1前言
直流电机的优势是具有调速范围广、过载能力强、操作方便等优良调速特性。但直流电机也有其缺陷即电流的换向问题，电流换向消耗有色金属多，成本高，其维护检修也较为繁琐。因此，控制或改变直流电机的调速性能是电机制造业发展的趋势。由于直流电机在运行过程中需要承受频繁的冲击负载，进而实现频繁的无极快速起动、制动和反转，这对直流电机提出了更高的要求，因此要想满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，就要改变直流电机的调速系统，而传统的调速系统是通过改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术来实现的，但其有一定的缺陷即对噪声较为敏感，在模拟电路时随着时间的增加会产生一些不必要的热损耗，因此通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。PWM控制即脉冲宽度调制技术，该项技术能很好地降低成本和大幅度减少功耗，它具有低速特性好的优点，只靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流；由于PWM调速系统开关频率较高，可获得很宽的频带术，抗干扰能力强，主电路损耗小，能达到降低成本的目的，因此其应用十分广泛。本文以构成直流电机PWM调速控制器的单片机AT89S52、PIC16F877A为蓝本，通过双闭环直流脉宽调速系统进行改进设计，来调节控制参数，以达到用户标准的要求。
2系统组成
PWM技术它是对模拟信号进行数字编码的过程，其PWM信号仍然是数字的，它是利用脉冲宽度或占空比进行调压，利用改变脉冲周期进行调频，进而控制电动机转速。双闭环直流脉宽调速系统结构包括电流调节环在里面和转速调节环两部分，从而形成了转速、电流双闭环调速系统，这就可以实现转速和电流两种负反馈分别起作用。
3直流PWM脉宽控制调制器的设计
3.1系统结构原理
由于本设计采用的双闭环调速系统，因此可充分利用电机的允许过载能力，使系统用最大的加速度起动，到平稳转速后能让电流迅速降低下来，使电流呈方形波，使之能获得良好的静态和动态性能。本文所述的直流电机变速设计，其主处理器由AT89S52负责人机界面的信息交互；从处理器由PIC16F877A对主处理器信号和反馈信号进行处理。其工作原理是：当新的采样周期到来时，由光电编码器先测量电机速度，然后把此信号由PSP接口反馈到PIC16F877A从处理器，然后得到主处理器的给定速度，这时单片机系统根据给定速度与速度的反馈信号相比得出偏差，通过计算得出控制量后以PWM的形式输出驱动直流电机，这一过程就此结束。采用双闭环转速电流调节方法能保证系统的可靠性能，满足生产工艺的要求。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好地满足了生产需求。本直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是整个系统运行的基础，它为软件运行提供一个基本的平台。软件部分则是把硬件系统传送的信号进行采集、加工与处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。
3.2系统硬件设计
在系统的硬件设计中，主处理器AT89S52负责人机界面的信息交互，其结构由显示屏、键盘、数据通路三部分组成。显示部分由AT89S52的P1和P2两个口组成；键盘部分由INT0、INT1、CT0、CT1部分组成；系统有确认、退出、微调加和微调减四个按键组成；数据通路的PSP控制由8位数据线组成，可由AT89S52。在硬件设计中，单片机硬件尽可能采用功能强的芯片，这样可以简化电路，同时在设计硬件电路时，要留有余地，以方便今后修改或扩展。直流电机驱动电路设计时，需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N来驱动电机，同时还需要在电机的两端加四个二极管，避免电机反转时产生的强大冲击电流烧坏电机。
3.3系统软件设计
3.3.1总体程序
本调速控制系统软件在设计上采用模块设计方法，其下属的子块功能独立，既利于扩展，也利于正常调节。其过程是先进行数据采集，然后用PID调节规律进行运算，根据得出的偏差数据进行调节和修改，使系统达到最优化。本系统结构主要由主程序和中断服务程序构成，通过转速给定、反馈、转换、调节等过程进行整个系统的操作。具体讲，首先是对系统进行初始化并设定中断优先级；其次是检测上位机是否有命令发出，并根据情况进行处理；再次是检测交流电压是否同步，如果交流电压在上升则用单片机启动PWM信号；第四是检测电流是否过载，如果电流符合规定标准则进行入电流闭环调节模块；最后是检测当前电机转速是否达到设定值，如果达不到要求则进入速度闭环调节模块行调节。在本调速控制系统软件中，单片机是整个系统的中枢，各个软件程序就是组成交通中枢的条条大道，每个部分的模块化程序就是整个系统的重要组成部分。在整个系统中，硬件配置再高，软件编程不完善，也会直接影响单片机的工作效率。因此，只有软硬件相互匹配，参数配置合适，才能使整个程序在系统中能更好地运行，也会大大提高单片机的工作效率。
3.3.2设计要求
在设计双闭环直流调速系统时，要遵循一定的技术要求，这些技术要求是保证控制直流电机变速的重要参数。该系统的技术要求是：额定电压Ue=220V，额定电流Ie=94A；额定功率Pe=18kW；额定转速en=1000r/min；电枢回路总电阻R=0.45Ω；电磁时间常数T=0.0297s；机电时间常数Tm=0.427s；电动势系数eC=0.2059V*min/r；转速过滤时间常数sTon01.0=；电流反馈存储系数1133−=AKβ；转速反馈存储系数rKmin/17=∂；转速调节器采样周期sTsam01.0=；调速范围0-1000r/min;电流过载倍数：1.5倍;电流超调量%5≤iσ，运算放大器Ω=kR40，电流反馈系数AV/904.0=β晶体管PWM功率放大器：工作频率：2kHz；工作方式：H型双极性；
3.3.3系统控制小结
在本调速控制系统中，软件设计采用的中模块化设计思想，根据流程编写各程序，然后把各个模块组成一个完整的主程序。这种设计模式，使得无论是硬件还是软件，每一个模块都相对独立，使复杂的工作得以简化，也有利于今后调试和修改，实用性强。在该系统中，PWM软件实现方式采用的是软件延时方式，尽管在精度上有一定的误差，但基于不占用定时器资源这一优势，且误差在允许范围内，故其性能仍较好；PWM调速工作方式采用的是双极性工作制和定频调宽模式，因此电动机在运转时比较稳定，调速特性优良、调整平滑、调速范围广，具有可行性。
4结语
通过对双闭环直流调速系统的重新设计，使得脉冲宽度调制直流调速系统PWM技术与其他系统相比，有着许多无可比拟的优点，使控制精度大为提高，可达10位PWM精度，而且主辅处理器功能全面，既具有在线编程功能，亦能满足未来系统的升级要求，其应用性强，有着相当广阔的发展前景。
作者：李美菊 单位：德州职业技术学院
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