直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)中控制電壓非線性研究

0 引言
由于線性放大驅(qū)動(dòng)方式效率和散熱問(wèn)題嚴(yán)重，目前絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。目前已有許多文獻(xiàn)介紹直流電機(jī)調(diào)速，宋衛(wèi)國(guó)等用89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速；張立勛等用AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)PWM調(diào)速；郭崇軍等用C8051實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)控制；張紅娟等用PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)PWM調(diào)速；王晨陽(yáng)等用DSP實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)控制。上述文獻(xiàn)對(duì)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的硬件電路和軟件流程的設(shè)計(jì)有較詳細(xì)的描述，但沒(méi)有說(shuō)明具體的調(diào)壓調(diào)速方法，也沒(méi)有提及占空比與電機(jī)端電壓平均值之間的關(guān)系。在李維軍等基于單片機(jī)用軟件實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)中提到平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看作線性關(guān)系。但沒(méi)有做深入的研究。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在不帶電機(jī)情況下，PWM波占空比與控制輸出端電壓平均值之間呈線性關(guān)系；在帶電機(jī)情況下，占空比與電機(jī)端電壓平均值滿足拋物線方程，能取得精確的控制。本文的電機(jī)閉環(huán)調(diào)速是運(yùn)用Matlab擬合的關(guān)系式通過(guò)PID控制算法實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是基于TX-1C實(shí)驗(yàn)板上的AT89C52單片機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)的硬件原理圖如圖1所示，主要由AT89C52單片機(jī)、555振蕩電路、L298驅(qū)動(dòng)電路、光電隔離、霍爾元件測(cè)速電路、MAX 232電平轉(zhuǎn)換電路等組成。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件由1個(gè)主程序，3個(gè)中斷子程序，即外部中斷0、外部中斷1，定時(shí)器0子程序，PID算法子程序，測(cè)速子程序及發(fā)送數(shù)據(jù)到串口顯示子程序組成，主程序流程圖如圖2所示。外部中斷0通過(guò)比較直流電平與鋸齒波信號(hào)產(chǎn)生PWM波，外部中斷1用于對(duì)傳感器的脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)器0用于對(duì)計(jì)數(shù)脈沖定時(shí)。測(cè)得的轉(zhuǎn)速通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)顯示，通過(guò)PID模塊調(diào)整轉(zhuǎn)速到設(shè)定值。本實(shí)驗(yàn)采用M／T法測(cè)速，它是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)霍爾傳感器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。由外部中斷1對(duì)霍爾傳感器脈沖計(jì)數(shù)，同時(shí)起動(dòng)定時(shí)器0，當(dāng)計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)到預(yù)定值2 000后，關(guān)定時(shí)器0，可得到計(jì)2 000個(gè)脈沖的計(jì)數(shù)時(shí)間，由式計(jì)算出轉(zhuǎn)速：
n=60f／K=60N／(KT) (1)
式中：n為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；K為霍爾傳感器轉(zhuǎn)盤上磁鋼數(shù)；f為脈沖頻率；N為脈沖個(gè)數(shù)；T為采樣周期。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及原因分析
3．1 端電壓平均值與轉(zhuǎn)速關(guān)系
3．1．1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)用的是永磁穩(wěn)速直流電機(jī)，型號(hào)是EG-530YD-2BH，額定轉(zhuǎn)速2 000～4 000 r／min，額定電壓12 V。電機(jī)在空載的情況下，測(cè)得的數(shù)據(jù)用Matlab做一次線性擬合，擬合的端電壓平均值與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖3(a)所示。相關(guān)系數(shù)R-square：0．952 1。擬合曲線方程為：
y=0．001 852x+0．296 3 (2)
由式(2)可知，端電壓平均值與轉(zhuǎn)速可近似為線性關(guān)系，根椐此關(guān)系式，在已測(cè)得的轉(zhuǎn)速的情況下可以計(jì)算出當(dāng)前電壓。為了比較分析，同樣用Matlab做二次線性擬合，擬合的端電壓平均值與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖3(b)所示。相關(guān)系數(shù)R-square：0．986 7。