基于MC51單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)方案

1、 PAGE52 / NUMPAGES52基于MC51單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)摘 要本文介紹一種基于MC51單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)，并且系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)檢測(cè)，將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電流信息與時(shí)反饋給單片機(jī)，借助于軟件編程使單片機(jī)與時(shí)調(diào)整輸出PWM的占空比來(lái)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行工作圍調(diào)速。系統(tǒng)以廉價(jià)的MC51單片機(jī)為控制核心，以直流電機(jī)為控制對(duì)象。從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對(duì)電路進(jìn)行總體方案論證設(shè)計(jì)，確定電路各個(gè)的功能模塊之間的功能銜接和接口設(shè)置，詳細(xì)分析了各個(gè)模塊的方案論證和參數(shù)設(shè)置。整個(gè)系統(tǒng)利用51單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生10K左右的PWM脈沖，通過(guò)帶有功率驅(qū)動(dòng)作用的TLP250光耦實(shí)現(xiàn)

2、控制單元與驅(qū)動(dòng)單元的強(qiáng)弱電隔離，采用2片IGBT和MOSFET等一類(lèi)電壓型功率開(kāi)關(guān)管專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，驅(qū)動(dòng)IGBTFGA25N120構(gòu)成的H橋電路實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速，利用AH49E線(xiàn)性霍爾元件與ADC0809制作成電流與轉(zhuǎn)速傳感器分別測(cè)量電機(jī)的電樞電流與轉(zhuǎn)速，再配合利用TL431、線(xiàn)性光耦PC817和ADC0809實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PID雙閉環(huán)控制，提高整個(gè)系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化水平，為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供可能。關(guān)鍵字MC51，PWM，光耦隔離， PID ，IR2110，IGBTAbstractThis article describes the MC51 Microcontroller base

3、d DC motor PWM pulse width speed control system, and the system uses the speed and current dual-loop detection, the DC motor speed and current information and timely feedback to the microcontroller, by means of software programming the microcontroller to adjust the output PWM duty cycle to work on t

4、he range of DC motor speed control. Cheap MC51 SCM system as the control center for the control of a DC motor object. From the system point of view, the circuit design of the overall demonstration program to determine the function of each circuit module and the interface between the functional inter

5、face settings, detailed analysis of the demonstration program of each module and parameter settings. Microcontroller using the system timer 51 of about 10K PWM pulse generated by the role with a power drive control unit and TLP250 optocoupler drive unit to achieve the strength of electrical isolatio

6、n, the use of two IGBT and MOSFET, and other similar voltage power switch dedicated driver chips IR2110, driving IGBT-FGA25N120 H bridge circuit composed of DC motor speed control, the use of linear Hall element and ADC0809 AH49E made into current and speed sensors were used to measure the motor arm

7、ature current and speed, coupled with the use of TL431, linear optocoupler PC817 and the ADC0809 to achieve double-loop PID control system to improve the whole system of intelligent, automated level of applications for industrial production possible.Keywords MC51, PWM, opto isolation, PID, IR2110, I

8、GBT目 錄TOC o 1-4 h z uHYPERLINK l _Toc295377691摘要 PAGEREF _Toc295377691 h 1HYPERLINK l _Toc2953776921.前言 PAGEREF _Toc295377692 h 6HYPERLINK l _Toc2953776931.1數(shù)字直流調(diào)速的意義 PAGEREF _Toc295377693 h 6HYPERLINK l _Toc2953776941.2研究現(xiàn)狀綜述 PAGEREF _Toc295377694 h 7HYPERLINK l _Toc2953776951.2.1電氣傳動(dòng)的發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF

9、_Toc295377695 h 7HYPERLINK l _Toc2953776961.2.2微處理器控制直流電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295377696 h 7HYPERLINK l _Toc2953776971.3直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速概述 PAGEREF _Toc295377697 h 8HYPERLINK l _Toc2953776981.3.1直流電機(jī)調(diào)速原理 PAGEREF _Toc295377698 h 8HYPERLINK l _Toc2953776991.3.2直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式 PAGEREF _Toc295377699 h 10HYPERLINK l _Toc295

10、3777002.系統(tǒng)總體方案論證 PAGEREF _Toc295377700 h 12HYPERLINK l _Toc2953777012.1系統(tǒng)方案比較與選擇 PAGEREF _Toc295377701 h 12HYPERLINK l _Toc2953777022.2系統(tǒng)方案描述 PAGEREF _Toc295377702 h 13HYPERLINK l _Toc2953777033.硬件電路的模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295377703 h 15HYPERLINK l _Toc2953777043.2邏輯延時(shí)電路方案論證設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295377704 h 20HY

11、PERLINK l _Toc2953777053.3驅(qū)動(dòng)電路方案論證設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295377705 h 21HYPERLINK l _Toc2953777063.3.1驅(qū)動(dòng)電路方案、參數(shù)描述 PAGEREF _Toc295377706 h 21HYPERLINK l _Toc2953777073.3.2 IR2110驅(qū)動(dòng)電路中IGBT抗干擾設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295377707 h 23HYPERLINK l _Toc2953777083.3.3IR2110功率驅(qū)動(dòng)介紹 PAGEREF _Toc295377708 h 25HYPERLINK l _Toc295377

12、7093.3.3.1IR2100部結(jié)構(gòu)原理圖與管腳說(shuō)明 PAGEREF _Toc295377709 h 25HYPERLINK l _Toc2953777103.3.3.2IR2110的自舉電路 PAGEREF _Toc295377710 h 26HYPERLINK l _Toc2953777113.3.3.3IGBT H橋驅(qū)動(dòng)電路原理 PAGEREF _Toc295377711 h 27HYPERLINK l _Toc2953777123.4隔離電路方案論證設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295377712 h 32HYPERLINK l _Toc2953777133.4.1 TLP250光耦

13、隔離 PAGEREF _Toc295377713 h 32HYPERLINK l _Toc2953777143.5穩(wěn)壓可調(diào)電源設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295377714 h 33HYPERLINK l _Toc2953777153.6速度反饋環(huán)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295377715 h 35HYPERLINK l _Toc2953777163.6.1脈沖信號(hào)的獲得 PAGEREF _Toc295377716 h 35HYPERLINK l _Toc2953777173.6.2測(cè)速電路硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295377717 h 36HYPERLINK l _To

14、c2953777194.2主要程序設(shè)計(jì)分析 PAGEREF _Toc295377719 h 47HYPERLINK l _Toc2953777204.2.1定時(shí)器0中斷服務(wù)函數(shù) PAGEREF _Toc295377720 h 47HYPERLINK l _Toc2953777214.2.2占空比調(diào)節(jié)函數(shù) PAGEREF _Toc295377721 h 47HYPERLINK l _Toc2953777224.2.3 PID控制算法程序如下： PAGEREF _Toc295377722 h 48HYPERLINK l _Toc2953777237.參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc2953777

15、23 h 511.前言1.1數(shù)字直流調(diào)速的意義現(xiàn)在電氣傳動(dòng)的主要方向之一是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。從上世紀(jì)80年代中后期起，世界各大電氣公司如ABB、通用、西屋、西門(mén)子等都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動(dòng)裝置，經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，當(dāng)前直流調(diào)速已發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制1。特別是采用了微處理器與其他先進(jìn)電力電子技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置在精度的準(zhǔn)確性、控制性能的優(yōu)良性和抗干擾的性能有很大的提高和發(fā)展，在國(guó)外得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為目前最新控制水平的傳動(dòng)方式顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷升級(jí)

16、換代，為工程應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)越的條件。采用微處理器控制，使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化程度，智能化程度有很大改觀；采用微處理器控制，使調(diào)速系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單化，可靠性提高，操作維護(hù)變得簡(jiǎn)捷，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精度等方面達(dá)到較高水平。由于微處理器具有較佳的性?xún)r(jià)比，所以微處理器在工業(yè)過(guò)程與設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，但是直流電機(jī)憑借其良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，在金屬切削機(jī)床、軋鋼機(jī)、海洋鉆機(jī)、挖掘機(jī)、造紙機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、電鍍、高層電梯等需要廣泛圍平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域中仍得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，我國(guó)還沒(méi)有自主的全數(shù)字化直流調(diào)速控制裝置生產(chǎn)商，而國(guó)外先進(jìn)的控制

17、器價(jià)格昂貴，且技術(shù)轉(zhuǎn)讓受限，為此研究與更好的使用國(guó)外先進(jìn)的控制器，吸收國(guó)外先進(jìn)的數(shù)字化直流電機(jī)調(diào)速裝置的優(yōu)點(diǎn)，具有重要的實(shí)際意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1.2研究現(xiàn)狀綜述1.2.1電氣傳動(dòng)的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代以來(lái)，直流電機(jī)傳動(dòng)經(jīng)歷了重大的技術(shù)、裝備變革。整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組與水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)1。同時(shí)，高集成化、小型化、高可靠性與低成本成為控制的電路的發(fā)展方向。使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代1。

18、 早期直流傳動(dòng)的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點(diǎn)，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度與可靠性較低2。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，微處理器已經(jīng)廣泛使用于直流傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微處理器以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度、可靠性和穩(wěn)定性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。所以，直流傳動(dòng)控制采用微處理器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。1.2.2微處理器控制直流電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀微處理器誕生于上個(gè)世紀(jì)七十年代，隨著集成電路大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微處理器的性?xún)r(jià)比越來(lái)

19、越高。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普遍用于控制電機(jī)提供了可能，利用微處理器控制電機(jī)完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求2，還促進(jìn)了電機(jī)生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等便于控制且實(shí)用的新型電機(jī)，使電機(jī)的發(fā)展出現(xiàn)了新的變化。對(duì)于簡(jiǎn)單的微處理器控制電機(jī)，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開(kāi)關(guān)元器件，使電路開(kāi)通或關(guān)斷就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制?，F(xiàn)在帶微處理器的可編程控制器，已經(jīng)在各種的機(jī)床設(shè)備和各種的生產(chǎn)流水線(xiàn)中普遍得到應(yīng)用，通過(guò)對(duì)可編程控制器進(jìn)行編程就

20、可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的規(guī)律化控制。對(duì)于復(fù)雜的微處理器控制電機(jī),則要利用微處理器控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過(guò)微處理器控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。目前相比直流電機(jī)和交流電機(jī)他們各有所長(zhǎng)，如直流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損與換向火花等問(wèn)題；交流電機(jī)，不論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)2。高性能的微處理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即數(shù)字信號(hào)處理器)的出現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，使電機(jī)傳

21、動(dòng)的自動(dòng)化程度大為提高。在先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如DSP等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達(dá)數(shù)百萬(wàn)兆以上每秒，且具有適合的矩陣運(yùn)算2。1.3直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速概述1.3.1直流電機(jī)調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式不同，直流電動(dòng)機(jī)分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種類(lèi)型。不同勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線(xiàn)有所不同。但是對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式： 其中：電壓；勵(lì)磁繞組本身的電阻；每極磁通(Wb)；Cc電勢(shì)常數(shù)；Cr轉(zhuǎn)矩常量3。由上式可知，直流電機(jī)的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場(chǎng)控制法。磁場(chǎng)控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，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

22、的限制4，而且由于勵(lì)磁線(xiàn)圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差5。所以在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的方法是電樞控制法。圖1-1 直流電機(jī)的工作原理圖電樞控制是在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟(jì)效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大6。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進(jìn)行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓等等。調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)

23、制(PWM)應(yīng)用更為廣泛。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的接通或斷開(kāi)，并通過(guò)改變一個(gè)周期“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，PWM又被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 圖1-2電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖根據(jù)圖1，如果電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為，占空比為D=/T，則電機(jī)的平均速度為：，可見(jiàn)只要改變占空比D，就可以得到不同的電機(jī)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的7。1.3.2直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式、基于晶閘管作為主電路的調(diào)速系統(tǒng)晶閘管的調(diào)速系統(tǒng)是采用分離元件設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)占用的空間大，控制角難于調(diào)整，且模擬器件的固有缺陷

24、如：溫漂、零漂電壓等，導(dǎo)致電機(jī)的調(diào)速無(wú)法達(dá)到滿(mǎn)意的結(jié)果。晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難，性能較差，自動(dòng)化控制程度差，調(diào)速過(guò)程較為復(fù)雜，不利于工業(yè)生產(chǎn)和小功率電路中采用。另一問(wèn)題是當(dāng)晶閘管導(dǎo)通角很小時(shí)，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)殃與同電網(wǎng)中的用電設(shè)備，造成“電力公害”。 、基于PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)相比較，PWM(脈寬調(diào)制技術(shù))直流調(diào)速系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性：主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，需要的功率元件少；開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速?lài)鷮?；系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性

25、能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。PWM信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法:一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。 基于單片機(jī)類(lèi)由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM：在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比D是一個(gè)重要參數(shù)在電源電壓不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比D的大小，改變D的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。改變占空比D的值有三種方法：A、定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變t，這樣使周期(或頻率)也隨之改變7。（圖1）B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t不變，只改變，這樣使周期(或頻率)也隨之改變7。（圖1）C、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時(shí)改變和t7。（圖1）前兩種方法在

26、調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來(lái)改變占空比從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡(jiǎn)化硬件電路，操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2.系統(tǒng)總體方案論證2.1系統(tǒng)方案比較與選擇方案一：采用專(zhuān)用PWM集成芯片、IR2110 功率驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的核心，現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有很多種型號(hào)，如Tl公司的TL494芯片，東芝公司的ZSK313I芯片等。這些芯片除了有PWM信號(hào)發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能等。這種專(zhuān)用PWM集成芯片可以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，工作更可靠

27、，但其價(jià)格相對(duì)較高，難于控制工業(yè)成本不宜采用。方案二：采用MC51單片機(jī)、功率集成電路芯片L298構(gòu)成直流調(diào)速裝置。L298是雙H高電壓大電流功率集成電路，直接采用TTL邏輯電平控制，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器、線(xiàn)圈、直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。其驅(qū)動(dòng)電壓為46V，直流電流總和為4A。該方案總體上是具有可行性，但是L298的驅(qū)動(dòng)電壓和電流較小，不利于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐電壓、大電流的直流電機(jī)調(diào)速。方案三：采用MC51單片機(jī)、IR2110功率驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的核心實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速。MC51具有兩個(gè)定時(shí)器T0和T19。通過(guò)控制定時(shí)器初值T0和T1，從而可以實(shí)現(xiàn)從任意端口輸出不同

28、占空比的脈沖波形。MC51控制簡(jiǎn)單，價(jià)格廉價(jià)，且利用MC51構(gòu)成單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，可縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。IR2110是專(zhuān)門(mén)的MOSFET管和IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片，帶有自舉電路和隔離作用，有利于和單片機(jī)聯(lián)機(jī)工作，且IGBT的工作電流可達(dá)50A，電壓可達(dá)1200V10，適合工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。綜合上述三種方案，本設(shè)計(jì)采用方案三作為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。但是由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)PID控制，所以測(cè)速中占用了兩個(gè)定時(shí)器，T0和T1，如果再將PWM波形產(chǎn)生交給MSC51則會(huì)加大軟件的任務(wù)，并且影響整個(gè)系統(tǒng)的控制效果。因此這里考慮單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)PWM波形發(fā)生電路，單片機(jī)對(duì)它只提供控制參數(shù)以改變

29、其占空比。2.2系統(tǒng)方案描述本系統(tǒng)采用MC51為控制核心，配以2*3鍵盤(pán)，通過(guò)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)主干驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行速度設(shè)定反饋，電流設(shè)定和過(guò)電流保護(hù)。同時(shí)利用MC51以與PWM產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的PWM經(jīng)過(guò)邏輯延遲電路后加載到以IR2110為驅(qū)動(dòng)核心，IGBT構(gòu)成的H橋主干電路上實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制和調(diào)速，并且系統(tǒng)利用霍爾傳感器制成速度與電流反饋環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊的PID控制。本系統(tǒng)的控制部分為5V的弱電而驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載電路為110V以上的直流電壓因此在強(qiáng)弱電之間、數(shù)據(jù)采集之間分別利用了帶有驅(qū)動(dòng)功能的光耦TLP250和線(xiàn)性光耦PC817實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離，信號(hào)串?dāng)_。具體電路框圖如下圖2-1PWM波形產(chǎn)

30、生模塊MSC51鍵盤(pán)控制5V直流電源18V直流電源直流電機(jī)IR2110驅(qū)動(dòng)電路霍爾測(cè)速傳感器霍爾電流傳感器AD轉(zhuǎn)換M延時(shí)電路圖2-1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖3.硬件電路的模塊設(shè)計(jì)3.1 PWM信號(hào)發(fā)生電路3.1.1 PWM的基本原理PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)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(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來(lái)控

31、制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱?，PWM又被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。如下圖所示：圖3-1 PWM脈沖圖設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D= t1 / T，則電機(jī)的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機(jī)的平均速度；Vmax 是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比 D = t1 / T時(shí)，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(lái)說(shuō)，平均速度Vd 與占空比D并非嚴(yán)格的線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)系。3.1.2 PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)圖3-2 PWM信號(hào)發(fā)生

32、電路設(shè)計(jì)整體圖PWM波可以由具有PWM輸出的單片機(jī)通過(guò)編程來(lái)得以產(chǎn)生，也可以采用PWM專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)PWM波的頻率太高時(shí)，它對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率管要求太高，而當(dāng)它的頻率太低時(shí)，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)PWM波的頻率在18KHz左右時(shí)，效果最好。在本系統(tǒng)，采用了兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計(jì)數(shù)器4040組成了PWM信號(hào)發(fā)生電路。兩片數(shù)值比較器4585，即圖上U2、U3的A組接12位串行4040計(jì)數(shù)輸出端Q2Q9，而U2、U3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(hào)的占空比發(fā)生變化，從而進(jìn)行調(diào)速控制。12位串行計(jì)數(shù)器4040

33、的計(jì)數(shù)輸入端CLK接到單片機(jī)C51晶振的振蕩輸出XTAL2。計(jì)數(shù)器4040每來(lái)8個(gè)脈沖，其輸出Q2Q9加1，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于或者等于單片機(jī)P1端口輸出值X時(shí)，圖中U2的（AB）輸出端保持為低電平，而當(dāng)計(jì)數(shù)值大于單片機(jī)P1端口輸出值X時(shí)，圖中U2的（AB）輸出端為高電平。隨著計(jì)數(shù)值的增加，Q2Q9由全“1”變?yōu)槿?”時(shí)，圖中U2的（AB）輸出端又變?yōu)榈碗娖?，這樣就在U2的（AB）端得到了PWM的信號(hào)，它的占空比為（255 -X / 255）*100%，那么只要改變X的數(shù)值，就可以相應(yīng)的改變PWM信號(hào)的占空比，從而進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。使用這個(gè)方法時(shí)，單片機(jī)只需要根據(jù)調(diào)整量輸出X的值，而PWM信號(hào)

34、由三片通用數(shù)字電路生成，這樣可以使得軟件大大簡(jiǎn)化，同時(shí)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(shí)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(shí)P0端口輸出X按一定規(guī)律減少，而降速時(shí)按一定規(guī)律增大。 3.1.3 PWM發(fā)生電路主要芯片的工作原理（1）芯片4585 芯片4585的用途：對(duì)于A和B兩組4位并行數(shù)值進(jìn)行比較，來(lái)判斷它們之間的大小是否相等。 芯片4585的功能表： 輸入輸出比較級(jí)取A3、B3A2、B2A1、B1A0、B0ABABA3B3*1001A3=B3A2B2*1001A3=B3A2=B2A1B1*1001A3=B3A2=B2A1=B1A0B0*1

35、001A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0001001A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0010010A3=B3A2=B2A1=B1A0B0100100A3=B3A2=B2A1B1*100A3=B3A2B2*100A30.5時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)， =0，電動(dòng)機(jī)停止。雙極式控制的電壓平衡方程式3： （） ()電樞兩端在一個(gè)周期的平均電壓都是：。其平均值方程都可寫(xiě)成3： 則機(jī)械特性方程3：用轉(zhuǎn)矩表示3：式中，電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，。 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，。3.4隔離電路方案論證設(shè)計(jì)3.4.1 TLP250光耦隔離 隔離是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如

36、果隔離沒(méi)有做好，將導(dǎo)致強(qiáng)弱電互相串?dāng)_，強(qiáng)電串到弱電的控制單元時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制單元燒毀。因?yàn)橄到y(tǒng)的主電路電壓均為高電壓、大電流，而控制單元為弱電壓，弱電流，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提高系統(tǒng)抗干擾措施，綜合考慮決定采用帶光電隔離的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片TLP25021。圖3-17TLP部結(jié)構(gòu)圖光耦TLP250是一種可直接驅(qū)動(dòng)小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本東芝公司生產(chǎn)，其最大驅(qū)動(dòng)能力達(dá)1.5A21。TLP250驅(qū)動(dòng)主要具備以下特征：輸入閾值電流IF=5mA(max)；電源電流ICC=11mA(max)；電源電壓(VCC)=1035V；輸出電流IO=0.5A(min)；開(kāi)關(guān)

37、時(shí)間tpLH/tpHL=0.5s(max)。選用TLP250光耦既保證了功率驅(qū)動(dòng)電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動(dòng)MOSFET的能力，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。根據(jù)TPL250的數(shù)據(jù)手冊(cè)要求在2、3腳的電壓輸入必須為1.6v，5、8腳之間必修接104旁路電容使輸出均勻化，降低負(fù)載需求。具體電路設(shè)計(jì)如圖3-9：圖3-18 TLP250光耦隔離電路3.5穩(wěn)壓可調(diào)電源設(shè)計(jì)因?yàn)橄到y(tǒng)需要的不同電壓值較多，且由于電機(jī)在正常工作時(shí)對(duì)電源的干擾很大，如果只用一組電源難以防止干擾，為此在設(shè)計(jì)時(shí)采用了兩組可調(diào)的穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)控制單元和驅(qū)動(dòng)單元單獨(dú)供電。在設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮到使用三端可調(diào)穩(wěn)壓集成芯片LM317、和

38、LM337。LM317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，LM337系列穩(wěn)壓器輸出連可調(diào)的負(fù)電壓，可調(diào)圍為1.2V37V，最大輸出電流 為1.5A。穩(wěn)壓器部含有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率均優(yōu)于固定式集成穩(wěn)壓構(gòu)成的可調(diào)電壓穩(wěn)壓電源。再利用LM7805、LM7905三端穩(wěn)壓芯片即可形成一個(gè)1.2V18V可調(diào)和5V固定輸出的穩(wěn)壓電源。具體設(shè)計(jì)電路圖如下（圖3-13）當(dāng)220V交流電壓經(jīng)過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換成雙18V的交流電壓，利用B2整流橋?qū)崿F(xiàn)整流后，利用了3300uf大電容C1、C2整流，因?yàn)榇笕萘侩娊怆娙萦幸欢ǖ睦@制電感分布電感，易引起自激

39、振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端常并入103瓷介質(zhì)小容量電容C3、C4用來(lái)抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾，利用LM317、LM337穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)18V和-18V可調(diào)，最后在經(jīng)過(guò)470uf電解電容C7、C8濾波后給LM7805、LM7905穩(wěn)壓后再通過(guò)C9、C10濾波后輸出5V直流固定電壓。圖3-19 穩(wěn)壓可調(diào)電源電路原理圖3.6速度反饋環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用速度反饋環(huán)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)速度設(shè)定調(diào)節(jié)。其原理如下當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱(chēng)為霍爾電勢(shì)U，其表達(dá)式為 U=KIB/d 其中K為霍爾系數(shù)，I

40、為薄片過(guò)的電流，B為外加磁場(chǎng)（洛倫慈力Lorrentz）的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度。由此可見(jiàn)，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的關(guān)系?；魻杺鞲衅鞯耐庑螆D和與磁場(chǎng)的作用關(guān)系如右圖所示。磁場(chǎng)由磁鋼提供，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對(duì)使用霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速示意圖如下。在非磁材料的圓盤(pán)邊上粘貼一塊磁鋼，霍爾傳感器固定在圓盤(pán)外緣附近。圓盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖。通過(guò)單片機(jī)測(cè)量產(chǎn)生脈沖的頻率就可以得出圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速。如下圖示為測(cè)速原理圖圖3-20霍爾元件測(cè)速原理圖3.6.1脈沖信號(hào)的獲得霍爾傳感器是對(duì)磁敏感的傳感元件，常用于開(kāi)關(guān)信號(hào)采集的有CS3020、CS3040等，這種傳感器

41、是一個(gè)3端器件，外形與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開(kāi)路（OC）門(mén)輸出，工作電壓圍寬，使用非常方便。如圖3-21所示是CS3020的外形圖，將有字面對(duì)準(zhǔn)自己，三根引腳從左向右分別是Vcc，地，輸出。3-21 CS3020外形圖使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開(kāi)關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。這種傳感

42、器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛。3.6.2測(cè)速電路硬件電路設(shè)計(jì)測(cè)速的方法決定了測(cè)速信號(hào)的硬件連接，測(cè)速實(shí)際上就是測(cè)頻，因此，頻率測(cè)量的一些原則同樣適用于測(cè)速。通?？梢杂糜?jì)數(shù)法、測(cè)脈寬法和等精度法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。所謂計(jì)數(shù)法，就是給定一個(gè)閘門(mén)時(shí)間，在閘門(mén)時(shí)間計(jì)數(shù)輸入的脈沖個(gè)數(shù)；測(cè)脈寬法是利用待測(cè)信號(hào)的脈寬來(lái)控制計(jì)數(shù)門(mén)，對(duì)一個(gè)高精度的高頻計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于閘門(mén)與被測(cè)信號(hào)不能同步，因此，這兩種方法都存在1誤差的問(wèn)題，第一種方法適用于信號(hào)頻率高時(shí)使用，第二種方法則在信號(hào)頻率低時(shí)使用。等精度法則對(duì)高、低頻信號(hào)都有很好的適應(yīng)性。圖2是測(cè)速電路的信號(hào)獲取部分，在電源輸入端并聯(lián)電容C2用來(lái)濾去電源尖嘯，使

43、霍爾元件穩(wěn)定工作。HG表示霍爾元件，采用CS3020，在霍爾元件輸出端（引腳3）與地并聯(lián)電容C3濾去波形尖峰，再接一個(gè)上拉電阻R2，然后將其接入LM324的引腳3。用LM324構(gòu)成一個(gè)電壓比較器，將霍爾元件輸出電壓與電位器RP1比較得出高低電平信號(hào)給單片機(jī)讀取。C4用于波形整形，以保證獲得良好數(shù)字信號(hào)。LED便于觀察，當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)不亮，低電平時(shí)亮。微型電機(jī)M可采用型，通過(guò)電位器RP1分壓，實(shí)現(xiàn)提高或降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。C1電容使電機(jī)的速度不會(huì)產(chǎn)生突變，因?yàn)殡娙菽艽鎯?chǔ)電荷。電壓比較器的功能：比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)： 當(dāng)“”輸入端電壓高于“

44、”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平； 當(dāng)“”輸入端電壓低于“”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平；比較器還有整形的作用，利用這一特點(diǎn)可使單片機(jī)獲得良好穩(wěn)定的輸出信號(hào)，不至于丟失信號(hào)，能提高測(cè)速的精確性和穩(wěn)定性。圖3-22 測(cè)速反饋電路原理圖圖3-22中將測(cè)速模塊的輸出端為數(shù)字信號(hào)可以直接接入51單片機(jī)進(jìn)行反饋調(diào)速。3.7電流反饋環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用霍爾元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè),霍爾元件應(yīng)用的基本原理也是霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)是一種磁敏效應(yīng),例如在半導(dǎo)體薄片的長(zhǎng)度方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場(chǎng),則在寬度方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)U H（稱(chēng)為霍爾電壓）, 其大小可表示為: U=kIB/dK稱(chēng)為霍爾系數(shù),與半導(dǎo)體材料有關(guān)

45、,d 為半導(dǎo)體材料的厚度。）可見(jiàn),霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比,而磁感應(yīng)強(qiáng)度又與被測(cè)電流成正比,所以電壓值與被測(cè)電流值之間存在著正比關(guān)系,基于這種正比關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)過(guò)電流的檢測(cè)。讓信號(hào)檢測(cè)模塊的磁線(xiàn)圈與電機(jī)繞組串聯(lián),流過(guò)繞組的電流在磁線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),霍爾元件輸出霍爾電壓,當(dāng)電機(jī)過(guò)電流時(shí),霍爾電勢(shì)急劇增加,對(duì)霍爾元件的輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)過(guò)電流的保護(hù)以與反饋。實(shí)際的霍爾電流傳感器有兩種構(gòu)成形式，即直接測(cè)量式和零磁通式。零磁通式（也稱(chēng)為磁平衡式或反饋補(bǔ)償式）霍爾電流傳感器用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測(cè)電流流過(guò)的導(dǎo)線(xiàn)上，將導(dǎo)線(xiàn)中電流感生的磁場(chǎng)聚集起來(lái)，在磁芯上開(kāi)一氣隙，置一個(gè)霍爾

46、線(xiàn)性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線(xiàn)中流通的電流。如下圖所示將霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個(gè)電流通過(guò)補(bǔ)償線(xiàn)圈，并令補(bǔ)償線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，若滿(mǎn)足條件IoN1=IsN2，則磁芯中的磁通為0，這時(shí)下式成立：Io=Is(N2/N1)(5)式中，I1 為被測(cè)電流，即磁芯中初級(jí)繞組中的電流，N1 為初級(jí)繞組的匝數(shù)，I2 為補(bǔ)償繞組中的電流，N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù)。由式可知，達(dá)到磁平衡時(shí)，即可由Is 與匝數(shù)比N2/N1 得到Io。 圖3-33整體霍爾元件測(cè)速原理圖圖3-34霍爾零磁通電流傳感器原理圖用霍爾元件AN3503 和磁線(xiàn)圈構(gòu)成信號(hào)檢測(cè)電路。

47、AN3503由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、線(xiàn)性放大器和射極跟隨器組成,其輸入是磁感應(yīng)強(qiáng)度,輸出是和輸入量成正比的電壓。信號(hào)檢測(cè)模塊如下:圖3-36 霍爾電流傳感器模塊圖圖中,AN3503 的1 腳接穩(wěn)壓器輸出的+5V 電源,2 腳接地,3 腳為電壓輸出端。繞組電流從磁線(xiàn)圈的A 端進(jìn)入,B 端流出,與繞組串聯(lián)相接。在電源為+5V 時(shí), 霍爾元件靜態(tài)輸出電壓為2.5V,并有較高的靈敏度。磁場(chǎng)N 極從背面接近AN3503 ,當(dāng)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流增加時(shí),輸出電壓增加。A / D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為05V,而霍爾元件的輸出電壓為2.5V 左右,為此,不需要設(shè)置放大電路?；魻栯娏鱾鞲衅鞯臏y(cè)流電路圖取下所示：-

48、 圖3-37霍爾電流傳感器的測(cè)流電路圖圖中由AN3505傳感器模塊在測(cè)得電機(jī)的電樞電流之后一方面通過(guò)一個(gè)比較器接入51單片機(jī)的INTO口作為過(guò)電流保護(hù)，另一方面將測(cè)得的電樞電流的模擬量通過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后送入51單片機(jī)作為速度反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行脈寬調(diào)速。3.8鍵盤(pán)控制與其LED顯示速度與電流值電路在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中,單片機(jī)的I/O口線(xiàn)總是不多的,而外圍的芯片往往占用我們比較多的I/O端口,例如A/D轉(zhuǎn)換器,外圍存儲(chǔ)器,以便用于存放程序或表格,同時(shí)單片機(jī)中一些賦于其它功能的I/O復(fù)用口(例如中斷),它們有更重要的用途,一般我們也不能把它們用作普通的I/O口,因?yàn)樗鼈兊馁Y源更有用,我們

49、也想利用最少引腳的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)更多功能的控制,此時(shí),我們就想利用簡(jiǎn)單便宜的擴(kuò)展芯片來(lái)擴(kuò)展I/O口.以下介紹的電路,可以使用任何一種具有富裕 7個(gè)I/O口線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)21個(gè)按鍵的鍵盤(pán)和四個(gè)七段數(shù)碼管的控制電路。我們選用價(jià)廉物美的74LS164串入并出移位寄存器芯片來(lái)擴(kuò)展這個(gè)電路,分別與鍵盤(pán)和6個(gè)七段數(shù)碼管顯示器連接,74LS164(1)的串行輸入端與單片機(jī)相連,時(shí)鐘端分別與另一I/O口連接,單片機(jī)通過(guò)輸入端向74LS164發(fā)送字段碼,經(jīng)移位轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)LED的字段,同時(shí),單片機(jī)通過(guò)串行輸入端向74LS164(2)發(fā)送鍵盤(pán)掃描代碼和LED的位選代碼,鍵盤(pán)的列掃描代碼由74LS164(2)的數(shù)據(jù)輸出端提供

50、,位選信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器(三極管或驅(qū)動(dòng)門(mén)電路)驅(qū)動(dòng)各位LED,鍵盤(pán)的的三條行線(xiàn)直接由單片機(jī)的I/O口提供,向鍵盤(pán)掃描線(xiàn)分時(shí)提供掃描代碼.圖3-38鍵盤(pán)控制電路圖鍵盤(pán)共有21個(gè)按鍵,我們可以定義為0-9十進(jìn)制的數(shù)字鍵,還有11個(gè)按鍵我們?cè)O(shè)置為功能鍵,其中前四個(gè)鍵分別為四個(gè)LED的控制工作鍵，后面七個(gè)鍵分別實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的各項(xiàng)功能，“加速”，“減速”，“停止”，“正轉(zhuǎn)”，“反轉(zhuǎn)”?！八俣仍O(shè)定”，“電流設(shè)定”。最最后鍵盤(pán)有引腳與單片機(jī)的P1個(gè)端口相連。鍵值識(shí)別采用掃描方式即可獲得,分時(shí)向74LS164(2)發(fā)送鍵控碼,使其一輸出為低,然后逐個(gè)判斷三個(gè)行線(xiàn)的電平,即可識(shí)別出哪個(gè)按鍵按下.逐個(gè)進(jìn)行識(shí)別,直到把2

51、1個(gè)按鍵全部掃描完畢.然后,單片機(jī)向74LS164(1)發(fā)送需要顯示的字段碼,同時(shí)向74LS164(2)發(fā)送分時(shí)選位通信號(hào),使6個(gè)LED位分時(shí)選通,驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光.需要注意的是,由于鍵掃描或顯示驅(qū)動(dòng)均采用串行的方式向74LS164發(fā)送字段碼信號(hào),耗時(shí)比采用并行的方式較長(zhǎng),所以單片機(jī)使用的時(shí)鐘頻率不能太低,否則掃描的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)LED閃爍現(xiàn)象,效果不佳,同時(shí)考慮到單片機(jī)仍要處理其它程序,采用的時(shí)鐘頻率以達(dá)到工程要求為準(zhǔn).4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1程序流程圖系統(tǒng)程序?yàn)橐粋€(gè)主程序（包括若干功能模塊），中斷子程序，以與若干個(gè)子程序，共計(jì)三大部分構(gòu)成。按照任務(wù)的定義，每個(gè)功能模塊都能完成某一明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)具

52、體的某個(gè)功能，如測(cè)量、計(jì)算、顯示、鍵盤(pán)掃描、輸出控制等。本設(shè)計(jì)的總程序設(shè)計(jì)流程圖與其部分主要子程序流程圖。如圖4-1系統(tǒng)總體流程圖，如圖4-2 PWM輸出子程序流程圖，圖4-3A/D08009據(jù)采集流程開(kāi)始正轉(zhuǎn)鍵按下調(diào)節(jié)PWM設(shè)置為正電壓調(diào)節(jié)PWM設(shè)置為負(fù)電壓速度設(shè)定鍵設(shè)定反轉(zhuǎn)鍵按下電流設(shè)定鍵設(shè)定SHEDINGSHEDING加速鍵按下減速鍵按下減去現(xiàn)在速度等于零減去現(xiàn)在電流等于零調(diào)節(jié)PWM脈寬NNNYYYN大于零YNNY加大占空比減小占空比小于零YYY終止圖4-1系統(tǒng)總體程序流程圖開(kāi)始占空比為50%定時(shí)器加定時(shí)器減調(diào)節(jié)占空比結(jié)束圖4-2 PWM輸出流程圖圖4-3 A/D0832數(shù)據(jù)采集流程圖開(kāi)

53、始啟ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換延時(shí)等待AD轉(zhuǎn)換將結(jié)果轉(zhuǎn)換成顯示代碼調(diào)用顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果子程序讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果圖4-3A/D0809據(jù)采集流程4.2主要程序設(shè)計(jì)分析4.2.1定時(shí)器0中斷服務(wù)函數(shù)void timer0(void) interrupt 1 using 2TR0=0;Pro_Count+; 輪轉(zhuǎn)次數(shù)加1if (Pro_CountCycle) Pro_Count=1; if (Pro_Count=Pro_High) 輸出高電平Pwm_Out=0;elsePwm_Out=1;TH0=Th0; 重載定時(shí)器初始值TL0=Tl0;TR0=1;4.2.2占空比調(diào)節(jié)函數(shù)void Pwm_Set(uch

54、ar x)switch(x) case 0:break; case 1: if(Pro_High=900) Pro_High=Pro_High+100; 占空比加100 break;case 2: if(Pro_High=990) Pro_High=Pro_High+10; 占空比加10 break; case 3:if(Pro_High=100) Pro_High=Pro_High-100; 占空比減100 break; case 5:if(Pro_High=10) Pro_High=Pro_High-10; 占空比減10 break; case 6:if(Pro_High0) Pro_Hi

55、gh-; 占空比減1 break; 4.2.3 PID控制算法程序如下：void pidcontrol(int motor_speedset，unsigned char P，unsigned char i，unsigned char d)int E，tempMOTORSpeedl，tempMOTORSpeed2，tempMOTORSpeed3；unsigned char duty；E=motorspeedsetMOTORSpeed；while(E!0&MOTOROn) 一E=motor_speed_setMOTORSpeed；求誤差tempMOTORSpeed2=MOTORSpeed；duty

56、=P*E+i*tempMOTORSpeedl+d R-tempMOTORSpeed3；占空比表達(dá)式DUTY=duty；output for the motor dutytempMOTO艮Speedl=MOTORSpeed+E；SIGMA(E)誤差積分tempMOTORSpeed3= MOTORSpeed；tempMOTORSpeed3=tempMOTORSpeed2一tempMOTOR_Speed3；DELTA(E)誤差微分5結(jié)論本論文通過(guò)通過(guò)系統(tǒng)的軟件與硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了利用MCS51單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波來(lái)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，系統(tǒng)可以在直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速可調(diào)圍實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊的平滑調(diào)速，并且可以任意設(shè)定其速度，系統(tǒng)應(yīng)用PTD算法對(duì)直流電機(jī)實(shí)行過(guò)電流保護(hù)和穩(wěn)定運(yùn)行。但是由于系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，本論文只是列去了部分程序，而整體并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)仿真。另外由于水平有限，系統(tǒng)肯定還有諸