畢業(yè)論文單片機(jī)實現(xiàn)直流電機(jī)pwm調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、畢業(yè)論文-單片機(jī)實現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計 摘 要 本文主要研究了利用MCS-51系列單片機(jī)控制PWM信號從而實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)并且對PWM信號的原理產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對PWM信號占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)從而控制其輸入信號波形等均作了詳細(xì)的闡述此外本文中還采用了芯片IR2110作為直流電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的驅(qū)動模塊并且把它與延時電路相結(jié)合完成了在主電路中對直流電機(jī)的控制另外本系統(tǒng)中使用了測速發(fā)電機(jī)對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量經(jīng)過濾波電路后將測量值送到AD轉(zhuǎn)換器并且最終作為反饋值輸入到單片機(jī)進(jìn)行PI運算從而實現(xiàn)了對直流電機(jī)速度

2、的控制在軟件方面文章中詳細(xì)介紹了PI運算程序初始化程序等的編寫思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵詞 PWM信號 測速發(fā)電機(jī) PI運算第1章 緒論11利用單片機(jī)控制的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)設(shè)計目的和意義 com目的和意義在電氣時代的今天電動機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交通運輸國防航空航天醫(yī)療衛(wèi)生商務(wù)與辦公設(shè)備中還是在日常生活中的家用電器中都大量地使用著各種各樣的電動機(jī)以前電動機(jī)大多使用由模擬電路組成的控制柜進(jìn)行控制現(xiàn)在單片機(jī)已經(jīng)開始取代模擬電路作為電機(jī)控制器當(dāng)前電機(jī)控制器的發(fā)展方向越來越趨于多樣化和復(fù)雜化現(xiàn)有的專用集成電路未必能滿足苛刻的新產(chǎn)品開發(fā)要求為此可考慮開發(fā)電機(jī)的新型

3、單片機(jī)控制器com研究現(xiàn)狀簡述電動機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)電力電子技術(shù)傳感器技術(shù)永磁材料技術(shù)電動控制技術(shù)微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成果正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電機(jī)控制技術(shù)在近20多年內(nèi)發(fā)生了翻天覆地的變化其中電動機(jī)的控制部分已由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制形成數(shù)字和模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制的應(yīng)用并曾向全數(shù)字化控制方向快速發(fā)展國外交直流系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)達(dá)到實用階段com計論文所采用的研究方法和手段根據(jù)市場需求和發(fā)展趨勢本設(shè)計將介紹一種基于8051單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)首先對直流調(diào)速控制電路進(jìn)行設(shè)計來實現(xiàn)對速度的控制檢測顯示再對直流調(diào)速控制主回路進(jìn)行設(shè)計其采用了三相橋式

4、全控整流電路然后進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計本課題采用PID控制算法設(shè)計最后進(jìn)行系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計為了防止從電源系統(tǒng)竄入干擾本系統(tǒng)供電采用隔離變壓器同時為了保證信息傳輸?shù)恼_性在過程通道上采用光禍隔離措施12利用單片機(jī)控制的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計項目發(fā)展目前使用的電機(jī)模擬控制電路都比較復(fù)雜測量范圍與精度不能兼顧 且采樣時間較長難以測得瞬時轉(zhuǎn)速本文介紹的電機(jī)控制系統(tǒng)利用PWM控制原理 同時結(jié)合霍爾傳感器來采集電機(jī)轉(zhuǎn)速并經(jīng)單片機(jī)檢測后在顯示器上顯示出轉(zhuǎn)速值而單片機(jī)則根據(jù)傳感器輸出的脈沖信號來分析轉(zhuǎn)速的過程量并超限自動報警本系統(tǒng)同時設(shè)置有按鍵操作儀表可用于調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要是以單片機(jī)為核心組

5、成的控制系統(tǒng)本系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例 而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比因此由MCU內(nèi)部的可編程計數(shù)器陣列輸出PWM波以調(diào)整電機(jī)兩端電壓與控制波形的占空比從而實現(xiàn)調(diào)速本系統(tǒng)通過霍爾傳感器來實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)包括硬件和軟件兩大部分其中硬件設(shè)計包括方案選定電路原理圖設(shè)計PCB繪制線路調(diào)試軟件設(shè)計包括內(nèi)存空間的分配直流電機(jī)控制應(yīng)用程序模塊的設(shè)計 程序調(diào)試軟件仿真等是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片 具有64個數(shù)字IO引腳 片內(nèi)含有VDD監(jiān)視器看門狗定時器和時鐘振蕩器是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)并能快捷準(zhǔn)確地完成信號采集和調(diào)節(jié)同時也方便軟件編程干擾防制以及

6、前向通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化本單片機(jī)控制系統(tǒng)與外部連接可實時接收到外部信號以進(jìn)行對外部設(shè)備的控制這種閉環(huán)系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的實現(xiàn)設(shè)計要求從而制定出一個合理的方案本系統(tǒng)先由單片機(jī)發(fā)出控制信號給驅(qū)動電機(jī)同時通過傳感器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號并傳送給單片機(jī)單片機(jī)再通過軟件將測速信號與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較從而決定電機(jī)轉(zhuǎn)速同時將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速值送LED顯示此外也可以通過設(shè)置鍵盤來設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速檢測裝置由霍爾傳感器組成 并通過AD轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號 再以脈沖形式傳給單片機(jī)這種設(shè)計方法具有頻率響應(yīng)高 響應(yīng)頻率達(dá)20 kHz以上 輸出幅值不變抗電磁干擾能力強等特點其中霍爾傳感器輸入為脈沖信號十分容易與微處理器相連接也便

7、于實現(xiàn)信號的分析處理單片機(jī)的T0口可對該脈沖信號進(jìn)行計數(shù) 本系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制 Pulse Width Modulation 原理是脈沖寬度調(diào)制波由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成 其占空比與信號的瞬時采樣值成比例該系統(tǒng)由一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成脈沖信號如果大于鋸齒波信號比較器輸出正常數(shù)A否則輸出0設(shè)樣本k為均勻脈沖信號它的第k個矩形脈沖可以表示為其中 x t 是離散化信號Ts是采樣周期0是未調(diào)制寬度m是調(diào)制指數(shù)現(xiàn)假設(shè)脈沖幅度為A中心在t kTs處 k在相鄰脈沖間變化緩慢那么其Xp t 可表示為其中為電機(jī)角速度結(jié)合式 2 可見脈沖寬度信號可由信號x t 加上一個直流成分以及相位

8、調(diào)制波構(gòu)成因此脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過低通濾波器進(jìn)行解調(diào)C8051單片機(jī)有2個12位的電壓方式DAC 每個DAC的輸出擺幅為0 VVREF 對應(yīng)的輸入碼范圍是0x0000xFFF通過交叉開關(guān)配置可將CEX0CEX4 配置到P2 端口 這樣 改變PWM的占空比就可以調(diào)整電機(jī)速度LED顯示采用動態(tài)掃描方式并用單片機(jī)IO接口擴(kuò)展輸出再由三極管驅(qū)動各顯示器的位選端并放大電流獨立式按鍵采用查詢方式按鍵輸入均采用低有效上拉電阻可用于保證在按鍵斷開使其IO口為高電平單片機(jī)的IO P0105 引腳所擴(kuò)展的5個按鍵分別定義為設(shè)置啟動移位開始1功能硬件電路確定以后電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的主要功能將依賴于軟件來實現(xiàn)應(yīng)用軟件

9、的設(shè)計可采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計其優(yōu)點是每個模塊的程序結(jié)構(gòu)相對簡單且任務(wù)明確易于編寫調(diào)試和修改其次是程序可讀性好對程序的修改可局部進(jìn)行而其他部分可以保持不變這樣便于功能擴(kuò)充和版本升級另外對于使用頻繁的子程序可以建立子程序庫以便于多個模塊調(diào)用 最后是便于分工合作多個程序員可同時進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試工作 故可加快軟件研制進(jìn)度整個軟件由主程序模塊轉(zhuǎn)速測量模塊時鐘模塊數(shù)據(jù)通信模塊動態(tài)顯示模塊等組成各模塊均采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想設(shè)計因而具有較強的通用性而采用模塊化程序結(jié)構(gòu)則可使軟件易于調(diào)試維護(hù)和移植系統(tǒng)軟件可根據(jù)硬件電路的功能與各管腳的連接情況對軟件進(jìn)行設(shè)計以便明確各引腳所要完成的功能從而方便進(jìn)行程序設(shè)計和內(nèi)

10、存地址的分配最終完成程序模塊化設(shè)計包括鍵等由于本系統(tǒng)中的單片機(jī)還有閑置的IO口線而系統(tǒng)要求所設(shè)置的按鍵數(shù)量也不多因此可以采用獨立式按鍵結(jié)構(gòu)圖21com 8051單片機(jī)簡介18051單片機(jī)的基本組成 8051單片機(jī)由CPU和8個部件組成它們都通過片內(nèi)單一總線連接其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法其基本組成如下圖所示圖22 8051單片機(jī)基本組成2CPU及8個部件的作用功能介紹如下中央處理器CPU它是單片機(jī)的核心完成運算和控制功能內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器8051芯片中共有256個RAM單元能作為存儲器使用的只是前128個單元其地址為00H7

11、FH通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元簡稱內(nèi)部RAM特殊功能寄存器是用來對片內(nèi)各部件進(jìn)行管理控制監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器是一個特殊功能的RAM區(qū)位于內(nèi)部RAM的高128個單元其地址為80HFFH內(nèi)部程序存儲器8051芯片內(nèi)部共有4K個單元用于存儲程序原始數(shù)據(jù)或表格簡稱內(nèi)部ROM并行IO口8051芯片內(nèi)部有4個8位的IO口P0P1P2P3以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出串行口它是用來實現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送定時器8051片內(nèi)有2個16位的定時器用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機(jī)進(jìn)行控制中斷控制系統(tǒng)該芯片共有5個中斷源即外部中斷2個定時計數(shù)中斷2個和串行中斷

12、1個振蕩電路它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成8051單片機(jī)產(chǎn)生時鐘脈沖序列的時鐘電路系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz38051單片機(jī)引腳圖圖23 8051單片機(jī)引腳圖com 單片機(jī)系統(tǒng)中所用其它芯片簡介1地址鎖存器74LS37374LS373片內(nèi)是8個輸出帶三態(tài)門的D鎖存器其結(jié)構(gòu)如下圖所示圖24 74LS373片內(nèi)三態(tài)門的D鎖存器當(dāng)使能端G呈高電平時鎖存器中的內(nèi)容可以更新而在返回低電平的瞬間實現(xiàn)鎖存如果此時芯片的輸出控制端為低也即是輸出三態(tài)門打開鎖存器中的地址信息便可以通過三態(tài)門輸出以下是其引腳圖圖25 74LS37引腳圖2程序存儲器27128 1 芯片引腳圖26程序存儲器27128引腳圖功

13、能表 表21功能表 引腳 工作方式片選允許輸出VPP編程控制輸出讀LLVCCH數(shù)據(jù)輸出維持HVCC高阻編程LHVPPL數(shù)據(jù)輸入編程校驗LLVPPH數(shù)據(jù)輸出編程禁止HVPP高阻3數(shù)據(jù)存儲器62641芯片引腳圖27 數(shù)據(jù)存儲器6264芯片引腳芯片功能表表22 芯片功能表 引腳工作方式IO0IO7未選中H高阻未選中L高阻輸出禁止LHHH高阻讀LHLH數(shù)據(jù)輸出寫LHHL數(shù)據(jù)輸入寫LHLL數(shù)據(jù)輸入com 8051單片機(jī)擴(kuò)展電路及分析圖28 8051單片機(jī)擴(kuò)展電路接線分析P07-P00這8個引腳共有兩種不同的功能分別使用于兩種不同的情況第一種情況是8051不帶片外存儲器P0口可以作為通用IO口使用P07-

14、P00用于傳送CPU的IO數(shù)據(jù)第二種情況是8051帶片外存儲器P07-P00在CPU訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低8位地址然后傳送CPU對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)P27-P20這組引腳的第一功能可以作為通用的IO使用它的第二功能和P0口引腳的第二功能相配合用于輸出片外存儲器的高8位地址共同選中片外存儲器單元但是并不能像P0口那樣還可以傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)P37-P30這組引腳的第一功能為傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)它的第二功能作為控制用每個引腳不盡相同如下表所示P3口的位第二功能注釋P30RXD串行數(shù)據(jù)接收口P31TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送口P32外中斷0輸入P33外中斷1輸入P34T0計數(shù)器0計數(shù)

15、輸入P35T1計數(shù)器1計數(shù)輸入P36外部RAM寫選通信號P37外部RAM讀選通信號表23 P3口功能表 VCC為5V電源線VSS為接地線 ALE地址鎖存允許編程線配合P0口引腳的第二功能使用在訪問片外存儲器時8051CPU在P07-P00引腳線上輸出片外存儲器低8位地址的同時還在ALE線上輸出一個高電位脈沖其下降沿用于把這個片外存儲器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器以便空出P07-P00引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)在不訪問片外存儲器時8051自動在ALE線上輸出頻率為16 fOSC的脈沖序列該脈沖序列可以用作外部時鐘源或者作為定時脈沖源使用 VPP允許訪問片外存儲器編程電源線可

16、以控制8051使用片內(nèi)ROM還是片外ROM如果 1那么允許使用片內(nèi)ROM如果 0那么允許使用片外ROM片外ROM選通線在執(zhí)行訪問片外ROM的指令MOVC時8051自動在線上產(chǎn)生一個負(fù)脈沖用于片外ROM芯片的選通其他情況下線均為高電平封鎖狀態(tài) RSTVPD復(fù)位備用電源線可以使8051處于復(fù)位工作狀態(tài) XTAL1和XTAL2片內(nèi)振蕩電路輸入線這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容即用來連接8051片內(nèi)OSC的定時反饋電路石英晶振起振后應(yīng)能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波以便于8051片內(nèi)的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩電容C1C2可以幫助起振調(diào)節(jié)它們可以達(dá)到微調(diào)fOSC的目的22 PW

17、M信號發(fā)生電路設(shè)計com PWM的基本原理PWM脈沖寬度調(diào)制是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率改變負(fù)載兩端的電壓從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法PWM可以應(yīng)用在許多方面比如電機(jī)調(diào)速溫度控制壓力控制等等在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中按一個固定的頻率來接通和斷開電源并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開時間的長短通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來達(dá)到改變平均電壓大小的目的從而來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也正因為如此PWM又被稱為開關(guān)驅(qū)動裝置如下圖所示圖29 時序圖設(shè)電機(jī)始終接通電源時電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為V設(shè)占空比為D t1 T則電機(jī)的平均速度為Va V D其中Va指的是電機(jī)的平均速度V 是指電機(jī)在全通電時的最大

18、速度D t1 T是指占空比由上面的公式可見當(dāng)我們改變占空比 D t1 T時就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd從而達(dá)到調(diào)速的目的嚴(yán)格來說平均速度Vd 與占空比D并非嚴(yán)格的線性關(guān)系但是在一般的應(yīng)用中我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系com PWM信號發(fā)生電路設(shè)計圖210 PWM信號發(fā)生電路PWM波可以由具有PWM輸出的單片機(jī)通過編程來得以產(chǎn)生也可以采用PWM專用芯片來實現(xiàn)當(dāng)PWM波的頻率太高時它對直流電機(jī)驅(qū)動的功率管要求太高而當(dāng)它的頻率太低時其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大在實際應(yīng)用中當(dāng)PWM波的頻率在18KHz左右時效果最好在本系統(tǒng)內(nèi)采用了兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計數(shù)器4040組成了PWM

19、信號發(fā)生電路兩片數(shù)值比較器4585即圖上U2U3的A組接12位串行4040計數(shù)輸出端Q2Q9而U2U3的B組接到單片機(jī)的P1端口只要改變P1端口的輸出值那么就可以使得PWM信號的占空比發(fā)生變化從而進(jìn)行調(diào)速控制12位串行計數(shù)器4040的計數(shù)輸入端CLK接到單片機(jī)C51晶振的振蕩輸出XTAL2計數(shù)器4040每來8個脈沖其輸出Q2Q9加1當(dāng)計數(shù)值小于或者等于單片機(jī)P1端口輸出值X時圖中U2的A B輸出端保持為低電平而當(dāng)計數(shù)值大于單片機(jī)P1端口輸出值X時圖中U2的A B輸出端為高電平隨著計數(shù)值的增加Q2Q9由全1變?yōu)槿?時圖中U2的A B輸出端又變?yōu)榈碗娖竭@樣就在U2的A B端得到了PWM的信號它的占

20、空比為255 -X 255100那么只要改變X的數(shù)值就可以相應(yīng)的改變PWM信號的占空比從而進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制使用這個方法時單片機(jī)只需要根據(jù)調(diào)整量輸出X的值而PWM信號由三片通用數(shù)字電路生成這樣可以使得軟件大大簡化同時也有利于單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作由于單片機(jī)上電復(fù)位時P1端口輸出全為1使用數(shù)值比較器4585的B組與P1端口相連升速時P0端口輸出X按一定規(guī)律減少而降速時按一定規(guī)律增大com PWM發(fā)生電路主要芯片的工作原理1芯片4585 1芯片4585的用途對于A和B兩組4位并行數(shù)值進(jìn)行比較來判斷它們之間的大小是否相等2芯片4585的功能表表24 芯片4585的功能表輸入輸出比較級取A3B3A2

21、B2A1B1A0B0A BA BA BA BA BA BA3 B31001A3 B3A2 B21001A3 B3A2 B2A1 B11001A3 B3A2 B2A1 B1A0 B01001A3 B3A2 B2A1 B1A0 B0001001A3 B3A2 B2A1 B1A0 B0010010A3 B3A2 B2A1 B1A0 B0100100A3 B3A2 B2A1 B1100A3 B3A2 B2100A3 B31003芯片4585的引腳圖圖211芯片4585的引腳圖2芯片4040 芯片4040是一個12位的二進(jìn)制串行計數(shù)器所有計數(shù)器位為主從觸發(fā)器計數(shù)器在時鐘下降沿進(jìn)行計數(shù)當(dāng)CR為高電平時它對

22、計數(shù)器進(jìn)行清零由于在時鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器故對脈沖上升和下降時間沒有限制所有的輸入和輸出均經(jīng)過緩沖芯片4040提供了16引線多層陶瓷雙列直插熔封陶瓷雙列直插塑料雙列直插以及陶瓷片狀載體等4種封裝形式1芯片4040的極限值電源電壓范圍-05V18V輸入電壓范圍-05VVDD05V輸入電流范圍±10mA貯存溫度范圍-65°C150°C2芯片4040引出端功能符號CP 時鐘輸入端 CR清除端 Q0Q11計數(shù)脈沖輸出端 VDD 正電源 VSS 地端芯片4040功能表表25芯片4040功能表輸入輸出CPCRLLH保持計數(shù)所有輸出端均為L4芯片4040的引腳圖圖212芯片

23、4040的引腳圖23 功率放大驅(qū)動電路設(shè)計該驅(qū)動電路采用了IR2110集成芯片該集成電路具有較強的驅(qū)動能力和保護(hù)功能com 芯片IR2110性能及特點IR2110是美國國際整流器公司利用自身獨有的高壓集成電路以及無閂鎖CMOS技術(shù)于1990年前后開發(fā)并且投放市場的IR2110是一種雙通道高壓高速的功率器件柵極驅(qū)動的單片式集成驅(qū)動器它把驅(qū)動高壓側(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在于將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動信號可以驅(qū)動同一橋臂的兩路輸出驅(qū)動能力強響應(yīng)速度快工作電壓比較高可以達(dá)到600V其內(nèi)設(shè)欠壓封鎖成本

24、低易于調(diào)試高壓側(cè)驅(qū)動采用外部自舉電容上電與其他驅(qū)動電路相比它在設(shè)計上大大減少了驅(qū)動變壓器和電容的數(shù)目使得MOSFET和IGBT的驅(qū)動電路設(shè)計大為簡化而且它可以實現(xiàn)對MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動還具有快速完整的保護(hù)功能與此同時IR2110的研制成功并且投入應(yīng)用可以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com IR2110的引腳圖以及功能引腳1LO與引腳7HO對應(yīng)引腳12以及引腳10的兩路驅(qū)動信號輸出端使用中分別通過一電阻接主電路中下上通道MOSFET的柵極為了防止干擾通常分別在引腳1與引腳2以及引腳7與引腳5之間并接一個10K的電阻引腳2COM下通道MOSFET驅(qū)動輸出參考地端使

25、用中與引腳13Vss直接相連同時接主電路橋臂下通道MOSFET的源極引腳3Vcc直接接用戶提供的輸出極電源正極并且通過一個較高品質(zhì)的電容接引腳2引腳5Vs上通道MOSFET驅(qū)動信號輸出參考地端使用中與主電路中上下通道被驅(qū)動MOSFET的源極相通與引腳6VBB通過一陰極連接到該端陽極連接到引腳3的高反壓快恢復(fù)二極管與用戶提供的輸出極電源相連對Vcc的參數(shù)要求為大于或等于05V而小于或等于20V引腳9VDD芯片輸入級工作電源端使用中接用戶為該芯片工作提供的高性能電源為抗干擾該端應(yīng)通過一高性能去耦網(wǎng)絡(luò)接地該端可與引腳3Vcc使用同一電源也可以分開使用兩個獨立的電源引腳10HIN與引腳12LIN驅(qū)動逆

26、變橋中同橋臂上下兩個功率MOS器件的驅(qū)動脈沖信號輸入端應(yīng)用中接用戶脈沖形成部分的對應(yīng)兩路輸出對此兩個信號的限制為Vss-05V至Vcc05V這里Vss 與Vcc分別為連接到IR2110的引腳13Vss與引腳9VDD端的電壓值引腳11SD保護(hù)信號輸入端當(dāng)該引腳為高電平時IR2110的輸出信號全部被封鎖其對應(yīng)的輸出端恒為低電平而當(dāng)該端接低電平時則IR2110的輸出跟隨引腳10與12而變化引腳13Vss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)接該端同時與引腳2直接相連引腳8引腳14引腳4為空引腳芯片參數(shù)1IR2110的極限參數(shù)和限制最大高端工作電源電壓VB -03V至525V

27、門極驅(qū)動輸出最大脈沖電流IO2A最高工作頻率f1MHz工作電源電壓Vcc-03V至25V貯存溫度Tstg-55至150°C工作溫度范圍TA-40至125°C允許最高結(jié)溫Tj150°C邏輯電源電壓VDD-03V至VSS25V允許參考電壓Vs臨界上升率dVsdt50000Vs高端懸浮電源參考電壓VsVB-25V至VB03V高端懸浮輸出電壓VHOVs-03V至VB03V邏輯輸入電壓VINVss-03V至VDD03V邏輯輸入?yún)⒖茧妷篤ssVcc-25V至Vcc03V低端輸出電壓VLO-03V至Vcc03V功耗PDDIP-14封裝為16W2IR2110的推薦工作條件高端懸浮

28、電源絕對值電壓VBVs10V至Vs20V低端輸出電壓VLO0至Vcc低端工作電源電壓Vcc10V至20V邏輯電源電壓VDD Vss5V至Vss20V邏輯電源參考電壓Vss -5V至5V圖213 IR2110芯片24 主電路設(shè)計com 延時保護(hù)電路利用IR2110芯片的完善設(shè)計可以實現(xiàn)延時保護(hù)電路R2110使它自身可對輸入的兩個通道信號之間產(chǎn)生合適的延時保證了加到被驅(qū)動的逆變橋中同橋臂上的兩個功率MOS器件的驅(qū)動信號之間有一互瑣時間間隔因而防止了被驅(qū)動的逆變橋中兩個功率MOS器件同時導(dǎo)通而發(fā)生直流電源直通路的危險com 主電路從上面的原理可以看出產(chǎn)生高壓側(cè)門極驅(qū)動電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(guān)的動

29、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電路中Q1Q4或者Q2Q3是不可能持續(xù)不間斷的導(dǎo)通的我們可以采取雙PWM信號來控制直流電機(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恰好相反在HIN為高電平期間Q1Q4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為高電平的時候Q2截止C1上的電壓經(jīng)過VBIC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IC2的HO為低電平而LO為高電平Q3截止C3上的電壓經(jīng)過VBIC內(nèi)部電路和HO端加在Q4

30、的柵極上從而使得Q4導(dǎo)通電源經(jīng)Q1至電動機(jī)的正極經(jīng)過整個直流電機(jī)后再通過Q4到達(dá)零電位完成整個的回路此時直流電機(jī)正轉(zhuǎn)在HIN為低電平期間LIN端輸入高電平Q2Q3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為低電平的時候Q2導(dǎo)通且Q1截止此時Q2的漏極近乎于零電平Vcc通過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Vcc通過D2向C3充電為Q4的又一次導(dǎo)通作準(zhǔn)備電源經(jīng)Q3至電動機(jī)的負(fù)極經(jīng)過整個直流電機(jī)后再通過Q2到達(dá)零電位完成整個的回路此時直流電機(jī)反轉(zhuǎn)因此電樞上的工作電壓是雙極性

31、矩形脈沖波形由于存在著機(jī)械慣性的緣故電動機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的設(shè)PWM波的周期為THIN為高電平的時間為t1這里忽略死區(qū)時間那么LIN為高電平的時間就為T-t1HIN信號的占空比為D t1T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 2 t1 T V T 2D 1 V定義負(fù)載電壓系數(shù)為 Vout V 那么 2D 1 當(dāng)T為常數(shù)時改變HIN為高電平的時間t1也就改變了占空比D從而達(dá)到了改變Vout的目的D在01之間變化因此在±1之間變化如果我們聯(lián)系改變那么便可以實現(xiàn)電機(jī)正向的無級調(diào)速當(dāng) 05時Vout 0此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0當(dāng)05

32、1時Vout為正電機(jī)正轉(zhuǎn)當(dāng) 1時Vout V電機(jī)正轉(zhuǎn)全速運行圖214 主電路com 輸出電壓波形圖21525 測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)是輸出電動勢與轉(zhuǎn)速成比例的微特電機(jī)分為直流與交流兩種其繞組和磁路經(jīng)過精確設(shè)計輸出電動勢E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系即E kn其中k是常數(shù)改變旋轉(zhuǎn)方向時輸出電動勢的極性即相應(yīng)改變當(dāng)被測機(jī)構(gòu)與測速發(fā)電機(jī)同軸連接時只要檢測出輸出電動勢即可以獲得被測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速所以測速發(fā)電機(jī)又稱速度傳感器測速發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種速度或者位置控制系統(tǒng)在自動控制系統(tǒng)中作為檢測速度的元件以調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速或者通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度26 濾波電路圖216濾波電路27 AD轉(zhuǎn)換com 芯片ADC0809

33、介紹ADC0809是8位逐次比較式AD轉(zhuǎn)換芯片具有地址鎖存控制的8路模擬開關(guān)應(yīng)用單一的5V電源其模擬量輸入電壓的范圍為0V-5V其對應(yīng)的數(shù)字量輸出為00H-FFH轉(zhuǎn)換時間為100s無須調(diào)零或者調(diào)整滿量程com ADC0809的引腳及其功能ADC0809有28個引腳其中IN0-IN7接8路模擬量輸入ALE是地址鎖存允許接基準(zhǔn)電源在精度要求不太高的情況下供電電源就可以作為基準(zhǔn)電源START是芯片的啟動引腳其上脈沖的下降沿起動一次新的AD轉(zhuǎn)換EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號可以用于向單片機(jī)申請中斷或者供單片機(jī)查詢OE是輸出允許端CLK是時鐘端DB0-DB7是數(shù)字量的輸出ADDAADDBADDC接地址線用以選定8

34、路輸入中的一路詳見下圖圖217 ADC0809的引腳表26接地址線選定8路輸入ADDCADDBADDA選通輸入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7第3章直流調(diào)速系統(tǒng)31 直流調(diào)速系統(tǒng)概述 直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以滿足工作機(jī)械的要求從機(jī)械特性上看就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性從而改變電動機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點使電動機(jī)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化 調(diào)速通常通過給定環(huán)節(jié)中間放大環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)和保護(hù)環(huán)節(jié)等來實現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不能自動校正與給定轉(zhuǎn)速的偏差的調(diào)速系統(tǒng)稱為開環(huán)控

35、制系統(tǒng)這種調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速要受到負(fù)載波動及電源電壓波動等外界擾動的影響電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能自動的校正與給定轉(zhuǎn)速的偏差不受負(fù)載及電網(wǎng)電壓波動等外界擾動的影響使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速始終與給定轉(zhuǎn)速保持一致的調(diào)速系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)這是由于閉環(huán)控制系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié) 電氣傳動控制系統(tǒng)通常由電動機(jī)控制裝置和信息裝置三部分組成它能按照規(guī)定的指令及時的控制電動機(jī)的啟動制動運轉(zhuǎn)方向位置速度和加速度等以滿足工作機(jī)械及生產(chǎn)過程的要求 隨著電機(jī)傳感器控制器件變流技術(shù)和控制理論的發(fā)展電氣傳動控制系統(tǒng)也得到了很大的發(fā)展目前所用電機(jī)的單機(jī)容量從幾百瓦發(fā)展到數(shù)萬千瓦變流設(shè)備從旋轉(zhuǎn)式電機(jī)變流機(jī)組發(fā)展到大功率晶閘管靜止變流裝置中小功率自

36、關(guān)斷器件靜止變頻裝置控制單元從模擬量觸發(fā)器調(diào)節(jié)器給定積分器發(fā)展到以微處理器芯片為核 心的交直流通用的數(shù)字量控制模塊系統(tǒng)的控制方式從手動操作的開關(guān)控制發(fā)展到閉環(huán)多參量控制電氣傳動以從單純的調(diào)速系統(tǒng)擴(kuò)展為實現(xiàn)位置速度加速度控制的運動控制中的重要分支 總之現(xiàn)代電氣傳動控制系統(tǒng)業(yè)已發(fā)展成為全新的電氣傳動自動化系統(tǒng) 32單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的但它只是在超過臨界電流IIr值以后靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-1a所示當(dāng)電流從最大值降低下來以后電極轉(zhuǎn)矩

37、也隨之減小因而加速過程必然拖長在電機(jī)最大電流或轉(zhuǎn)矩受限的條件下希望充分利用電機(jī)的允許過載能力最好是在過度過程中始終保持電流或轉(zhuǎn)矩為允許的最大值使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后又讓電流立即降低下來使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行這樣的理想啟動過程波形示于圖 3-1b這時啟動電流呈方形波而轉(zhuǎn)速是線性增長的這是在最大電流或轉(zhuǎn)矩受限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程實際上由于主電路電感的作用電流不能突變圖 3-1b 所示的理想波形只能得到近似的逼近不能完全實現(xiàn)為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程按照反饋控制規(guī)律采用某個物理量的

38、負(fù)反饋就可以保持該量基本不變那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該能得到近似的恒流過程問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流良種負(fù)反饋又使它們只能分別在不同的階段去作用呢雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)正是用來解決這個問題的 b 理想圖31 直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)即保證了動態(tài)穩(wěn)定性有保證了靜態(tài)無靜差很好的解決了動靜態(tài)之間的矛盾但電流得不到限制電流負(fù)反饋雖然能限制啟動電流但在啟動時啟動電流僅在某一瞬間達(dá)到最大的允許值其余的時間都比較小啟動過

39、程慢同時他的機(jī)械特性較軟不適合調(diào)速想要啟動過程盡可能快就應(yīng)使整個啟動過程中的電機(jī)始終保持最大的啟動轉(zhuǎn)矩由上述可知實現(xiàn)理想過程過程的關(guān)鍵是控制電流波形 圖32 生產(chǎn)機(jī)械工作工程由圖可知為了達(dá)到最佳過渡過程必須滿足過渡過程中盡量能使電樞電流為最大值過渡過程結(jié)束時盡快使電樞電流達(dá)到穩(wěn)定值為了使電樞電流有動態(tài)到穩(wěn)態(tài)和由穩(wěn)態(tài)到動態(tài)迅速變化應(yīng)使Ud突變到最大值待電樞電流達(dá)到要求值歐在突變到需要值同時西東機(jī)械特性曲線應(yīng)既有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的絕對硬特性還要有電流截至負(fù)反饋挖土機(jī)特性如果單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)同時引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋 法兼顧這兩方面的性能要求不僅啟動電流波形幾乎沒有得到改善而且其轉(zhuǎn)速還存在靜差所以

40、就引入了雙環(huán)和多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)33開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較V-M開環(huán)系統(tǒng)其機(jī)械特性方程而閉環(huán)時靜特性可寫成其中分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速 分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降閉環(huán)與開環(huán)特性比較 靜態(tài)速降小特性硬 在負(fù)載相同情況下兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 則它們的關(guān)系是 系統(tǒng)的靜差率小穩(wěn)速精度高 閉環(huán)與開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和 當(dāng) 時 當(dāng)要求的靜差率一定時閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍可大大提高如果電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是而對最低速靜差率s要求相同則閉環(huán)和開環(huán)的調(diào)速范圍分別為 將式代入上式得 上述三項優(yōu)點若要有效都取決于一點即K 要足夠大因此必須設(shè)置放大器 結(jié)論閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)

41、特性從而在保證一定靜差率的要求下能夠提高調(diào)速范圍為此所需付出的代價是須增設(shè)檢測與反饋裝置和電壓放大器第章圖41 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)和電阻電容值關(guān)系如下Kn Rn R0 Tn Rn Cn Ton 14 R0 Con參數(shù)求法 電動機(jī) P 10KW U 220V I 55A n 1000轉(zhuǎn)分 電樞電阻R 05歐姆 取濾波電路中Ro 40千歐 Rn 470千歐 Cn 02uF Con 1uF 則U 220VUmin 2200905 122VYi-1 0 W 1000轉(zhuǎn)分P Kp RnRo 117I KpTTi 12542 控制電路設(shè)計com 單片機(jī)資源分配工作寄存器0組RO-R7 00H-07H數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 30H-7FHPSW4RS1 0 PSW3 RS0 0 選中工作寄存器0組P0口地址 80H P1口地址 90HP2口地址 A0HP3口地址 B0H堆棧SP 81H定時器計數(shù)器控制 TCON 88H定時器計數(shù)器方式控制 TMOD 89H定時器計數(shù)器0