交直流電機調速實驗裝置

1. 交直流調速系統控制系統結構及作用

正交調節系統由電動機、功率放大及轉換裝置、調節器及對應感測器等構成。其結構如圖0-1所示。電機是交直流系統的調節對象，包括直流電機和交流電機，用途上可以包括調速系統用的驅動電機和伺服系統用的伺服電機。功率放大轉換裝置分為電機型、電磁型、電力電子型等，現在多使用電力電子型。以電力電子器件為基礎的功率放大轉換裝置是弱電調節強電的介質介，其輸出電源的質量同時影響運動調節系統的運行狀態和性能。調節器分為模擬調節器和數字調節器兩種，現在大多使用全數字調節器。計算機調節技術的應用使對象主要參數的識別、調節系統主要參數的自整定和自學習、智能調節、故障診斷等殲派成為可能，大大提高了運動調節系統的智能化和系統的可靠性。信號檢查和處理需要相應的感測器，為了實現功率電路(強電)和調節器(弱電)之間的電絕緣，電壓電流感測器的輸出信號往往是連續的模擬量，但轉速和位置感測器的輸出信號取決於感測器的類型，可以是連續的模擬量，也可以是離散的數字量。運動調節系統的本質是反饋調節，需要感測器實時檢查系統運行狀態，構成反饋調節，執行故障問題分析和故障問題保障。調節理論是運動調節系統的理論基礎，是制導系統分析和設計的依據。新的調氏並賀節理論的產生也為各類新蔽雹型運動調節系統的研究和設計提供了理論依據。

2. 直流調速器的工作原理

直流調速器就是調節直流電動機速度的設備，上端和交流電源連接，下端和直流電動機連接，直流調速器將交流電轉化成兩路輸出直流電源，一路輸入給

直流電機礪磁（定子），一路輸入給直流電機電樞（轉子），直流調速器通過控制電樞直流電壓來調節直流電動機轉速。同時直流電動機給調速器一個反饋電流，調速器根據反饋電流來判斷直流電機的轉速情況，必要時修正電樞電壓輸出，以此來再次調節電機的轉速。

直流電機的調速方案一般有下列3種方式：
1、改變電樞電壓；（最長用的一種方案）
2、改變激磁繞組電壓；
3、改變電樞迴路電阻。

3. 關於電機拖動問題

這。。 好難啊。。

4. 直流電動機微機調速裝置操作實驗是否需要發電機並網

需要。直流電機調速器就是調節直流電動機速度的設備，上端和交流電源連接，下端和直流電動機連配畝逗接，直流調速器將交流電轉化成兩路輸出培賣直流電源，一路輸入給直流電機礪磁（定子），一路輸入給直流電機電樞（轉子），直流調速器通過控制電樞直流電壓來調節直流電動機轉速。同時直流電動機給調速器一個反饋電流，調速器根據反饋電流來判斷直流電機的轉速情況，必要耐缺時修正電樞電壓輸出，以此來再次調節電機的轉速。直流調速器就是調節直流電動機速度的設備，由於直流電動機具有低轉速大力矩的特點，是交流電動機無法取代的，因此調節直流電動機速度的設備—直流調速器，具有廣闊的應用天地。

5. 直流電機調速器的選擇

直流電機調速器的選擇應該根據實際應用需求來確定。以下是一些常用的直流電機調速器：

1. 變阻式電阻調速器：通過改變電動機繞組中的電阻來調節電動機的轉速，簡單可靠，但調速精度較低，效率低掘孝。

2. 變壓式電壓調速器：通過改變電動機端電壓來控制電動機的轉速，具有調速精度高、效率高的優點，但需根據不同的負載條件選用合適的電源電壓。

3. 脈寬調制(PWM)調速器：通過冊核控制脈沖寬度和頻率來調節電機的轉速，具有調速精度高、效率高、穩定性好的優點，但需要附加電解電容濾波器。

4. 矢量控制調速器：採用數字化的控制方式，通過實時測量電機的轉速、電流等參數，實現精確控制電機的轉速和轉矩，具有運行穩定性好、控制精度高的優點，但成本較高。

選擇哪種直流電機調速器，需要根據實際應判姿稿用需求、對調速精度、效率、運行穩定性的要求等綜合因素進行考慮，並結合成本和可靠性等方面綜合評估。

6. 直流電機速度單閉環調速系統設計及模擬 運動控制系統

士皓兄別來無恙，課程設計跟我們的差不多嘛！交直流調速挺難的哦

7. 交流電機如何調速

一、變極對數調速方法 ：改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動機定子極對數達到調速。

二、變頻調速方法 ：使用變頻器改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。

三、串級調速方法 ：串級調速是指繞線式電動機轉子迴路中串入可調節的附加電勢來改變電動機的轉差，達到調速的目的。

大部分轉差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產生附加的裝置，把吸收的轉差功率返回電網或轉換能量加以利用。根據轉差功率吸收利用方式，串級調速可分為電機串級調速、機械串級調速及晶閘管串級調速形式，多採用晶閘管串級調速。

四、繞線式電動機轉子串電阻調速方法： 線式非同步電動機轉子串入附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。串入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法設備簡單，控制方便，但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上。屬有級調速，機械特性較軟。

五、定子調壓調速方法 ：改變電動機的定子電壓時，從而獲得不同轉速。由於電動機的轉矩與電壓平方成正比，因此最大轉矩下降很多，其調速范圍較小，使一般籠型電動機難以應用。為了擴大調速范圍，調壓調速應採用轉子電阻值大的籠型電動機，如專供調壓調速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯頻敏電阻。

(7)交直流電機調速實驗裝置擴展閱讀：

額定轉速n=60f/p（1-s）=同步轉速N1（1-S） f電源頻率 p電機極對數 s轉差率

1.利用變頻器改變電源頻率調速，調速范圍大，穩定性平滑性較好，機械特性較硬。就是加上額定負載轉速下降得少。屬於無級調速。適用於大部分三相鼠籠非同步電動機。

2.改變磁極對數調速，屬於有級調速，調速平滑度差，一般用於金屬切削機床。3.改變轉差率調速。

（1）轉子迴路串電阻：用於交流繞線式非同步電動機。調速范圍小，電阻要消耗功率，電機效率低。一般用於起重機。

（2）改變電源電壓調速，調速范圍小，轉矩隨電壓降大幅度下降，三相電機一般不用。用於單相電機調速，如風扇。

（3）串級調速，實質就是就是轉子引入附加電動勢，改變它大小來調速。也只用於繞線電動機，但效率得到提高。

用單相電容式電機說明：

單相電機有兩個繞組，即起動繞組和運行繞組。兩個繞組在空間上相差90度。在起動繞組上串聯了一個容量較大的電容器，當運行繞組和起動繞組通過單相交流電時，由於電容器作用使起動繞組中的電流在時間上比運行繞組的電流超前90度角，先到達最大值。

在時間和空間上形成兩個相同的脈沖磁場，使定子與轉子之間的氣隙中產生了一個旋轉磁場，在旋轉磁場的作用下，電機轉子中產生感應電流，電流與旋轉磁場互相作用產生電磁場轉矩，使電機旋轉起來。

在實際應用中，交流電動機總是與生產機械相聯系，形成電力拖動系統。不同的生產機械要求不同的速度，即使同一個生產機械在不同的運行工況下，也需要不同的速度。

因而需要對拖動系統的運行速度加以調節，即產生了交流電動機調速.交流電動機，尤其是籠型感應電動機，由於沒有機械換向裝置，結構簡單、運行可靠、維護方便、造價低廉。

且有良好的節能效果，在單機容量和速度極限等方面都比直流電動機高;特別是在灰塵多、有爆炸危險的惡劣環境里，交流電動機更為適用。

8. 什麼是直流電機調速器 工作原理應用范圍

直流調速器是一種電機調速裝置，包括電機直流調速器、脈寬直流調速器、可控硅直流調速器等，一般為模塊式直流電機調速器，集電源、控制、驅動電路於一體，採用立體結構布局，控制電路採用微功耗元件，用光電耦合器實現電流、電壓的隔離變換，電路的比例常數、積分世裂凳常數和微分常數用PID適配器調整。具有體積小、重量輕等特點，可單獨使用也可直接安裝在直流電機上構成一體化直流調速電機，可具有調速器所應有的一切功能。

直流調速器就是調節直流電動機速度的設備，由於直流電搜旅動機具有低轉速大力矩的特點，是交流電動機無法取代的，因此調節直流電動機速度的設源穗備——直流調速器具有廣闊的應用天地。

適用場合

下列場合需要使用直流調速器：

1.需要較寬的調速范圍；

2.需要較快的動態響應過程；

3.加、減速時需要自動平滑的過度過程；

4.需要低速運轉時力矩大；

5.需要較好的挖土機特性，能將過載電流自動限制在設定電流上。

以上五點也是直流調速器的應用特點。

應用范圍

數控機床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設備、包裝機械、電工機械、食品加工機械、橡膠機械、生物設備、印製電路板設備、實驗設備、焊接切割、輕工機械、物流輸送設備、機車車輛、醫療設備、通訊設備、雷達設備、衛星地面接收系統等。

9. 單片機直流電機調速系統設計

論文題目：直流電動機調速器硬體設計
專業：自動化
本科生：劉小煜 （簽名）＿＿＿＿
指導教師：胡曉東 （簽名）＿＿＿＿

直流電動機調速器硬體設計
摘 要

直流電動機廣泛應用於各種場合,為使機械設備以合理速度進行工作則需要對直流電機進行調速。該實驗中搭建了基於C8051F020單片機的轉速單閉環調速系統，利用PWM信號改變電動機電樞電壓，並由軟體完成轉速單閉環PI控制，旨在實現直流電動機的平滑調速，並對PI控制原理及其參數的確定進行更深的理解。實驗結果顯示，控制8位PWM信號輸出可平滑改變電動機電樞電壓，實現電動機升速、降速及反轉等功能。實驗中使用霍爾元件進行電動機轉速的檢測、反饋。期望轉速則可通過功能按鍵給定。當選擇比例參數為0.08、積分參數為0.01時，電機轉速可以在3秒左右達到穩定。由實驗結果知，該單閉環調速系統可對直流電機進行調速，達到預期效果。

關鍵字：直流電機， C8051F020，PWM，調速，數字式

Subject: Hardware Design of Speed Regulator for DC motor
Major: Automation
Name: Xiao yu Liu (Signature)＿＿＿＿
Instructor:Xiao dong Hu (Signature) ＿＿＿＿

Hardware Design of Speed Regulator for DC motor
Abstract

The dc motor is a widely used machine in various occasions.The speed regulaiting systerm is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment,the digital Close-loop control systerm is based on C8051F020 SCM.It used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI regulator.According to experiment ,the armature voltage can be controlled linearnized with regulating the 8 bit PWM.So the dc motor can accelerate or decelerate or reverse.In experiment, hall component is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by key-press.With using the PI regulator,the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as 0.8 and I value as 0.01. At last,the experiment shows that the speed regulating systerm can work as expected.

Key words: dc motor,C8051F020,PWM,speed regulating,digital

目錄

第一章 緒論 1
1.1直流調速系統發展概況 1
1.2 國內外發展概況 2
1.2.1 國內發展概況 2
1.2.2 國外發展概況 3
1.2.3 總結 4
1.3 本課題研究目的及意義 4
1.4 論文主要研究內容 4
第二章 直流電動機調速器工作原理 6
2.1 直流電機調速方法及原理 6
2.2直流電機PWM(脈寬調制)調速工作原理 7
2.3 轉速負反饋單閉環直流調速系統原理 11
2.3.1 單閉環直流調速系統的組成 11
2.3.2速度負反饋單閉環系統的靜特性 12
2.3.3轉速負反饋單閉環系統的基本特徵 13
2.3.4轉速負反饋單閉環系統的局限性 14
2.4 採用PI調節器的單閉環無靜差調速系統 15
2.5 數字式轉速負反饋單閉環系統原理 17
2.5.1原理框圖 17
2.5.2 數字式PI調節器設計原理 18
第三章 直流電動機調速器硬體設計 20
3.1 系統硬體設計總體方案及框圖 20
3.1.1系統硬體設計總體方案 20
3.1.2 總體框圖 20
3.2 系統硬體設計 20
3.2.1 C8051F020單片機 20
3.2.1.1 單片機簡介 20
3.2.1.2 使用可編程定時器/計數器陣列獲得8位PWM信號 23
3.2.1.3 單片機埠配置 23
3.2.2主電路 25
3.2.3 LED顯示電路 26
3.2.4 按鍵控制電路 27
3.2.5 轉速檢測、反饋電路 28
3.2.6 12V電源電路 30
3.3硬體設計總結 31
第四章 實驗運行結果及討論 32
4.1 實驗條件及運行結果 32
4.1.1 開環系統運行結果 32
4.1.2 單閉環系統運行結果 32
4.2 結果分析及討論 32
4.3 實驗中遇到的問題及討論 33
結論 34
致謝 35
參考文獻 36
論文小結 38
附錄1 直流電動機調速器硬體設計電路圖 39
附錄2 直流電動機控制系統程序清單 42
附錄3 硬體實物圖 57

第一章 緒論
1.1直流調速系統發展概況
在現代工業中，電動機作為電能轉換的傳動裝置被廣泛應用於機械、冶金、石油化學、國防等工業部門中，隨著對生產工藝、產品質量的要求不斷提高和產量的增長，越來越多的生產機械要求能實現自動調速。
在可調速傳動系統中，按照傳動電動機的類型來分，可分為兩大類：直流調速系統和交流調速系統。交流電動機直流具有結構簡單、價格低廉、維修簡便、轉動慣量小等優點，但主要缺點為調速較為困難。相比之下，直流電動機雖然存在結構復雜、價格較高、維修麻煩等缺點，但由於具有較大的起動轉矩和良好的起、制動性能以及易於在寬范圍內實現平滑調速，因此直流調速系統至今仍是自動調速系統的主要形式。
直流調速系統的發展得力於微電子技術、電力電子技術、感測器技術、永磁材料技術、自動控制技術和微機應用技術的最新發展成就。正是這些技術的進步使直流調速系統發生翻天覆地的變化。其中電機的控制部分已經由模擬控制逐漸讓位於以單片機為主的微處理器控制，形成數字與模擬的混合控制系統和純數字控制系統，並正向全數字控制方向快速發展。電動機的驅動部分所用的功率器件亦經歷了幾次更新換代。目前開關速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術的使用也使新型的電動機控制方法能夠得到實現。脈寬調制控制方法在直流調速中獲得了廣泛的應用。
1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技術應用到電機傳動中從此為電機傳動的推廣應用開辟了新的局面。進入70年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強、可靠性高的大規模集成電路微處理器已經商品化，把電機控制推上了一個嶄新的階段，以微處理器為核心的數字控制（簡稱微機數字控制）成為現代電氣傳動系統控制器的主要形式。PWM常取代數模轉換器（DAC）用於功率輸出控制，其中，直流電機的速度控制是最常見的應用。通常PWM配合橋式驅動電路實現直流電機調速，非常簡單，且調速范圍大。在直流電動機的控制中，主要使用定頻調寬法。
目前，電機調速控制模塊主要有以下三種：
（1）、採用電阻網路或數字電位器調整直流電機的分壓，從而達到調速的目的；
（2）、採用繼電器對直流電機的開或關進行控制，通過開關的切換對電機的速度進行調整；
（3）、採用由IGBT管組成的H型PWM電路。用單片機控制IGBT管使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電動機轉速。
1.2 國內外發展概況
1.2.1 國內發展概況
我國從六十年代初試製成功第一隻硅晶閘管以來，晶閘管直流調速系統開始得到迅速的發展和廣泛的應用。用於中、小功率的 0.4～200KW晶閘管直流調速裝置已作為標准化、系列化通用產品批量生產。
目前，全國各大專院校、科研單位和廠家都在進行數字式直流調速系統的開發，提出了許多關於直流調速系統的控制演算法：
（1）、直流電動機及直流調速系統的參數辯識的方法。該方法據系統或環節的輸入輸出特性，應用最小二乘法，即可獲得系統環節的內部參數。所獲得的參數具有較高的精度，方法簡便易行。
（2）、直流電動機調速系統的內模控制方法。該方法依據內模控制原理，針對雙閉環直流電動機調速系統設計了一種內模控制器，取代常規的PI調節器，成功解決了轉速超調問題，能使系統獲得優良的動態和靜態性能，而且設計方法簡單，控制器容易實現。
（3）、單神經元自適應智能控制的方法。該方法針對直流傳動系統的特點，提出了單神經元自適應智能控制策略。這種單神經元自適應智能控制系統不僅具有良好的靜、動態性能，而且還具有令人滿意的魯棒性與自適應性。
（4）、模糊控制方法。該方法對模糊控制理論在小慣性系統上對其應用進行了嘗試。經1.5kw電機實驗證明，模糊控制理論可以用於直流並勵電動機的限流起動和恆速運行控制，並能獲得理想的控制曲線。
上訴的控制方法僅是直流電機調速系統應用和研究的一個側面，國內外還有許多學者對此進行了不同程度的研究。
1.2.2 國外發展概況
隨著各種微處理器的出現和發展，國外對直流電機的數字控制調速系統的研究也在不斷發展和完善，尤其80年代在這方面的研究達到空前的繁榮。大型直流電機的調速系統一般採用晶閘管整流來實現，為了提高調速系統的性能，研究工作者對晶閘管觸發脈沖的控制演算法作了大量研究，提出了內模控制演算法、I-P控制器取代PI調節器的方法、自適應和模糊PID演算法等等。
目前，國外主要的電氣公司，如瑞典ABB公司，德國西門子公司、AEG公司，日本三菱公司、東芝公司、美國GE公司等，均已開發出數字式直流調裝置，有成熟的系列化、標准化、模版化的應用產品供選用。如西門子公司生產的SIMOREG-K 6RA24 系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數字控制裝置，其結構緊湊，用於直流電機電樞和勵磁供電，完成調速任務。設計電流范圍為15A至1200A，並可通過並聯SITOR可控硅單元進行擴展。根據不同的應用場合，可選擇單象限或四象限運行的裝置，裝置本身帶有參數設定單元，不需要其它任何附加設備便可以完成參數設定。所有控制調節監控及附加功能都由微處理器來實現，可選擇給定值和反饋值為數字量或模擬量。
1.2.3 總結
隨著生產技術的發展，對直流電氣傳動在起制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態特性、動態響應等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用直流調速系統。因此人們對直流調速系統的研究將會更深一步。
1.3 本課題研究目的及意義
直流電動機是最早出現的電動機，也是最早實現調速的電動機。長期以來，直流電動機一直占據著調速控制的統治地位。由於它具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，高效率，優異的動態特性，現在仍是大多數調速控制電動機的最優選擇。因此研究直流電機的速度控制，有著非常重要的意義。
隨著單片機的發展，數字化直流PWM調速系統在工業上得到了廣泛的應用，控制方法也日益成熟。它對單片機的要求是：具有足夠快的速度；有PWM口，用於自動產生PWM波；有捕捉功能，用於測頻；有A/D轉換器、用來對電動機的輸出轉速、輸出電壓和電流的模擬量進行模/數轉換；有各種同步串列介面、足夠的內部ROM和RAM，以減小控制系統的無力尺寸；有看門狗、電源管理功能等。因此該實驗中選用Cygnal公司的單片機C8051F020。
通過設計基於C8051F020單片機的直流PWM調速系統並調試得出結論，在掌握C8051F020的同時進一步加深對直流電動機調速方法、PI控制器的理解，對運動控制的相關知識進行鞏固。
1.4 論文主要研究內容
本課題的研究對象為直流電動機，對其轉速進行控制。基本思想是利用C8051F020自帶的PWM口，通過調整PWM的占空比，控制電機的電樞電壓，進而控制轉速。
系統硬體設計為：以C8051F020為核心，由轉速環、顯示、按鍵控制等電路組成。
具體內容如下：
（1）、介紹直流電動機工作原理及PWM調速方法。
（2）、完成以C8051F020為控制核心的直流電機數字控制系統硬體設計。
（3）、以該系統的特點為基礎進行分析，使用PWM控制電機調速，並由實驗得到合適的PI控制及相關參數。
（4）、對該數字式直流電動機調速系統的性能做出總結。

第二章 直流電動機調速器工作原理
2.1 直流電機調速方法及原理
直流電動機的轉速和各參量的關系可用下式表示：

由上式可以看出，要想改變直流電機的轉速，即調速，可有三種不同的方式：調節電樞供電電壓U，改變電樞迴路電阻R，調節勵磁磁通Φ。
3種調速方式的比較表2-1所示.
表2-1 3種電動機調速方式對比
調速方式和方法 控制裝置 調速范圍 轉速變化率 平滑性 動態性能 恆轉矩或恆功 率 效率
改變電樞電阻 串電樞電阻 變阻器或接觸器、電阻器 2:1 低速時大 用變阻器較好
用接觸器、電阻器較差 無自動調節能力 恆轉矩 低
改變電樞電壓 電動機-發電機組 發電機組或電機擴大機（磁放大器） 10:1～20:1 小 好 較好 恆轉矩 60%～70%
靜止變流器 晶閘管變流器 50:1～100:1 小 好 好 恆轉矩 80%～90%
直流脈沖調寬 晶體管或晶閘管直流開關電路 50:1～100:1 小 好 好 恆轉矩 80%～90%
改變磁通 串聯電阻或可變直流電源 直流電源變阻器 3:1
～
5:1 較大 差 差 恆功率 80%～90%
電機擴大機或磁放大器 好 較好
晶閘管變流器 好

由表2-1知，對於要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最佳，而變電樞電壓調速方法亦是應用最廣的調速方法。
2.2直流電機PWM(脈寬調制)調速工作原理
在直流調速系統中，開關放大器提供驅動電機所需要的電壓和電流，通過改變加在電動機上的電壓的平均值來控制電機的運轉。在開關放大器中，常採用晶體管作為開關器件，晶體管如同開關一樣，總是處在接通和斷開的狀態。在晶體管處在接通時，其上的壓降可以略去；當晶體管處在斷開時，其上的壓降很大，但是電流為零，所以不論晶體管導通還是關斷，輸出晶體管中的功耗都是很小的。一種比較簡單的開關放大器是按照一個固定的頻率去接通和斷開放大器，並根據需要改變一個周期內「接通」和「斷開」的相位寬窄，這樣的放大器被稱為脈沖調制放大器。
PWM脈沖寬度調制技術就是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術。
根據PWM控制技術的特點，到目前為止主要有八類方法：相電壓控制PWM、線電壓控制PWM、電流控制PWM、非線性控制PWM，諧振軟開關PWM、矢量控制PWM、直接轉矩控制PWM、空間電壓矢量控制PWM。
利用開關管對直流電動機進行PWM調速控制原理圖及輸入輸出電壓波形如圖2-1、圖2-2所示。當開關管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端由電壓。秒後，柵極輸入變為低電平，開關管截止，電動機電樞兩端電壓為0。秒後，柵極輸入重新變為高電平，開關管的動作重復前面的過程。這樣，對應著輸入的電平高低，直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖2-2所示。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值為：

式2-1

式中 ——占空比，
占空比表示了在一個周期里，開關管導通的時間與周期的比值。的變化范圍為0≤≤1。由式2-1可知，當電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決於占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的，這就是PWM調速原理。
在PWM調速時，占空比是一個重要參數。以下是三種可改變占空比的方法：
（1）、定寬調頻法:保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。
（2）、調寬調頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。
（3）、定頻調寬法：保持周期（或頻率）不變，同時改變、。
前2種方法由於在調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統的固有頻率接近時，將會引起振盪，因此應用較少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用第3種方法。

圖2-1 PWM調速控制原理

圖2-2 輸入輸出電壓波形
產生PWM控制信號的方法有4種，分別為：
（1）、分立電子元件組成的PWM信號發生器
這種方法是用分立的邏輯電子元件組成PWM信號電路。它是最早期的方式，現在已經被淘汰了。
（2）、軟體模擬法
利用單片機的一個I/O引腳，通過軟體對該引腳不斷地輸出高低電平來實現PWM信號輸出。這種方法要佔用CPU大量時間，需要很高的單片機性能，易於實現，目前也逐漸被淘汰。
（3）、專用PWM集成電路
從PWM控制技術出現之日起，就有晶元製造商生產專用的PWM集成電路晶元，現在市場上已有許多種。這些晶元除了由PWM信號發生功能外，還有「死區」調節功能、保護功能等。在單片機控制直流電動機系統中，使用專用PWM集成電路可以減輕單片機負擔，工作也更可靠。
（4）、單片機PWM口
新一代的單片機增加了許多功能，其中包括PWM功能。單片機通過初始化設置，使其能自動地發出PWM脈沖波，只能在改變占空比時CPU才進行干預。
其中常用後兩中方法獲得PWM信號。實驗中使用方法（4）獲得PWM信號。
2.3 轉速負反饋單閉環直流調速系統原理
2.3.1 單閉環直流調速系統的組成
只通過改變觸發或驅動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達到調節電動機轉速的目的，稱為開環調速系統。但開環直流調速系統具有局限性：
（1）、通過控制可調直流電源的輸入信號，可以連續調節直流電動機的電樞電壓，實現直流電動機的平滑無極調速，但是，在啟動或大范圍階躍升速時，電樞電流可能遠遠超過電機額定電流，可能會損壞電動機，也會使直流可調電源因過流而燒毀。因此必須設法限制電樞動態電流的幅值。
（2）、開環系統的額定速降一般都比較大，使得開環系統的調速范圍D都很小，對於大部分需要調速的生產機械都無法滿足要求。因此必須採用閉環反饋控制的方法減小額定動態速降，以增大調速范圍。
（3）、開環系統對於負載擾動是有靜差的。必須採用閉環反饋控制消除擾動靜差
為克服其缺點，提高系統的控制質量，必須採用帶有負反饋的閉環系統，方框圖如圖2-3所示。在閉環系統中，把系統輸出量通過檢測裝置（感測器）引向系統的輸入端，與系統的輸入量進行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號。利用此偏差信號通過控制器（調節器）產生控製作用，自動糾正偏差。因此，帶輸出量負反饋的閉環控制系統能提高系統抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用於各類自動調節系統中。

10. 求《直流電機測速》實驗電路圖。

直流電機控制電路

伺服電機是一種傳統的電機。它是自動裝置的執行元件。伺服電機的最大特點是可控。在有控制信號時，伺服電機就轉動，且轉速大小正比於控制電壓的大小。去掉控制電壓後，伺服電機就立即停止轉動。伺服電機的應用甚廣，幾乎所有的自動控制系統都需要用到。在家電產品中，例如錄相機、激光唱機等都是不可缺少的重要組成部分。
1．簡單伺服電機的工作原理

圖22示出了伺服電機的最簡單的應用。電位器RV1由伺服電機帶動。電機可選用電流不超過700mA，電壓為12～24V的任一種伺服電機。圖中RV1和RV2是接成惠斯登(Wheatstone)電橋。集成電路LM378是雙路4瓦功率放大器，也以橋接方式構成電機驅動差分放大器。
當RV2的任意變化，都將破壞電橋的平衡，使RV1—RV2之間產生一差分電壓，並且加以放大後送至電機。電機將轉動，拖動電位器RV1到新的位置，使電橋重新達到新的平衡。所以說，RV1是跟蹤了RV2的運動。

圖23是用方塊圖形式，畫出了測速感測器伺服電機系統，能用作唱機轉盤精密速度控制的原理圖。電機用傳統的皮帶機構驅動轉盤。轉盤的邊緣，用等間隔反射條文圖形結構。用光電測速計進行監視和檢測。光電測速計的輸出信號正比於轉盤的轉速。把光電測速計輸出信號的相位和頻率，與標准振盪器的相位和頻率進行比較，用它的誤差信號控制電機驅動電路。因此，轉盤的轉速就精確地保持在額定轉速上。額定轉速的換檔，可由操作開關控制。這些控制電路，已有廠家做成專用的集成電路。
2．數字比例伺服電機

伺服電機的最好類型之一，是用數字比例遙控系統。實際上這些裝置是由三部份組成：採用集成電路、伺服電機、減速齒輪盒電位器機構。圖24是這種系統的方塊圖。電路的驅動輸入，是用周期為15ms而脈沖寬度為1～2ms的脈沖信號驅動。輸入脈沖的寬度，控制伺服機械輸出的位置。例如：1ms脈寬，位置在最左邊；1.5ms在中是位置，2ms在最右邊的位置。
每一個輸入脈沖分三路同時傳送。一路觸發1.5ms脈寬的固定脈沖發生器。一路輸入觸發脈沖發生器，第三路送入脈寬比較電路。用齒輪盒輸出至RV1，控制可變寬度的脈沖發生器。這三種脈沖同時送到脈寬比較器後，一路確定電機驅動電路的方向。另一路送給脈寬擴展器，以控制伺服電機的速度，使得RV1迅速驅動機械位置輸出跟隨輸入脈寬的任何變化。
上述伺服電機型常用於多路遙控系統。圖25示出了四路數字比例控制系統的波形圖。

從圖中可以看出是串列數據輸入，經過解碼器分出各路的控制信號。每一幀包含4ms的同步脈沖，緊接在後面的是四路可變寬度(1～2ms)順序的「路」脈沖。解碼器將四路脈沖變換為並行形式，就能用於控制伺服電機。
3．數字伺服電機電路
數字伺服電機控制單元，可以買到現成的集成電路。例如ZN409CE或NE544N型伺服電機放大器集成電路。圖26和圖27示出了這兩種集成電路的典型應用。

圖中元件值適用於輸入脈沖寬度為1～2ms，幀脈沖寬度大約為18ms的情況。
圖28是適用上述伺服電機型的通用測試電路。伺服電源電池通常為5V。輸入脈沖經標準的伺服插座送到伺服電路。幀脈沖的寬度為13—28ms；用RV1調節控制。RV2調節控制脈沖寬度在1—2ms之間。用RV4微調中間值為1.5ms．輸出電平由RV3進行調節。

兩個集成電路為時基電路CMOS7555型，電源電壓可以低到3V仍然工作。IC1為無穩多諧振盪器，產生幀時間脈沖，它的輸出觸發IC2。而IC2是一個單穩電路，產生輸出測試脈沖。
http://www.autooo.net/classid48-id13154.html
http://www.elecfans.com/article/88/131/190/2009/2009021624847.html
供參考