直流電機PWM調速系統設計
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[摘要] PWM(Pulse Width Modulation)控制就是指保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調節開(kāi)關(guān)導通時(shí)間T 對脈沖的寬度進(jìn)行調制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)在晶閘管時(shí)代就已經(jīng)產(chǎn)生，但是最初為了使晶閘管通斷要付出很大的代價(jià)，因而難以得到廣泛應用。以IGBT、功率MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善，給PWM控制技術(shù)提供了強大的物質(zhì)基礎，推動(dòng)這項技術(shù)的迅猛發(fā)展。對于直流電機，采用PWM控制技術(shù)構成的無(wú)級調速系統，起停時(shí)對直流系統無(wú)沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運行穩定的特點(diǎn)。
[關(guān)鍵詞] 直流電機PWM調速系統
直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內平滑調速等特點(diǎn)而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門(mén)中得到廣泛應用。直流電動(dòng)機轉速的控制方法可分為兩類(lèi)，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結構強度的限制;而且由于勵磁線(xiàn)圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調速的電樞電壓控制法。調節電阻R即可改變端電壓，達到調速目的。但這種傳統的調壓調速方法效率低。
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調制)是常用的一種調速方法。其基本原理是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開(kāi)的時(shí)間比(占空比)來(lái)控制馬達的速度，在脈寬調速系統中，當電機通電時(shí)，其速度增加;電機斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機的速度達到并保持一穩定值。最近幾年來(lái)，隨著(zhù)微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展及單片機的廣泛應用，使調速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。
一、PWM信號發(fā)生電路設計
PWM信號發(fā)生器是由單片機和PWM脈沖發(fā)生電路兩部分組成，其原理如圖所示。PWM脈沖可由具有PWM輸出口的單片機(如80C552，80C198等)通過(guò)編程產(chǎn)生，或者由單片機外擴8253來(lái)構成脈寬調制器，還可以采用PWM專(zhuān)用芯片。在實(shí)踐中我們采用通用集成電路4585和4040設計了一種專(zhuān)用的PWM的脈沖發(fā)生電路。當l2位二進(jìn)制串行計數器u4(404o)的RST引腳為“1”高電平)時(shí)，Q2-Q9均為“0”(低電平)。當RST為“0”時(shí)，CLK引腳每來(lái)一個(gè)脈沖，計數器加l。當系統晶振頻率為12MHz時(shí)，Q2-Q9由全“0”變?yōu)槿?ldquo;l”的時(shí)間為42.5μs。2片4位數值比較器U2，U3(4585)串聯(lián)組成8位數值比較器，其A組輸入端接U4的Q2-Q9，B組輸入端由U1的P1口送入預置數N。當A組輸入小于B組輸入時(shí)，U2的l3腳輸出低電平，否則U2的l3腳輸出高電平，這樣在U2的l3腳就產(chǎn)生了脈沖信號，其占空比為(256-N)/256，周期為42.5μs。這里U1選擇美國ATMAL公司的AT89C2051，其芯片結構和指令系統與5l系列單片機兼容，內部有2KB閃速存儲器，無(wú)需外擴EPROM，而且僅有20條引腳，管腳排列參見(jiàn)圖。該芯片市場(chǎng)價(jià)格便宜，具有良好的性能價(jià)格比，特別適用于小型經(jīng)濟型控制器。在本系統中，由U1的Pl口向8位數值比較器U2和U3傳送預置數N，改變N就可以改變PWM脈的占空比。
二、直流電機速度閉環(huán)控制軟件實(shí)現方法
u1的P3.3，P3.4分別接升速按鈕s1和降速按鈕s2。當s1鍵按下時(shí)，將送到P1口的預置數N減1以增大PWM信號的占空比;當s2按下時(shí)，將N加1以減小PWM信號的占空比。
在進(jìn)行軟件編程時(shí)應加入鍵盤(pán)去抖、速度限幅等處理程序。系統采用計時(shí)法測量電機轉速。電機的輸出軸裝有測速盤(pán)，其上沿圓周方向均布32個(gè)孔，采用透射式光電傳感器，其輸出信號經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后輸入2051的P3-2口。每當轉至小孔處，光電傳感器接收到信號，引起2051外部中斷。2051的定時(shí)器T1設定為16位定時(shí)器方式，初始化TH1，TL1為#00H。在外部中斷程序中啟動(dòng)定時(shí)器T1，然后中斷返回。當下一個(gè)外部中斷到來(lái)時(shí)，讀取TH1，TL1的值，即兩孔間電機運行時(shí)間t。依據系統的機械結構尺寸，通過(guò)計算得出電機各檔速度下的T值，組成速度一時(shí)間表。當電機處于某檔速度時(shí)，測量所得到的t值，如比較從速度一時(shí)間表中查出的T值大，則說(shuō)明電機速度比設定的低，此時(shí)可通過(guò)增大PWM脈沖的占空比提高電機的轉速，反之，則通過(guò)減小PWM脈沖的占空比提高電機的轉速。這樣通過(guò)軟件編程，就實(shí)現了直流電機的速度閉環(huán)控制。實(shí)踐中，應采用數字濾波去除抖動(dòng)或外部干擾的影響。
三、結論
本系統控制原理成熟可靠，運行穩定。該系統是基于現代電力電子技術(shù)，采用PWM控制技術(shù)構成的無(wú)級調速系統，啟停時(shí)對直流系統無(wú)沖擊。工作安全可靠、維護量小，從而確保了系統的安全運行。
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