勵，但現(xiàn)今的運動控制技術(shù)則更加復(fù)雜，因為系統(tǒng)要求多個電機或制動器之間的協(xié)調(diào)實現(xiàn)精確運動。通常選用直流電機或步進電機作精密運動控制。2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計系統(tǒng)將 ARM1138 微控制器產(chǎn)生的兩個 PWM 脈沖通過 L298 電機驅(qū)動驅(qū)動芯片驅(qū)動兩個直流電機電機。通過 4 個按鍵，實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能。通過光電傳感器 ST150S 實現(xiàn)電機速度的測試，并采用 LCD1602顯示屏即時顯示控制電機的轉(zhuǎn)動速度的信息。通過軟件與硬件相結(jié)合的控制方法，實現(xiàn)了運用 ARM1138 對電機的速度和轉(zhuǎn)向控制，能夠較準(zhǔn)確的測出電機速度，變速范圍較廣。系統(tǒng)軟件編寫遵循模塊化設(shè)計的原則，代碼具有良好的易維護性和可移植性。本系統(tǒng)操作方便，可靠性高，其設(shè)計精度可以滿足一般工業(yè)控制的要求，能夠應(yīng)用到實際的生產(chǎn)生活中，能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，實現(xiàn)了對電機的良好控制。 系統(tǒng)分析 系統(tǒng)功能分析本設(shè)計主要旨在實現(xiàn)兩個直流電機速度的控制，使得機器設(shè)備能夠通過該系統(tǒng)與人之間進行人機交互的目的。基于以上目標(biāo)，本設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下功能：1)可通過按鍵控制兩個直流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。2)在一定時間內(nèi)驅(qū)動目標(biāo)序號電機到達設(shè)置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。3)采取一定策略保證電機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4)顯示直流電機速度 系統(tǒng)原理框架結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，本系統(tǒng)的主要功能模塊有：ARM 主控制模塊、直流電機驅(qū)動模塊、速度檢測模塊、鍵盤模塊、顯示模塊。ARM LM3S1138 是本系統(tǒng)的中樞，通過它產(chǎn)生的 PWM 脈沖信號送給 L298 驅(qū)動芯片驅(qū)動電機。鍵盤和顯示器是本系統(tǒng)的接口。圖 21 系統(tǒng)原理框架結(jié)構(gòu) 直流電機的 PWM 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計PWM 在雙電機調(diào)速中起著關(guān)鍵的作用,因此有必要對直流電機 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)進行分析，詳細介紹系統(tǒng)的工作原理及其實現(xiàn)方法。本文著重介紹利用ARM 和脈寬調(diào)制技術(shù)對直流電機進行調(diào)速控制實現(xiàn)的方法。 直流電機電樞的 PWM 調(diào)壓調(diào)速原理隨著計算機進入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制的 PWM 控制方式已成為主流。這種控制方式很容易在單片機控制中實現(xiàn)，從而為直流電動機控制數(shù)字化提供了契機。直流電動機轉(zhuǎn)速 n 的表達式為： UIRK???式中 U 為電樞端電壓，I 為電樞電流，R 為電樞電路總電阻， Φ 為每極磁通量，K 為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。由式可知，直流電機的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：對勵磁磁通進行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進行控制的電樞控制法。其中勵磁控制法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。現(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞控制法。本文介紹的方法就是在勵磁恒定不變的情況下，通過調(diào)節(jié)電樞電壓來實現(xiàn)直流電機調(diào)速。大多數(shù)直流電機的驅(qū)動采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 PWM 來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。圖 22 是利用開關(guān)管對直流電動機進行 PWM 調(diào)速控制的原理圖。當(dāng)開關(guān)管 D1的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓 US。t1 秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為 0。t2 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。這樣，對應(yīng)著輸入的電平高低，直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖 23 所示。圖 22 直流電機的電路等效圖圖 23 輸入輸出電壓波形電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值 Uo 為：其中，α 稱為占空比：占空比 α 表示了在一個周期 T 里開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。 α 的變化范圍為 0 ≤α≤1。由上式可知，當(dāng)電源電壓 US 不變的情況下，電樞的端電壓的平均值 Uo 取決于占空比 α 的大小，改變 α 值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，這就是 PWM 調(diào)速原理。 PWM 控制方法的選擇 在 PWM 調(diào)速中，占空比 α 是一個重要參數(shù)。在直流電機控制中，改變α 來實現(xiàn)調(diào)速主要方法是定頻調(diào)寬法：使周期 T(或頻率)保持不變，而同時改變 t1 和 t2。PWM 控制信號的產(chǎn)生方法有 4 種：(1)分立電子元件組成的 PWM 信號發(fā)生器這種方法是用分立的邏輯電子元件組成 PWM 信號電路。它是最早期的方式，現(xiàn)在已被淘汰了。(2)軟件模擬法利用單片機的一個 I/O 引腳，通過軟件對該引腳不斷地輸