用單片機控制直流電機
關鍵詞：調速；直流電動機；PWM控制；PI控制器
1 直流電動機PWM控制系統
1.1直流電動機PWM控制系統原理。PWM控制技術一直是變頻技術的核心技術之一。它通過分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。
直流電動機PWM控制系統有可逆和不可逆系統之分。可逆系統是指電動機可以正反兩個方向旋轉；不可逆系統是指電動機只能單方向旋轉。對于可逆系統，又可分為單極性驅動和雙極性驅動兩種方式[1]。這里只研究雙極性驅動。
1.2H型雙極性可逆PWM驅動系統控制原理。“H”型是雙極性驅動電路的一種，也稱為橋式電路。如圖1所示。其電路是由四個開關管和四個續(xù)流二極管組成，單電源供電。四個開關管分為兩組，V1和V4為一組，V2和V3為另一組。同一組的開關管同步導通或關斷，不同組的開關管的導通與關斷正好相反。
在每個PWM周期里，當控制信號Vi1高電平時，開關管V1和V4導通，此時Vi2為低電平，因此V2和V3截止。電樞繞組承受從A到B的正向電壓；當控制信號Vi1為低電平時，開關管V1和V4截止，此時Vi2為高電平，因此V2和V3導通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓，這就是所謂的“雙極”。
由于在一個PWM周期里電樞電壓經歷了正反兩次變化，因此其平均電壓U0可以用下式決定：
U0=（■-■）US=（2■-1）US=（2a-1）US（1）
 可見，雙極性可逆PWM驅動時，電樞繞組所承受的平均電壓取決于占空比α大小。當α=0時，U0=-US，電動機反轉，且轉速*大；當α=1時，U0=US，電動機正轉，轉速*大；當時，α=1/2時U0=0，電動機不轉，但電樞繞組中仍然有交變電流流動，使電動機產生高頻振蕩，這種振蕩有利于克服電動機負載的靜摩擦，提高動態(tài)性能。
 2 調速系統的設計
 對于一個控制系統而言，*關鍵的是控制器的設計，控制器設計的好壞關系到控制系統性能的優(yōu)劣。控制器要求實時性強，通用性強，具有較強的智能，在滿足性能指標的前提下應盡可能的簡單。
PI控制器相當于在系統中增加了一個位于原點的開環(huán)極點，同時也增加了一個位于S左半平面的開環(huán)零點。位于原點的極點可以提高系統的型別，以消除或提高系統的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統的穩(wěn)態(tài)性能。而增加的負實零點則用來提高系統的阻尼度，緩和PI控制器極點對系統穩(wěn)定性產生的不利影響。只要積分時間常數Ti足夠大，PI控制器對系統穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱。在控制系統中，PI控制器主要用于改善控制系統的穩(wěn)態(tài)性能[2]。
 閉環(huán)調速系統的轉速和電流調節(jié)器都采用PI調節(jié)器。采用PI調節(jié)器的自動控制系統。
從傳遞函數看，自動調節(jié)系統為：
 ■=WP1（S）=KP■=KP+■（2）
U1可分成比例部分U1P，和積分部分U1I，其中，比例部分與偏差成正比積分部分同偏差的積分有關，把兩部分加起來，就是調節(jié)器的輸出信號U1。
 當偏差信號ε是階躍信號時，比例部分會突然加大，而積分部分則按線性增長，經過一定時間后，U1輸出達到限幅值。而實際系統中，偏差信號ε只是一開始突跳，隨著輸出信號USC的增長，偏差信號ε便逐漸降低，U1是否能夠升到限幅值，就要看U1的增長和ε的衰減哪一方更快。如果調節(jié)對象的時間常數遠大于調節(jié)器的時間常數，則ε下降較慢，由于調節(jié)器的積分作用，盡管在下降，U1仍繼續(xù)增長，在ε衰減到零以前U1還來得及升到限幅值[3]。如果調節(jié)對象的時間常數較小，則ε衰減較快，當積分量還來不及把U1抬高到限幅值以前，ε已經衰減到零，U1也就不能再增長，這時積分器不會飽和。
 在動態(tài)過程中，PI調節(jié)器輸出電壓U1是否飽和對系統的輸出波形很有影響。若U1一旦飽和，只有ε變負，即USC＞Usr時，才有可能使它退出飽和，因此必然超凋。
3 直流脈寬調速系統的機械特性
由于采用了脈寬調制，嚴格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，五金加工脈寬調速系統的轉矩和轉速也都是脈動的[4]。所謂穩(wěn)態(tài)，是指電動機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉速與平均轉矩（電流）的關系。采用不同形式的PWM變換器，系統的機械特性也不一樣。對于雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關系式比較簡單。
US=Rid+L■+E（0≤t<ton）（3）
 -US=Rid+L■+E （ton≤t<T）（4）
式中的R.L分別為電樞電路的電阻和電感。
 電樞兩端在一個周期內的平均電壓是Ud=γUS（其中占空比ρ和電壓系數γ的關系是γ=2ρ-1）。平均電流和轉矩分別用Id和Te表示，平均轉速n=E/Ce，而電樞電感壓降L■的平均值在穩(wěn)態(tài)時應為零。