直流電機PWM調速系統中控制電壓非線(xiàn)性研究

0 引言
由于線(xiàn)性放大驅動(dòng)方式效率和散熱問(wèn)題嚴重，目前絕大多數直流電動(dòng)機采用開(kāi)關(guān)驅動(dòng)方式。開(kāi)關(guān)驅動(dòng)方式是半導體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調制PWM控制電動(dòng)機電樞電壓，實(shí)現調速。目前已有許多文獻介紹直流電機調速，宋衛國等用89C51單片機實(shí)現了直流電機閉環(huán)調速；張立勛等用AVR單片機實(shí)現了直流電機PWM調速；郭崇軍等用C8051實(shí)現了無(wú)刷直流電機控制；張紅娟等用PIC單片機實(shí)現了直流電機PWM調速；王晨陽(yáng)等用DSP實(shí)現了無(wú)刷直流電機控制。上述文獻對實(shí)現調速的硬件電路和軟件流程的設計有較詳細的描述，但沒(méi)有說(shuō)明具體的調壓調速方法，也沒(méi)有提及占空比與電機端電壓平均值之間的關(guān)系。在李維軍等基于單片機用軟件實(shí)現直流電機PWM調速系統中提到平均速度與占空比并不是嚴格的線(xiàn)性關(guān)系，在一般的應用中，可以將其近似地看作線(xiàn)性關(guān)系。但沒(méi)有做深入的研究。本文通過(guò)實(shí)驗驗證，在不帶電機情況下，PWM波占空比與控制輸出端電壓平均值之間呈線(xiàn)性關(guān)系；在帶電機情況下，占空比與電機端電壓平均值滿(mǎn)足拋物線(xiàn)方程，能取得精確的控制。本文的電機閉環(huán)調速是運用Matlab擬合的關(guān)系式通過(guò)PID控制算法實(shí)現。

1 系統硬件設計
本系統是基于TX-1C實(shí)驗板上的AT89C52單片機，調速系統的硬件原理圖如圖1所示，主要由AT89C52單片機、555振蕩電路、L298驅動(dòng)電路、光電隔離、霍爾元件測速電路、MAX 232電平轉換電路等組成。

2 系統軟件設計
系統采用模塊化設計，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，測速子程序及發(fā)送數據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產(chǎn)生PWM波，外部中斷1用于對傳感器的脈沖計數。定時(shí)器0用于對計數脈沖定時(shí)。測得的轉速通過(guò)串口發(fā)送到上位機顯示，通過(guò)PID模塊調整轉速到設定值。本實(shí)驗采用M／T法測速，它是同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此檢測時(shí)間內霍爾傳感器所產(chǎn)生的轉速脈沖信號的個(gè)數來(lái)確定轉速。由外部中斷1對霍爾傳感器脈沖計數，同時(shí)起動(dòng)定時(shí)器0，當計數個(gè)數到預定值2 000后，關(guān)定時(shí)器0，可得到計2 000個(gè)脈沖的計數時(shí)間，由式計算出轉速：
n=60f／K=60N／(KT) (1)
式中：n為直流電機的轉速；K為霍爾傳感器轉盤(pán)上磁鋼數；f為脈沖頻率；N為脈沖個(gè)數；T為采樣周期。

3 實(shí)驗結果及原因分析
3．1 端電壓平均值與轉速關(guān)系
3．1．1 實(shí)驗結果
實(shí)驗用的是永磁穩速直流電機，型號是EG-530YD-2BH，額定轉速2 000～4 000 r／min，額定電壓12 V。電機在空載的情況下，測得的數據用Matlab做一次線(xiàn)性擬合，擬合的端電壓平均值與轉速關(guān)系曲線(xiàn)如圖3(a)所示。相關(guān)系數R-square：0．952 1。擬合曲線(xiàn)方程為：
y=0．001 852x+0．296 3 (2)
由式(2)可知，端電壓平均值與轉速可近似為線(xiàn)性關(guān)系，根椐此關(guān)系式，在已測得的轉速的情況下可以計算出當前電壓。為了比較分析，同樣用Matlab做二次線(xiàn)性擬合，擬合的端電壓平均值與轉速關(guān)系曲線(xiàn)如圖3(b)所示。相關(guān)系數R-square：0．986 7。