目錄TOC\o"1-2"\h\z[摘要] 2一、題目分析 3二、設計論證 3（一）微電機的選擇 3（二）現在普遍采用單片機作為電動機的控制器 3（三）直流電動機電樞的PWM的調壓調速原理 3（四）轉速檢測的選擇 4三、控制系統的硬件 6（一）單片機 6（二）PWM調壓原理 6（三）L298N的直流控制 8（四）增量式光電編碼盤的工作原理 9（五）光電碼盤與單片機的接口 10四、系統的軟件設計 11（一）應用軟件設計的基本要求 11（二）系統軟件設計 11（三）流程圖 11五、測試方法及結果 12（一）測試過程及方法 12（二）測試結果 12六、誤差分析及處理 12附圖（原理圖） 13程序 14結束語 17致謝詞 18外文資料翻譯 19參考文獻 24微電機閉環控制系統XXX[摘要]本文介紹了用8051單片機實現的微電機閉環控制系統。該系統可實現微電機的正反轉、無級調速等。速度調節采用PWM，速度檢測采用增量式編碼盤作為反饋檢測元件，將轉速轉換成脈沖信號。在工業控制中，需經常對轉速進行控制。由于直流電動機具有良好的轉速特性，常用于寬范圍內平滑調速、起制動性能好的自動控制系統中。本文論述的是用單片機實現的微電機閉環控制系統。電動機調速系統采用單片微型處理機實現數字化控制，是電氣傳動發展的主要方向之一。數字量的運算不會出現模擬電路中所遇到的零點漂移問題，被控量可以很大，也可以很小，都較易保證足夠的控制精度。文中將介紹單片機用作直流電動機速度調節器的硬件和軟件。[關鍵詞]8051單片機微電機閉環控制系統TheMiniatureMotorClosed-loopcontrolsystemAutor:panjianfeng[Abstract]Thistextintroductionclosewith8051pairthatone-chipcomputerrealizetheminiaturemotorcontrolsystematic.Thesystermthatthistextintroducedtorealizewith8051machinestheminiaturemotorforwardandreback、havenoclassregulatespeedect.RegulatespeeddoptthePWM,andtheflat-outexaminationadopttoincreasethedealtypelighttelegraphiccodethedishtobeusedastheflat-outandversatoexaminethedollarthepiece,andwillturntosoonconvertpulsesignal.Motortransferspeedadoptsinglesliceofmicroprocessorsrealizethatdigitalizationiscontrolledsystematically,Itisoneofthemainsdirectionofelectrictransmissiondevelopment.Digitaloperationofquantitycanappearsimulationcircuitzeropointrunintodriftaboutthequestion,Itiscanverysmalltooeasiertoguaranteeenoughprecisionofcontrolifpersonwhoisaccuseofiscanveryheavy.Singlesliceofintroductionoftextlieutenantgeneralthepulsesignalproceedingforhardwareformachineusedtoingthedirectcurrentmotivecontrolingwithsoftware,thatsystempassingtheversaofcodedishregulatetorealizethewreathcontrolofshuttingofrighttinyelectricalengineering.[Keywords]8051One-chipcomputerMiniatureMotorClosed-loopcontrolsystem一、題目分析微電機的閉環控制系統就是用微機實現微電機的正反轉、速度調節，能實現無級調速，具有閉環控制的系統。該系統具有技術先進、經濟合理、維護方便、應用范圍廣等特點。主要應用于家用電器、機器人、軍事等領域。二、設計論證微電機，就是指容量和尺寸都比較微小的電機。（一）微電機的選擇直流電動機是依靠直流電源運行的電動機。與交流電動機比較，其特點：（1）使用直流電源，尤其適用于干電池、蓄電池一類獨立直流電源；（2）電動機的轉速依賴于電動機參數及電壓，原則上可設計成任一轉速運行，而且轉速易于調節與控制。（3）除了無刷直流電動機外，具有接觸式換向器，易磨損，可靠性比異步電動機差，換向過程產生火花與無線電干擾。（4）在相同功率和轉速時，直流電動機價格比異步電動機高。因此，直流電動機宜用于要求啟動轉矩高且容易允許轉速變化，或要求調節轉速及配上穩速裝置后，在電源電壓和負載變化情況下轉速恒定，或要求使用電池以便攜帶等場合的一些機械的驅動，如生產自動化裝置、自動化儀表、錄音機、攜便式電動類日用電器及電動玩具等。（二）現在普遍采用單片機作為電動機的控制器實際上可作為電動機控制器的元件還有多種，例如工業控制計算機、可編程控制器（PLC）、數字信號處理器（DSP）。工業控制計算機可謂功能最強大，它有極高的速度、強大的運算能力和接口功能、方便的軟件環境；但由于成本高、體積大、所以只用于大型控制系統。可編程控制器則正好相反，它只能完成邏輯判斷、定時、計數和簡單的運算。由于功能太弱，所以只能用于簡單的電動機控制。單片機介于工業控制計算機和可編程控制器之間，它有較強的控制功能、低廉的成本。人們在選擇電動機的控制器時，常常是在先滿足功能的需要的同時，優先選擇成本低的控制器。因此，單片機往往成為優先選擇的目標。（三）直流電動機電樞的PWM的調壓調速原理眾所周知，直流電動機轉速n的表達式為n=（1-3）式中U—電樞端電壓；I—電樞電流；R—電樞電路總電阻；Ф—每極磁通量；K—電動機結構參數由此式可得，直流電動機的轉速控制方法可分為兩種，對勵磁磁通進行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進行控制的電樞控制法。其中勵磁控制法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換相火花和換相器結構強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態響應較差，所以這種控制方法用的很少。現在大多數應場合都使用電樞控制法。線性放大驅動方式是使半導體功率器件工作在線性區。這種方式的優點是：控制原理簡單、輸出波動小、線性好、對臨近電路的干擾小；但功率器件在線性區工作時會將大部分電功率用于產生熱量。效率和散熱問題嚴重，因此這種方式只用于數瓦以下的微小功率直流電動機的驅動。絕大多數電動機采用開關驅動方式。開關驅動方式是使半導體功率器件工作在開關狀態，通過脈寬調制PWM來控制電動機電樞電壓，實現調速。1、在PWM調速時，占空比α是一個重要參數。以下3種方法都可以改變占空比的值。（1）定寬調制法這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T也隨之改變。（2）調寬調頻法這種方法是保持t2不變，只改變t1，這樣使周期T也隨之改變。（3）定頻調寬法這種方法是使周期T保持不變，而同時改變t1和t2。前2種方法由于在調速時改變了控制脈沖的周期，當控制脈沖的頻率與系統的固有的頻率接近時，將會引起震蕩，因此這2種方法用的很少。目前在直流電動機的控制中，主要使用定頻調寬法。2、PWM控制信號的產生方法有4種。（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，現在已被淘汰了。（2）軟件模擬法利用單片機的一個I/O引腳，通過軟件對該引腳不斷地輸出高低電平來實現PWM波輸出。這種方法要占用CPU大量時間，同時單片機無法進行其他工作，因此也逐漸被淘汰。（3）專用PWM集成電路從PWM控制技術出現之日起，就有芯片制造商生產專用的PWM集成電路芯片，現在市場上已有很多種。這些芯片除了有PWM信號發生功能外，還有“死區”調節功能、保護功能等，在用單片機控制直流電動機中，使用專用PWM集成電路可以減輕單片機的負擔，工作更可靠。3、單片機的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，只有在改變占空比時CPU才進行干預。（四）轉速檢測的選擇用測速發電機測速用直流測速發電機測速是比較簡單的。只要經過適當的濾波電路濾去雜波，再經過模數轉換，就可輸入計算機。考慮到轉速有正有負，測速發電機的輸出電壓也有正有負，設計模數轉換電路時，應當考慮負電壓的轉換問題。2、用微機中的定時/計數器測速除了用測速發電機測速外，也可以用微機中的定時/計數器配合增量式光電碼盤的輸出信號而測出轉速。具體的方法有M法、T法和M/T法三種。（1）M法測速M法測速是在規定的檢測時間T秒內，對光電碼盤輸出的脈沖個數m1進行計數。轉速為：n=（1-4-1）式中P—光電碼盤轉一周發出的脈沖數。實際上在T內的脈沖數m1一般不是整數，而用微機中的定時/計數器測得的脈沖個數只能是整數部分，因而存在著量化誤差。例如要求誤差小于百分之一，則m1應大于100。在一定的轉速下要增大m1以減小誤差，可增大檢測時間T；但考慮到光電碼盤測速的主要目的是在數字伺服系統中測取速度反饋量供速度閉環使用，故檢測時間T也不能太長，一般在0.01s以下。由此可見，減小量化誤差的方法最好是增加光電碼盤每周輸出脈沖數P。M法測速適合于測量高轉速，因為在P及T相同的條件下，高轉速時m1較大，量化誤差較小。（2）T法測速T法測速是在碼盤輸出的一個脈沖周期內對高頻時鐘脈沖的個數m2進行計數。轉速為：n=（1-4-2）式中f0—高頻時鐘脈沖的頻率。為了減小量化誤差，m2不能太小，所以T法在測低轉速時精度較高。當然，轉速也不宜太低，以免碼盤發出的一個脈沖周期太長，影響測量的快速性。為了提高測速的快速性，應當選用P值較大的光電碼盤。（3）M/T法測速M/T法測速是在稍大于規定時間T的某一時間T1內，分別對光電碼盤輸出的脈沖個數m1和高頻時鐘脈沖個數m2進行計數。于是可求出轉速n=（1-4-3）T1的開始和結束都應當正好是光電碼盤脈沖的上跳沿，這樣就可保證檢測的精度。通過比較論證，此系統的設計采用單片機控制直流微電機，用專門的PWM集成電路產生的脈沖，定頻調寬法進行調壓調速，用微機中的定時/計數器配合增量式光電碼盤M/T法的輸出信號而測出轉速反饋到輸入端進行調節完成閉環控制。此系統的方框圖如圖所示。圖（2-1）三、控制系統的硬件微電機控制系統的組成如圖（3-1）直流電動機單片機直流電動機單片機PWMMPWMM控制鍵控制鍵碼盤碼盤圖（3-1）（一）單片機89C52芯片是MCS-51系列的單片機，管腳與8031芯片是完全兼容的，并且89C52芯片內部帶有8K在系統可編程的閃速存儲器，具有256*8位的內部存儲器RAM，32根可編程的I/O線，5個中斷源，不需要擴展外存儲器，節省了芯片，降低了成本，也節約了接口資源。89C52還有功耗低的優點，采用單CPU系統是為了不間斷地輸出PWM控制信號。（二）PWM調壓原理圖3-2-1是利用開關管對直流電動機進行PWM調速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖3-2-1（a）中，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有電壓Us。t1秒后，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。t2秒后，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，對應著輸入電平的高低。直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖3-2-1（b）所示。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值U0為U0===αUs(3-2-1)式中α—占空比，α=占空比α表示了在一個周期T里，開關管的導通時間與周期的比值。α的變化范圍為0≦α≦1。由式（3-2-1）可知，當電源電壓Us不變的情況下，電樞的端電壓的平均值U0取決于占空比α的大小，改變α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。…….m1…….m1m2TcTdabctPLG圖（3-2-2）M／T法測速（如圖3-2-2）是在對光電脈沖發生器輸出脈沖個數m1計數的同時，對高頻脈沖的個數m2也進行計數。m1反映轉角，m2反映測速時間，通過計算可得轉速值n。該法在高速及低速時都具有較高的精度。測速時間Td由脈沖發生器脈沖來同步，即Td等于m1個脈沖周期。由圖3-2-2可見，從a點開始，計數器對m1和m2計數，到達b點，預定的測速時間Tc到，微機發出停止計數指令，因為Tc不一定恰好等于整數個脈沖發生器脈沖周期，所以計數器仍對高頻脈沖繼續計數，到達c點時，脈沖發生器脈沖的上升沿使計數器停止，這樣m2就代表了m1個脈沖周期的時間。設高頻脈沖頻率為fφ，脈沖發生器每轉發出P個脈沖，則電動機轉速為：n=(rpm)(3-2-2)我們將PWM通過298（H橋）控制電機的轉速。298的工作頻率在1KHz—10KHz之間，即在此頻率范圍內才能保證通過的電流連續。為此我們才用了2KHz的PWM波，其周期為T=500us,并將其均分成十份（通過高低電平之間的延時得到同一頻率不同占空比的PWM波）。波形圖如下：圖（3-2-3）（三）L298N的直流控制如圖（3-1）圖（3-1）功能表如表（3-1）：表（3-1）輸入功能Von=HC=H；D=L正轉C=L；D=H反轉C=D高速制動Von=LC=X；D=X任一轉速停止

L=低電平H=高電平X=任意（四）增量式光電編碼盤的工作原理增量式光電編碼盤不象絕對式光電編碼盤那樣測量轉動體的位置，它是專門測量轉動體角位移的累計量。增量式光電編碼盤的結構與工作原理增量式光電編碼盤是在一個碼盤上只開出3條碼道，由內向外分別為A、B、C如圖4-1（a）所示。在A、B碼道的碼盤上，等距離的開有透光的縫隙，2條碼道上相臨的縫隙互相錯開半個縫寬，其展開圖如4-1（b）所示。第3條碼道C只開出一個縫隙，用來表示碼盤的零位。在碼盤的兩側分別安裝光源和光敏元件，當碼盤轉動時，光源經過透光和不透光區域，相應的，每條碼道將有一系列脈沖從光敏元件輸出。碼道上有多少縫隙，就會有多少個脈沖輸出，將這些脈沖整形后，輸出的脈沖信號如圖4-1（c）所示。例如，國產SZGH-01型增量式光電編碼盤采用封閉式結構，內裝發光二極管（光源）、光電接收器和編碼盤，通過連軸節與被測軸連接，將角位移轉換成A、B兩路脈沖信號，供可逆計數器計數，同時還輸出一路零位脈沖信號作為零位標記。它每圈能輸出600個A相或B相脈沖和一個零位脈沖，A、B相脈沖信號的相位相差90°。編碼盤方向的判別編碼盤方向的判別可以采用，4-2所示電路實現。（a）(b)經過放大整形后的A、B兩相脈沖分別輸入到D觸發器的D端和CP端，如圖4-2（a）所示，因此，D觸發器的CP端在A脈沖的上升沿觸發。由于A、B脈沖相位相差90°，當正轉時，B脈沖超前A脈沖90°，觸發器總是在B脈沖處于高電平時觸發，如圖4-2（b）所示，這時Q=1，表示正轉；當反轉時，A脈沖超前B脈沖90°，觸發器總是在B處于低電平時觸發，這時Q=0表示反轉。A、B脈沖的另一路經與門后，輸出計數脈沖。這樣，用Q或Q反控制可逆計數器是加計數還是減計數，就可以使可逆計數器計數脈沖進行計數。C項脈沖接到計數器的復位端，實現每轉動一圈復位計數一次計數器。這樣，無論是正轉還是反轉，計數值每次反映的都是相對于上次角度的增量，形成增量編碼。（五）光電碼盤與單片機的接口單片機與增量式光電編碼盤的硬件接口非常簡單，只要把編碼盤經過整形的輸出信號直接接到單片機的I/O口即可。四、系統的軟件設計為了使微機控制系統各種硬件設備能夠正常運行，有效的實現電機各個控制環節的實時控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還必須要有高質量的軟件支持。（一）應用軟件設計的基本要求實時性可靠性易修改性（二）系統軟件設計此系統采用C語言編程，其單片機的P0^0口為電動機的驅動，P0^2口為電動機正轉，P0^3為電動機反轉，外部中斷0是編碼器的輸入。（三）流程圖圖（4-1）圖（4-2）圖（4-3）五、測試方法及結果（一）測試過程及方法檢查硬件接線電路是否完善。仿真器與硬件電路相連，在仿真軟件里調入原程序，進行編譯后對程序進行單步調試，檢查程序是否與設計思路一致，調試完畢將原程序的二進制或十六進制文件燒入單片機中，與硬件電路相連接，檢查系統工作是否正常。（二）測試結果電機能實現正反轉、無級調速，當電機沒達到額定轉速時，能進行自動調節，實現預期的效果。六、誤差分析及處理測量誤差當編碼盤測得的速度反饋到輸入端時，由于測得的是速度平均值△n,此值越小系統越精確。例如：電機啟動時速度為n0,十秒后速度為n1，此時n1并非所要的速度，編碼盤應測得n1作為反饋，但實際反饋過來的是△n。這樣造成測量誤差。系統誤差此誤差有電源干擾、線路干擾、程序的誤操作、算法的不完善等。附圖（原理圖）程序#include<reg51.h>voiddelay(unsignedcharx);voidzz(void);//電機正轉函數voidfz(void);//電機反轉函數sbitzl=P0^0;//電動機驅動sbitzz=P0^2;//電機正轉按鍵sbitfz=P0^3;//電機反轉按鍵unsignedcharrr2=0x0a,rr3=0x06,rr4=0x00,rr5=0,rr6=0;unsignedcharcount=0x00;count1=0x00;count2=0x00;main(){unsignedcharstart1=0x00,start2=0x00;IT0=1;TMOD=0x01;TH0=0x00;TL0=0x00;EA=1;ET0=1;EX0=1;while(1){if(P0_2==0&rr5==0){start1=0xff;rr5++;delay(3);TR0=1;}if(start1==0xff){zz();}if(P0_3==0&rr6==0){start2=0xff;rr6++;delay(3);TR0=1;}if(start2==0xff){fz();}if(P0_2==0){if(count1<count2){rr2++;zz();EX0=1;ET0=1;}if(count1>count2){rr3++;zz();EX0=1;ET0=1;}}}if(P0_3==0){if(count1<count2){rr2++;fz();EX0=1;ET0=1;}if(count1>count2){rr3++;fz();EX0=1;ET0=1;}}}voidzz(void){unsignedcharrr1;for(rr1=0;rr1<rr2;rr1++){zl=1;}for(rr1=0;rr1<rr3;rr1++){zl=0;}}voidfz(void){unsignedcharrr1;for(rr1=0;rr1<rr2;rr1++){zl=0;}for(rr1=0;rr1<rr3;rr1++){zl=1;}}voiddelay(unsignedcharx){unsignedchari,j;for(i=0;i<x;i++)for(j=0;j<=50;j++);}voidintt0_sever()interrupt0using0{EX0=0;count=++count;EX0=1;}voidintt1_sever()interrupt1using1{ET0=0;EX0=0;count1=count;count=0x00;if(rr4==0){count2=count;rr4=rr4+1;}TH0=0x00;TL0=0x00;TF0=0;}結束語本次畢業設計共歷時十二周，但留給我思考的東西卻很多。使我更加深刻地理解了“學無止盡”，“溫故而知新”這些古語。畢業設計不但是一個對過去所學知識進行綜合運用的過程，更是一個學習新知識的過程。通過這十二周的畢業設計，我對大學五年所學過的許多知識進行了實際應用；同時，學到了許多新的知識，并將其應用到實際中，使理論與實際真正地掛上鉤。并對實際工業控制理論有了更深一步的理解，這些對于我以后的工作及生活有著很大的幫助。我在整個設計過程中完成了資料查找、方案確定和論文的撰寫。在畢業設計這段時間中，從理論知識的學習到軟件的設計都得到了指導老師鄭桐老師的精心指導和支持，克服了種種困難，終于圓滿完成了此次畢業設計。我由最初的懵懂，通過翻閱大量的與設計有關的資料，查閱和研究大量相關的書籍，詳細了解了單片機控制理論，到最后逐漸掌握了整個設計的技術和經驗。但是，由于我對這一課題的經驗相對缺乏，以致于我剛開始動手設計時有所茫然，在鄭老師的耐心指導下，及其他幾位同學的齊心協力的工作下，最后，我圓滿完成了該設計。經過這次畢業設計，不僅鞏固了自己的專業知識，學到并掌握單片機設計思路，通過理論與實際相結合，提高了解決實際問題的能力，也更進一步提高了我的動腦、動手能力和自己的專業技術水平。培養了吃苦和協作精神，為我即將走向工作崗位打下了良好的基礎。致謝詞短暫幾個月的畢業設計即將結束，在此，我首先感謝我們的母校，在我們即將步入社會，走向工作崗位之際為我們提供了這樣一個良好的學習與動手鍛煉的機會，并為我們提供了良好的畢業設計場所和實驗設備。同時，也感謝自動化系領導老師在我設計過程中給予了極大的支持和幫助。在本次設計過程中，我的指導老師鄭桐老師不管是在學習還是在工作上都給予我悉心的指導和幫助，在此，向鄭老師表示我誠摯的謝意，并感謝我的同學在畢業設計期間給予我的幫助、支持和指導。外文資料翻譯PrinciplesofVariable-frequencyA.C.DrivesInmanymodernvariable-speeddrivesthedemandisforapreciseandcontinuouscontrolofspeedwithlong-termstabilityandgoodtransientperformance.Thed.c.motorhassatisfiedtheserequirementssatisfactorilyinmanyapplications,butthemechanicalcommutatorisoftenundesirablebecauseoftheregularmaintenancerequired.Thiscausesdifficultywhenserviceinterruptionscannotbetolerlatedorwhenthemotorisusedatinaccessiblelocations.A.C.motorsuchasthesquirrel-cageinductionmotorandthesynchronousreluctancemotorhavearobustrotorconstructionwhichpermitsreliablemaintenance-freeoperationathighspeed.Thesimplerotorconstructionalsoresultsinacheapermotorandahigherpower/weightratio.Unfortunately,theinductionmotorandreluctancemotorarebothinflexibleinspedwhenoperatedonastandardconstant-frequencya.c.supply.Thereluctancemotoroperatessynchronouslyataspeedwhichisdeterminedbythesupplyfrequencyandthenumberofpolesforwhichthestatoriswound.Theinductionmotorrunsslightlybelowsynchronousspeed.Forintermittentoperationatreducedspeeds,statorvoltagecontroloftheinductionmotorissatisfactory.Sub-synchronousspeedcontrolofawound-rotorinductionmotorisobtainedbymeansofaconvertercascadeforslip-energyrecovery.However,efficientwide-rangespeedcontrolofthereluctancemotororcage-rotorinductionmotorisonlypossiblewhenavariable-frequencya.c.supplyisavailable.Consequently,inthistext,attentionislargelyconcentratedonthevariable-frequencymethodofobtainingvariable-speeda.c.motoroperation.Hitherto,thevarioustechniquesforthespeedcontrolofa.c.motorsoftenrequiredauxiliaryrotatingmachines.Nowadays,statica.c.drives,usingthyristors(siliconcontrolledrectifiers)assolid-stateswitchingdevices,havebeendevelopedandmarketedinEuropeandintheUnitedStatesofAmerica.Fallingthyristorpricesandanappreciationoftheperformancepossibilitieshavecreatedagrowinginterestinsolid-statea.c.drives,andconsequentlythevariable-frequencydrive,inparticular,isbeingincreasinglyappliedinindustry.Inastaticfrequencyconverter,thefixed-frequencya.c.supplyvoltageistransformedtoavariable-frequencyoutputwhichisusedtopowerconventionala.c.motors.Inthistext,attentionisconcentratedonstaticfrequencyconvertersusingthyristors,butmuchofthetextisalsoapplicabletotransistorizedconverters.Powertransistoroftensofamperesandseveralhundredvoltsarenowavailableand,foraninverterratingoflessthan5kVA,atransistorizedinvertermaybecheaperthanathyristorinverter.Consequently,transistorinvertersareeconomicallycompetitivefora.c.motordrivesofless5h.p.,butthrustersareessentialforhigherpowers.Theprobleminselectingavariable-speeddriveforaparticularapplicationistochoosethesystemwhichcanmosteconomicallyprovidetherequiredrangeofspeedcontrolwiththedesiredaccuracyandspeedorresponse.Tmutatormotorhasbeenwidelyused,sinceitcanbesupplieddirectlyformthea.c.mains,butforareversibledrivewithcontinuousspeedcontroloveraverywiderangethed.c.motorhasbeenthemostpopularsolution.Theseparatelyexcitedd.c.motorisrapidlyandefficientlycontrolledbyvariationofthearmaturevoltageandfieldcurrent.Iworkbymeansofstaticconverterswhichpermitthecontrolledrectificationofthealternatingvoltagesothatavariabledirectvoltageisprovidedforthearmature.Precisespeedcontrolisachievedbyadoptingclosed-loopfeedbackmethods.However,thed.c.motorisnottheidealsolutiontotheproblemofvariable-speedmotoroperation.Thecommutatorconsistsofalargenumberofcoppersegmentsseparatedbythinsheetsofmicainsulation.Thiselaborateconstructionincreasesthecostofthed.c.motorandreducesthepower/weightratio.Brushandcommutrtorwearareaccentuatedbysparking,andthemicainsulationlimitsthevoltagebetweensegments.Thetotalarmaturevoltageisthereforelimitedtoamaximumofabout1500V.Themagnitudeofthearmaturecurrentanditsrateofchangearerestrictedbycommutationdifficulties,andthespeedofrotationofthed.c.machineislimited.Thesquirrel-cageinductionmotor,ontheotherhand,hasarotorcircuitconsistingofashort-circuitedwindingwhichcanoftenbemadefromasinglecasting.Thereisnonecessitytoinsulatetherotorbarsfromthesurroundinglaminations,andthecagerotorhasalowinertiaandcanoperateathightemperatureandhighspeedforprolongedperiodswithoutmaintenance.Inaddition,thecostofthecage-rotorinductionmotorisonlyaboutone-sixthofthatforad.c.motorofthesamespeedandhorsepowerrating.Thepower/weightratioofthesquirrel–cagemotorisabouttwicethatofthed.c.machine,andinductionmotorsaremanufacturedinmuchlargerpowerratingssincevoltagecanbe15kVormore.Itisobvious,therefore,whynumerousattemptshavebeenmadetoobtaineconomicandefficientspeedcontrolofthecage-rotorinductionmotor.MicroprocessorsGenerationControlTechnologyThefirstattemptsatpowerplantautomationdatebacktoabout1985.Theyweretruly“hybrid”inthesensethattheywerepartelectric,partelectrohydraulic,andpartpneumatic.TVA’s900MWBullRunstationhadelectroniccontrolsaround1962.In1960,utilitiesinstalledtheirfirstlargedigitalcomputers.Theconfigurationoftheseearlydirectdigitalcontrol(DDC)systemscombinedanaloganddigitalcontrolsinatruehybridfunctionasweknowthattermtoday.Despitetheback-upcomputer,however,ifelementsorsubsystemcomponentsfailed,theentirecontrolschemewentdown,andmanualcontrolshadtooverrideinanattempttokeeptheunitorstationfromtrippingout.Controlequipmentingeneratingstationscanrangefromrelativelysimple,discretedevicesthatcontrolormonitorasinglefunction,tocomplexmultifunctionautomatedsystemsandsubsystems.Thefunctionscontrolledmayincludeboilerpressureandtemperaturetrends,rampingpoweroutputsupordown,switchingfans,pumps,coalpulverizes,entireFGDsystems,scrubbers,andahostofotherplantauxiliaries—turningthemonoroff,orprovidinginterventionincrisissituationsthatmightotherwisetripoutaturbine/generatorunit—orevenanentireplant.Typically,process-controlcomputershaveperformedsuchmonitoringanddata-loggingfunctionsasin-plantalarm/warning,excursionandtransienttrending,post-tripreviewandanalysis,andsequence-of-eventsrecordingofreactor-controland–protectionsystems,withon-linedataacquisition,alarming,logging,anddatareduction.Theearlysystemswerebasedonanalogcomputers,whichextendedthetraditionaluseofanaloginstrumentationinstations.Yearsago,however,controlmanufacturersrealizedthepotentialadvantagesofdigitaltechniques.Thisledultimatelytodirectdigitalcontrol(DDC),stillbuiltaroundacentralcomputerorcentralprocessingunit(CPU).DDC’sadvantagesarerelateddirectlytothenatureofthehardware.Calculationsandnonlinearfunctions,suchassquareroot,thermocoupleconversions,etc,areeasilydone.Also,systemtuning—thesettingofgainsandtimeconstants—canbedonedirectlyinengineeringunits.Thedigitalcontrolsystemalsooffersbettercommunicationswiththeoperator.AlarmmessagesanddirectionalguidescanbedisplayedonaCRTorprinter,andprocessandcontrolvariablescanberetrievedbytheoperatorfordisplayinengineeringunits.Tuningcanbedoneonallcontrol-systemloops,inengineeringunits,fromonecentraldevice.Finally,thedigital-controlsystemaffordstheinfinitelygreaterflexibilitythatsoftwarehasoverhardware,parametricchangesinadigitalcontrolsystemaremademorequicklyandmoreeconomicallybyrewritingthesoftware.Theon-goingobjectiveofthelate1970swastofashioncomprehensivesystemthatincorporatedtheadvantagesofdigitalcontrol.Thesolutionhasbeenachievedsequentiallywiththedevelopmentof,first,miniprocessors,andthen,microprocessors—the“computeronachip”.Thesemajorbreakthroughsinelectronicminiaturizationhaveprovidedacost-effectivemethodofmanufacturingsystemsinwhichcontrolfunctionscouldbedecentralized,or“distributed”.EachmicroprocessorcomprisesaCPU,aninput-outputunit,andappropriatelogiccircuits.Thus,asinglemicroprocessorfailure,likeasinglecontrollerfailureinananalogsystem,wouldforceonlythoseloopsassociatedwiththatprocessorintothemanualmode,whileallothercontrolsremaininautomatic.Intheearly1980s,somemajorUSmanufacturersintroducedanewDDCsystemthatusedfunctionallydistributedmicroprocessorsandaninput/output(I/O)subsystemespeciallydesignedforprocessapplications.Thisnewsystemmadeitpossibletoactuatetheirinternalcontrolloops–butwhichwouldshareinformationthroughonecommonpointofcommunication.Serialcommunicationamongmicrocomputerswasrequiredtoachievethis.Recently,progressinmicrocomputertechnologyhasseenthedevelopmentofsinglechipswithcapabilitiescomparabletothoseoftheolderminicomputers.變頻交流驅動裝置的原理在許多現代化變速驅動裝置中，要求提供長期穩定及良好瞬變特性的、精確連續的速率控制。支流電動機在許多應用場合已能令人滿意地滿足這些需求，但是機械式換向器由于正常的維護常常是步方便的。當運行不允許的中斷或電動機用于不可接近的地方時，這種維護就會引起困難。交流電動機，例如，鼠籠異步電動機和同步磁阻電動機，具有堅固的轉子結構，這就使之可能在高速下無需維護地可靠運行。簡單的轉子結構也使得電動機價格較低和具有較高的功率對重量的比率。遺憾的是，異步電動機和磁阻電動機運行在標準的恒頻交流電源上時，其頻率都具有硬特性。磁阻電動機是以某一速率同步運轉，該速率是由電源頻率和定子繞制的極數決定的。異步電動機在略低于同步速下運行。對于減速下的間歇運行，異步電動機的定子電壓控制是能令人滿意的。運用變頻器的串極繞組聯接，得到線繞轉子異步電動機的亞同步速率控制，以便滑差頻率能量回收。但是，只有當變頻交流電源可獲得時，磁阻電動機和籠型轉子異步電動機的有效寬范圍的速率控制才是可能的。因此，在本文中注意力主要集中到關于獲得變速交流電動機運行的變頻方法上。交流電動機的速率控制過去向來需要輔助旋轉電機。現今，采用晶閘管（硅可控整流器）作為固態開關裝置的靜止式交流驅動裝置，已在歐洲和美國開發并在市場上銷售。晶閘管價格的降低和性能的可取已經引起對固態交流驅動的興趣增加，因而，尤其式變頻驅動裝置閘正在愈來愈多地被用于工業上。在靜止式變頻器中，固定頻率地交流電源被轉換成變頻輸出，它被用來對普通的交流電動機提供電力。在本文中，注意力集中到使用晶閘管的靜止式變頻器上，但是本文的大部分內容也適用于晶閘管化的變頻器。現在可以獲得幾十安培和數百伏的功率晶