基于PID控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)講解

1、基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 1.1 本課程的選題背景 PID 控制器（按閉環(huán)系統(tǒng)誤差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器）自 30年 代末期出現(xiàn)以來(lái)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。特別是在工業(yè)過程控制中，由于 被控制對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用控制理論分 析綜合不僅要耗費(fèi)很大代價(jià)，而且難以得到預(yù)期的控制效果。在應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制 的系統(tǒng)中， PID 很容易通過編制計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。由于軟件系統(tǒng)的靈活性， PID 算法 可以得到修正和完善， 從而使

2、數(shù)字 PID 具有很大的靈活性和適用性， 其中數(shù)字 PID 控 制器是由軟件編程在計(jì)算機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約， 在上世紀(jì) 80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。 直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子 器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電 子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng) 控制思想的應(yīng)用， PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單、 靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最 廣泛應(yīng)

3、用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué) 科之間的界限， 結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為 PWM 控制 技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 在電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)中，常常需要消耗各種硬件資源，系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)間長(zhǎng)，而在 調(diào)試時(shí)很難對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行修改，從而延長(zhǎng)開發(fā)周期。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)和 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 發(fā)展，可用計(jì)算機(jī)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，從而減小系統(tǒng)開發(fā)開支和周期。計(jì)算機(jī) 仿真可分為整體仿真和實(shí)時(shí)仿真。 整體仿真是對(duì)系統(tǒng)各個(gè)時(shí)間段對(duì)各個(gè)對(duì)象進(jìn)行計(jì)算 和分析，從而對(duì)各個(gè)對(duì)象的變化情況有直觀的整體的了解，即能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的預(yù) 測(cè)，如

4、Proteus 就是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)仿真軟件。實(shí)時(shí)仿真是對(duì)時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)態(tài)仿真，即 隨著時(shí)間的推移它能動(dòng)態(tài)仿真出當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)。 Proteus是一個(gè)實(shí)時(shí)仿真軟件， 用來(lái) 仿真各種嵌入式系統(tǒng)。它能對(duì)各種微控制器進(jìn)行仿真，本系統(tǒng)即用 Proteus 對(duì)直流電 機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 本文就是利用這種控制方式來(lái)改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。文 章中采用了專門的芯片組成了 PWM 信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，然后通過放大來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。利 用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)得電機(jī)速度， 經(jīng)過濾波電路得到直流電壓信號(hào)，把電壓信號(hào)輸入 給 A/D 轉(zhuǎn)換芯片最后反饋給單片機(jī)， 在內(nèi)部進(jìn)行 PI 運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)

5、的調(diào)速控制。 1.2 直流電機(jī)簡(jiǎn)介 1.2.1 直流電機(jī)的發(fā)展歷史 電機(jī)原理最早的提出者是英國(guó)的科學(xué)家法拉第， 他首先證明了電力可以轉(zhuǎn)變 為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，而后據(jù)說(shuō)是德國(guó)的雅克比最先將之付諸實(shí)踐， 制造出了第一臺(tái)電機(jī)。 電機(jī)最早先的樣子是在兩個(gè) U型磁鐵中間安裝了一個(gè)六臂輪， 并在每個(gè)臂上帶兩 根棒型磁鐵，通電后磁鐵的吸引力和排斥力推動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 電機(jī)在雅克比手上還有進(jìn)一步的發(fā)展， 他制造了一個(gè)大型的裝置為小艇提供 動(dòng)力，并在易北河上試航， 雖然當(dāng)時(shí)的時(shí)速只達(dá)到了 2.2 公里，但這不影響電機(jī) 實(shí)驗(yàn)的成功。 電機(jī)的另一個(gè)發(fā)展者美國(guó)的達(dá)文波特，在幾乎相同的時(shí)間里，也成 功的制造了電動(dòng)的印刷機(jī)， 只可惜

6、這個(gè)型號(hào)的印刷機(jī)成本太大， 幾乎沒有商業(yè)價(jià) 值。 電機(jī)被廣泛應(yīng)用的推動(dòng)力來(lái)自直流電機(jī)的問世，在 1870 年時(shí)比利時(shí)的工程 師格拉姆發(fā)明了這種實(shí)用機(jī)械， 并把它大量制造出來(lái)， 而后還不斷的對(duì)電機(jī)的效 率進(jìn)行提高。 電機(jī)的另一個(gè)研究單位德國(guó)西門子也在努力研究， 幾乎也是在格拉 姆成功的同一時(shí)間， 西門子推出了電機(jī)車， 這個(gè)不燒油的車在柏林工業(yè)展覽會(huì)上 獲得一片喝彩聲。 1.2.2 直流電機(jī)的特點(diǎn) 直流勵(lì)磁的磁路在電工設(shè)備中的應(yīng)用， 除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 接觸器等）外，最重要的就是應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機(jī) 的勵(lì)磁機(jī)、蓄電池的充電

7、機(jī)等， 都是直流發(fā)電機(jī)； 鍋爐給粉機(jī)的原動(dòng)機(jī)是直流電 機(jī)。此外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機(jī)床、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、 市內(nèi)電車、 電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等， 通常都采用直流電機(jī)作為原 動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī)通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能； 直 流電機(jī)則是作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械工作， 向負(fù)載輸出機(jī)械能。 在控制系統(tǒng) 中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測(cè)速電機(jī)、伺服電機(jī)等。雖然直流發(fā)電機(jī)和 直流電機(jī)的用途各不同， 但是它們的結(jié)構(gòu)基本上一樣， 都是利用電和磁的相互作 用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。 直流電機(jī)的最大弱點(diǎn)就是有電流的換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，

8、 運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。 因此，電機(jī)制造業(yè)中正在努力改善交流電機(jī)的調(diào) 速性能，并且大量代替直流電機(jī)。不過，近年來(lái)在利用可控硅整流裝置代替直流 發(fā)電機(jī)方面，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。 包括直流電機(jī)在內(nèi)的一切旋轉(zhuǎn)電機(jī)， 實(shí)際上 都是依據(jù)我們所知道的兩條基本原則制造的。 一條是：導(dǎo)線切割磁通產(chǎn)生感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)；另一條是：載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用。因此，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看， 任何電機(jī)都包括磁場(chǎng)部分和電路部分。 從上述原理可見， 任何電機(jī)都體現(xiàn)著電和 磁的相互作用，是電、 磁這兩個(gè)矛盾著的對(duì)立面的統(tǒng)一。 我們?cè)谶@一章里討論直 流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機(jī)中的“磁”和“電”如何相互作 用，相互

9、制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象（電樞電動(dòng)勢(shì)、電磁 轉(zhuǎn)矩、電磁功率、電樞反應(yīng)等）。 1.2.3 直流電機(jī)的分類 一般的電機(jī)多采用電流勵(lì)磁。勵(lì)磁的方式分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類。 他勵(lì)直流電機(jī) 由獨(dú)立的電源為電機(jī)勵(lì)磁繞組提供所需的勵(lì)磁電流。 例如用獨(dú)立的直流電源 為直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組供電； 由交流電源對(duì)異步電機(jī)的電樞繞組供電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)等等。前者為直流勵(lì)磁，后者為交流勵(lì)磁。同步電機(jī)按電網(wǎng)的情況,可以是 轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組直流勵(lì)磁 ,也可以定子上由電網(wǎng)提供交流勵(lì)磁，一般以直流勵(lì)磁 為主。如直流勵(lì)磁不足， 則從電網(wǎng)輸入滯后的無(wú)功電流對(duì)電機(jī)補(bǔ)充勵(lì)磁； 如直流 勵(lì)磁過強(qiáng)，則電機(jī)就向電網(wǎng)輸出滯后的無(wú)

10、功電流 , 使電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)削弱。采用直 流勵(lì)磁時(shí) ,勵(lì)磁回路中只有電阻引起的電壓降 ,所需勵(lì)磁電壓較低 ,勵(lì)磁電源的容 量較小。 采用交流勵(lì)磁時(shí)， 由于勵(lì)磁線圈有很大的電感電抗，所需勵(lì)磁電壓要高 得多，勵(lì)磁電源的容量也大得多。 他勵(lì)式勵(lì)磁電源， 原來(lái)常用直流勵(lì)磁機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已較 多地采用交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)半導(dǎo)體整流后對(duì)勵(lì)磁繞組供電的方式勵(lì)磁。 勵(lì)磁調(diào)節(jié)可以 通過調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)； 也可以在交流勵(lì)磁機(jī)輸出電壓基本保持 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 不變的情況下，利用可控整流調(diào)節(jié)。 后者調(diào)節(jié)比較快速， 還可以方便地利用可控 整流橋的逆變工作狀態(tài)達(dá)到快速滅磁和減磁，

11、從而取消常用的滅磁開關(guān)。 前一種 方式，整流元件為二極管， 如把它和交流勵(lì)磁機(jī)電樞繞組、 同步電機(jī)勵(lì)磁繞組一 起都裝在轉(zhuǎn)子上，則勵(lì)磁電流就可以直接由交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)整流橋輸入勵(lì)磁繞組 , 不再需要集電環(huán)和電刷，可構(gòu)成無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng) ,為電機(jī)的運(yùn)行、維護(hù)帶來(lái)很多方 便。當(dāng)然整流元件、 快速熔斷器等器件在運(yùn)行中均處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)， 要承受相 當(dāng)大的離心力，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮。 自勵(lì)直流電機(jī) 利用電機(jī)自身所發(fā)電功率的一部分供應(yīng)本身的勵(lì)磁需要。電機(jī)采用自勵(lì) 時(shí)，不需要外界單獨(dú)的勵(lì)磁電源 ,設(shè)備比較簡(jiǎn)單。但如果原先電機(jī)內(nèi)部沒有磁場(chǎng) , 它就不可能產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)， 也就不可能進(jìn)行自勵(lì)。 所以實(shí)現(xiàn)自勵(lì)的條件是

12、電機(jī)內(nèi)部 必須有剩磁。 自勵(lì)系統(tǒng)又可分為并勵(lì)和復(fù)勵(lì)兩種。 并勵(lì)指僅由同步電機(jī)的電壓取得能 量的自勵(lì)系統(tǒng)， 復(fù)勵(lì)指由同步電機(jī)的電壓及電流兩者取得能量的自勵(lì)系統(tǒng)。 并勵(lì) 發(fā)電機(jī)進(jìn)行自勵(lì)的條件和起勵(lì)過程如圖 1和圖 2所示。圖 1是并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的 原理接線圖。圖 2為其起勵(lì)過程。其中曲線 1 為發(fā)電機(jī)的磁化曲線 f(If) 。由 于在一定轉(zhuǎn)速下電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通成正比 ,所以曲線 1 同時(shí)也就是電機(jī)的 空載特性曲線 E 0=f(If) ，即電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁電流 If 之間的關(guān)系。而曲 線 2 為勵(lì)磁回路的電阻特性 U If 它R表, 示勵(lì)磁電流與電機(jī)電壓之間的關(guān)系。 它實(shí)際是一條斜率為

13、R的直線。其中 R 為勵(lì)磁回路的總電阻，它包括勵(lì)磁繞 組的電阻和外加的調(diào)節(jié)電阻 Rr。 1.2.4 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。 定子包括：主磁極，機(jī)座，換向極，電刷裝置等。 轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸和風(fēng)扇等。 (1) 定子 定子就是發(fā)動(dòng)機(jī)中固定不動(dòng)的部分， 它主要由主磁極、機(jī)座和電刷裝置組成。 主磁極是由主磁極鐵芯 (極心和極掌)和勵(lì)磁繞組組成， 其作用時(shí)用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。 極心上放置勵(lì)磁繞組，極掌的作用是使電機(jī)空氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度分配最為合理， 并用來(lái)阻擋勵(lì)磁繞組。主磁極用硅鋼片疊成， 固定在機(jī)座上。 機(jī)座也是磁路的一 部分，常用鑄鋼制成

14、。電刷是引入電流的裝置，其位置固定不變。它與轉(zhuǎn)動(dòng)的交 換器作滑動(dòng)連接，將外加的直流電流引入電樞繞組中，使其轉(zhuǎn)化為交流電流。 直流電機(jī)的磁場(chǎng)是一個(gè)恒定不變的磁場(chǎng)， 是由勵(lì)志繞組中的直流電流形成的 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 磁場(chǎng)方向和勵(lì)磁電流的關(guān)系由由有螺旋法則確定。 在微型直流電機(jī)中，也有用永久磁鐵作磁極的。 （2）轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分， 主要由電樞和換向器組成。 電樞是電機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)的部分，主要包括電樞鐵芯和點(diǎn)數(shù)饒組。 電樞鐵芯成圓柱形， 由硅鋼片疊 成，表面沖有槽， 槽中放電樞繞組。 通有電流的電樞繞組在磁場(chǎng)中受到電磁力矩 的作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，起了能量轉(zhuǎn)換的樞紐作

15、用，故稱 “電樞”。 換向器又稱整流子， 是直流電機(jī)的一種特殊裝置。它是由楔形銅片疊成，片 間用云母墊片絕緣。換向片嵌放在套筒上， 用壓圈固定后成為換向器再壓裝， 在 轉(zhuǎn)軸上電樞繞組的導(dǎo)線按一定的規(guī)則焊接在換向片突出的叉口中。 在換向器表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組得以同外電路連接起 來(lái)，并實(shí)現(xiàn)將外部直流電流轉(zhuǎn)化為電樞繞組內(nèi)的交流電流。 直流電機(jī)的基本工作原理 導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力 矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向，企圖使電 樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩 （例如由摩擦引起 的阻轉(zhuǎn)矩以

16、及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。 圖 1-1 直流電機(jī)的原理模型 當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了 180后，導(dǎo)體 cd 轉(zhuǎn)到 N 極下，導(dǎo)體 ab 轉(zhuǎn)到 S 極下時(shí)，由于 直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A 流入，經(jīng)導(dǎo)體 cd 、ab 后，從電刷 B 流出。這時(shí)導(dǎo)體 cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃螅瑢?dǎo)體 ab 受力方向是從左向右， 產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針方向。 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交 替地由導(dǎo)體 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N 極下，其中通過電流的方向總 是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下

17、時(shí)，總是從電刷 B 流出的方向。這就保證 了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向， 從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩， 使 電機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電機(jī)的工作原理。 直流電機(jī)的機(jī)械特性 直流電機(jī)按勵(lì)磁方式不同可分為他勵(lì)、 并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種。下面一常用 的他勵(lì)和并勵(lì)電機(jī)為例介紹其機(jī)械特性、 起動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速，他勵(lì)和并勵(lì)電機(jī)只 是連接方式上的不同，兩者的特性是一樣的。 圖 1-2 直流電機(jī)的接線圖 圖 1-2 是他勵(lì)和并勵(lì)直流電機(jī)的接線原理圖。 他勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞是 分離的，分別由勵(lì)磁電源電壓 Uf 和電樞電源電壓 U 兩個(gè)直流供電；而在并勵(lì)電 機(jī)中兩者是并聯(lián)的，由同一電壓 U 供電。 并

18、勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)，其電壓與電流間的關(guān)系為 ： UE U=E+RaIa 即：Ia= Ra （Ra 為電樞電壓） I=Ia+If Ia 當(dāng)電源電壓 U和勵(lì)磁電路的電阻 Rf 保持不變時(shí)， 勵(lì)磁電流 If 以及由它所產(chǎn) 生的磁通 也保持不變，即 =常數(shù)。則電機(jī)的轉(zhuǎn)距也就和電樞電流成正比， T= KTIa= KIa 這是并勵(lì)電機(jī)的特點(diǎn)。 當(dāng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距 T必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)距 T2及空載損耗轉(zhuǎn)距 T0 相平衡時(shí)， 電機(jī)將等速轉(zhuǎn)動(dòng)； 當(dāng)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，將引起電機(jī)的轉(zhuǎn)速、 電流及電 磁轉(zhuǎn)距等發(fā)生變化。，稱為： 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 械特性曲線 EU I aRaU Ra

19、n KE kEKEKEKT2 T n0n 式中并勵(lì)電機(jī)的起動(dòng)與反轉(zhuǎn)： 并勵(lì)電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其電樞電流位： I a U E I a Ra 因電樞電阻 Ra很小，所以電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)， 電源電壓 U 與反電動(dòng)勢(shì) E 近 似相等。 在起動(dòng)時(shí)， n=0，所以 EkEn0。 這時(shí)電樞電流及起動(dòng)電流為： I ast U Ra 由于 Ra很小，因此起動(dòng)電流 Iast可達(dá)額定電流 IN 的 1020 倍，這時(shí)不允許的。 同時(shí)并勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)距正比于電樞電流Ia，這么大的起動(dòng)電流引起極大的起動(dòng)轉(zhuǎn) 距，會(huì)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沖擊和破壞。 限制起動(dòng)電流的方法就是在起動(dòng)時(shí)的電樞電路中串接起動(dòng)電阻Rst，見圖。 這時(shí)

20、起動(dòng)電樞中的起動(dòng)電流的初始值為： U I ast Ra Rst 則起動(dòng)電阻為： Rst U Ra Ra 般： Iast=（1.52.5）IN 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 起動(dòng)時(shí)，可將起動(dòng)電阻 Rst放在最大值處， 待起動(dòng)后，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升， 再把它逐段切除。 注意：直流電機(jī)在起動(dòng)或工作時(shí)，勵(lì)磁電路一定要保持接通，不能斷開（滿 勵(lì)磁起動(dòng)）。普則，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能發(fā)生以下： 要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，就必須改變電磁轉(zhuǎn)距 T 的方向， 可通過改變磁通 （勵(lì)磁電流）或電樞電流 Ia 的方向?qū)崿F(xiàn)。 1.并勵(lì)電機(jī)的調(diào)速 電機(jī)的調(diào)速就是在同一負(fù)載下獲得不同的轉(zhuǎn)速， 以滿足不同的要

21、求。 由轉(zhuǎn)速 公式： n U Ia Ra 可知常用的調(diào)速方式有調(diào)磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速兩種。 KE 2.改變磁通 （調(diào)磁調(diào)速 ） 當(dāng)保持電源電壓 U 為額定值不變時(shí)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電路的電阻 ，改變勵(lì)磁電 UR 流 If 而改變磁通 。由式 n a 2 T 可見，當(dāng)磁通 減小時(shí)， n0升高 K E KEKT 2 了，轉(zhuǎn)速降 n也增大了；但 n與 2成正比，所以磁通愈小，機(jī)械特性曲線也 愈陡，但仍有一定的硬度。見圖 1-4 圖 1-4 改變 時(shí)的機(jī)械特性 曲線 由于電機(jī)一般是在額定狀態(tài)下運(yùn)行的， 它的磁路已接近于飽和， 所以在一定 負(fù)載下，通常是減小磁通調(diào)速（ nN）。 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

22、 1.3 系統(tǒng)開發(fā)軟硬件概述 1.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng) ,是指用最少的元件組成的單片機(jī) 可以工作的系統(tǒng)。 圖1 詳細(xì)說(shuō)明如下： 復(fù)位電路 : （圖 1） 由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合 電容電壓不能突變 的性質(zhì)，可以知道， 當(dāng)系統(tǒng)一上電， RST 腳將會(huì)出現(xiàn)高電平， 并且，這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的 RC 值來(lái)決定。典型的 51 單片機(jī)當(dāng) RST 腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將 復(fù)位，所以，適當(dāng)組合 RC 的取值就可以保證可靠的復(fù)位。一般教科書推薦 C 取 10u，R 取 10K。原則就是要讓 RC 組合可以在 RST 腳上產(chǎn)生不少于 2 個(gè)機(jī)周期

23、 的高電平。至于如何具體定量計(jì)算，可以參考電路分析相關(guān)書籍。 （2） 晶振電路：典型的晶振取 11.0592MHz（因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到 9600 波 特率和 19200波特率 ,用于有串口通訊的場(chǎng)合 ）/12MHz（產(chǎn)生精確的 uS級(jí)時(shí)歇 ,方便 定時(shí)操作 ），在本電路中，取 12M。 （3）單片機(jī)：一片 AT89S51/52 或其他 51 系列兼容單片機(jī)。對(duì)于 31 腳 （EA/Vpp） ，當(dāng)接高電平時(shí)，單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部 ROM 的 0000H 開始執(zhí)行 ;當(dāng) 接低電平時(shí) ,復(fù)位后直接從外部 ROM 的 0000H 開始執(zhí)行。 單片機(jī)的共 40 個(gè)引腳功總共 40 個(gè)腳，電源用 2 個(gè)（

24、Vcc 和 GND） ，晶振用 2 個(gè)，復(fù)位 1個(gè)，EA/Vpp 用 1個(gè)，剩下還有 34個(gè)。29腳 PSEN， 30 腳 ALE 為外擴(kuò)數(shù)據(jù) /程序存儲(chǔ)器時(shí)才有特定用處， 一般情況下不用考慮， 這樣， 就只剩下 32 個(gè)引腳，它們是： 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) P0端口 P0.0 - P0.7共 8個(gè)； P1端口 P1.0 - P1.7共 8個(gè)； P2端口 P2.0 - P2.7共 8個(gè)； P3端口 P3.0 - P3.7共 8個(gè)； 1.3.2 Proteus仿真軟件簡(jiǎn)介 Proteus ISIS是英國(guó) Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件 9 。它運(yùn) 行于 Win

25、dows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路， 該軟件的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電 路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動(dòng)態(tài)仿 真、I2C 調(diào)試器、 SPI調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器， 如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支 持的單片機(jī)類型有： 68000 系列、 8051系列、 AVR 系列、 PIC12 系列、 PIC16系 列、 PIC18 系列、 Z80 系列、 HC11 系列以及各種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功 能。在硬件仿真

26、系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各 個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)， 因此在該軟件仿真系統(tǒng)中， 也必須具有這些功能； 同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境， 如 Keil C51 uVision2 等軟件。具有強(qiáng) 大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機(jī)和 SPICE 分析于一身的仿 真軟件，功能極其強(qiáng)大。 Proteus 主要用于繪制原理圖并可進(jìn)行電路仿真， Proteus ARES 主要用于 PCB 設(shè)計(jì)。 ISIS 的主界面主要包括： 1 是電路圖概覽區(qū)、 2 是元器件列表區(qū)、 3 是繪圖區(qū)。繪制電路圖的過程如下： 單擊 2 區(qū)的 P 命令即彈出元器件選擇( Pic

27、k Devices)對(duì)話框， Proteus 提 供了豐富的元器件資源，包括 30 余種元器件庫(kù)，有些元器件庫(kù)還具有子庫(kù)。利 用該對(duì)話框提供的關(guān)鍵詞( Keywords)搜索功能，輸入所要添加的元器件名稱， 即可在結(jié)果( Results)中查找，找到后雙擊鼠標(biāo)左鍵即可將該元器件添到 2 區(qū)， 待所有需要的元器件添加完成后點(diǎn)擊對(duì)話框右下角的 OK 按鈕，返回主界面。 接著在 2 區(qū)中選中某一個(gè)元器件名稱，直接在 3 區(qū)中單擊鼠標(biāo)左鍵即可將該元 器件添加到 3 區(qū)。 由于是英國(guó)的軟件， 特別要注意的是繪圖區(qū)中鼠標(biāo)的操作和一般軟件的操作 習(xí)慣不同， 這正像是司機(jī)座位和人行道走向和國(guó)內(nèi)不同一樣。 單擊

28、左鍵是完成在 2 區(qū)中被選中的元器件的粘貼功能； 將鼠標(biāo)置于某元器件上并單擊右鍵則是選中 該元器件(呈現(xiàn)紅色)，若再次單擊右鍵的話則刪除該元器件，而單擊左鍵的話 則會(huì)彈出該元器件的編輯對(duì)話框 ( Edit Component)；若不需再選中任何元器件， 則將鼠標(biāo)置于 3 區(qū)的空白處單擊右鍵即可；另外如果想移動(dòng)某元器件，則選中 該元器件后再按住鼠標(biāo)左鍵即可將之移動(dòng)。 10 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 元器件之間的連線方法為： 將鼠標(biāo)移至元器件的某引腳， 即會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“” 符號(hào)，按住鼠標(biāo)左鍵后移動(dòng)鼠標(biāo)，將線引至另一引腳處將再次出現(xiàn)符號(hào)“”， 此時(shí)單擊鼠標(biāo)左鍵便可完成連線。 連線時(shí)在需拐彎

29、的地方單擊鼠標(biāo)左鍵即可實(shí)現(xiàn) 方向的改變。繪制好電路后，可利用 1 區(qū)的綠色邊框?qū)?3 區(qū)的電路進(jìn)行定位。 Keil 編譯及調(diào)試軟件簡(jiǎn)介 目前流行的 51系列單片機(jī)開發(fā)軟件是德國(guó) Keil 公司推出的 Keil C51 軟件， 它是一個(gè)基于 32位 Windows 環(huán)境的應(yīng)用程序， 支持 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程， 其 6.0 以上的版本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為 Vision （通常稱為 V2）。Keil 提供 包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi) 的完整開發(fā)方案，由以下幾部分組成： Vision IDE 集成開發(fā)環(huán)境（包括工程管 理器、源程序編輯器、程序調(diào)試器）、

30、 C51編譯器、 A51 匯編器、 LIB51 庫(kù)管理 器、 BL51 連接/定位器、 OH51目標(biāo)文件生成器以及 Monitor-51 、RTX51 實(shí)時(shí)操 作系統(tǒng)。 應(yīng)用 Keil 進(jìn)行軟件仿真開發(fā)的主要步驟為：編寫源程序并保存建立工 程并添加源文件設(shè)置工程編譯 /匯編、連接，產(chǎn)生目標(biāo)文件程序調(diào) 試。 Keil 使用“工程”（ Project）的概念，對(duì)工程（而不能對(duì)單一的源程序）進(jìn) 行編譯 /匯編、連接等操作。工程的建立、設(shè)置、編譯 /匯編及連接產(chǎn)生目標(biāo)文件 的方法非常易于掌握。首先選擇菜單 FileNew ，在源程序編輯器中輸入?yún)R編 語(yǔ)言或 C語(yǔ)言源程序（或選擇 FileOpen ，直

31、接打開已用其他編輯器編輯好的 源程序文檔）并保存，注意保存時(shí)必須在文件名后加上擴(kuò)展名 .asm（.a51）或 .c； 然后選擇菜單 Project New Project ，建立新工程并保存 （保存時(shí)無(wú)需加擴(kuò)展名， 也可加上擴(kuò)展名 .uv2）；工程保存后會(huì)立即彈出一個(gè)設(shè)備選擇對(duì)話框，選擇 CPU 后點(diǎn)確定返回主界面。這時(shí)工程管理窗口的文件頁(yè)（ Files）會(huì)出現(xiàn)“ Target1”， 將其前面 +號(hào)展開，接著選擇 Source Group1，右擊鼠標(biāo)彈出快捷菜單， 選擇“Add File to Group Source Group1 ”，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，要求尋找并加入源文件（在 加入一個(gè)源文件

32、后，該對(duì)話框不會(huì)消失，而是等待繼續(xù)加入其他文件）。加入文 件后點(diǎn) close 返回主界面，展開“ Source Group1”前面 +號(hào)，就會(huì)看到所加入的 文件，雙擊文件名，即可打開該源程序文件。緊接著對(duì)工程進(jìn)行設(shè)置，選擇工程 管理窗口的 Target1，再選擇 Project Option for Target Target1（或點(diǎn)右鍵彈出 快捷菜單再選擇該選項(xiàng)），打開工程屬性設(shè)置對(duì)話框，共有 8 個(gè)選項(xiàng)卡，主要設(shè) 置工作包括在 Target 選項(xiàng)卡中設(shè)置晶振頻率、在 Debug 選項(xiàng)卡中設(shè)置實(shí)驗(yàn)仿真 板等，如要寫片，還必須在 Output 選項(xiàng)卡中選中“ Creat Hex Fi ”；其他

33、選項(xiàng)卡 內(nèi)容一般可取默認(rèn)值。工程設(shè)置后按 F7 鍵（或點(diǎn)擊編譯工具欄上相應(yīng)圖標(biāo)）進(jìn) 行編譯 /匯編、連接以及產(chǎn)生目標(biāo)文件。 成功編譯 /匯編、連接后，選擇菜單 DebugStart/Stop Debug Session（或按 11 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) Ctrl+F5 鍵）進(jìn)入程序調(diào)試狀態(tài)， Keil 提供對(duì)程序的模擬調(diào)試功能，內(nèi)建一個(gè)功 能強(qiáng)大的仿真 CPU以模擬執(zhí)行程序。 Keil 能以單步執(zhí)行（按 F11或選擇 Debug Step）、過程單步執(zhí)行（按 F10或選擇 DebugStep Over）、全速執(zhí)行等多種運(yùn) 行方式進(jìn)行程序調(diào)試。 如果發(fā)現(xiàn)程序有錯(cuò)， 可采用在線匯編

34、功能對(duì)程序進(jìn)行在線 修改（ Debug I nline Assambly），不必執(zhí)行先退出調(diào)試環(huán)境、修改源程序、 對(duì)工程重新進(jìn)行編譯 / 匯編和連接、然后再次進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)的步驟。對(duì)于一些必 須滿足一定條件（如按鍵被按下等） 才能被執(zhí)行的、 難以用單步執(zhí)行方式進(jìn)行調(diào) 試的程序行，可采用斷點(diǎn)設(shè)置的方法處理（ DebugInsert/Remove Breakpoint 或 DebugBreakpoints 等）。在模擬調(diào)試程序后，還須通過編程器將 .hex 目標(biāo)文 件燒寫入單片機(jī)中才能觀察目標(biāo)樣機(jī)真實(shí)的運(yùn)行狀況。 Keil 軟件 Eval 版（免費(fèi)產(chǎn)品）的功能與商業(yè)版相同，只是程序的最大代碼 量不得

35、超過 2kB，但對(duì)初學(xué)者而言已是足夠。 Keil 軟件由于其強(qiáng)大的軟件仿真功 能，友好的用戶界面以及易于掌握的特點(diǎn)而受到工程技術(shù)人員的歡迎， 有人甚至 認(rèn)為 Keil 是目前最好的 51 單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用軟件。 1.4 本課題研究的基本內(nèi)容 學(xué)習(xí) PID 控制直流電機(jī)的設(shè)計(jì)方法； 學(xué)習(xí) PWM 控制理論； 學(xué)習(xí)數(shù)字 PID 算法在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)方法。 12 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 2 直流電機(jī) PID 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 2.1.1 調(diào)速方案比較及選擇 （一）方案一： PWM波調(diào)速 采用由達(dá)林頓管組成的 H型 PWM電路（圖 21）。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管 使

36、之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)， 精確調(diào)整電機(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 型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向 的控制；電子開關(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)。 我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定； 并且在 采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。 且對(duì)于直流電機(jī)， 采用軟件延 時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍。 其結(jié)構(gòu)圖如圖 2-2 所示： 13 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 圖 2-2 電機(jī) PID 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 （二）方案二：晶閘管調(diào)速 采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動(dòng)系

37、統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止式變流裝置供電 的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了 60 年代， 已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置， 并應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)， 即晶閘管可控整 流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（ V-M 系統(tǒng)）。如圖 1-3，VT 是晶閘管可控整流器， 通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電 壓Ud ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大 提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性； 晶閘管可控整流器的功率放大 倍數(shù)在 104 以上，其門極電流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣 需要較大功率的放大

38、器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)， 而晶閘管整 流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，在 60 年代到 70 年代，晶 閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（ V-M 系統(tǒng)）代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)（ G-M 系統(tǒng)），得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕?它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；晶閘管對(duì)過電壓、 過電流和過 高的 du dt 與 di dt 都十分敏感，若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。 另外， 由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公 害”，因此必須添置無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。 兼于方案二調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)

39、整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè) 14 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 計(jì)采用方案一。 2.1.2 檢測(cè)方案選擇 電機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)檢測(cè)是必不可少的，不僅開環(huán)控制狀態(tài)的極限控制需 要，如過電流、過電壓、過熱和欠電壓等嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常工作的信號(hào)，而且對(duì) 于絕大多數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)， 狀態(tài)信息的檢測(cè)更是不可缺少， 即進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并利 用檢測(cè)信號(hào)控制電機(jī)的正常運(yùn)行。 檢測(cè)信號(hào)分為電量和非電量?jī)深悺?電量有電流、 電壓、電荷量和電功率等。在檢測(cè)系統(tǒng)中占絕大多數(shù)檢測(cè)信號(hào)屬于非電量信號(hào)， 如位置、速度等。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，常用的檢測(cè)信號(hào)主要有電流、電壓、轉(zhuǎn)子 位置和轉(zhuǎn)速等物理量。下面分別介紹這些

40、 物理量的檢測(cè)方法。 1. 霍爾傳感器檢測(cè)方案 位置傳感器主要用于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和速度計(jì)算， 為了正確的獲得轉(zhuǎn)子位置信 息，不僅要合理地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置傳感器與單片機(jī)的接口， 還要考慮位置信號(hào)處理 的方法。合理選擇測(cè)速元件，這里我們選擇霍爾傳感器作為測(cè)速元件。 2. 霍爾傳感器 （1）霍爾傳感器 由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差很小， 故通常將霍爾元件與放大器電路、 溫度補(bǔ) 償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上，稱之為霍爾傳感器。 圖 2-4 霍爾元件 接線圖： 圖 2-5 霍爾原件接線圖 霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路， 其外形較小，如圖所示，是其中一種型號(hào) 的外形圖 2）霍爾效應(yīng) 如圖 2-3 所示，在

41、半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 I ，并在薄片的垂直方向施加磁 15 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為 UH的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為：。 IB 式中 d 為薄片的厚度， k 稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。 上述效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，它是德國(guó)物理學(xué)家霍爾于 1879 年研究載流導(dǎo)體在 磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。 （3）霍爾元件 根據(jù)霍爾效應(yīng)， 人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。 它具有對(duì)磁場(chǎng)敏 感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因 此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得

42、到廣泛的應(yīng)用。 2. 霍爾傳感器的分類 霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。 線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出 模擬量。 開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和 輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。 3. 霍爾傳感器的特性 （1）線性型霍爾傳感器的特性 輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖 2-5 所示，可見，在 B1 B2 的 磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài) 16 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) （2）開關(guān)型霍爾傳感器的特性 如圖 2-6 所示，其中 BOP為工作點(diǎn) “開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度

43、， BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)” 的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 V0 on V+ off O B Brp Bop 圖 2-6 霍爾原件特性 當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn) Bop時(shí)，傳感器輸出低電平， 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 降到動(dòng)作點(diǎn) Bop以下時(shí)， 傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn) BRP時(shí)，傳感 器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健?Bop與 BRP之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。 另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關(guān)型霍爾傳感器，其特性如 圖 2-7 所示。 V0 Brp O Bop 圖 2-7 鎖鍵型特性 17 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn) Bop時(shí)，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑?

44、而在 外磁場(chǎng)撤消后，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度 達(dá)到 BRP時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。 4. 霍爾傳感器的應(yīng)用 按被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為： 直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。 前者是直 接檢測(cè)受檢對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)， 這個(gè)磁場(chǎng)是被檢測(cè)的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速 度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變 成電學(xué)量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。 線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測(cè)量。例如： 1電流傳感器 由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng)， 其大小與導(dǎo)線中的電流成正比， 故可以利用 霍爾傳感

45、器測(cè)量出磁場(chǎng)， 從而確定導(dǎo)線中電流的大小。 利用這一原理可以設(shè)計(jì)制 成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路， 不消 耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。 2-8 霍爾電流傳感器原理圖 霍爾電流傳感器工作原理如圖 2-8 所示，標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口， 將霍爾 傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)， 則霍爾傳感 器有信號(hào)輸出。 2位移測(cè)量 如圖 2-9 所示，兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)放置， 將線性型霍爾傳感器置于中 間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零， 這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)， 當(dāng)霍爾傳感器在 Z 軸上作 Z 位移時(shí)，傳感器有一個(gè)電壓輸出，電壓大小與位移大小成

46、正比。 圖 2-9 位移測(cè)量 18 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移， 便可測(cè)出拉力及壓力的大小， 如圖 2-10 所示，是按這一原理制成的力傳感器。 開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告 知器、報(bào)警器、自動(dòng)控制電路等。 1測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù) 如圖 2-11 所示，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在 靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周， 霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖， 從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù) （計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。 如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上， 當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車 輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí)， 可以從測(cè)量電

47、路上測(cè)得脈沖信號(hào)。 根據(jù)脈沖信號(hào)的分布 可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。 2.1.2 單片機(jī)的選擇 AT89S51是美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS位8 單片機(jī)，片內(nèi)含 4K 的可編程的 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)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器既可 在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片機(jī)芯片中， ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位 AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用 場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 主要性能參數(shù)： 與 MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全

48、兼容 4K字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP）Flash 閃速存儲(chǔ)器 1000次擦寫周期 19 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 4.0-5.5V 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式： 0HZ-33MHZ 三級(jí)程序加密鎖 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個(gè)可編程 I/O 口線 2個(gè) 16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 6 個(gè)中斷源 全雙工串行 UART通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) 看門狗（ WD）T 及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)示和快速編程特性 AT89S51引腳圖如下圖： 2-12 AT89S51 引腳圖 1. 功能特性概述： AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K字節(jié)閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)

49、內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線，看門狗（ WD）T ，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向 量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 同時(shí)，AT89S51 可降至 0HZ的靜態(tài)邏輯操作， 并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。 空閑方式停 止 CPU的工作，但允許 RAM，定時(shí) / 計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 掉電方式保存 RAM中到內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下 20 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 一個(gè)硬件復(fù)位。 引腳功能說(shuō)明： Vcc: 電源電壓 GND地: P0口：P0口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O 口，

50、也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 作為輸出口時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“ 1”可作為高阻抗 輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位） 和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時(shí)， P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校 驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū) 動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉 電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。 作輸入口使用時(shí)， 因?yàn)閮?nèi)部存在上 拉電阻，某個(gè)

51、引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL ）。 P2口：P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2的輸出緩沖級(jí) 可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的 上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸出口， 作輸入口使用時(shí)， 因?yàn)閮?nèi)部存在 上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL ）。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （例如執(zhí)行 MOVE DPTR 指令）時(shí)， P2口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如 執(zhí)行 MOVX R指i 令）時(shí)， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（

52、 SFR）區(qū) 中 P2 寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 亦接收高位地址和其他控制信號(hào)。 P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口。 P3口輸出緩沖級(jí) 可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) TTL邏輯門電路。對(duì) P3口寫入“ 1”時(shí)，它們被 內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3 口將用上 拉電阻輸出電流（ IIL ）。 P3口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能。 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將 使單片機(jī)復(fù)位。 WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置

53、SFR AUXR的 DISRTO位 （地址 8EH）可打開或關(guān)閉該功能。 DISRTO位缺省為 RESET輸出高電平打開狀態(tài)。 ALE/PROG當(dāng): 訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址所存允許） 輸出脈沖用于所存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器， ALE仍以時(shí)鐘振 蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。 要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè) ALE脈沖。 21 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PRO）G 如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8

54、EH單元的 D0位置位， 可禁止 ALE操作。該位置位后，只有一條 MOVX和 MOVC指令 ALE 才會(huì)被激活。 此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效。 PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)， 當(dāng) AT89S51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN有效，即輸出 兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒有兩次有效的 PSEN信號(hào)。 EA/VPP：外部訪 問允 許。欲使 CPU僅訪問 外部程序存儲(chǔ)器（地 址為 0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)

55、所存 EA端狀態(tài)。 如 EA端為高電平（接 VCC端）， CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上 +12V 的編程電壓 VPP。 XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 雙時(shí)鐘指針寄存器： 為更方便地訪問內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 提供了兩個(gè) 16 位數(shù)據(jù)指針寄存器： DP0位于 SFR（特殊功能寄存器）區(qū)塊中的地址 82H、83H、和 DP1位于地址 84H、 85H，當(dāng) SFR中的位 DPS=0選擇 DP0，而 DPS=1則選擇 DP1。用戶應(yīng)在訪問相應(yīng)的 數(shù)據(jù)指針寄存器前初始化 DPS位。 電源空閑標(biāo)

56、志： 電源空閑標(biāo)志（ POF）在特殊功能寄存器 SFR中 PCON的第四位（ PCON.4）， 電源打開時(shí) POF置“ 1”，它可由軟件設(shè)置睡眠狀態(tài)并不為復(fù)位所影響。 2. 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)： MCS-51單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分開的結(jié)構(gòu)，均具有 64K外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 3. 程序存儲(chǔ)器： 如果 EA引腳接地（ GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲(chǔ)器。 在 AT89S51,假如 EA接至 VC（C電源 +），程序首先執(zhí)行地址從 0000HFFFFH （ 4KB）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，再執(zhí)行地址為 1000HFFFFH（60KB）的外部程序存 儲(chǔ)器。 4. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器： AT89S5

57、1具有 128字節(jié)的內(nèi)部 RAM，這 128 字節(jié)可利用直接或間接尋址方式 訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進(jìn)行， 128 字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。 5. 看門狗定時(shí)器（ WDT ）： WDT是為了解決 CPU程序運(yùn)行時(shí)可能進(jìn)入混亂或死循環(huán)而設(shè)置，它由一個(gè) 14bit 計(jì)數(shù)器和看門狗復(fù)位 SFR（ WDTRS）T構(gòu)成。外部復(fù)位時(shí)， WDT默認(rèn)為關(guān)閉 22 基于 PID 控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 狀態(tài)，要打開 WD，T 用戶必須按順序?qū)?01EH和 0E1H寫到 WDTRS寄T 存器（SFR地 址為 0A6H），當(dāng)啟動(dòng)了 WDT它, 會(huì)隨晶體振蕩器在每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，除硬件復(fù) 位或 WDT溢出復(fù)

58、位外沒有其它方法關(guān)閉 WDT當(dāng), WDT溢出，將使 RST引腳輸出高 電平的復(fù)位脈沖。 6. 使用看門狗（ WDT ）： 打開 WDT需按次序?qū)?01EH和 0E1H到 WDTRS寄T 存器（ SFR的地址為 0A6H）， 當(dāng) WDT打開后，需在一定得時(shí)候?qū)?01EH和 0E1H到 WDTRS寄T 存器以避免 WDT計(jì) 數(shù)溢出。 14位 WDT計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到 16383（3FFFH），WDT將溢出并使器件復(fù)位。 WDT打開時(shí)，它會(huì)隨晶體振蕩器在每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，這意味著用戶必須在小于 每個(gè) 16383機(jī)器周期內(nèi)復(fù)位 WD，T也即寫 01EH和 0E1H到 WDTRS寄T 存器，WDTRST 為

59、只寫寄存器。 WDT計(jì)數(shù)器既不可讀也不可寫，當(dāng) WDT溢出時(shí)，通常將 RST引腳 輸出高電平的復(fù)位脈沖。復(fù)位脈沖持續(xù)時(shí)間為 98xTOSC，而 TOSC=1/FOS（C晶體 振蕩頻率）。為使 WDT工作最優(yōu)化，必須在合適的程序代碼時(shí)間段周期地復(fù)位 WDT防止 WDT溢出。 7. 掉電和空閑時(shí)的 WDT ： 掉電時(shí)期，晶體振蕩停止， WDT也停止。掉電模式下，用戶不能再?gòu)?fù)位 WD。T 有兩種方法可退出掉電模式： 硬件復(fù)位或通過激活外部中斷。 當(dāng)硬件復(fù)位退出掉 電模式時(shí)， 處理 WDT可像通常的上電復(fù)位一樣。 當(dāng)由中斷退出掉電模式則有所不 同，中斷低電平狀態(tài)持續(xù)到晶體振蕩穩(wěn)定，當(dāng)中斷電平變?yōu)楦呒错?/p>

60、應(yīng)中斷服務(wù)。 為防止中斷誤復(fù)位，當(dāng)器件復(fù)位，中斷引腳持續(xù)為低時(shí)， WDT并未開始計(jì)數(shù)，直 到中斷引腳被拉高為止。這為在掉電模式前復(fù)位 WD。T 為保證 WDT在退出掉電模式時(shí)極端情況下不溢出， 最好在進(jìn)入掉電模式前復(fù) 位 WDT。. 在進(jìn)入空閑模式前， WDT打開時(shí)， WDT是否繼續(xù)由 SFR中的 AUXR的 WDIDLE 位決定，在 IDLE期間（位 WDIDLE=）0 默認(rèn)狀態(tài)是繼續(xù)計(jì)數(shù)。為防止 AT89S51從 空閑模式中復(fù)位，用戶應(yīng)周期性地設(shè)置定時(shí)器，重新進(jìn)入空閑模式。 當(dāng)位 WDIDLE被置位，在空閑模式中 WDT將停止計(jì)數(shù)，直到從空閑（ IDLE） 模式中退出重新開始計(jì)數(shù)。 8.