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1、大功率电机调速控制的硬件设计摘要 我国有相当丰富的镁资源，储量占世界的60%以上，镁合金具有密度小，比 强度高，减振性好,抗电磁干扰屏蔽性好和机械加工性能好等优点。汽车工业来自 节能和环保方面的压力为镁合金提供了巨大的开展空间。因此，大力进行镁合金 的研究开发势在必行。本论文主要是研究用PWM控制大功率直流电机的转速，实现对电动机的数字 化控制。在设计中，对PWM控制电机转速的原理进行了全面的阐述。详细介绍了 以80C552作为整个控制系统核心的硬件局部。为实现系统的微机数字化控制， 本系统以80c552作为核心，配以驱动，测量，显示等模块，实现对电机转速参 数的显示和测量。硬件组成包括，80
2、C552,电源模块，2764芯片，驱动模块， 8255芯片及LED显示模块，电流检测模块，光电码盘测速模块，输入模块等。 在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM占空比改变电动机的电枢电压来控 制电机转速。在硬件结构上采用了集成电路模块，简化了硬件电路，提高了系统 的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。实现了直流电动机的实时数字 PWM控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。本文解决了 “半固态镁合金板带连续铸轧成形技术”中的电机速度控制问题; 实现了镁合金半固态加工技术的自动化水平。内部执行程序的影响，只有在改变占空比时，CPU才会对波形作出相应的调整, 因此占空比的输出精度
3、较高，且编程也较为简单。2. 3速度调解方案由于电机需无级调速，且精度要求较高，经过多方面的考虑采用了速度闭环 PID调节，PID调节是最早开展起来的控制方法，由于其算法简单并且可靠性高, 被广泛运用于工业控制系统。下面介绍PID控制的基本原理、数字PID控制算法 及在本系统中的应用。模拟PID调节器PID控制规律是模拟控制系统中应用最为广泛的一种。在模拟控制系统中， 最基本的PID控制系统原理图如下图，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。积分“图2-6 PII)控制系统原理图由图可知系统的控制量由偏差值的比例、微分与积分的和，其中偏差值e (t )是被控对象的入输值或设定值r ( t )与
4、检测到的输出值c( t )之差，即 e(/)=r(/)-c(。(2.3)所谓控制器的控制规律就是输入e与输出P之间的关系,在PID控制规律中, 那么表示为 ()0=金业)+丁4t4)1 iatLJ式中，：e ( L )控制偏差；Kp比例系数；Ti 积分时间常数；Td 微分时间常数。PID各控制矫正环节的原理如下：1比例环节当存在偏差信号时，比例控制器便会以一定的比例产生控制量，其极性与 偏差信号相同，加到被控制对象上，使偏差减小。比例系数Kp越大，比例控 制越强，响应速度也越快，系统的稳态误差随Kp的增大而减小，超调量随Kp 增大而增大，Kp过大会使系统产生震荡。2积分环节 比例环节可减少误差
5、，但却不可消除，于是便引入了积分环节, 由上式可知，当存在偏差信号时，积分项便会随着时间的增加不断累积，直至消除误差。 其控制的强弱由积分时间常数Ti决定，Ti的增大可缩短系统的调整时间，但 Ti过大同样会使系统产生震荡。3微分环节微分环节是偏差信号的导数，反映了偏差信号的变化趋势，假设 系统稳定运行时，有干扰信号加到被控对象，微分环节便会产生一个预期的修正信号，使 系统的偏差不至于过大，所以微分项其中的一个作用就是提高系统的稳定性， 还可减小系统的调整时间，其控制强弱由微分系数Td决定。因此，在实际应用中应根据实际需求合理设置相应的参数，才能使PID控 制得到满意的效果。2. 3. 2数字P
6、ID控制器上述PID控制规律仅适用于模拟系统，为使单片机实现单片机的PID控制， 需将上式离散化，写成差分方程的形式，设单片机的采样周期为T, n代表采样 次数，那么连续的时间t可由nT代替，再以偏差的累积和代替微分，以相邻两次 偏差在的增量一个采样周期内的平均值代替微分，即u(t)= (%) e(/)= e(k)血(。)-e(l)dtdt(2.5)式中T采样周期；K采样序号。通过以上近似，可得到最基本数字P D控制算法，即位置式PID算法，其精 度随采样周期T的减小而提高，其控制规律为(%) = Kp e(%)+ 2+ Td e(止e(i) I + uoTiT-(2.6)式中k采样序号；u
7、(k)第k次采样时刻系统的输出值；e k)第k次采样的偏差值；e (k-l)k-l次采样的偏差值；KI积分系数，KI=Kp/Ti；KD微分系数，KD=Kp/Tdo位置式PID算法为最基本的一种PID算法，在实际的应用中它存在一定的局 限性。根据实际的需求，有很多种PID算法在此基础上做了相应改进，如增量式、 积分别离式、不完全微分式、微分先行式等PID算法。2. 4测速原理本系统的调速方法为速度闭环PID调节，所以需对电机的速度进行测量，并 送入单片机中进行计算，一般的测速方法有测速发电机测速法与光电码盘测速 法。2.4. 1测速发电机测速测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机。通过对测
8、速发电机的绕 组和磁路进行精确设计，可使其输出电压U和转速n成比例关系，即11=昨,其中 K是常数。当电机旋转方向改变时其输出电压的极性也随之改变。在检测时需将 被测电机与测速发电机同轴连接，通过检测其输出电压的大小，可推导出电机的 转速，故测速发电机又称速度传感器。10频率发生器图2-7直流脉宽调速系统结构图传统的直流脉宽调速控制系统如图1所示，其控制精度较低。该系统中以测 速发电机作为测速传感器，而以测速发电机作为测速传感器时，测速的精度并不 高，其原因是在实际检测过程中电机需与伺服电机同轴连接，伺服电机在运行过 程中温度会升高，使得测速发电机的温度也随之升高，测速发电机中的比例系数 K并
9、不是恒定不变的，当测速发电机的温度升高时，比例系数K会减小，因此， 在检测时，检测到的电压也随之降低，从而给系统带来了误差，这种误差是调速 系统无法消除的。并且相对误差随电机速度的下降而增大。2. 4. 2光电码盘测速光电码盘的测速原理如下图，在电机上安装一个周围开有等距离小孔的码 盘，并在码盘两侧安装红外光电传感器，在电机运行过程中，由于电机与码盘同 轴连接，码盘会与电机一起转动，且转速相等，当码盘挡在红外光电发光二极管 和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器因检测不到光信号将会输出一个低电 平，而当码盘的圆孔经过传感器时，并不能挡住传感器接受到光信号，因此，输 出一个高电平，因此当电机旋转一
10、周时，传感器便会发出与码盘上圆孔数相等的 脉冲波，因此，假设在一定时间t内所接收到的脉冲个数为m,码盘上孔的数量为 P,那么电机的平均转数为：N = 60m/ ptr I min)(2. 7)图2-8脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）最初的光电码盘是选用金属作为材料，然后在材料上开通孔使码盘能够工 作，其优点之一就是金属材料的强度高，使用寿命长，但金属的热稳定性比拟差， 由于码盘厚度较厚，所以低速测量时精度较低，为了克服金属码盘的这些缺点， 选用了热稳定性较高的玻璃作为光电码盘的材料，为了克服厚度带来的误差，玻 璃码盘以刻线代替开通孔，在精度上有了很大的提高，但一般玻璃易碎，强度不
11、 如金属，有时为了节约本钱也有选用价格较低的塑料作为材料。光电码盘最主要的一个指标就是分辨率，它表示编码器每旋转一周所产生的 脉冲个数，也称为解析度，或直接撑多少线，分辨率越高，测速精度也就越高， 对系统的电路的及计数系统的要求也越高。综上所述，在单片机控制电机系统中，以光电码盘代替传统的测速发电机， 消除了测速时由于温度变化带来的误差，同时也使得测速环节信号的处理变得简 单，它以计数的方式取代了传统的AD转换，同时也消除了由于AD转换精度不高 带来的误差。一般认为光电码盘测速的方法有以下三种：M法也称为测频法，在规定时间内测量光电码盘产生的脉冲数，通过计算得 出速度。这种方法在电机转速较高时
12、精度较高，所以常应用于高速测量。T法也称为测周法，测量相邻两个脉冲的时间间隔，通过计算的出速度，这 种方法在低速测量时精度较高，因此常用于低速测量。在实际的测速中，假设检测对象同时存在高速与低速运行，单独采用上述方法 中的一种时，在速度较高或较低时误差会较大，这时可使用上述两种方法相结合， 即在设定的时间内同时测量一个高频时钟脉冲与光电脉冲的个数，通过计算可得 电机的转速，这就是M/T法。2. 5本章小结本节主要介绍了三种电机调速方案的比拟与选择；PWM调速原理；PWM脉冲 产生方式；两种速度调节原理，模拟PID调节和数字PID调节；两种测速原理， 光电码盘测速和测速发电机测速。123硬件系统
13、设计为使系统到达设计的任务和要求，设计的调速系统框图如图3,本系统选用 的单片机为80c552,由于80c552内部无程序存储器，选用2764芯片作为单片 机的程序存储器，电机转速由给定电位器给定一定电压通过单片机内部的A/D 转换后设定电机速度，将检测到的电机转速实际值与给定值进行比拟，分析电机 转速偏差的大小与变化的情况改变PWM0脉冲宽度寄存器的值，从而改变单片机 输出的PWM脉冲的占空比，对电机的速度进行有效调节，使得电机的实际转速与 给定转速相等。并通过并行I/O 扩展芯片8255与7段一码驱动芯片74LS47 的联合使用，以静态显示的方式驱动LED数码管，实时显示电机的测量转速。为
14、 了控制系统的稳态误差、超调量以及调整时间等，电机的调速方案采用PID调节。 另外，用电流传感器检测驱动电路中的电流，通过A/D转换送入单片机中，实时 监测电机电流，防止电流过大损坏PWM功率放大器。图3-1 PWM调速系统硬件结构图3. 1 80C552特性及结构80C552的结构如下图，其主要性能有： 80c51 构架 CPU；片内无程序存储器ROM； 256字节片内RAM存储器，可扩展到64KB；两个与8051完全兼容的16位定时/计数器TO、T1； 一个附加的具有四通道捕获输入、三通道比拟输出8路 电视信号的1316位定时，计数器T2；两路8位脉宽调制输出(PWM)： 一个带有8路模拟
15、输入通道的10位模拟A/D转换器；五个8位双向I/O 口 P 0到P 4 ； 可工作在主机或从机模式的总线接口；与8051兼容的全双工异步串行口； 增加看门狗定时器T3；17个中断源，2个优先级，15个中断程序入口地址； 56个特殊功能寄存器；单片机引脚资源配置80C552具有6个8位I/O 口 PO-P5,每个口由1个寄存器、1个输入缓冲器 和输出缓冲器组成。除了 P1 口新增加了功能,P0-P3与8051完全一样。P4 口的功 能与P1-P3相同，P5 口只能作为输入口。结构及引脚功能如图98所示。各引脚主要 功能如下： Vdd、Vs： +5V电源、数字地； PSEN：外部ROM的读选通信
16、号； ALE：地址锁存允许信号； STADC：片内ad转换器启动输入，该教不得悬空； PWM0：脉宽调制器PWM通道0输出； PWM1：脉宽调制器PWM通道1输出； EA：监视定时器WDT得时钟使能端； P0： 8位准双向I/O 口； P1： 8位准双向I/O 口； P2； 8位准双向I/O 口； P3： 8位准双向I/O 口； P4： 8位准双向I/O 口； P5： 8位输入口/ADCO到ADC7模拟人口； RST：复位输入端，当监视定时器wDT计数溢出时，输出复位信号 XTALK XTAL2：振荡器输入端。 Avdd、Avss” ：模拟电源、模拟地。 Avref +、Avref-： A/D
17、转换器基准电压正、负输入端。14TO T1 IRFOINTIMCD CD二 一COVdo256BPWMO PWM1ADCO-7A AVjsSDA SCLXTAL1 (7i XTAlT定时/计数ST0.TICPU8KB程序存僦器散据存健器8位内部总线雎 c 晨JiCDK .0并行端口及申行端口外部总线C C00 coA | AVss 二甲SDA SCL双通道I 标匚H行双词道PWM转换接口12c 接口IT建厂 北 rfc8位并 4个16位 16位定时理3个16 -比拟器监视定行端口捕捉寄存器 计数器T2 位比拟器厂输出选择 时器T3比拟器监视定CDVPO PI P2 P3TXDRXD P5 P4
18、 CTOICT3I T2 RT2m P00第二功能 CO P2 现二功能 区IP4 口第二功能m pin第二功能 EP3 策二功能 co ps 口第二功能图3-2内部结构图O _ CMSR0-CMSR5 RST FW CMTO. CMT13. 2存储器2764特性及结构由于80c552片内无ROM,所以需外接一个一个POM芯片，本系统采用了 2764 作为单片机的存储芯片，各引脚的含义为： AOA12： 13个地址输入口。用于寻址片内的8K存储单元。 D0-D7： 8根双向数据线，正常工作时为数据输出线。编程时为数据输 入线。 0E：输出允许信号，低电平有效。 CE：选片信号，低电平有效。 P
19、GM:编程脉冲输入端。 VPP：编程电压输入端。编程时应在该端加上编程高电压，不同的芯片对 VPP的值要求的不一样,可以是+12.5V, +15V, +21V, +25V等。2764与单片机的连接如下图，74LS373是一个锁存器，其功能是锁住 地址，使存储芯片正常工作。15| U13DO3Di4D38D4 13D5 14D6 17D7 18ALE111AO10A19A28A317A46A55A64A73A825A924A1021A1123A120?SEN22.1Ll1U3S1 2 3 4 5 6 7 EDDDmDDD O0 12 3 4 5 6 7QQQQJQQQ2AO RESET 155，
20、Al； 1Txi 356A2- J 14974LS373U12AODOAlDIA2D2A3D3A4D4A5D5A6D6A7D7A8A9A10AllA12CEOEPGMVPP565554535A1D75016111DC1812DI1913D22015D32116D4Xc X17D52318D6AS3919D7A940A1041Al142A124382；双力444546416A6,1319AT-DC，,I -57RSTPSENXTAL1XTAL2EA VPPALEPROGEWPWM1AV REF-PWMOAV REF*P5.7/ADC7STADCP5.6ADC6PO.O ADOP0.LAD1P5.
21、4 ADC4P02AD2P5.2ADC2P0.4AD4P5.LADC1P5.0ADC0P0.6AD6P4.7/CMT1P0.7/AD7P46 cMTOPl.OCTOIP45cMsRSP1.1,CT1IP4.4CMSR4P1.2CT2IP1.3/CT3IP4.2CMSR2P1.4T2P1.5,RT2P4.0CMSR0P1.6SCLNCNCP2.0A08NCP2.1/A09P3.7亚P2.2A10P3.6WRP2.3. AllP35TlP2.4A12P3.4T0P2.5,A13P3.3INT1P2.6/A14P3.2INT0P2.7 A15P3.0RXD15 A5 REF- 5947PSEN34X
22、2ALE6d6364656667681SGIVE141312H10987383332L、一31RDJ尸一30WRJ，2928?ULSE尸X一2152PWvIO图3-3 2764与单片机的连接3. 3输入局部输入系统是实现人机对话的重要环节，通常单片机的输入方式有两种，一种是 模拟输入，另一种是数字输入。模拟输入是给定一定的模拟量经A/D转换确定给定值，如通过给定电位器给定 一定电压输入单片机中进行A/D转换，得到最终的给定值，原理如下图9 +V9 +VR.1Illi一 A/D微机拨盘上位机I/O通 信 接 口微机图3-5数字给定图图3-4模拟给定图数字输入一般是通过键盘是实现的，键盘与单片机的
23、连接方式有独立式与矩阵 式，独立式键盘各自相互独立，互不影响，分别与单片机的一个I/O 口连接，16通过读取连接的I/O 口的状态可知键盘的状态，但由于独立键盘一个按键就会 占用一个I/O 口，因此，这种方法是用于按键较少的场合，当系统中所需的按键 较多时，可采用矩阵键。，在本系统中假设使用矩阵键盘可明确的给出电机的转速，但输入过程较慢，编 程时还需考虑消除抖动与等待按键的释放等，使得编程变得更为复杂。由于 80C552内部自带AD转换器，可通过给定电位器经单片机A/D转换后设定电动机 速度的最终值，这使得输入变的非常得简单。3. 4 LED显示局部单片机系统中常用LED作为数字的显示，其常用
24、的显示方法有动态显示与静 态显示，他们各有优缺点。静态显示是每个数码管与单片机的I/O分别连接，数 码管之间的输入相互独立，互不影响，因此每个数码管始终处于点亮状态，LED 的显示亮度高，软件编程也比拟容易，但是它占用比拟多的I/O 口资源，常用于 显示位数不多的情况。动态显示是通过编程依次点亮每个数码管，由于人眼的“视 觉暂留”效应，当数码管切换频率够高时，我们会以为数码管一直处于点亮状态， 动态控制显示占用资源少，节省了驱动芯片的本钱，但编程中，为了保证数码管 在一定时间内的点亮次数，计算机在做其它工作时，还需考虑数码管的显示，这 使得编程变得复杂，而且动态显示亮度不如静态的好。为了实现静
25、态显示，又考虑到单片机I/O 口的开销，本系统选用了并行I/O 口扩展芯片8255与BCD-7段显示译码器74LS47实现了以较少的I/O完成了 LED 的静态显示。下面对这两块芯片作简要介绍。8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯，它是一种通用性较强的8 位并行接口，它有三个端口，可通过程序定的控制字使它们具有输入、输出等多 种功能。74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化 成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字，从 而简化了程序，节约了单片机的10开销。171绪论1.1 课题研究的依据与意义11.2 国内
26、外技术情况比照材料11.3 课题研究内容与目标31. 4本章小结32直流电机调速系统设计2. 1直流电机的调速方案42. 1.1三种调速方案比照与选择42. 1.2直流电机PWM调速原理52.2PWM脉冲产生方式72. 3速度调解方案82. 3.1模拟PID调节器82. 3.2数字PID控制器93. 4测速原理104. 4.1测速发电机测速105. 4.2光电码盘测速112. 5本章小结123硬件系统设计3. 180C552特性及结构133. 2存储器2764特性及结构156. 3输入局部163.4LED显示局部173. 5PWM功率放大器183. 6测速局部193.7直流电源局部203. 8
27、本章小结214结论参考文献23附录2574LS47WTE”?74LS47WTE”?U11A BD 81/RBO RBI LTU104LS47V QA QB QC QD QE QF QGQA QB QC QDQE QF QGI1TVS12V A图3-6静态显示仿真图3. 5 PWM功率放大器桥式驱动电路原理图4-5中所示为一个典型的H桥式电机驱动电路。如下图，H桥式电机驱 动电路由作为开关作用的4个三极管、4个二极管和一个电机组成。在电路两端 加上电机的额定电压，在运行过程中，只要导通对角线上的一对三极管，电压便 能加载到电机使电机运转。当导通另一对三极管时，会使电机的电流流向相反, 因此电机的
28、转向也改变了，所以，可通过导通不同的三极管来控制电机的转向。由于本系统所控制的电机单方向旋转，为提高系统的快速性能，驱动电路采 用了带制动回路的不可逆PWM控制系统，如图4所示。PWMO与单片机PWM 口相 连，以接收来自单片机的PWM信号，并通过74LS04产生两个极性相反的脉冲信 号，两个极性相反的脉冲信号经隔离、驱动放大后带动电机旋转。其中MOSFET 管VT1起调制作用的主控管，VT2是辅助管；二极管DI、D2 （或D3、D4）用来 加快MOSFET管的放电速度。PWM式晶体管放大器的主要技术指标：输出电压60V18PWM脉冲信号电机电压波形图3-9驱动仿真图3. 6测速局部由于测速精
29、度要求较高，系统选用了分辨率为100的光电码盘作为电机的测速 元件，光电码盘与电机同轴安装，便可精确测出电机的速度。19VU1061514VU111211610153；74LS47KTB74LS47TBQB QC QD QE QFQ8TIP322SC254Q4R4 WV Ik 5TXT IA 8 CDBI/RBO RBI LTR2Q12SC2547IkR1 Ik 1211A BCD BI/RBO RBI2SC2547TBCTTIP、：？TDCT- . _ _ n/ Q7QA QB QC QDQE QF QGAJiQ5 TIP31 TEr2SC2547,V图3-10测速仿真图由于Proteus中
30、80C552的仿真模型不存在，用AT89C52模型代替，采用M/T 法，存在一定误差。在本系统中需对电流实时检测，防止电流过大损坏PWM功率放大器。电流检 测的方法有电阻检测，光耦检测和电流霍尔传感器检测等方法。根据系统的要求 及实施的可能性，本系统采用了霍尔传感器来检测电路中的电流.3. 7直流电源局部在本系统中电机的额定电压为60V,调速系统中需+5V直流电压，驱动电路 需+12V直流电压，因此可设计2个电源为整个系统供电，其中+5V与+12V电压 由一个双路稳压电源输出。本系统驱动的电机电压为60V,所以需设计一个直流电源，其原理图如下， 先通过一个220转60v的变压器将220电压转为
31、60V的交流电压，然后通过桥式 整流电路获得一个输出端极性不变的电压，即半波整流，再通过RC整流电路即 可获得所需的60V的直流电压。图3-11电机驱动电压设计原理图205V与12V直流电压的设计原理如下列图所示，原理与上述原理相同，在上述 电路中只需将变压器换为220V转12V,在选用合适的电阻电容即可得到12V的 直流电压,然后输入两个集成稳压芯片中即可7805与7812中即可获得5V与12V 的直流电压3. 8本章小结本节主要介绍了硬件系统各个局部组成，主芯片80c552特性及结构；存储 芯片8274特性；直流电源局部电路；输入局部；LED显示局部；测速局部；PWM 调速控制器局部。21
32、4结论在完本钱次毕业设计的整个过程中，通过一步一步的设计与思考，对单片机 的控制特性有了更多的了解。通过以80c552为核心，再加上驱动电路，显示电 路，测量模块等与电机转速实现有效链接，从而控制电机到达稳速的要求，实现 数字化控制，自己的思维能力得到锻炼，专业知识得到巩固。但由于时间有限和知识有限，系统中有一些仍需解决的问题。对PID算法没 有具体的运算过程，及了解不到位。对软件设计仍然需要用心，加深了解。总之，完本钱次毕业论文的设计让自己学到了很多，也暴露了很多缺乏。从 一开始的茫然到一步一步去分析去解决问题，到最后完成整个过程，感受最深的 是做学问要脚踏实地，严谨认真，思路清晰，坚持不懈
33、。还有和同学老师的交流 也让自己感到自己看待问题的局限性，错误的习惯，收获很多。对于这些缺乏， 希望自己在以后的学习和生活中不断发现和改正。总之，我相信这次毕业设计对 自己以后会有很大的帮助。22参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统M,北京:机械工业出版社,2003.徐爱钧.智能化测量 控制仪表原理与设计M .北京:北京航空航天大学出版社，1999. 3胡寿松.自动控制原理.长 沙：国防科技大学出版社，19954控制元件及其线路.北京:国防工业出版社，19805谢勤岚.基于80C196KC的电机转速测量J,交通科技，2003, (2)： 91-93.6陈兵芽.基于光电码盘的高精度电机转速测量
34、.制造业自动化，2005,27 (6):47-50.7江志红51单片机技术与应用系统开发案列精选加.北京：清华大学出版社，2008. 128公茂法.单片机接口实例集.北京:北京航空航人出版社，1999 9宋宏远，杨人怡,单片微型计算机原理及应用,重庆:重庆大学出版社，1990 10江晓安，董秀峰，杨颂华.数字电路.西安:西安电子科技大学出版社2002llTjokro S, Shah S L, Adaptive PID Control, Proceedings of the 1985 American Control Conference, 198512Tsutomu Ohrnae, A mic
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36、sey: Prentice-Hall, Tnc. 2002.17王选民智能仪器原理及设计M.北京:清华大学出版社，2008. 718文东孙鹏飞C语言程序设计M.北京：中国人民大学出版社，2009.219杨加国单片机原理与应用及C51程序设计M.北京：清华大学出版社，2008. 3 20 梁合庆.从C到嵌入式C编程语言.北京:北京航空航人出版社，200023“务之之！lew二二1二WHSII.HT4附录了一二;: grs二H千漳后1S浮三番1漏i 3F3nKF2nn“ra:F(22r.i crln :s:w-E一;slE rsIK qI:5:.:;g 5弟 二nL:zi;二aw附1调速系统原理图
37、附2调速系统PCB图24大功率电机调速控制的硬件设计1绪论1.1课题研究的依据与意义：当今，随着地球资源的减少和人们环保意识的提升，对新型材料要求越来越 强烈。而镁合金具有和铝合金一样多的优良特性，比方密度小，铸造容易，机械 性能良好，屏蔽电磁能力强等，已越来越成为交通运输和电子产品包装外壳的重 要选材。但镁合金的缺点也很明显，如强度低，硬度低，容易疲劳等，其应用受 到限制，这样提高镁合金铸件的质量，已迫在眉睫。传统的镁合金铸造成型方式效率低，质量稳定性差。最新的半固态镁合金连 续铸轧技术具有剩余应力低，致密性高，时间短，成型稳定等优点，能提高镁合 金铸件的质量。我国镁合金储量丰富，占世界60
38、%以上，再加上其诸多优良特性, 其开展空间也越来越大。而可调速电动机在铸轧期间扮演着重要角色，用单片机 来控制电机转速也越来越成为重要的研究课题。1. 2国内外技术情况比照材料近年来，随着半固态技术的开展，出现了许多制备半固态金属浆料的新工艺 和新技术。冷却斜槽法是其中的一种。冷却斜槽法的原理为：将略高于液相线温 度的熔融金属倒在冷却斜槽上，由于斜槽的冷却作用，在斜槽壁上有细小的晶粒 形核长大，金属流体的冲击和材料的自重作用使晶粒从斜槽壁上脱落并翻转，以 到达搅拌效果。通过冷却斜槽的金属浆料落入容器，控制容器温度，即缓慢冷却, 冷却到一定的半固态温度后保温，到达要求的固相体积分数，随后可进行流
39、变成 形和触变成形。图1所示是冷却斜槽法的几种工艺过程，图1 (a)和(b)是将 先将制备的半固态浆料直接铸轧成板带坯，图1 (c)是将制备的半固态浆料铸 造成坯锭后，再二次加热，重熔后触变成形的工艺过程。在冷却斜槽方法中，影响熔融金属转变为半固态浆料的主要因素有三个：1) 是浇注条件，熔融金属倒入冷却斜槽，逐步凝固形核，很多细小固相颗粒随液相 流入容器，只有在浇注温度高于液相线温度时，才可能在斜槽上形成晶核，同时 斜槽温度要尽可能低；2)是斜槽长度，如果斜槽过长，会在斜槽底部凝固形成 金属壳，阻碍金属的流动，降低冷却效率，如果斜槽过短，熔融金属内没有产生 大量细小晶粒，达不到半固态浆料要求；
40、3)是斜槽的倾斜角度，倾斜角度的大小直接影响熔融金属的流动速度。采用冷却斜槽法制备的半固态浆料的固相百分数在3%-10%之间，其流动性同 熔融金属一样。在流变铸造中，固相百分数越低，越容易铸造。因此，冷却斜槽 法能应用于流变铸造成形很薄的铸件。图1冷却斜槽法的几种工艺过程直接将金属熔体“轧制”成半成品带胚或成品带材的工艺称为连续铸轧。这 种工艺的显著特点是，其结晶器为两个带水冷系统的螺旋铸轧辐，熔体在其辐缝 间完成凝固和受到热轧两个过程，而且在很短的时间内（23s）完成的。原理 是铸轧辐把浆料的大量热能迅速带走,使浆料在很短时间内完成结晶过程。同时, 又对已形成的组织经过轧辐进行压力加工。它不
41、同于连铸连轧，后者实际上将锭 胚铸造与热轧连续进行，即金属熔体在连铸机结晶器中凝固成胚后，再在后续的 双机架温连铸机上连续铸轧成供冷轧机用的带胚或成品板带材，铸造和温轧是两 个独立的工序。（1）铝带铸轧 连续铸轧技术具有投资省、本钱低、流程短等优点，一直在 有色合金，特别式铝带的生产上得到了广泛的应用。（2）钢铁材料铸轧连续铸轧生产钢铁材料还未完全成功，其重要原因之 一是钢铁材料的熔点很高，控制铸轧过程稳定性的操作参数范围很窄，铸轧过程中钢铁材料的传热、 凝固过程比有色金属更复杂。2000年以来，澳大利亚CSIR0联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific Industrial Research Organization）工业技术研究院（Institute of Industrial Technologies）就致力于镁合金板带铸轧技术的研究。目前CSIRO已 经建立了一个工业规模的试验工厂，用镁合金板带连铸机生产出低能耗、高质量的镁合金薄板带材，这台设备可以生产出600 mm宽的符合商业质量标准的镁薄 板带。并且CSIR0把镁合金板带成功应用于汽车发动机和打印机、移动 、DVD、 火车、电池、甚至自行车中。CSIR0正在深入开展此项研究以证明这个工艺所