單片機(jī)控制PWM的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)VIP

年4月19日單片機(jī)控制PWM的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)文檔僅供參考摘要在國(guó)民生產(chǎn)中，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)已得到了全面的發(fā)展，其技術(shù)已應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在各類(lèi)機(jī)電系統(tǒng)中,由于直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能,直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面,最常見(jiàn)的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù),具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和損耗低的特點(diǎn).而利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制也成了直流調(diào)速的一種手段,數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高,控制軟件能夠進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算,能夠?qū)崿F(xiàn)不同于一般線(xiàn)性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線(xiàn)性、智能化等控制規(guī)律,另外還擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。關(guān)鍵字：AT89C51單片機(jī)；PWM技術(shù)；編碼器；直流電動(dòng)機(jī)AbstractInthenationalproduction,alongwiththedevelopmentofmoderntechnology,electronictechnologyhasbeenacomprehensivedevelopment,thetechnologyhasbeenappliedinvariousfields.Inallkindsofmechanicalsystem,duetothedcmotorhasagoodstart,brakeandtheperformanceofspeed,dcmotorcontrolsystemhasbeenwidelyusedinindustry,spaceflight,mostcommonlyuseddcspeedcontroltechnologyisapulsewidthmodulation(PWM)dcspeedcontroltechnology,whichhasahighprecision,fastresponsetime,highspeedrangeandwidthofthelowlosscharacteristicsanduseofcomputerdigitalcontrolhasbecomeakindofmethodofdcspeedcontrolsystem,thehardwarecircuitofahighdegreeofstandardization,controlsoftwaretocarryoutcomplexoperationcanberealized,differentfromthegenerallinearoptimizationandadjustmentoftheadaptive,nonlinear,intelligentcontrollaw,alsohaveinformationstorage,datacommunicationandfaultdiagnosiscannotachievesuchsimulationsystemKeywords:AT89C51microcontroller;PWMtechnology;encoder;DCMotor目錄1.引言 12.系統(tǒng)方案論證 22.1系統(tǒng)總方案論證與選擇 22.2設(shè)計(jì)模塊方案比較與分析 42.2.1電機(jī)調(diào)速控制模塊 42.2.2PWM調(diào)速工作方式 53硬件部分 53.1單片機(jī)的選型 53.2PWM控制技術(shù) 53.3驅(qū)動(dòng)電路 63.3.1芯片IR2110性能及特點(diǎn) 73.3.2IR2110的引腳圖以及功能 93.4PWM控制H橋雙極性主電路 113.5檢測(cè)回路 133.5.1光電編碼盤(pán) 143.6鍵盤(pán)及顯示電路 153.6.1鍵盤(pán)/顯示芯片8279簡(jiǎn)介 153.6.3顯示器設(shè)計(jì) 164模塊的原理與應(yīng)用 174.1PWM調(diào)脈寬方式 174.2定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 174.3直流電機(jī)調(diào)速原理 184.4PWM基本原理及實(shí)現(xiàn)方法 184.5PWM在直流調(diào)速中的應(yīng)用 184.6橋式可逆PWM變換器 194.7M/T法測(cè)速原理 215軟件部分 225.1主程序及系統(tǒng)初始化模塊 225.2模塊程序設(shè)計(jì) 235.2.1外部中斷0模塊設(shè)計(jì) 235.2.2外部中斷1模塊設(shè)計(jì) 235.2.3內(nèi)部定時(shí)器T0溢出中斷設(shè)計(jì) 235.3中斷子程序模塊 245.4鍵盤(pán)/顯示模塊設(shè)計(jì) 245.5數(shù)字PID流程圖 265.6源程序 29參考文獻(xiàn) 371.引言在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中，隨著各項(xiàng)技術(shù)水平的不斷提高，使得傳統(tǒng)工藝有了深層次的提高，對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)與生活，產(chǎn)生了深刻且深遠(yuǎn)的影響，已經(jīng)與我們息息相關(guān)。由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能,適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速,因此在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而且,從控制的角度來(lái)看,直流調(diào)速還是交流調(diào)速，都用到拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ),由運(yùn)算放大器、非線(xiàn)性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成,控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜,功能單一,而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy,觸發(fā)精度易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，觸發(fā)脈沖不對(duì)稱(chēng)度較大，調(diào)節(jié)器中的運(yùn)算放大器，因網(wǎng)壓和溫度變化引起的漂移會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算誤差，模擬器件老化也會(huì)引起運(yùn)算誤差，甚至使已經(jīng)整定好的系統(tǒng)性能變差，這些都阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異,使許多控制功能及算法能夠采用軟件技術(shù)來(lái)完成,不但為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性,而且使系統(tǒng)能達(dá)到了更高的性能,從而大大節(jié)約了人力資源,降低了系統(tǒng)成本,有效地提高了工作效率。因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化、可靠性好、適應(yīng)溫度范圍寬、易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用單片機(jī)取代模擬電路作為電動(dòng)機(jī)的控制器，使電路更簡(jiǎn)單，模擬電路為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件,使電路復(fù)雜,使用單片機(jī)微處理器后,絕大多數(shù)控制邏輯可經(jīng)過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)較復(fù)雜的控制,單片機(jī)有更強(qiáng)的邏輯功能,運(yùn)算速度和精度高、有大容量的存儲(chǔ)單元,因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制靈活性和適應(yīng)性強(qiáng),單片機(jī)的控制方式是由軟件完成的,如果需要修改控制規(guī)律,一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路,只需修改程序即可,在系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)時(shí),能夠不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù),非常方便無(wú)零點(diǎn)漂移,控制精度高、數(shù)字控制不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點(diǎn)漂移問(wèn)題,無(wú)論被控量的大小,都能夠保證足夠的控制精度可提供人機(jī)界面,多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作等優(yōu)點(diǎn)。因此在電氣傳動(dòng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中受到重視和普遍應(yīng)用。利用單片機(jī)邏輯功能強(qiáng)和軟件靈活的優(yōu)點(diǎn)，不但可使很多控制硬件軟件化，便于參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，而且能夠同時(shí)對(duì)系統(tǒng)工作中的各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷、檢測(cè)和及時(shí)處理，加強(qiáng)了實(shí)時(shí)維護(hù)和提高了控制系統(tǒng)的可靠性。它的發(fā)展趨勢(shì)將是向大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。2.系統(tǒng)方案論證2.1系統(tǒng)總方案論證與選擇方案一：直接加直流電源來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；根據(jù)電動(dòng)機(jī)在其額定電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)有一定的額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)其輸入電壓的減小，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度也相應(yīng)的減小。從而在傳統(tǒng)的改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速問(wèn)題中，就是利用所給電動(dòng)機(jī)的電壓的不同，而達(dá)到人們所需要的大約速度。方案二：以單片機(jī)AT89C51為中心經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器,將單片機(jī)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而起到控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速問(wèn)題。其中在單片機(jī)控制部分經(jīng)過(guò)按鍵直接從程序中調(diào)出所需要速度的值，同時(shí)輸?shù)綌?shù)碼顯示部分和D/A轉(zhuǎn)換部分以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。鍵盤(pán)鍵盤(pán)AT89C51單片機(jī)數(shù)碼顯示D/A0832轉(zhuǎn)換電動(dòng)機(jī)圖1電路組成框圖方案三：采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)需要使用的軟件資源比較簡(jiǎn)單，只需要完成編碼器采樣部分、鍵盤(pán)控制部分以及顯示輸出功能。采用AT89C51進(jìn)行控制比較簡(jiǎn)單、易控制、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、精度高且體積大大減小。輸出速度的調(diào)節(jié)是經(jīng)過(guò)鍵操作，顯示速度。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器.具有4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器,可擦除的的只讀存儲(chǔ)器(PEROM),ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器.AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案.三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線(xiàn)、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路：電路框圖如圖2圖2電路組成框圖方案分析：方案一只能以減小所給電壓值而能使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有相應(yīng)的減小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及時(shí)的從電動(dòng)機(jī)那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而是直接從程序哪兒調(diào)用相應(yīng)的數(shù)值給數(shù)碼顯示。因此，此處的電路在速度的顯示上失去了其真實(shí)性。方案三在可操作性與實(shí)時(shí)性方面都都結(jié)合了本專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，從控制理論與控制技術(shù)出發(fā)，充分發(fā)揮與應(yīng)用本學(xué)科特點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)采用方案三。2.2設(shè)計(jì)模塊方案比較與分析：2.2.1電機(jī)調(diào)速控制模塊：方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。可是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不但會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了能夠簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。兼于方案三調(diào)速特性?xún)?yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案三。2.2.2PWM調(diào)速工作方式：方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩控制口各輸出一個(gè)控制信號(hào)，兩信號(hào)高低電平相反，兩信號(hào)的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案二：?jiǎn)螛O性工作制。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號(hào)，兩口的輸出切換和對(duì)PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于單極性工作制中，應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)與操作，因此我們采用了單極性工作制。3硬件部分3.1單片機(jī)的選型：

AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可重復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。3.1.1主要特性：+{a},Pm

·

8031CPU與MCS-51兼容

·4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器(壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán))

全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz

·三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定

·128*8位內(nèi)部RAM

·32條可編程I/O線(xiàn)

·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

·6個(gè)中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路

·圖3單片機(jī)芯片3.1.2．管腳說(shuō)明：gqzC

L,Q

unAd20(b*p

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它能夠被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管腳備選功能

P3.0RXD（串行輸入口）

P3.1TXD（串行輸出口）

P3.2/INT0（外部中斷0）

P3.3/INT1（外部中斷1）

P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）

P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）

P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）

P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。

I/O口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4：

圖4內(nèi)部結(jié)構(gòu)I/O口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式即所謂的讀端口與讀引腳讀端口時(shí)實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線(xiàn)經(jīng)過(guò)某種運(yùn)算或變換后再寫(xiě)回到端口鎖存器只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線(xiàn)上面圖中的兩個(gè)三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號(hào)以完成不同的操作這是由硬件自動(dòng)完成的不需要我們操心

讀引腳時(shí)也就是把端口作為外部輸入線(xiàn)時(shí)首先要經(jīng)過(guò)外部指令把端口鎖存器置1然后再實(shí)行讀引腳操作否則就可能讀入出錯(cuò)為什么看上面的圖如果不對(duì)端口置1端口鎖存器原來(lái)的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q^為1加到場(chǎng)效應(yīng)管柵極的信號(hào)為1該場(chǎng)效應(yīng)管就導(dǎo)通對(duì)地呈現(xiàn)低阻抗,此時(shí)即使引腳上輸入的信號(hào)為1也會(huì)因端口的低阻抗而使信號(hào)變低使得外加的1信號(hào)讀入后不一定是1若先執(zhí)行置1操作則能夠使場(chǎng)效應(yīng)管截止引腳信號(hào)直接加到三態(tài)緩沖器中實(shí)現(xiàn)正確的讀入由于在輸入操作時(shí)還必須附加一個(gè)準(zhǔn)備動(dòng)作因此這類(lèi)I/O口被稱(chēng)為準(zhǔn)雙向口89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時(shí)都是準(zhǔn)雙向口接下來(lái)讓我們?cè)倏戳硪粋€(gè)問(wèn)題從圖中能夠看出這四個(gè)端口還有一個(gè)差別除了P1口外P0P2P3口都還有其它的功能

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。

/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不論是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。

3.1.8kxx1/}=3振蕩器特性：

XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器能夠配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。

3.1.4芯片擦除：

整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可經(jīng)過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。

另外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，能夠在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容而且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其它芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3.2PWM控制技術(shù)PWM是PulseWidthModulation的縮寫(xiě),即脈沖寬度調(diào)制,是經(jīng)過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值).調(diào)速可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。盡管直流電機(jī)比交流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、維修保養(yǎng)貴，可是其調(diào)速性能好，因此在調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位。3.3驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)電路采用了IR2110集成芯片，該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。3.3.1芯片IR2110性能及特點(diǎn)IR2110是美國(guó)國(guó)際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路以及無(wú)閂鎖CMOS技術(shù)，于1990年前后開(kāi)發(fā)而且投放市場(chǎng)的，IR2110是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動(dòng)的單片式集成驅(qū)動(dòng)器。它把驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個(gè)高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點(diǎn)在于，將輸入邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能夠驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，工作電壓比較高，能夠達(dá)到600V，其內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，成本低、易于調(diào)試。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，與其它驅(qū)動(dòng)電路相比，它在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū)動(dòng)變壓器和電容的數(shù)目，使得MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，而且它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，還具有快速完整的保護(hù)功能。與此同時(shí)，IR2110的研制成功而且投入應(yīng)用能夠極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。3.3.2IR2110的引腳圖以及功能引腳1（LO）與引腳7（HO）：對(duì)應(yīng)引腳12以及引腳10的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，使用中，分別經(jīng)過(guò)一電阻接主電路中下上通道MOSFET的柵極。引腳2（COM）：下通道MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出參考地端，使用中，與引腳13（Vss）直接相連，同時(shí)接主電路橋臂下通道MOSFET的源極。引腳3（Vcc）：直接接用戶(hù)提供的輸出極電源正極，而且經(jīng)過(guò)一個(gè)較高品質(zhì)的電容接引腳2。引腳5（Vs）：上通道MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出參考地端，使用中，與主電路中上下通道被驅(qū)動(dòng)MOSFET的源極相通。與引腳6（VB）：經(jīng)過(guò)一陰極連接到該端陽(yáng)極連接到引腳3的高反壓快恢復(fù)二極管，與用戶(hù)提供的輸出極電源相連，對(duì)Vcc的參數(shù)要求為大于或等于—0.5V，而小于或等于+20V。引腳9（VDD）：芯片輸入級(jí)工作電源端，使用中，接用戶(hù)為該芯片工作提供的高性能電源，為抗干擾，該端應(yīng)經(jīng)過(guò)一高性能去耦網(wǎng)絡(luò)接地，該端可與引腳3（Vcc）使用同一電源，也能夠分開(kāi)使用兩個(gè)獨(dú)立的電源。引腳10（HIN）與引腳12（LIN）：驅(qū)動(dòng)逆變橋中同橋臂上下兩個(gè)功率MOS器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。應(yīng)用中，接用戶(hù)脈沖形成部分的對(duì)應(yīng)兩路輸出，對(duì)此兩個(gè)信號(hào)的限制為Vss-0.5V至Vcc+0.5V，這里Vss與Vcc分別為連接到IR2110的引腳13（Vss）與引腳9（VDD）端的電壓值。引腳11（SD）：保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)全部被封鎖，其對(duì)應(yīng)的輸出端恒為低電平，而當(dāng)該端接低電平時(shí)，則IR2110的輸出跟隨引腳10與12而變化。引腳13（Vss）：芯片工作參考地端，使用中，直接與供電電源地端相連，所有去耦電容的一端應(yīng)接該端，同時(shí)與引腳2直接相連。引腳8、引腳14、引腳4：為空引腳。圖7IR2110管腳圖IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達(dá)500V，du/dt=±50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mW；輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為10～20V，邏輯電源電壓范圍為5～15V，邏輯電源地電壓偏移范圍為－5V～＋5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅(qū)動(dòng)輸出峰值電流≥2A，負(fù)載為1000pF時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)間典型值為25ns。兩路匹配傳輸導(dǎo)通延時(shí)為120ns，關(guān)斷延時(shí)為94ns。IR2110的腳10能夠承受2A的反向電流。圖8IGBT驅(qū)動(dòng)電路3.4PWM控制H橋雙極性主電路從上面的原理能夠看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓的前提是低壓側(cè)必須有開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導(dǎo)通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。因此在這個(gè)電路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的。我們能夠采取雙PWM信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)以及它的速度。將IC1的HIN端與IC2的LIN端相連，而把IC1的LIN端與IC2的HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號(hào)恰好相反。在HIN為高電平期間，Q1、Q4導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加正向的工作電壓。其具體的操作步驟如下：當(dāng)IC1的LO為低電平而HO為高電平的時(shí)候，Q2截止，C1上的電壓經(jīng)過(guò)VB、IC內(nèi)部電路和HO端加在Q1的柵極上，從而使得Q1導(dǎo)通。同理，此時(shí)IC2的HO為低電平而LO為高電平，Q3截止，C3上的電壓經(jīng)過(guò)VB、IC內(nèi)部電路和HO端加在Q4的柵極上，從而使得Q4導(dǎo)通。電源經(jīng)Q1至電動(dòng)機(jī)的正極經(jīng)過(guò)整個(gè)直流電機(jī)后再經(jīng)過(guò)Q4到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。此時(shí)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。在HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，Q2、Q3導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加反向工作電壓。其具體的操作步驟如下：當(dāng)IC1的LO為高電平而HO為低電平的時(shí)候，Q2導(dǎo)通且Q1截止。此時(shí)Q2的漏極近乎于零電平，Vcc經(jīng)過(guò)D1向C1充電，為Q1的又一次導(dǎo)通作準(zhǔn)備。同理可知，IC2的HO為高電平而LO為低電平，Q3導(dǎo)通且Q4截止，Q3的漏極近乎于零電平，此時(shí)Vcc經(jīng)過(guò)D2向C3充電，為Q4的又一次導(dǎo)通作準(zhǔn)備。電源經(jīng)Q3至電動(dòng)機(jī)的負(fù)極經(jīng)過(guò)整個(gè)直流電機(jī)后再經(jīng)過(guò)Q2到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。此時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此電樞上的工作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機(jī)械慣性的緣故，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來(lái)決定的。設(shè)PWM波的周期為T(mén)，HIN為高電平的時(shí)間為t1，這里忽略死區(qū)時(shí)間，那么LIN為高電平的時(shí)間就為T(mén)-t1。HIN信號(hào)的占空比為D=t1/T。設(shè)電源電壓為V，那么電樞電壓的平均值為：Vout=[t1-(T-t1)]V/T=(2t1–T)V/T=(2D–1)V定義負(fù)載電壓系數(shù)為λ，λ=Vout/V,那么λ=2D–1；當(dāng)T為常數(shù)時(shí)，改變HIN為高電平的時(shí)間t1，也就改變了占空比D，從而達(dá)到了改變Vout的目的。D在0—1之間變化，因此λ在±1之間變化。如果我們聯(lián)系改變?chǔ)耍敲幢隳軌驅(qū)崿F(xiàn)電機(jī)正向的無(wú)級(jí)調(diào)速。當(dāng)λ=0.5時(shí)，Vout=0,此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0；當(dāng)0.5<λ<1時(shí)，Vout為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)λ=1時(shí)，Vout=V,電機(jī)正轉(zhuǎn)全速運(yùn)行。圖9電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.5檢測(cè)回路檢測(cè)回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。編碼器是把角位移或直線(xiàn)位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。前者成為碼盤(pán)，后者稱(chēng)碼尺．按照讀出方式編碼器能夠分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”。

按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩種。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。圖5光電編碼器實(shí)物圖3.5.1光電編碼盤(pán)光電編碼盤(pán)是將測(cè)得的角位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電脈沖信號(hào)輸出的數(shù)字傳感器，本設(shè)計(jì)采用增量式光電編碼器來(lái)采樣轉(zhuǎn)速信號(hào)，如圖8所示。增量式編碼器是專(zhuān)門(mén)了用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的累計(jì)量。這里以三相編碼器為例來(lái)介紹增量式編碼器的工作原理及其結(jié)構(gòu)。圖6編碼器原理圖增量式光電編碼器在圓盤(pán)上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線(xiàn)條，在圓盤(pán)兩側(cè)安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤(pán)隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接受的光增量隨透光線(xiàn)條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過(guò)整形后變成脈沖。碼盤(pán)上有向標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈z相輸出一個(gè)脈沖。另外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還提供相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)。將A、B兩相脈沖中任何一相輸入計(jì)數(shù)器中，均可使計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。編碼盤(pán)輸出的z相脈沖用于復(fù)位計(jì)數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。編碼盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向能夠經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器的輸出信號(hào)Q來(lái)判斷。整形后的A、B兩相輸出信號(hào)分別接到D觸發(fā)器的時(shí)鐘端和D輸入端，D觸發(fā)器的CLK端在A相脈沖的上升沿觸發(fā)。由于A、B兩相的脈沖相位相差90°，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，B相脈沖超前A相脈沖90°，觸發(fā)器總是在B脈沖為高電平時(shí)觸發(fā)，這時(shí)D觸發(fā)器的輸出端Q輸出為高電平。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，A相脈沖超前B相脈沖90°，則D觸發(fā)器總是在B脈沖為低電平時(shí)觸發(fā)，這時(shí)Q輸出端輸出為低電平，由此確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能影響極大。為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測(cè)速，本設(shè)計(jì)使用每轉(zhuǎn)1024線(xiàn)的光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測(cè)速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機(jī)對(duì)該頻率信號(hào)采用M/T法測(cè)速處理。3.6鍵盤(pán)及顯示電路鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳誦命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤(pán)掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU在忙于各項(xiàng)工作任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤(pán)的輸入，取決于鍵盤(pán)的工作方式。鍵盤(pán)的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又要不過(guò)多占用CPU的工作時(shí)間。3.6.1鍵盤(pán)/顯示芯片8279簡(jiǎn)介Intel公司的8279是鍵盤(pán)/顯示模塊的核心控制器。如圖10所示。它是一種實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)輸入和段式數(shù)碼顯示控制的專(zhuān)用智能芯片。采用該芯片,能夠大大簡(jiǎn)化單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),而且減輕CPU的負(fù)擔(dān)。簡(jiǎn)單地說(shuō),它有以下一些功能:

與微處理器接口簡(jiǎn)單;

能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)按鍵的“去抖”和重鍵處理;

能以中斷或查詢(xún)兩種方式工作;

能按FIFO(先進(jìn)先出)方式實(shí)現(xiàn)8個(gè)鍵值的緩沖;

常規(guī)情況下,能同時(shí)管理64個(gè)物理鍵和16個(gè)八段數(shù)碼管。

其引腳定義如下:

DB0～DB7:雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)

/RD、/WR:讀寫(xiě)選通信號(hào)

/CS:片選信號(hào)

RESET:復(fù)位信號(hào)

CLK:時(shí)鐘信號(hào)A0:命令/狀態(tài)或數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)A=1,為寫(xiě)命令或讀狀態(tài);A=0,為數(shù)據(jù)

IRQ:中斷請(qǐng)求信號(hào)

SL0～SL3:矩陣掃描線(xiàn)

RL0～RL7:檢測(cè)輸入線(xiàn)

/BD:顯示消隱信號(hào)

SHIFT:擴(kuò)展鍵位的換檔信號(hào),帶上拉電阻

CTRL/STB:控制鍵輸入/選通信號(hào)輸入,帶上拉電阻

3.6.2鍵盤(pán)設(shè)計(jì)采用4*4式鍵盤(pán)，分?jǐn)?shù)字部分和控制部分，如圖下表所示。數(shù)字部分用來(lái)輸入給定轉(zhuǎn)速，控制部分用來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行。0123456789取消確認(rèn)測(cè)速停車(chē)圖10顯示器圖輸入給定轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題：（1）轉(zhuǎn)速不足四位時(shí)，在前面加撥0湊夠四位；（2）轉(zhuǎn)速輸入錯(cuò)誤時(shí)，按取消鍵，顯示器清空，重新輸入值；（3）轉(zhuǎn)速輸入完成后，按確認(rèn)鍵。3.6.3顯示器設(shè)計(jì)采用共陰極的發(fā)光二極管構(gòu)成能夠顯示4位十進(jìn)制的顯示器，運(yùn)行中顯示當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速值。如上圖示。8279與單片機(jī)、鍵盤(pán)和顯示器的外圍總接線(xiàn)如圖11示。圖11顯示器/鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)電路4模塊的原理與應(yīng)用4.1PWM調(diào)脈寬方式調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；而且在產(chǎn)生PWM脈沖的實(shí)現(xiàn)上比較方便。4
"BE|,"44.2定時(shí)器/計(jì)數(shù)器由于PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作方式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為f，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器為N位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為：式中，TW—定時(shí)器定時(shí)初值；N—一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)。N隨著機(jī)型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。這樣，我們能夠經(jīng)過(guò)設(shè)定不同的定時(shí)初值TW，從而改變占空比，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。4.3直流電機(jī)調(diào)速原理根據(jù)勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)分為自勵(lì)和她勵(lì)兩種類(lèi)型。不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)機(jī)械特性曲線(xiàn)有所不同。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，人為機(jī)械特性方程式為：分析(1)式可得．當(dāng)分別改變UN、和Rad時(shí)，能夠得到不同的轉(zhuǎn)速n，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)節(jié)。由于Ф=F(If)，當(dāng)改變勵(lì)磁電流If時(shí)，能夠改變磁通量Ф的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵(lì)磁線(xiàn)圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)磁飽和的限制，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If，和磁通量Ф只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對(duì)于調(diào)節(jié)電樞外加電阻Rad時(shí)，會(huì)使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機(jī)械特性曲線(xiàn)相互平行，說(shuō)明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機(jī)帶負(fù)載能力恒定。當(dāng)我們平滑調(diào)節(jié)她勵(lì)直流電機(jī)電樞兩端電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速.4.4PWM基本原理及實(shí)現(xiàn)方法其方法是經(jīng)過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值即占空比來(lái)控制電機(jī)速度這種方法稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM.調(diào)速原理如圖所示經(jīng)過(guò)控制脈沖占空比來(lái)改變電機(jī)的電樞電壓.Vd=Vmax*D(2)由公式(2)可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比D=t1／T時(shí)，就能夠得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比Vd并不是嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，能夠?qū)⑵浣频乜闯删€(xiàn)性關(guān)系。4.5PWM在直流調(diào)速中的應(yīng)用PWM廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)，例如，以往普遍應(yīng)用的晶閘管相控整流—直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，現(xiàn)在也發(fā)展了全波步控整流PWM斬波—直流電壓調(diào)速系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)也是有直流斬波器供電的。PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖序列，并經(jīng)過(guò)控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的表示式為：

n=Ua-IaΣRa∕Ce-φ（r/min）

式中Ua—電樞端電壓（V）

Ia—電樞電流（?。?/p>

ΣRa—電樞電路總電阻（Ω）

Φ—每級(jí)磁通量（Wb）

Ce—與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)由式可知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制方法可分為兩類(lèi)，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制勵(lì)磁通Φ，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁極飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。而且由于勵(lì)磁線(xiàn)圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。因此常見(jiàn)的是電樞電壓控制法。Ua=Ud-IaR，雖然調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓達(dá)到調(diào)速目的，但這種方法效率很低。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，可由PWM斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓。本文主要介紹PWM實(shí)現(xiàn)的直流調(diào)速系統(tǒng)。4.6橋式可逆PWM變換器脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。橋式可逆PWM變換器電路如圖12所示。這是電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。圖12橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖6所示。圖13PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形她們的關(guān)系是：。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時(shí)。當(dāng)時(shí)，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，，則的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0～1相應(yīng)的。當(dāng)時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，，電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動(dòng)機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)依然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1）電流一定連續(xù)。2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。3）電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。4.7M/T法測(cè)速原理M/T法測(cè)速原理是在對(duì)光電編碼器輸出的測(cè)速脈沖數(shù)m1進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)對(duì)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)m2也進(jìn)行計(jì)數(shù)。原理如圖14：圖14M/T法測(cè)速原理測(cè)速時(shí)間Td由測(cè)速脈沖來(lái)同步，即由圖8電路實(shí)現(xiàn)Td等于整m1個(gè)脈沖周期。設(shè)從圖9上a點(diǎn)開(kāi)始，計(jì)數(shù)器分別對(duì)m1和m2計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)，預(yù)計(jì)的測(cè)速時(shí)間Tc到，微機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，但因?yàn)門(mén)c不一定恰好等于整數(shù)個(gè)編碼輸出脈沖周期，因此計(jì)數(shù)器仍對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，直到c點(diǎn)時(shí)，能夠利用下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖上升沿（即c點(diǎn)）觸發(fā)數(shù)字測(cè)速硬件電路使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這樣，m2代表了m1個(gè)測(cè)速脈沖周期的時(shí)間。設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為f0，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出p個(gè)脈沖，則電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為： n=(60*m1*f0)/(z*m2)5.軟件部分5.1主程序及系統(tǒng)初始化模塊主程序——完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)處理、刷新顯示、與上位計(jì)算機(jī)和其它外設(shè)通信等功能，如圖15。初始化子程序——完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等，如圖16。圖15主程序流程圖 圖16初始化子程序主程序主要完成鍵盤(pán)/顯示芯片8279、內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1測(cè)速和變量的初始化。此程序共有2個(gè)中斷源：外部中斷0，用于電機(jī)故障處理；外部中斷1，用于鍵盤(pán)輸入處理。5.2模塊程序設(shè)計(jì)5.2.1外部中斷0模塊設(shè)計(jì)外部中斷0是故障中斷，優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)向CPU申請(qǐng)中斷。響應(yīng)中斷后封鎖PWM輸出，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。5.2.2外部中斷1模塊設(shè)計(jì)外部中斷1是鍵盤(pán)輸入中斷，高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)鍵盤(pán)有輸入值時(shí)，8279向CPU申請(qǐng)中斷。讀取鍵值，按其實(shí)際功能進(jìn)行操作。5.2.3內(nèi)部定時(shí)器T0溢出中斷設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速測(cè)定為M/T式編碼盤(pán)測(cè)速，要經(jīng)過(guò)測(cè)取給定時(shí)間內(nèi)的編碼盤(pán)輸出的脈沖數(shù)。T0用來(lái)定時(shí)，T1用來(lái)計(jì)數(shù)，T0和T1均工作與方式1。T0定時(shí)50ms，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為12MHz，機(jī)器周期為1us，5.3中斷子程序模塊中斷服務(wù)子程序完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能，如故障保護(hù)、PWM生成、狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)字PID調(diào)節(jié)等,中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請(qǐng)，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)。圖17轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序框圖圖18故障保護(hù)中斷子程序框圖當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平發(fā)生跳變時(shí)申請(qǐng)故障保護(hù)中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用定時(shí)中斷。兩種中斷服務(wù)中，故障保護(hù)中斷優(yōu)先級(jí)別最高，，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷級(jí)別次之。5.4鍵盤(pán)/顯示模塊設(shè)計(jì)鍵盤(pán)/顯示模塊核心控制器件是8279，由軟件設(shè)置為8字符顯示，左端送入，編碼掃描鍵盤(pán)，雙鍵互鎖，內(nèi)部時(shí)鐘頻率設(shè)置為100KHz。按鍵操作由終端導(dǎo)入，靜態(tài)顯示方式。圖19顯示子程序圖20測(cè)速子程序5.5數(shù)字PID流程圖數(shù)字PID控制算法能夠分為位置式PID和增量式PID控制算法。將模擬的PID算式用求和的方式代替積分；用增量的方式代替微分.則可作如下近似(k=0,1,2,……..)進(jìn)行離散處理有這便是增量式PID算式，由于它的每次輸出均與過(guò)去有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)Ek進(jìn)行累加，故工作量特別大。因此一般不用位置式PID。對(duì)三式稍作推導(dǎo)即可得到下式。式中B=由式看出，如果計(jì)算機(jī)采用恒定的采樣周期T,一旦確定了ABC只要使用前三次測(cè)量值的偏差，就能夠由式求出控制增量。如圖21所示.開(kāi)始開(kāi)始計(jì)算NK存入46H—48H計(jì)算ANK存入4CH—4EH計(jì)算ΔNK存入4CH—4EH計(jì)算CBNK-2存入4FH—51H計(jì)算ANK+BNK存入4CH—4EH計(jì)算BNK存入4FH—51H取ΔNK整數(shù)N降速N轉(zhuǎn)更新NK-1,NK-2取ΔNK整數(shù)NΔNK>0提速N轉(zhuǎn)返回AT89C51圖21PID流程圖保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)存放計(jì)數(shù)器T1中的值是否計(jì)夠20累加20次的計(jì)數(shù)值計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速n=60M/ZTc給出PID運(yùn)算參數(shù)TI、TD、KP調(diào)用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器運(yùn)算保存運(yùn)算結(jié)果將實(shí)際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，送入顯示RAM顯示返回中斷重新設(shè)定定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初值并啟初值并啟動(dòng)重新設(shè)定定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初值并啟動(dòng)NY圖22調(diào)速軟件系統(tǒng)框圖5.6源程序///*************************************************************************///直流電機(jī)的pwm控制程序///功能：直流電機(jī)的速度控制，速度測(cè)試，速度顯示。///*************************************************************************#include<reg51.h> ///包含頭文件#include<absacc.h>#definegwDBYTE[0X40] ///定義顯示緩沖區(qū)個(gè)位#defineswDBYTE[0X41] //////////////////十位#definebwDBYTE[0X42] //////////////////百位#defineqwDBYTE[0X43] //////////////////千位#defineunintunsignedint ///自定義變量#defineucharunsignedcharsbitin1=P3^0; ///控制位定義sbitin2=P3^1;sbitena=P3^7;ucharcodezm[12]={0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F,0x73,0x71};///在程序存儲(chǔ)區(qū)定義字型碼表ucharcodewm[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};///在程序存儲(chǔ)區(qū)定義字位控制碼表uchara=8; ///占空比控制字ucharn=1; ///速度增減量一ucharm=2; ///速度增減量二unintspeedbuf=0; ///速度值ucharzc=0;unintys=0;key(); ///子函數(shù)聲明display();control();delays();speedcan();///*************************************************************************************************************///主函數(shù)///*************************************************************************************************************main() { gw=sw=bw=qw=0; ///顯示初始化 P0=0xc0; P2=0; in1=0; ///電機(jī)控制的初始化 in2=0; ena=1; TMOD=0X15; ///定時(shí)器1為定時(shí)模式,使用方式2;定時(shí)器0為計(jì)數(shù)模式,使用方式2 TH1=0Xfa; ///裝定時(shí)器初值 TL1=0X24; TH0=0; ///裝計(jì)數(shù)器初值 TL0=0; EA=1; ///開(kāi)總中斷 ET0=1; ///允許定時(shí)器0中斷 ET1=1; ///允許定時(shí)器1中斷 TR0=1; ///開(kāi)計(jì)數(shù)器 TR1=1; ///開(kāi)定時(shí)器 while(1) ///無(wú)限循環(huán) { key(); ///調(diào)用按鍵掃描程序 control(); ///調(diào)用電機(jī)控制程序 display(); ///調(diào)用顯示程序 speedcan(); ///調(diào)用速度處理程序 }}///*************************************************************************///中斷處理程序,實(shí)現(xiàn)輸出方波占空比控制///*************************************************************************timer_1()interrupt3using1 ///定時(shí)器1中斷,使用寄存器組1{ TR1=0; ///停止定時(shí) zc++; ///中斷次數(shù)加1 ys++; control(); speedcan(); TH1=0Xfa; ///重裝定時(shí)初值 TL1=0X24; TR1=1;}///*************************************************************************///脈寬控制程序,實(shí)現(xiàn)PWM的輸出///*************************************************************************control(){ if(zc==a) { ena=0; } if(zc==15) { zc=0; ena=1; }}///*************************************************************************///顯示子函數(shù),顯示當(dāng)前電機(jī)的速度///*************************************************************************display(){ uchari; gw=speedbuf%10; ///求速度個(gè)位值送各位顯示緩沖 sw=(speedbuf/10)%10; ///求速度十位值送十位顯示緩沖 bw=(speedbuf/100)%10; ///求速度百位值送百位顯示緩沖 qw=speedbuf/1000; ///求速度千位值送千位顯示緩沖 for(i=0;i<4;) ///循環(huán)選中數(shù)碼管的每一位 { P2=wm[i]; if(i==0) ///顯示個(gè)位 { P0=zm[gw]; delays(); } elseif(i==1) ///顯示十位 { P0=zm[sw]; delays(); } elseif(i==2) ///顯示百位 { P0=zm[bw]; delays(); } elseif(i==3) ///顯示千位 { P0=zm[qw