5.4调试故障及原因分析 ............................................................................................................................. 28 5.5 本章小结 ................................................................................................................................................. 29 总 结 .............................................................................................................................................................. 30 参考文献 ............................................................................................................................................................ 31 致 谢 .............................................................................................................................................................. 32 附 录 ................................................................................................................................................................ 33 附录A 系统原理图 ...................................................................................................................................... 33 附录B 系统实物图 ...................................................................................................................................... 34 附录C 部分程序 .......................................................................................................................................... 35
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第一章 前言
1.1 课题选择的背景
直流电机是最常见的一种电机，它已经广泛应用于交通、化工、航空、机械等领域中。早期的直流电机控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件复杂，而且系统非常不灵活，功能单一，调试困难，阻碍了直流电机控制技术的发展和应用范围的推广。
PWM控制技术是利用半导体器件的关断和导通，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压目的，或控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压变频目的的一种控制技术。近年来，电气传动的PWM 控制技术已成为电气传动自动控制技术的热点之一。
随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，单片机成为了直流电机调速不可或缺的部分之一。单片机具有体积小、功能强、重量轻、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点，而被广泛应用于直流电机调速系统。在实际应用中，电机是把电能转化为机械能的主要设备，因此要求其具有较好的能量转换效率和能够根据生产工艺的要求调整转速。电机调速性能对提高产品质量，提高劳动生产率和节省电能有着决定性的影响。所以，电机调速一直是研究的热点。
1.2 课题选择的意义
直流电机具有良好的启动性能和调速特性，虽然各种类型的电机层出不穷，然而在电子仪器设备、自动控制领域等方面，直流电机的应用仍然占有突出地位。直流电机调速平滑，过载能力强，调速范围广，抗冲击负载能力强，可实现频繁的无极快速起动、制动、加/减速和正/反转。为了满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。
PWM 直流电动机调压调速系统拥有需用的功率元件少、控制方便、线路简单、开关频率高、低速性能好、稳速精度高及调速范围宽、控制方式多样化、能与数字速度给定信号直接接口等优点，在工厂企业得到广泛的应用，有利于国家工业化的发展。通过学习并熟练掌握这个调速系统，对今后的工作有非常重要的意义。
本课题是以单片机为主要控制核心，针对直流电机的调速系统进行设计，通过本次毕业设计培养了我综合运用所学的知识和技能解决问题的能力，巩固和加深对所学知识的理解；培养了我探索研究的习惯和工作能力。
1.3 国内外发展现状
控制直流电机调速大致有下面几种方法：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。第二，30年代末，出现了发电机—电动机，人们开始配合采用电机扩大机、电磁放大器、闸流管等控制器件来实现调速。第三，随着1957年世界上第一支晶闸管的诞生，人们开始采用晶闸管整流装置调速。
近些年随着微型计算机、集成电路、新型电子器件及新的传感器的成熟应用，直流电动机控制装置也继续向前发展。在微机直流电气传动控制系统的应用中，倾向于数字化、智能化的思路，极大地促进了电气传动的发展。近年来，一些先进国家已推出大规模使用微机控制为核心的直流电气传动设备[1]。
数字直流调速装置，在技术上它可以成功地完成从一个给定的信号，经过调整参数设置，最后实现触发脉冲的数字化。使用一个通用的硬件平台和一系列的附加软件程序来控制一定功率和电流的直流电动机，一台控制器可以通过参数设定和使用相应软件对很多被控对象进行控制，强大的通讯功能使得其可以很容易与PLC等其他通讯设备构成整个工业控制过程系统，并具有操作简单、抗干扰能力强等特点，特别是方便和灵活的调试方法、完善的保护功能和整个控制器的小型化，使模拟直流调速系统的不完善、调试不方便、笨重等不足之处完全克服，另外数字控制系统还具有迅速排除故障、速度快、精度高、易于维护等优点，所以它具有广阔的应用前景[1]。
目前我国的晶闸管直流调速系统也得到了迅速的发展和广泛的应用，已广泛应用于我国的各个部门。我国关于数字直流调速系统的研究主要有：综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化。随着PWM技术的发展，我国直流电机调速也正在向着脉宽调制方向发展。目前我国大部分数字化控制直流调速装置还是依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间，所以国内许多科研单位、大专院校和厂家也都在开发全数字直流调速装置[1]。
1.4 PWM变频调速发展前景
20世纪末，随着微电子控制技术、电力电子功率变换技术的成熟应用，交流电动机变频调速技术以得到了惊人的发展。展望21世纪，交流电动机变频调速技术将会有更大发展。
(1) 在变频控制电路方面：随着变频装置已经实现了数字化控制，控制技术的微电子数字化将是今后的发展趋势。变频装置的数字化技术是从20世纪80年代中期开始逐步发展到16位、32位微处理器，目前普遍采用DSP[2]。
(2) PWM及多电平技术：随机PWM技术为消除机械和电磁噪音提供了一种新的最佳途径，盲目地提高工作频率已经渐渐被随机PWM技术取代。由于PWM逆变器的开关损耗随着功率和频率的增加而迅速增加，这就限制了PWM逆变器的高频化和大功率，因此，在这些方面人类还有大量的工作。目前提高开关频率的一个方法是采用谐波技术及在此基础上发展起来的软开关技术。在大功率装置方面，除尽量采用优化PWM模式外，多电平逆变器也越来越受到人们的重视，这样开关损耗问题将转化为多管串联后的均压问题[2]。
1.5 课题研究内容及目标
根据基于单片机的直流电机PWM调速系统要求确定整体的设计方案，完成单片机控制的PWM直流电机调速系统的设计。该系统需要能实现用软件产生PWM信号，并且实线对电机启动和停止、加速和减速、正传和反转的控制，同时还可以实现电机转速的设定；最后在显示器上显示直流电机的实时转速、设定转速和转动状态。经分析及设计，该系统将主要由输入模块、中央处理模块、显示器、电机驱动模块和测速元件部分组成。
1.6 本章小结
本章节主要分析了直流电机PWM调速系统研究的背景和研究的目的及意义；并且介绍了直流电机控制系统的国内外研究现状及发展情况；PWM变频调速的发展前景；以及本课题的主要研究内容及预期目标做了简要说明。
