用單片機(jī)控制直流電機(jī)
關(guān)鍵詞：調(diào)速；直流電動(dòng)機(jī)；PWM控制；PI控制器
1 直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)
1.1直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)原理。PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。它通過(guò)分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。
直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)有可逆和不可逆系統(tǒng)之分。可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)；不可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)只能單方向旋轉(zhuǎn)。對(duì)于可逆系統(tǒng)，又可分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種方式[1]。這里只研究雙極性驅(qū)動(dòng)。
1.2H型雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制原理?！癏”型是雙極性驅(qū)動(dòng)電路的一種，也稱為橋式電路。如圖1所示。其電路是由四個(gè)開(kāi)關(guān)管和四個(gè)續(xù)流二極管組成，單電源供電。四個(gè)開(kāi)關(guān)管分為兩組，V1和V4為一組，V2和V3為另一組。同一組的開(kāi)關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。
在每個(gè)PWM周期里，當(dāng)控制信號(hào)Vi1高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管V1和V4導(dǎo)通，此時(shí)Vi2為低電平，因此V2和V3截止。電樞繞組承受從A到B的正向電壓；當(dāng)控制信號(hào)Vi1為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管V1和V4截止，此時(shí)Vi2為高電平，因此V2和V3導(dǎo)通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓，這就是所謂的“雙極”。
由于在一個(gè)PWM周期里電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化，因此其平均電壓U0可以用下式?jīng)Q定：
U0=（■-■）US=（2■-1）US=（2a-1）US（1）
 可見(jiàn)，雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞繞組所承受的平均電壓取決于占空比α大小。當(dāng)α=0時(shí)，U0=-US，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速*大；當(dāng)α=1時(shí)，U0=US，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速*大；當(dāng)時(shí)，α=1/2時(shí)U0=0，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，但電樞繞組中仍然有交變電流流動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻振蕩，這種振蕩有利于克服電動(dòng)機(jī)負(fù)載的靜摩擦，提高動(dòng)態(tài)性能。
 2 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
 對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)而言，*關(guān)鍵的是控制器的設(shè)計(jì)，控制器設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。控制器要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，通用性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的智能，在滿足性能指標(biāo)的前提下應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單。
PI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于S左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。而增加的負(fù)實(shí)零點(diǎn)則用來(lái)提高系統(tǒng)的阻尼度，緩和PI控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。只要積分時(shí)間常數(shù)Ti足夠大，PI控制器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱。在控制系統(tǒng)中，PI控制器主要用于改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能[2]。
 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。采用PI調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
從傳遞函數(shù)看，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為：
 ■=WP1（S）=KP■=KP+■（2）
U1可分成比例部分U1P，和積分部分U1I，其中，比例部分與偏差成正比積分部分同偏差的積分有關(guān)，把兩部分加起來(lái)，就是調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)U1。
 當(dāng)偏差信號(hào)ε是階躍信號(hào)時(shí)，比例部分會(huì)突然加大，而積分部分則按線性增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，U1輸出達(dá)到限幅值。而實(shí)際系統(tǒng)中，偏差信號(hào)ε只是一開(kāi)始突跳，隨著輸出信號(hào)USC的增長(zhǎng)，偏差信號(hào)ε便逐漸降低，U1是否能夠升到限幅值，就要看U1的增長(zhǎng)和ε的衰減哪一方更快。如果調(diào)節(jié)對(duì)象的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)，則ε下降較慢，由于調(diào)節(jié)器的積分作用，盡管在下降，U1仍繼續(xù)增長(zhǎng)，在ε衰減到零以前U1還來(lái)得及升到限幅值[3]。如果調(diào)節(jié)對(duì)象的時(shí)間常數(shù)較小，則ε衰減較快，當(dāng)積分量還來(lái)不及把U1抬高到限幅值以前，ε已經(jīng)衰減到零，U1也就不能再增長(zhǎng)，這時(shí)積分器不會(huì)飽和。
 在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓U1是否飽和對(duì)系統(tǒng)的輸出波形很有影響。若U1一旦飽和，只有ε變負(fù)，即USC＞Usr時(shí)，才有可能使它退出飽和，因此必然超凋。
3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性
由于采用了脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說(shuō)，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，五金加工脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的[4]。所謂穩(wěn)態(tài)，是指電動(dòng)機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對(duì)于雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無(wú)論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單。
US=Rid+L■+E（0≤t<ton）（3）
 -US=Rid+L■+E （ton≤t<T）（4）
式中的R.L分別為電樞電路的電阻和電感。
 電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓是Ud=γUS（其中占空比ρ和電壓系數(shù)γ的關(guān)系是γ=2ρ-1）。平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id和Te表示，平均轉(zhuǎn)速n=E/Ce，而電樞電感壓降L■的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。