直流電機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)動方式效率和散熱問題嚴重，目前絕大多數(shù)直流電動機采用開關驅(qū)動方式。開關驅(qū)動方式是半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。目前已有許多文獻介紹直流電機調(diào)速，宋衛(wèi)國等用89C51單片機實現(xiàn)了直流電機閉環(huán)調(diào)速；張立勛等用AVR單片機實現(xiàn)了直流電機PWM調(diào)速；郭崇軍等用C8051實現(xiàn)了無刷直流電機控制；張紅娟等用PIC單片機實現(xiàn)了直流電機PWM調(diào)速；王晨陽等用DSP實現(xiàn)了無刷直流電機控制。上述文獻對實現(xiàn)調(diào)速的硬件電路和軟件流程的設計有較詳細的描述，但沒有說明具體的調(diào)壓調(diào)速方法，也沒有提及占空比與電機端電壓平均值之間的關系。在李維軍等基于單片機用軟件實現(xiàn)直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)中提到平均速度與占空比并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可以將其近似地看作線性關系。但沒有做深入的研究。本文通過實驗驗證，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性關系；在帶電機情況下，占空比與電機端電壓平均值滿足拋物線方程，能取得精確的控制。本文的電機閉環(huán)調(diào)速是運用Matlab擬合的關系式通過PID控制算法實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設計
本系統(tǒng)是基于TX-1C實驗板上的AT89C52單片機，調(diào)速系統(tǒng)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(qū)動電路、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(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)采用模塊化設計，軟件由1個主程序，3個中斷子程序，即外部中斷0、外部中斷1，定時器0子程序，PID算法子程序，測速子程序及發(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(shù)。定時器0用于對計數(shù)脈沖定時。測得的轉速通過串口發(fā)送到上位機顯示，通過PID模塊調(diào)整轉速到設定值。本實驗采用M／T法測速，它是同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)霍爾傳感器所產(chǎn)生的轉速脈沖信號的個數(shù)來確定轉速。由外部中斷1對霍爾傳感器脈沖計數(shù)，同時起動定時器0，當計數(shù)個數(shù)到預定值2 000后，關定時器0，可得到計2 000個脈沖的計數(shù)時間，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為霍爾傳感器轉盤上磁鋼數(shù)；f為脈沖頻率；N為脈沖個數(shù)；T為采樣周期。

3 實驗結果及原因分析
3．1 端電壓平均值與轉速關系
3．1．1 實驗結果
實驗用的是永磁穩(wěn)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(shù)據(jù)用Matlab做一次線性擬合，擬合的端電壓平均值與轉速關系曲線如圖3(a)所示。相關系數(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，端電壓平均值與轉速可近似為線性關系，根椐此關系式，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做二次線性擬合，擬合的端電壓平均值與轉速關系曲線如圖3(b)所示。相關系數(shù)R-square：0．986 7。