大功率電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的軟件設(shè)計(jì)

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XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 大功率電機(jī)轉(zhuǎn)速控制軟件設(shè)計(jì)學(xué) 院： 測(cè)試與光 電工程學(xué) 院專業(yè)名稱 ： 測(cè)控技術(shù) 與儀器 班級(jí)學(xué)號(hào) ：學(xué) 生 姓 名 ： 指 導(dǎo) 教 師 ：二 Oxx 年 六 月大功率電機(jī)轉(zhuǎn)速控制軟件設(shè)計(jì)摘 要 半固態(tài)鎂合金連續(xù)鑄軋是一種全新的近終型金屬成形技術(shù)，可用來(lái)提高鎂合 金 的 性 能 。 但 目 前 鎂 合 金 鑄 軋 自 動(dòng) 化 程 度 相 對(duì) 低 、 速 度 控 制 特 性 差 因 此 ， 通 過(guò) 對(duì)可控硅調(diào)速系統(tǒng)的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)鑄軋速度的無(wú)級(jí)調(diào)速。在 本 系 統(tǒng) 中 ， 主 控 微 機(jī) 選 擇 的 是 80C552， 通 過(guò) 給 定 電 位 器 給 定 一 定 電 壓 ， 在微 機(jī) 內(nèi) 部 進(jìn) 行 A/D 轉(zhuǎn) 換 后 作 為 電 機(jī) 速 度 的 給 定 值 ， 使 用 光 電 碼 盤 配 合 改 進(jìn) 型 M/T 法 對(duì) 電 機(jī) 進(jìn) 行 測(cè) 速 ， 將 檢 測(cè) 到 的 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 實(shí) 際 值 與 給 定 值 進(jìn) 行 比 較 ， 分 析 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速偏 差 的 大 小 與 變 化 的 情 況 ， 在 在 內(nèi) 部 進(jìn) 行 PID 運(yùn) 算 ， 通 過(guò) 改 變 PWM0 脈 沖 寬 度 寄存 器 的 值 ， 改 變 單 片 機(jī) 輸 出 的 PWM 脈 沖 的 占 空 比 ， 輸 出 的 PWM 脈 沖 經(jīng) 隔 離 、 驅(qū) 動(dòng) 、放 大 后 對(duì) 電 機(jī) 的 速 度 進(jìn) 行 有 效 調(diào) 節(jié) ， 使 得 電 機(jī) 的 實(shí) 際 轉(zhuǎn) 速 與 給 定 轉(zhuǎn) 速 相 等 。通 過(guò) 此 次 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 改 進(jìn) ， 實(shí) 現(xiàn) 了 鎂 合 金 半 固 態(tài) 加 工 技 術(shù) 的 自 動(dòng) 化 水 平 ； 實(shí)現(xiàn) 螺 旋 桿 運(yùn) 轉(zhuǎn) 速 度 大 范 圍 連 續(xù) 自 動(dòng) 可 調(diào) ， 可 把 現(xiàn) 在 用 于 鑄 軋 輥 的 可 控 硅 調(diào) 速 系 統(tǒng)改 成 PWM 驅(qū) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) ,并 把 電 壓 控 制 改 為 電 流 控 制 ,適 當(dāng) 提 高 PWM 放 大 器 的 輸 出驅(qū) 動(dòng) 能 力 和 系 統(tǒng) 的 抗 干 擾 能 力 ； 實(shí) 現(xiàn) 鑄 軋 速 度 的 無(wú) 極 調(diào) 速 ， 而 且 運(yùn) 轉(zhuǎn) 平 穩(wěn) ， 低 速特 性 好 ， 其 調(diào) 速 控 制 設(shè) 計(jì) 成 由 微 機(jī) 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的 軟 、 硬 件 PWM 驅(qū) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) ， 并 在PWM 系 統(tǒng) 之 前 加 上 一 個(gè) PID 調(diào) 節(jié) 器 ， 以 克 服 外 部 各 種 干 擾 因 素 的 影 響 ， 提 高 系 統(tǒng)的 綜 合 性 能 指 標(biāo) ； 用 PWM 和 光 電 碼 盤 實(shí) 現(xiàn) 了 鎂 合 金 鑄 軋 速 度 的 無(wú) 級(jí) 調(diào) 速 ， 而 且 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)誤差≤0.3 。關(guān)鍵詞 80C552 直流電機(jī) PWM 調(diào)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 錄1 緒論1.1 課題研究的背景與意義 11.2 國(guó)內(nèi)外研究概況與發(fā)展趨勢(shì) 11.3 研究?jī)?nèi)容 52 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 直流電機(jī)的調(diào)速方案 52.2 直流電機(jī) PWM 調(diào)速原理 72.3 PWM 脈沖產(chǎn)生方式 82.3 速度調(diào)節(jié)方案 92.4 測(cè)速原理 .123 硬件系統(tǒng)及特點(diǎn)3.1 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)介 .143.2 脈寬調(diào)制器 .153.3 改進(jìn)型 M/T 法測(cè)速 .163.4 PWM 功率放大器 .174 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 C51 語(yǔ)言簡(jiǎn)介 .194.2 微機(jī)頭文件的設(shè)置 .194.3 主程序的設(shè)計(jì) .194.4 子程序的設(shè)計(jì) .215 結(jié)論參考文獻(xiàn) .31致謝 .32附錄 .331大功率電機(jī)轉(zhuǎn)速控制軟件設(shè)計(jì)1 緒論1.1 課題研究的背景與意義當(dāng) 今 ， 由 于 地 球 資 源 的 有 限 性 ， 能 源 的 緊 缺 ， 人 們 越 來(lái) 越 重 視 自 然 資 源 的 合 理利 用 。 運(yùn) 載 工 具 的 減 重 是 節(jié) 約 能 源 的 重 要 途 徑 之 一 。 人 們 迫 切 希 望 通 過(guò) 降 低 產(chǎn) 品 的自 重 以 減 少 能 源 消 耗 和 環(huán) 境 污 染 。 由 于 鎂 合 金 所 表 現(xiàn) 出 來(lái) 的 重 量 輕 ， 易 于 壓 鑄 ， 良 好的 機(jī) 械 性 能 和 電 磁 屏 蔽 效 果 好 等 特 點(diǎn) ， 是 交 通 運(yùn) 輸 和 便 攜 式 電 子 產(chǎn) 品 殼 體 的 首 選 材料 之 一 ,同 時(shí) ， 由 于 鎂 合 金 的 可 回 收 性 和 環(huán) 保 性 ， 因 此 被 稱 為 綠 色 材 料 。 但 由 于 鎂 合金 和 鋁 合 金 一 樣 仍 然 在 強(qiáng) 度 、 硬 度 、 抗 拉 強(qiáng) 度 及 抗 疲 勞 強(qiáng) 度 等 方 面存在著一些缺陷，這就很大程度上限制了鎂合金一些重要的汽車部件上的應(yīng)用 。 所 以 ， 提 高 鎂 合 金鑄 件 的 質(zhì) 量 ， 已 成 為 鎂 合 金 使 用 的 關(guān) 鍵 因 素 。 傳 統(tǒng) 的 成 形 方 法 ， 無(wú) 論 全 固 態(tài) 的 軋 制的 ， 鍛 造 ， 擠 壓 ， 拉 撥 ， 沖 壓 ， 還 是 全 液 態(tài) 的 鑄 造 技 術(shù) ， 要 么 是 耗 能 高 ， 要 么 是 效率 低 下 ， 產(chǎn) 品 組 織 性 能 差 。 因 此 ， 新 的 半 固 態(tài) 加 工 技 術(shù) 被 用 來(lái) 提 高 鎂 合 金 鑄 件 的 性能 。 半 固 態(tài) 金 屬 成 型 有 別 于 傳 統(tǒng) 成 形 方 法 ， 是 以 上 兩 類 工 藝 制 度 相 結(jié) 合 的 產(chǎn) 物 ， 具 有低 殘 余 應(yīng) 力 ， 高 致 密 性 ， 低 能 耗 ， 短 流 程 ， 近 終 型 等 優(yōu) 點(diǎn) ， 是 一 種 全 新 的 近 終 型 金 屬成 形 技 術(shù) 。我 國(guó) 有 相 當(dāng) 豐 富 的 鎂 資 源 ,儲(chǔ) 量 占 世 界 的 60%以上,鎂合金具有密度小,比強(qiáng)度 高 ,減 振 性 好 ,抗 電 磁 干 擾 屏 蔽 性 好 和 機(jī) 械 加 工 性 能 好 。 汽 車 工 業(yè) 來(lái) 自 節(jié) 能 和 環(huán)保 方 面 的 壓 力 為 鎂 合 金 提 供 了 巨 大 的 發(fā) 展 空 間 。 因 此 ,大 力 進(jìn) 行 鎂 合 金 的 研 究 開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行 [1]。半 固 態(tài) 鎂 合 金 連 續(xù) 鑄 軋 是 一 種 全 新 的 近 終 型 金 屬 成 形 技 術(shù) ， 可 用 來(lái) 提 高 鎂 合金 的 性 能 。 但 目 前 鎂 合 金 鑄 軋 自 動(dòng) 化 程 度 相 對(duì) 低 、 速 度 控 制 特 性 差 。 因 此 ， 必 須設(shè) 計(jì) 一 個(gè) 合 理 調(diào) 速 系 統(tǒng) ， 提 高 鎂 合 金 鑄 軋 自 動(dòng) 化 程 度 ， 本 文 通 過(guò) 對(duì) 可 控 硅 調(diào) 速 系統(tǒng) 的 改 進(jìn) ， 實(shí) 現(xiàn) 了 鑄 軋 速 度 的 無(wú) 級(jí) 調(diào) 速 ， 穩(wěn) 態(tài) 誤 差 可 達(dá) 甚 至 小 于 0.3%。1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況與發(fā)展趨勢(shì)研 究 表 明 ， 半 固 態(tài) 加 工 技 術(shù) 中 的 一 個(gè) 關(guān) 鍵 問(wèn) 題 就 是 如 何 制 備 優(yōu) 質(zhì) 的 半 固 態(tài) 合金 棒 坯 。 在 半 固 態(tài) 合 金 棒 坯 制 備 過(guò) 程 中 ， 被 攪 拌 合 金 熔 體 的 冷 卻 速 率 和 受 到 的 攪 拌力 是 合 金 熔 體 凝 固 過(guò) 程 中 兩 個(gè) 重 要 參 數(shù) 。 這 兩 個(gè) 參 數(shù) 的 變 化 將 直 接 影 響 到 半 固 態(tài)合 金 坯 料 的 質(zhì) 量 。 無(wú) 論 流 變 鑄 造 還 是 觸 變 成 形 ， 都 包 含 半 固 態(tài) 制 漿 及 半 固 成 形 兩 部分 。 其 中 ， 核 心 是 如 何 獲 得 等 軸 、 細(xì) 小 、 均 勻 的 非 枝 晶 的 半 固 態(tài) 漿 料 。 其 方 法 主 要有 兩 大 類 ， 一 類 是 在 外 力 或 外 場(chǎng) 作 用 下 來(lái) 打 破 業(yè) 已 形 成 的 枝 晶 ， 主 要 有 機(jī)2械 攪 拌 法 、 電 磁 攪 拌 法 、 MIT 工 藝 、 液 體 混 合 工 藝 、 噴 射 成 形 法 等 ; 另 一 類 是 通過(guò) 控 制 凝 固 過(guò) 程 來(lái) 抑 制 枝 晶 的 形 成 ， 主 要 有 添 加 劑 法 、 液 相 線 鑄 造 法 、 粉 末 壓 實(shí)工藝、應(yīng)變誘導(dǎo)熔化活化法、等溫處理法等 [2]。近 年 來(lái) ， 隨 著 半 固 態(tài) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 出 現(xiàn) 了 許 多 制 備 半 固 態(tài) 金 屬 漿 料 的 新 工 藝 和新 技 術(shù) 。 冷 卻 斜 槽 法 是 其 中 的 一 種 。 冷 卻 斜 槽 法 的 原 理 為 ： 將 略 高 于 液 相 線 溫 度 的熔 融 金 屬 倒 在 冷 卻 斜 槽 上 ， 由 于 斜 槽 的 冷 卻 作 用 ， 在 斜 槽 壁 上 有 細(xì) 小 的 晶 粒 形 核 長(zhǎng) 大 ，金 屬 流 體 的 沖 擊 和 材 料 的 自 重 作 用 使 晶 粒 從 斜 槽 壁 上 脫 落 并 翻 轉(zhuǎn) ， 以 達(dá) 到 攪 拌 效 果 。通 過(guò) 冷 卻 斜 槽 的 金 屬 漿 料 落 入 容 器 ， 控 制 容 器 溫 度 ， 即 緩 慢 冷 卻 ， 冷 卻 到 一 定 的 半 固態(tài) 溫 度 后 保 溫 ， 達(dá) 到 要 求 的 固 相 體 積 分 數(shù) ， 隨 后 可 進(jìn) 行 流 變 成 形 和 觸 變 成 形 。 圖 1 所 示 是 冷 卻 斜 槽 法 的 幾 種 工 藝 過(guò) 程 ， 圖 1—1（ a） 和（b） 是 將 先 將 制 備 的 半 固 態(tài)漿 料 直 接 鑄 軋 成 板 帶 坯 ， 圖 1—1（ c） 是將制備的半固態(tài)漿料鑄造成坯錠后，再二次加熱，重熔后觸變成形的工藝過(guò)程。在 冷 卻 斜 槽 方 法 中 ， 影 響 熔 融 金 屬 轉(zhuǎn) 變 為 半 固 態(tài) 漿 料 的 主 要 因 素 有 三 個(gè) ： 一是 澆 注 條 件 ， 熔 融 金 屬 倒 入 冷 卻 斜 槽 ， 逐 步 凝 固 形 核 ， 很 多 細(xì) 小 固 相 顆 粒 隨 液 相 流入 容 器 ， 只 有 在 澆 注 溫 度 高 于 液 相 線 溫 度 時(shí) ， 才 可 能 在 斜 槽 上 形 成 晶 核 ， 同 時(shí) 斜 槽溫 度 要 盡 可 能 低 ； 第 二 個(gè) 是 斜 槽 長(zhǎng) 度 ， 如 果 斜 槽 過(guò) 長(zhǎng) ， 會(huì) 在 斜 槽 底 部 凝 固 形 成 金屬 殼 ， 阻 礙 金 屬 的 流 動(dòng) ， 降 低 冷 卻 效 率 ， 如 果 斜 槽 過(guò) 短 ， 熔 融 金 屬 內(nèi) 沒(méi) 有 產(chǎn) 生 大 量細(xì) 小 晶 粒 ， 達(dá) 不 到 半 固 態(tài) 漿 料 要 求 ； 三 是 斜 槽 的 傾 斜 角 度 ， 傾 斜 角 度 的 大 小直接影響熔融金屬的流動(dòng)速度。采 用 冷 卻 斜 槽 法 制 備 的 半 固 態(tài) 漿 料 的 固 相 百 分 數(shù) 在 3%-10%之 間 ， 其 流 動(dòng) 性 同熔 融 金 屬 一 樣 。 在 流 變 鑄 造 中 ， 固 相 百 分 數(shù) 越 低 ， 越 容 易 鑄 造 。 因 此 ， 冷 卻 斜 槽法能應(yīng)用于流變鑄造成形很薄的鑄件。圖 1-1 冷卻斜槽法的幾種工藝過(guò)程直接將金屬熔體“軋制”成半成品帶胚或成品帶材的工藝稱為連續(xù)鑄軋。這3種 工 藝 的 顯 著 特 點(diǎn) 是 ， 其 結(jié) 晶 器 為 兩 個(gè) 帶 水 冷 系 統(tǒng) 的 螺 旋 鑄 軋 輥 ， 熔 體 在 其 輥 縫間完成凝固和受到熱軋兩個(gè)過(guò)程，而且在很短的時(shí)間內(nèi)（2～3s）完 成 的 。 原 理是 鑄 軋 輥 把 漿 料 的 大 量 熱 能 迅 速 帶 走 ,使 漿 料 在 很 短 時(shí) 間 內(nèi) 完 成 結(jié) 晶 過(guò) 程 。 同 時(shí) , 又 對(duì) 已 形 成 的 組 織 經(jīng) 過(guò) 軋 輥 進(jìn) 行 壓 力 加 工 。 它 不 同 于 連 鑄 連 軋 ， 后 者 實(shí) 際 上 將 錠胚 鑄 造 與 熱 軋 連 續(xù) 進(jìn) 行 ， 即 金 屬 熔 體 在 連 鑄 機(jī) 結(jié) 晶 器 中 凝 固 成 肧 后 ， 再 在 后 續(xù) 的雙 機(jī) 架 溫 連 鑄 機(jī) 上 連 續(xù) 鑄 軋 成 供 冷 軋 機(jī) 用 的 帶 胚 或 成 品 板 帶 材 ， 鑄 造 和 溫 軋 是 兩個(gè)獨(dú)立的工序。（1） 鋁帶鑄軋連 續(xù) 鑄 軋 技 術(shù) 具 有 投 資 省 、 成 本 低 、 流 程 短 等 優(yōu) 點(diǎn) ， 一 直 在 有 色 合 金 ， 特 別 式 鋁帶的生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用。（2） 鋼鐵材料鑄軋連 續(xù) 鑄 軋 生 產(chǎn) 鋼 鐵 材 料 還 未 完 全 成 功 ， 其 重 要 原 因 之 一 是 鋼 鐵 材 料 的 熔 點(diǎn) 很高 ， 控 制 鑄 軋 過(guò) 程 穩(wěn) 定 性 的 操 作 參 數(shù) 范 圍 很 窄 ， 鑄 軋 過(guò) 程 中 鋼 鐵 材 料 的 傳 熱 、 凝 固過(guò)程比有色金屬更復(fù)雜。20 世 紀(jì) 初 以 來(lái) ， 澳 大 利 亞 CSIRO 聯(lián) 邦 科 學(xué) 與 工 業(yè) 研 究 組 織 工 業(yè) 技 術(shù) 研 究 院 就 對(duì)鎂 合 金 板 帶 鑄 軋 技 術(shù) 進(jìn) 行 了 深 入 的 研 究 ， 而 且 為 此 建 立 了 一 個(gè) 大 規(guī) 模 的 實(shí) 驗(yàn) 工 廠 ， 制備 出 了 一 個(gè) 性 能 優(yōu) 異 的 設(shè) 備 ， 這 臺(tái) 設(shè) 備 可 以 生 產(chǎn) 出 600 mm 寬 的 鎂 薄 板 帶 ， 而 且 符合 商 業(yè) 質(zhì) 量 標(biāo) 準(zhǔn) 。 CSIRO 把 鎂 合 金 板 帶 廣 泛 應(yīng) 用 許 多 領(lǐng) 域 中 ， 如 汽 車 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 和 打 印機(jī) 、 移 動(dòng) 電 話 、 DVD、 火 車 、 電 池 、 甚 至 自 行 車 中 。 通 過(guò) CSIR0 的 研 究 表 明 ， 此 項(xiàng)工 藝 具 有 許 多 優(yōu) 點(diǎn) ， 它 安 全 、 可 靠 、 低 能 耗 、 高 效 率 。 無(wú) 論 大 批 量 還 是 小 批 量 都 適用 。 而 且 適 用 性 廣 泛 ， 它 出 了 適 用 于 各 種 傳 統(tǒng) 和 新 型 鎂 合 金 之 外 ， 還 能 夠 生 產(chǎn) 出 高質(zhì) 量 的 鎂 合 金 板 帶 產(chǎn) 品 [3]。在 日 本 ， 研 究 半 固 態(tài) 鎂 合 金 技 術(shù) 的 有 國(guó) 立 小 山 工 業(yè) 高 等 學(xué) 校 的 H。 Watari 等人 。 他 們 的 主 要 研 究 方 向 為 半 固 態(tài) 鎂 合 金 雙 輥 鑄 軋 技 術(shù) ， 他 們 的 研 究 取 得 了 許 多 進(jìn)展 ， 通 過(guò) 大 量 的 實(shí) 驗(yàn) 研 究 ， 他 們 發(fā) 得 出 了 一 些 參 數(shù) 之 間 的 相 互 關(guān) 系 ， 比 如 在 加 工 板厚 為 3 毫 米 左 右 的 板 時(shí) ， 輥 速 為 20 m／min 能 得 到 很 好 的 效 果 并 且 還 發(fā) 現(xiàn) 了 鑄軋出的鎂板帶具的塑性加工能力較強(qiáng)，引領(lǐng)了人們對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究。我 國(guó) 有 相 當(dāng) 豐 富 的 鎂 資 源 ,儲(chǔ) 量 占 世 界 的 60%以上,鎂合金具有密度小,比強(qiáng)度 高 ,減 振 性 好 ,抗 電 磁 干 擾 屏 蔽 性 好 和 機(jī) 械 加 工 性 能 好 。 汽 車 工 業(yè) 來(lái) 自 節(jié) 能 和 環(huán)保 方 面 的 壓 力 為 鎂 合 金 提 供 了 巨 大 的 發(fā) 展 空 間 。 但 目 前 國(guó) 內(nèi) 還 沒(méi) 有 鎂 合 金 板 帶 連鑄 技 術(shù) 的 相 關(guān) 報(bào) 道 ， 南 昌 大 學(xué) 耿 茂 鵬 教 授 等 人 正 在 用 自 制 的 水 平 式 鎂 合 金 板 帶 鑄4軋?jiān)囼?yàn)機(jī)開(kāi)展這方面的研究工作。因此,大力進(jìn)行鎂合金的研究開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行：（ 1） 發(fā)展我國(guó)的鎂合金應(yīng)用技術(shù)，使我國(guó)的鎂合金鑄軋技術(shù)水平接近世界先進(jìn)水平。（ 2） 滿足我國(guó)市場(chǎng)對(duì)運(yùn)輸工具，便攜式電子產(chǎn)品高可靠，輕量化要求。（ 3） 項(xiàng)目為高效，節(jié)能，短流程的先進(jìn)加工技術(shù)，有利于資源的合理及有效運(yùn)用。（ 4） 有利于我國(guó)鎂資源，特別是西部鎂資源的開(kāi)發(fā)和利用。由 于 鎂 合 金 的 應(yīng) 用 不 斷 擴(kuò) 大 ， 產(chǎn) 量 逐 年 有 較 大 上 升 ， 材 料 界 希 望 有 一 種 生 產(chǎn)成 本 低 的 板 帶 軋 制 工 藝 。 傳 統(tǒng) 的 鎂 板 帶 材 是 用 0． 3 m×1．0 m×2．0 m 鎂 錠 先經(jīng) 過(guò) 幾 小 時(shí) 的 加 熱 ， 至 480℃再 連 續(xù) 熱 軋 至 5～6 mm 厚 度 的 板 坯 ， 后 一 步 的 軋 制過(guò) 程 是 高 能 耗 、 費(fèi) 時(shí) 的 ， 而 且 會(huì) 導(dǎo) 致 低 的 金 屬 屈 服 應(yīng) 力 。 鎂 的 晶 體 結(jié) 構(gòu) 為 密 集 六 方晶 格 ， 在 204℃ 以下僅是基面即單位晶胞的上下底面為滑移面，因此鎂及鎂合金 的 熱 軋 溫 度 不 能 低 于 343℃ ， 如 果 能 生 產(chǎn) 出 厚 度 只 有 6 mm 的 帶 坯 ， 就 可 能 以較 少 的 冷 軋 道 次 生 產(chǎn) 較 薄 的 帶 材 ， 進(jìn) 而 可 用 這 種 板 帶 材 加 工 成 各 種 目 前 是 用 壓 鑄法 生 產(chǎn) 的 零 部 件 ， 壓 鑄 薄 壁 鎂 合 金 件 的 成 品 率 很 低 ， 制 造 成 本 高 。 而 鎂 合 金 板 帶連 續(xù) 鑄 軋 技 術(shù) 顯 著 降 低 了 鎂 帶 的 生 產(chǎn) 成 本 ， 保 持 和 增 加 了 帶 材 的 韌 性 。 由 此 可 見(jiàn)，用鑄軋帶坯軋制的板材成形加工零部件有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，前景廣闊。1.3 研究?jī)?nèi)容半 固 態(tài) 鎂 合 金 連 續(xù) 鑄 軋 是 一 種 全 新 的 近 終 型 金 屬 成 形 技 術(shù) ， 可 用 來(lái) 提 高 鎂 合金 的 性 能 。 但 目 前 鎂 合 金 鑄 軋 自 動(dòng) 化 程 度 相 對(duì) 低 、 速 度 控 制 特 性 差 。 本 文 針 對(duì) 這 個(gè)問(wèn) 題 ， 通 過(guò) 對(duì) 可 控 硅 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 改 進(jìn) ， 以 實(shí) 現(xiàn) 鑄 軋 速 度 的 無(wú) 級(jí) 調(diào) 速 。 本 設(shè) 計(jì) 中， 被 控 對(duì) 象 為 稀 土 永 磁 型 直 流 電 機(jī) 200LYX04 (其主要參數(shù)：峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩３８ Ｎ .ｍ， 峰 值 堵 轉(zhuǎn) 電 流 ７ .９ Ａ ， 峰 值 堵 轉(zhuǎn) 電 壓 60V， 最 大 空 載 轉(zhuǎn) 速 110 轉(zhuǎn) ／ 分 。 )，通 過(guò) 新 型 單 片 機(jī) 80C552 單 片 機(jī) 的 使 用 ， 采 用 PWM 方 式 控 制 與 Ｐ Ｉ Ｄ 調(diào) 節(jié) 直 流 電 機(jī)調(diào) 速 的 方 法 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 電 機(jī) 的 無(wú) 極 調(diào) 速 。 PWM 控 制 技 術(shù) 以 其 控 制 簡(jiǎn) 單 、 靈 活 和 動(dòng) 態(tài) 響應(yīng) 好 的 優(yōu) 點(diǎn) 而 成 為 電 力 電 子 技 術(shù) 最 廣 泛 應(yīng) 用 的 控 制 方 式 ， 也 是 人 們 研 究 的 熱 點(diǎn) 。 由 于當(dāng) 今 科 學(xué) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 已 經(jīng) 沒(méi) 有 了 學(xué) 科 之 間 的 界 限 ， 結(jié) 合 現(xiàn) 代 控 制 理 論 思 想 或 實(shí) 現(xiàn) 無(wú)諧 振 軟 開(kāi) 關(guān) 技 術(shù) 將 會(huì) 成 為 PWM 控 制 技 術(shù) 發(fā) 展 的 主 要 方 向 之 一 。 本 文 就 是 利 用 這 種控 制 方 式 來(lái) 改 變 電 壓 的 占 空 比 實(shí) 現(xiàn) 直 流 電 機(jī) 速 度 的 控 制 。 通 過(guò) 使 用 80C552 的 PWM 信號(hào) 發(fā) 生 系 統(tǒng) ， 然 后 通 過(guò) 放 大 來(lái) 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 。 利 用 光 電 碼 盤 與 單 片 機(jī) 的 3 個(gè) 定 時(shí) 器 對(duì)電 機(jī) 精 確 測(cè) 速 ， 反 饋 給 單 片 機(jī) ， 在 內(nèi) 部 進(jìn) 行 PI 運(yùn) 算 ， 輸 出 控5制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。62 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 直流電機(jī)的調(diào)速方案通過(guò)電機(jī)學(xué)基本理論可得直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的基本特性方程式為n ? U ? IRKe?（2—1）式中：U—電樞端電壓；I—電樞電流；R—電樞電路總電阻；? —每極磁通量。由上式可見(jiàn)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的一般方法有以下三種。第 一 種 電 樞 回 路 串 電 阻 調(diào) 速 。 由 式 2-1 可 知 ， 如 果 保 持 電 源 電 壓 和 勵(lì) 磁 電 壓不 變 ， 在 電 樞 回 路 中 串 入 不 同 阻 值 大 小 的 電 阻 ， 則 特 性 曲 線 的 斜 率 也 隨 之 改 變 ， 因此 ， 通 過(guò) 改 變 電 樞 回 路 的 電 阻 可 使 電 動(dòng) 機(jī) 運(yùn) 行 在 不 同 的 轉(zhuǎn) 速 ， 達(dá) 到 調(diào) 速 目 的 ， 其 原 理 如 圖 2-1 所 示 。第二種弱磁調(diào)速。所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速受換向能力、電樞機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性等 因 素 的 限 制 ， 轉(zhuǎn) 速 不 能 升 得 高 。 本 系 統(tǒng) 所 用 電 機(jī) 為 永 磁 電 機(jī) ， 磁 通 不 可 該 變 ， 因此這種方法也是不適合的。圖 2-1 變電阻調(diào)速特性圖 2-2 弱磁調(diào)速特性第 三 種 是 調(diào) 壓 調(diào) 速 。 調(diào) 壓 調(diào) 速 的 原 理 為 在 保 持 勵(lì) 磁 電 壓 與 電 樞 電 阻 不 變 的 情況 下 ， 通 過(guò) 改 變 電 機(jī) 的 電 樞 電 壓 ， 可 使 電 動(dòng) 機(jī) 運(yùn) 行 在 不 同 的 轉(zhuǎn) 速 上 。 其 原 理 如 圖72—3 所 示 ， 由 式 2—1 可 知 ， 調(diào) 壓 調(diào) 速 的 方 法 不 會(huì) 改 變 電 機(jī) 的 機(jī) 械 特 性 硬 度 且 能 夠?qū)?現(xiàn) 無(wú) 極 調(diào) 速 ， 在 低 速 運(yùn) 行 時(shí) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 受 負(fù) 載 波 動(dòng) 的 影 響 較 小 ， 精 度 較 高 ， 與 電 樞回 路 串 電 阻 的 方 法 相 比 ， 由 于 沒(méi) 有 附 加 電 阻 損 耗 ， 因 此 提 高 了 電 機(jī) 的 運(yùn) 行 效 率 ， 改 變電 機(jī) 電 壓 調(diào) 速 時(shí) ， 出 于 對(duì) 電 機(jī) 安 全 性 的 考 慮 ， 電 樞 電 壓 一 般 不 超 過(guò) 電 機(jī) 的 額 定 電 壓 ，所 以 ， 調(diào) 壓 調(diào) 速 只 能 在 基 速 (額 定 轉(zhuǎn) 速 )以 下 調(diào) 速 。 基 于 以 上 優(yōu) 點(diǎn) ， 調(diào)壓調(diào)速的方法被廣泛采用 [4]。圖 2—3 調(diào)壓調(diào)速特性2.2 直 流 電 機(jī) PWM 調(diào) 速 原 理調(diào) 壓 調(diào) 速 的 方 法 比 較 常 用 有 兩 種 ， 一 種 是 采 用 可 控 硅 變 流 設(shè) 備 ， 將 交 流 電 變?yōu)?可 調(diào) 的 直 流 電 ， 另 一 種 常 見(jiàn) 的 方 法 是 PWM（脈沖寬度調(diào)制） 技 術(shù) ， 脈 寬 調(diào) 速 系統(tǒng)在過(guò)去早已出現(xiàn)，但過(guò)去由于缺乏高速開(kāi)關(guān)元件而未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用 。 近 年 來(lái) 由 于 大 功 率 晶 體 管 技 術(shù) 的 成 熟 與 成 本 的 不 斷 下 降 ， 晶 體 管 脈 寬 調(diào) 速 系 統(tǒng)再次的得到重視，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。如 圖 2—4 所 示 ， 將 直 流 電 機(jī) 置 于 以 一 個(gè) 晶 體 管 作 為 開(kāi) 關(guān) 的 電 路 中 ， 電 機(jī) 兩 端的 電 壓 為 電 機(jī) 的 額 定 電 壓 ， 晶 體 管 受 單 片 機(jī) 的 控 制 ， 當(dāng) 單 片 機(jī) 輸 出 高 電 平 時(shí) 使 晶 體 管導(dǎo) 通 ， 低 電 平 使 晶 體 管 截 止 ， 所 以 晶 體 管 在 這 里 便 作 為 開(kāi) 關(guān) 的 作 用 ， 控 制 開(kāi) 關(guān) 導(dǎo) 通 與關(guān) 斷 的 時(shí) 間 ， 可 改 變 電 機(jī) 兩 端 在 一 個(gè) 周 期 內(nèi) 的 平 均 電 壓 ， 而 當(dāng) 開(kāi) 關(guān) 切 換 的 頻 率 足 夠 快時(shí) ， 在 電 機(jī) 兩 端 加 的 脈 沖 電 壓 與 在 電 機(jī) 兩 端 加 一 定 大 小 直 流 電 壓 的 作 用 相 同 ， 且 其 大小 等 于 脈 沖 電 壓 在 一 個(gè) 周 期 內(nèi) 的 平 均 值 ， 所 以 電 機(jī) 兩 端 的 電 壓 可 通 過(guò) 調(diào) 節(jié) 單 片 機(jī) 輸 出的 脈 沖 的 占 空 比 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 。 這 就 是 脈 寬 調(diào) 速 的 基 本 原 理 。通常改變占空比的方法有3種：第 一 種 為 定 寬 調(diào) 頻 法 ， 這 種 方 法 是 保 持 導(dǎo) 通 時(shí) 間 不 變 ， 只 改 變 關(guān) 斷 時(shí) 間 ， 這樣可使脈沖的占空比改變，但同時(shí)也改變了脈沖的周期T（或頻率） ；第二種是調(diào)寬調(diào)頻法，即保持關(guān)斷的時(shí)間不變，而改變開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間，這8種方法也會(huì)使脈沖的周期T（或頻率）改變；第三種是定頻調(diào)寬法，這種方法是使脈沖的周期T（或頻率）保持不變，而同時(shí)改變開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間。前 兩 種 方 法 都 需 改 變 脈 沖 的 周 期 ， 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 計(jì) 算 與 調(diào) 節(jié) 比 較 復(fù) 雜 ， 三 種方 法 中 只 有 第 三 種 保 持 了 周 期 不 變 ， 在 計(jì) 算 與 單 片 機(jī) 的 編 程 中 較 為 簡(jiǎn) 單 ， 因 此 廣泛被使用。Q1 UsMotor Servo圖2-4 PWM控制示意圖在 定 頻 調(diào) 寬 法 中 ， 若 電 動(dòng) 機(jī) 兩 端 得 到 的 電 壓 波 形 如 圖 2-5 所 示 ， 則 電 機(jī) 電 樞 電 壓平均值可由下式表示：式 中 ： tonUav ? ton / T ?Us ? ?Us— 開(kāi)關(guān)每次接通的時(shí)間；（2—2）T—開(kāi)關(guān)通斷的時(shí)間周期 ；? —占空比 ， ?? ton / T 。2.3PWM 脈 沖 產(chǎn) 生 方 式圖 2-5 PWM 控制波形圖PWM 脈沖波的產(chǎn)生方法有四種：最早期的 PWM 脈沖波是通過(guò)使用獨(dú)立的電子元件根據(jù)實(shí)際需求自行組建 PWM9脈 沖 發(fā) 射 電 路 ， 這 種 方 法 實(shí) 施 起 來(lái) 極 為 不 便 ， 成 本 也 較 高 ， 這 種 方 法 已 隨 著 電 子技術(shù)的發(fā)展被淘汰。第 二 種 是 軟 件 模 擬 法 ， 利 用 單 片 機(jī) 的 一 個(gè) I/O 引 腳 ， 通 過(guò) 編 程 對(duì) 該 引 腳 不 斷地 輸 出 高 低 電 平 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) P W M 波 輸 出 。 單 片 機(jī) 在 輸 出 高 低 電 平 時(shí) ， 需 等 待 很 長(zhǎng) 的時(shí) 間 ， 在 此 期 間 ， CPU 無(wú) 法 進(jìn) 行 其 它 的 工 作 ， 而 且 精 度 不 高 ， 若 要 實(shí) 現(xiàn) 較 高 的 精度，則編程的過(guò)程會(huì)極為復(fù)雜，因此也逐漸被淘汰。第 三 種 是 通 過(guò) 專 用 PWM 集 成 芯 片 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的 。 該 芯 片 有 一 PWM 脈 沖 輸 出 口 和 一個(gè) 電 壓 輸 入 端 ， 芯 片 根 據(jù) 輸 入 電 壓 的 大 小 改 變 輸 出 脈 沖 的 占 空 比 ， 所 以 可 用 單 片 機(jī)的 I/O 輸 出 一 個(gè) 數(shù) ， 通 過(guò) AD 轉(zhuǎn) 換 成 電 壓 信 號(hào) 加 到 PWM 芯 片 上 的 電 壓 輸 入 端 ， 即 可 實(shí) 現(xiàn) 單 片 機(jī) 對(duì) 脈 沖 占 空 比 的 控 制 。 這 些 芯 片 帶 有 有 過(guò) 流 過(guò) 壓 保 護(hù) 功 能 和 “死區(qū) ”調(diào) 節(jié) 功 能 等 ， 通 過(guò) 使 用 PWM 集 成 芯 片 ， 可 減 輕 單 片 機(jī) 的 工 作 量 ， 但 其 脈 沖 占空 比 的 精 度 受 AD 轉(zhuǎn) 換 精 度 的 影 響 。 目 前 ， 現(xiàn) 在 市 場(chǎng) 上 的 PWM 芯 片 已 經(jīng) 有 很 多 種型 號(hào) ， 如 東 芝 公 司 的 2SK3131 芯 片 和 TI 公 司 的 TL494 芯 片 等 。第 四 種 是 通 過(guò) 單 片 機(jī) 的 PWM 口 輸 出 脈 沖 波 ， 在 許 多 新 一 代 的 許 多 單 片 機(jī) 中 增加 PWM 功 能 ， 它 通 過(guò) 單 片 機(jī) 的 一 個(gè) 端 口 輸 出 脈 沖 波 。 如 飛 利 浦 公 司 生 產(chǎn) 的 8XC552 系列 單 片 機(jī) 與 Inter 公 司 的 16 位 單 片 機(jī) 8XC196 等 。 通 常 可 通 過(guò) 改 變 單 片 機(jī) 內(nèi) 部 相應(yīng) 的 寄 存 器 值 來(lái) 改 變 脈 沖 信 號(hào) 的 頻 率 與 占 空 比 ， 其 輸 出 的 PWM 波 的 占 空 比 不 受 內(nèi) 部執(zhí) 行 程 序 的 影 響 ， 只 有 在 改 變 占 空 比 時(shí) ， CPU 才 會(huì) 對(duì) 波 形 作 出 相 應(yīng) 的 調(diào) 整 ， 因此占空比的輸出精度較高，且編程也較為簡(jiǎn)單。2.3 速度調(diào)解方案由 于 鑄 軋 系 統(tǒng) 需 無(wú) 極 調(diào) 速 ， 且 精 度 要 求 較 高 ， 經(jīng) 過(guò) 多 方 面 的 考 慮 采 用 了 速 度閉 環(huán) PID 調(diào) 節(jié) ， PID 調(diào) 節(jié) 是 最 早 發(fā) 展 起 來(lái) 的 控 制 方 法 策 略 ， 由 于 其 算 法 簡(jiǎn) 單 、 魯棒 性 好 并 且 可 靠 性 高 。 被 廣 泛 運(yùn) 用 于 工 業(yè) 控 制 系 統(tǒng) 。 下 面 介 紹 PID 控 制 的 基 本 原理 、 數(shù) 字 PID 控 制 算 法 及 在 本 系 統(tǒng) 中 的 應(yīng) 用 。2.3.1 模 擬 PID 調(diào)節(jié)器ＰＩＤ控制規(guī)律是模擬控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種在模擬控制系統(tǒng)中， 最 基 本 的 PID 控 制 系 統(tǒng) 原 理 圖 如 圖 所 示 ， 系 統(tǒng) 由 模 擬 PID 控 制 器 和 被 控 對(duì) 象 組 成 。10圖 2-6 PID 控制系統(tǒng)原理圖由 圖 可 知 系 統(tǒng) 的 控 制 量 由 偏 差 值 的 比 例 、 微 分 與 積 分 的 和 ， 其 中 偏 差 值 e (t) 是 被 控 對(duì) 象 的 入 輸 值 或 設(shè) 定 值 r (t)與 檢 測(cè) 到 的 輸 出 值 c(t)之差，即e(t) ? r(t) ? c(t) (2—3)所 謂 控 制 器 的 控 制 規(guī) 律 就 是 輸 入 e 與 輸 出 P 之 間 的 關(guān) 系 ， 在 PID 控 制 規(guī) 律 中 ， 則表示為U (t) ? ? 1 t de(t) ?K p ?e(t) ? T ?0 e(t)dt ? Td dt ? (2—4)?i ?式中：e(t) — 控制偏差； Kp —比例系數(shù)；Ti —積分時(shí)間常數(shù)； Td —微分時(shí)間常數(shù)。PID 各 控 制 矯 正 環(huán) 節(jié) 的 原 理 如 下 ： 1 比例環(huán)節(jié)當(dāng) 存 在 偏 差 信 號(hào) 時(shí) ， 比 例 控 制 器 便 會(huì) 以 一 定 的 比 例 產(chǎn) 生 控 制 量 ， 其 極 性 與 偏差 信 號(hào) 相 同 ， 加 到 被 控 制 對(duì) 象 上 ， 使 偏 差 減 小 。 比 例 系 數(shù) Kp 越 大 ， 比 例 控 制 越強(qiáng) ， 響 應(yīng) 速 度 也 越 快 ， 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 態(tài) 誤 差 隨 Kp 的 增 大 而 減 小 ， 超 調(diào) 量 隨 Kp 增 大 而增大，Kp 過(guò) 大 會(huì) 使 系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 震 蕩 。2 積分環(huán)節(jié)比 例 環(huán) 節(jié) 可 減 少 誤 差 ， 但 卻 不 可 消 除 ， 于 是 便 引 入 了 積 分 環(huán) 節(jié) ， 由 上 式 可 知 ， 當(dāng) 存 在 偏 差 信 號(hào) 時(shí) ， 積 分 項(xiàng) 便 會(huì) 隨 著 時(shí) 間 的 增 加 不 斷 累 積 ， 直 至 消 除 誤 差 。 其 控 制的 強(qiáng) 弱 由 積 分 時(shí) 間 常 數(shù) Ti 決 定 ， Ti 的 增 大 可 縮 短 系 統(tǒng) 的 調(diào) 整 時(shí) 間 ， 但 Ti 過(guò) 大 同樣 會(huì) 使 系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 震 蕩 。3 微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)是偏差信號(hào)的導(dǎo)數(shù)，反映了偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，若系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行11時(shí) ， 有 干 擾 信 號(hào) 加 到 被 控 對(duì) 象 ， 微 分 環(huán) 節(jié) 便 會(huì) 產(chǎn) 生 一 個(gè) 預(yù) 期 的 修 正 信 號(hào) ， 使 系 統(tǒng) 的偏 差 不 至 于 過(guò) 大 ， 所 以 微 分 項(xiàng) 其 中 的 一 個(gè) 作 用 就 是 提 高 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 ， 還 可 減 小系 統(tǒng) 的 調(diào) 整 時(shí) 間 ， 其 控 制 強(qiáng) 弱 由 微 分 系 數(shù) Td 決 定 [5]。因 此 ， 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 應(yīng) 根 據(jù) 實(shí) 際 需 求 合 理 設(shè) 置 相 應(yīng) 的 參 數(shù) ， 才 能 使 PID 控 制得到滿意的效果。2.3.2 數(shù) 字 PID 控制器上 述 PID 控 制 規(guī) 律 僅 適 用 于 模 擬 系 統(tǒng) ， 為 使 單 片 機(jī) 實(shí) 現(xiàn) 單 片 機(jī) 的 PID 控 制 ， 需 將 上 式 離 散 化 ， 寫 成 差 分 方 程 的 形 式 ， 設(shè) 單 片 機(jī) 的 采 樣 周 期 為 T，n 代 表 采 樣次 數(shù) ， 則 連 續(xù) 的 時(shí) 間 t 可 由 nT 代 替 ， 再 以 偏 差 的 累 積 和 代 替 微 分 ， 以 相 鄰 兩 次 偏差 在 的 增 量 一 個(gè) 采 樣 周 期 內(nèi) 的 平 均 值 代 替 微 分 ， 即U (t) ? U (k)e(t) ? e(k)t k?0 e(t)dt ? ?Te ( j)j ?0de(t) ? e(k) ? e(k ?1)（2—5）dt T式中：T—采樣周期；K—采樣序號(hào)。通 過(guò) 以 上 近 似 ， 可 得 到 最 基 本 數(shù) 字 PID 控 制 算 法 ， 即 位 置 式 PID 算 法 ， 其 精度 隨 采 樣 周 期 T 的 減 小 而 提 高 ， 其 控 制 規(guī) 律 為U (k ) ? ? T ke(k ) ? e(k ? 1) ?K p ?e(k ) ? T ?e( j) ? Td T ??式中： k—采樣序號(hào)；i j ?0 ? （2—6）u（k）—第 k 次 采 樣 時(shí) 刻 系 統(tǒng) 的 輸 出 值 ； e（k）—第 k 次 采 樣 的 偏 差 值 ；e（k-1）—第 k-1 次 采 樣 的 偏 差 值 ； Ki—積分系數(shù)，Ki=Kp/Ti；Kd—微分系數(shù)，Kd=Kp/Td。位 置 式 PID 算 法 為 最 基 本 的 一 種 PID 算 法 ， 在 實(shí) 際 的 應(yīng) 用 中 它 存 在 一 定 的 局 限 性 。根 據(jù) 實(shí) 際 的 需 求 ， 有 很 多 種 PID 算 法 在 此 基 礎(chǔ) 上 做 了 相 應(yīng) 改 進(jìn) ， 如 增 量 式 、 積 分 分離 式 、 微 分 先 行 式 等 PID 算 法 ， 這 里 就 不 再 贅 述 。122.4 測(cè)速原理本 系 統(tǒng) 的 調(diào) 速 方 法 為 速 度 閉 環(huán) PID 調(diào) 節(jié) 所 以 需 對(duì) 電 機(jī) 的 速 度 進(jìn) 行 測(cè) 量 ， 并 送入 單 片 機(jī) 中 進(jìn) 行 計(jì) 算 ， 一 般 的 測(cè) 速 方 法 有 測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī) 測(cè) 速 法 與 光 電 碼 盤 測(cè) 速 法 。2.4.1 測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī) 是 輸 出 電 動(dòng) 勢(shì) 與 轉(zhuǎn) 速 成 比 例 的 微 特 電 機(jī) 。 通 過(guò) 對(duì) 測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī) 的 繞組 和 磁 路 進(jìn) 行 精 確 設(shè) 計(jì) ， 可 使 其 輸 出 電 壓 U 和 轉(zhuǎn) 速 n 成 比 例 關(guān) 系 ， 即 U=Kn,其 中K 是 為 常 數(shù) 。 當(dāng) 電 機(jī) 旋 轉(zhuǎn) 方 向 改 變 時(shí) 其 輸 出 電 壓 的 極 性 也 隨 之 改 變 。 在 檢 測(cè) 時(shí) 需 將被 測(cè) 電 機(jī) 與 測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī) 同 軸 聯(lián) 接 ， 通 過(guò) 檢 測(cè) 出 其 輸 出 電 壓 的 大 小 ， 即 可 根 據(jù) 關(guān) 系式推導(dǎo)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故測(cè)速發(fā)電機(jī)又稱速度傳感器。圖 2—7 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳 統(tǒng) 的 直 流 脈 寬 調(diào) 速 控 制 系 統(tǒng) 如 圖 1 所 示 ， 其 控 制 精 度 較 低 。 該 系 統(tǒng) 中 以 測(cè)速 發(fā) 電 機(jī) 作 為 測(cè) 速 傳 感 器 ， 而 以 測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī) 作 為 測(cè) 速 傳 感 器 時(shí) ， 測(cè) 速 的 精 度 并 不 高 ，其 原 因 是 在 實(shí) 際 檢 測(cè) 過(guò) 程 中 電 機(jī) 需 與 伺 服 電 機(jī) 同 軸 連 接 ， 伺 服 電 機(jī) 在 運(yùn) 行 過(guò) 程 中 溫度 會(huì) 升 高 ， 使 得 測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī) 的 溫 度 也 隨 之 升 高 ， 測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī) 中 的 比 例 系 數(shù) K 并 不 是恒 定 不 變 的 ， 當(dāng) 測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī) 的 溫 度 升 高 時(shí) ， 比 例 系 數(shù) K 會(huì) 減 小 ， 因 此 ， 在 檢 測(cè) 時(shí) ，檢 測(cè) 到 的 電 壓 也 隨 之 降 低 ， 從 而 給 系 統(tǒng) 帶 來(lái) 了 誤 差 ， 這 種 誤 差 是 調(diào) 速 系 統(tǒng) 無(wú) 法 消 除的 。 并 且 相 對(duì) 誤 差 隨 電 機(jī) 速 度 的 下 降 而 增 大 。2.4.2 光電碼盤測(cè)速光 電 碼 盤 的 測(cè) 速 原 理 如 圖 所 示 ， 在 電 機(jī) 上 安 裝 一 個(gè) 周 圍 開(kāi) 有 等 距 離 小 孔 的 碼盤 ， 并 在 碼 盤 兩 側(cè) 安 裝 紅 外 光 電 傳 感 器 ， 在 電 機(jī) 運(yùn) 行 過(guò) 程 中 ， 由 于 電 機(jī) 與 碼 盤 同 軸連 接 ， 碼 盤 會(huì) 與 電 機(jī) 一 起 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 且 轉(zhuǎn) 速 相 等 ， 當(dāng) 碼 盤 擋 在 紅 外 光 電 發(fā) 光 二 極 管 和高靈敏度的光電晶體管之間時(shí)，傳感器因檢測(cè)不到光信號(hào)將會(huì)輸出一個(gè)低電平 ， 而當(dāng) 碼 盤 的 圓 孔 經(jīng) 過(guò) 傳 感 器 時(shí) ， 并 不 能 擋 住 傳 感 器 的 接 受 到 光 信 號(hào) ， 因 此 ， 輸 出一 個(gè) 高 電 平 ， 因 此 當(dāng) 電 機(jī) 旋 轉(zhuǎn) 一 周 時(shí) ， 傳 感 器 便 會(huì) 發(fā) 出 與 碼 盤 上 圓 孔 數(shù) 相 等 的 脈 沖波 ， 因 此 ， 若 在 一 點(diǎn) 時(shí) 間 內(nèi) 的 轉(zhuǎn) 數(shù) t 內(nèi) 所 接 收 到 的 脈 沖 個(gè) 數(shù) 為 m， 碼 盤 上13孔的數(shù)量為 P，則電機(jī)的平均轉(zhuǎn)數(shù)為：N=60m/pt (r/min)圖 2—8 脈沖發(fā)生源硬件結(jié)構(gòu)圖（左為正視圖，右為側(cè)視圖）最 初 的 光 電 碼 盤 是 選 用 金 屬 作 為 材 料 ， 然 后 在 材 料 上 開(kāi) 通 孔 使 碼 盤 能 夠 工 作 ，其 優(yōu) 點(diǎn) 之 一 就 是 金 屬 材 料 的 強(qiáng) 度 高 ， 使 用 壽 命 長(zhǎng) ， 但 金 屬 的 熱 穩(wěn) 定 性 比 較 差 ， 由于碼盤厚度較厚，所以低速測(cè)量時(shí)精度較低，為了克服金屬碼盤的這些缺點(diǎn)， 選 用了 熱 穩(wěn) 定 性 較 高 的 玻 璃 作 為 光 電 碼 盤 的 材 料 ， 為 了 克 服 厚 度 帶 來(lái) 的 誤 差 ， 玻 璃 碼盤 以 刻 線 代 替 開(kāi) 通 孔 ， 在 精 度 上 有 了 很 大 的 提 高 ， 但 一 般 玻 璃 易 碎 ， 強(qiáng) 度 不 如 金 屬 ，有 時(shí) 為 了 節(jié) 約 成 本 也 有 選 用 價(jià) 格 較 低 的 塑 料 作 為 材 料 。光電碼盤最主要的一個(gè)指標(biāo)就是分辨率，它表示編碼器每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，也稱為解析度，或直接撐多少線，分辨率越高，測(cè)速精度也就越高， 對(duì)系統(tǒng)的電路的及計(jì)數(shù)系統(tǒng)的要求也越高。綜 上 所 述 ， 在 單 片 機(jī) 控 制 電 機(jī) 系 統(tǒng) 中 ， 以 光 電 碼 盤 代 替 傳 統(tǒng) 的 測(cè) 速 發(fā) 電 機(jī) ， 消 除 了 測(cè) 速 時(shí) 由 于 溫 度 變 化 帶 來(lái) 的 誤 差 ， 同 時(shí) 也 使 得 測(cè) 速 環(huán) 節(jié) 信 號(hào) 的 處 理 變 得 簡(jiǎn)單 ， 它 以 計(jì) 數(shù) 的 方 式 取 代 了 傳 統(tǒng) 的 AD 轉(zhuǎn) 換 ， 同 時(shí) 也 消 除 了 由 于 AD 轉(zhuǎn) 換 精 度 不 高帶 來(lái) 的 誤 差 。一般認(rèn)為光電碼盤測(cè)速的方法有以下三種：M 法 也 稱 為 測(cè) 頻 法 ， 在 規(guī) 定 時(shí) 間 內(nèi) 測(cè) 量 光 電 碼 盤 產(chǎn) 生 的 脈 沖 數(shù) ， 通 過(guò) 計(jì) 算 得出速度。這種方法在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)精度較高 ，所以常應(yīng)用于高速測(cè)量 。T 法 也 稱 為 測(cè) 周 法 ， 測(cè) 量 相 鄰 兩 個(gè) 脈 沖 的 時(shí) 間 間 隔 ， 通 過(guò) 計(jì) 算 的 出 速 度 ， 這 種方法在低速測(cè)量時(shí)精度較高，因此常用于低速測(cè)量。在 實(shí) 際 的 測(cè) 速 中 ， 若 檢 測(cè) 對(duì) 象 同 時(shí) 存 在 高 速 與 低 速 運(yùn) 行 ， 單 獨(dú) 采 用 上 述 方 法 中的 一 種 時(shí) ， 在 速 度 較 高 或 較 低 時(shí) 誤 差 會(huì) 較 大 ， 這 時(shí) 可 使 用 上 述 兩 種 方 法 相 結(jié) 合 ，14即 在 設(shè) 定 的 時(shí) 間 內(nèi) 同 時(shí) 測(cè) 量 一 個(gè) 高 頻 時(shí) 鐘 脈 沖 與 光 電 脈 沖 的 個(gè) 數(shù) ， 通 過(guò) 計(jì) 算 可 得電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 ， 這 就 是 M/T 法 [6]。153 硬件系統(tǒng)及特點(diǎn)3.1 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)介為 使 系 統(tǒng) 達(dá) 到 設(shè) 計(jì) 的 任 務(wù) 和 要 求 ， 設(shè) 計(jì) 的 調(diào) 速 系 統(tǒng) 框 圖 如 圖 3， 本 系 統(tǒng) 選 用的 單 片 機(jī) 為 80C552， 由 于 80C552 內(nèi) 部 無(wú) 程 序 存 儲(chǔ) 器 ， 選 用 2764 芯 片 作 為 單 片機(jī) 的 程 序 存 儲(chǔ) 器 ， 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 由 給 定 電 位 器 給 定 一 定 電 壓 通 過(guò) 單 片 機(jī) 內(nèi) 部 的 A/D 轉(zhuǎn) 換 后 設(shè) 定 電 機(jī) 速 度 ， 將 檢 測(cè) 到 的 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 實(shí) 際 值 與 給 定 值 進(jìn) 行 比 較 ， 分 析 電 機(jī) 轉(zhuǎn)速 偏 差 的 大 小 與 變 化 的 情 況 改 變 PWM0 脈 沖 寬 度 寄 存 器 的 值 ， 從 而 改 變 單 片 機(jī) 輸 出的 PWM 脈 沖 的 占 空 比 ， 對(duì) 電 機(jī) 的 速 度 進(jìn) 行 有 效 調(diào) 節(jié) ， 使 得 電 機(jī) 的 實(shí) 際 轉(zhuǎn) 速 與 給 定 轉(zhuǎn)速 相 等 。 并 通 過(guò) 并 行 I/O 口 擴(kuò) 展 芯 片 8255 與 7 段 一 碼 驅(qū) 動(dòng) 芯 片 74LS47 的 聯(lián) 合使 用 ， 以 靜 態(tài) 顯 示 的 方 式 驅(qū) 動(dòng) LED 數(shù) 碼 管 ， 實(shí) 時(shí) 顯 示 電 機(jī) 的 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 速 。 為 了 控 制 系統(tǒng) 的 穩(wěn) 態(tài) 誤 差 、 超 調(diào) 量 以 及 調(diào) 整 時(shí) 間 等 ， 電 機(jī) 的 調(diào) 速 方 案 采 用 PID 調(diào) 節(jié) 。 另 外 ， 用 電流 傳 感 器 檢 測(cè) 驅(qū) 動(dòng) 電 路 中 的 電 流 ， 通 過(guò) A/D 轉(zhuǎn) 換 送 入 單 片 機(jī) 中 ， 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 電 機(jī) 電 流 ，防 止 電 流 過(guò) 大 損 壞 PWM 功 率 放 大 器 。圖 3—1 數(shù)字式 PWM 調(diào)速系統(tǒng)電路圖3.2 脈寬調(diào)制器80C552 的 一 大 特 點(diǎn) 就 是 片 內(nèi) 帶 有 有 兩 路 PWM， 其 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 ， 其 輸 出 脈 沖的 占 空 比 可 由 脈 沖 寬 度 寄 存 器 PWM0 和 PWM1 編 程 實(shí) 時(shí) 改 變 ， 輸 出 脈 沖 的 重 復(fù) 頻 率fPWM 由 特 殊 功 能 寄 存 器 PWMP 確 定 ：fPWM = fosc / [2×(1+PWMP)×255]fosc 為 單 片 機(jī) 的 振 蕩 器 頻 率 ， 脈 沖 的 低 電 平 寬 度 取 決 于 脈 沖 寬 度 寄 存 器 的 值 ， 即輸 出 低 電 平 時(shí) 間 /高 電 平 時(shí) 間 =PWM/（ 255-PWM） 。在本系統(tǒng)中，PWMP 的 值 為 2，16即 PWM 的頻率為 7.8KHz。圖 3—2 80C552 的 PWM 結(jié)構(gòu)3.3 改 進(jìn) 型 M/T 法 測(cè) 速由 于 鑄 軋 速 度 需 要 無(wú) 級(jí) 調(diào) 速 ， 故 需 使 用 M/T 法 。 M/T 法 已 在 第 二 章 中 作 了 介紹 。 若 光 電 碼 盤 轉(zhuǎn) 速 脈 沖 的 個(gè) 數(shù) 為 mn， 高 頻 時(shí) 鐘 脈 沖 的 個(gè) 數(shù) mc。 則 依 據(jù) 光 電 碼 盤測(cè)速原理，電機(jī)的速度為n=60fn/P=60mn/(P×Tn)=(60/P)×[mn/(mc/fc)]=60fcmn/(Pmc) 式中：f c—高頻脈沖的頻率；P—光電碼盤轉(zhuǎn)的分辨率； Tn—光電脈沖計(jì)數(shù)時(shí)間； T—時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)時(shí)間。這 種 方 法 ， 使 用 比 較 簡(jiǎn) 單 ，