基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

重慶三峽職業(yè)學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告工程名稱專業(yè)班級(jí)工程〔主持〕工程〔硬件〕工程〔軟件〕工程〔設(shè)計(jì)報(bào)告〕工程〔調(diào)試制作〕二〇一三年一月二日摘要本文主要研究了利用MCS-51系列單片機(jī)控制PWM信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，并且對(duì)PWM信號(hào)的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對(duì)PWM信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號(hào)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(dòng)模塊，并且把它與延時(shí)電路相結(jié)合完成了在主電路中對(duì)直流電機(jī)的控制。另外，本系統(tǒng)中使用了測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過濾波電路后，將測(cè)量值送到A/D轉(zhuǎn)換器，并且最終作為反應(yīng)值輸入到單片機(jī)進(jìn)行PI運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)速度的控制。在軟件方面，文章中詳細(xì)介紹了PI運(yùn)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(hào)測(cè)速發(fā)電機(jī)PI運(yùn)算目錄1.系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)41.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖及單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)41.1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖41.1.28051單片機(jī)簡(jiǎn)介41.1.3單片機(jī)系統(tǒng)中所用其他芯片簡(jiǎn)介61.1.48051單片機(jī)擴(kuò)展電路及分析91.2PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)111.2.1PWM的根本原理111.2.2PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)121.2.3PWM發(fā)生電路主要芯片的工作原理131.3功率放大驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)151.3.1芯片IR2110性能及特點(diǎn)161.3.2IR2110的引腳圖以及功能161.4主電路設(shè)計(jì)181.4.1延時(shí)保護(hù)電路181.4.2主電路181.4.3輸出電壓波形211.5測(cè)速發(fā)電機(jī)211.6濾波電路221.7A/D轉(zhuǎn)換221.7.1芯片ADC0809介紹221.7.2ADC0809的引腳及其功能222.直流調(diào)速系統(tǒng)232.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述232.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)242.3開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比擬263.系統(tǒng)軟件局部的設(shè)計(jì)283.1PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖及參數(shù)計(jì)算283.2系統(tǒng)中的局部程序設(shè)計(jì)293.2.1單片機(jī)資源分配293.2.2程序流程圖324、調(diào)試記錄331.系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖及單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖8051單片機(jī)PWM信號(hào)的產(chǎn)生與放大8051單片機(jī)PWM信號(hào)的產(chǎn)生與放大直流電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)濾波電路A/D轉(zhuǎn)換8051單片機(jī)簡(jiǎn)介1.8051單片機(jī)的根本組成8051單片機(jī)由CPU和8個(gè)部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其根本結(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存放器的集中控制方法。其根本組成如下列圖所示：圖1.28051單片機(jī)根本組成2.CPU及8個(gè)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(yùn)算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：8051芯片中共有256個(gè)RAM單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前128個(gè)單元，其地址為00H—7FH。通常說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前128個(gè)單元，簡(jiǎn)稱內(nèi)部RAM。特殊功能存放器：是用來(lái)對(duì)片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制存放器和狀態(tài)存放器，是一個(gè)特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個(gè)單元，其地址為80H—FFH。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：8051芯片內(nèi)部共有4K個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡(jiǎn)稱內(nèi)部ROM。并行I/O口：8051芯片內(nèi)部有4個(gè)8位的I/O口〔P0，P1，P2，P3〕，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。串行口：它是用來(lái)實(shí)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(shí)器：8051片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個(gè)中斷源，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)和串行中斷1個(gè)。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(shí)鐘脈沖序列的時(shí)鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz。3.8051單片機(jī)引腳圖圖1.38051單片機(jī)引腳圖單片機(jī)系統(tǒng)中所用其他芯片簡(jiǎn)介1.地址鎖存器74LS37374LS373片內(nèi)是8個(gè)輸出帶三態(tài)門的D鎖存器。其結(jié)構(gòu)如下列圖所示：圖1.474LS373片內(nèi)三態(tài)門的D鎖存器當(dāng)使能端G呈高電平時(shí)，鎖存器中的內(nèi)容可以更新，而在返回低電平的瞬間實(shí)現(xiàn)鎖存。如果此時(shí)芯片的輸出控制端為低，也即是輸出三態(tài)門翻開，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1.574LS37引腳圖2.程序存儲(chǔ)器27128(1)芯片引腳圖1.6程序存儲(chǔ)器27128引腳圖〔2〕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H*VCC*高阻編程LHVPPL數(shù)據(jù)輸入編程校驗(yàn)LLVPPH數(shù)據(jù)輸出編程禁止H*VPP*高阻表1.1功能表3．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264〔1〕芯片引腳圖1.7數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264芯片引腳〔2〕芯片功能表引腳工作方式I/O0—I/O7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)輸入表1.2芯片功能表1.1.48051單片機(jī)擴(kuò)展電路及分析圖1.88051單片機(jī)擴(kuò)展電路接線分析P0.7P0.0：這8個(gè)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(chǔ)器，P0口可以作為通用I/O口使用，P0.7P0.0用于傳送CPU的I/O數(shù)據(jù)。第二種情況是8051帶片外存儲(chǔ)器，P0.7P0.0在CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)先是用于傳送片外存儲(chǔ)器的低8位地址，然后傳送CPU對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。P2.7P2.0：這組引腳的第一功能可以作為通用的I/O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(chǔ)器的高8位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但是并不能像P0口那樣還可以傳送存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。P3.7P3.0：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(gè)引腳不盡相同，如下表所示：P3口的位第二功能注釋P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收口P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送口P3.2外中斷0輸入P3.3外中斷1輸入P3.4T0計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入P3.5T1計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入P3.6外部RAM寫選通信號(hào)P3.7外部RAM讀選通信號(hào)表1.3P3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(chǔ)器時(shí)，8051CPU在P0.7P0.0引腳線上輸出片外存儲(chǔ)器低8位地址的同時(shí)還在ALE/線上輸出一個(gè)高電位脈沖，其下降沿用于把這個(gè)片外存儲(chǔ)器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出P0.7P0.0引腳線去傳送隨后而來(lái)的片外存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，8051自動(dòng)在ALE/線上輸出頻率為1/6fOSC的脈沖序列。該脈沖序列可以用作外部時(shí)鐘源或者作為定時(shí)脈沖源使用。/VPP：允許訪問片外存儲(chǔ)器/編程電源線，可以控制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(shí)，8051自動(dòng)在線上產(chǎn)生一個(gè)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)。RST/VPD：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(gè)端子用來(lái)外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來(lái)連接8051片內(nèi)OSC的定時(shí)反應(yīng)電路。石英晶振起振后，應(yīng)能在XTAL2線上輸出一個(gè)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C1、C2可以幫助起振，調(diào)節(jié)它們可以到達(dá)微調(diào)fOSC的目的。1.2PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)1.2.1PWM的根本原理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，從而到達(dá)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，比方：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)接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通〞和“斷開〞時(shí)間的長(zhǎng)短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比〞來(lái)到達(dá)改變平均電壓大小的目的，從而來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱?，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置〞。如下列圖所示：圖1.9時(shí)序圖設(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，那么電機(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，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，從而到達(dá)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。1.2.2PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)圖1.10PWM信號(hào)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(lái)得以產(chǎn)生，也可以采用PWM專用芯片來(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)生的電磁噪聲就比擬大，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)內(nèi)，采用了兩片4位數(shù)值比擬器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)值比擬器4585，即圖上U2、U3的A組接12位串行4040計(jì)數(shù)輸出端Q2—Q9，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Q2—Q9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〔A>B〕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〔A>B〕輸出端為高電平。隨著計(jì)數(shù)值的增加，Q2—Q9由全“1”變?yōu)槿?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)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)值比擬器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。1.2.3PWM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(duì)于A和B兩組4位并行數(shù)值進(jìn)行比擬，來(lái)判斷它們之間的大小是否相等?！?〕芯片4585的功能表：輸入輸出比擬級(jí)取A3、B3A2、B2A1、B1A0、B0A<BA=BA>BA<BA=BA>BA3>B3*****1001A3=B3A2>B2****1001A3=B3A2=B2A1>B1***1001A3=B3A2=B2A1=B1A0>B0**1001A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0001001A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0010010A3=B3A2=B2A1=B1A0<B0100100A3=B3A2=B2A1<B1****100A3=B3A2<B2*****100A3<B3******100表1.4芯片4585的功能表〔3〕芯片4585的引腳圖：圖1.11芯片4585的引腳圖2．芯片4040芯片4040是一個(gè)12位的二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，所有計(jì)數(shù)器位為主從觸發(fā)器，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)CR為高電平時(shí)，它對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，由于在時(shí)鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，故對(duì)脈沖上升和下降時(shí)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?！?〕芯片4040的極限值：電源電壓范圍：-0.5V—18V輸入電壓范圍：-0.5V—VDD+0.5V輸入電流范圍：±10mA貯存溫度范圍：-65°C—150°C〔2〕芯片4040引出端功能符號(hào)：CP:時(shí)鐘輸入端CR：去除端Q0—Q11：計(jì)數(shù)脈沖輸出端VDD:正電源VSS:地端〔3〕芯片4040功能表：輸入輸出CPCR↑↓*LLH保持計(jì)數(shù)所有輸出端均為L(zhǎng)表1.5芯片4040功能表〔4〕芯片4040的引腳圖：圖1.12芯片4040的引腳圖1.3功率放大驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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。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年前后開發(fā)并且投放市場(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所需的絕大局部功能集成在一個(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)，可以驅(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，工作電壓比擬高，可以到達(dá)600V，其內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，本錢低、易于調(diào)試。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，與其他驅(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，而且它可以實(shí)現(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)品本錢和減少體積。IR2110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(gè)10KΩ的電阻。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〕：直接接用戶提供的輸出極電源正極，并且通過一個(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〕：通過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3〔Vcc〕使用同一電源，也可以分開使用兩個(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，接用戶脈沖形成局部的對(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)，那么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。芯片參數(shù)：1．IR2110的極限參數(shù)和限制：最大高端工作電源電壓VB：-0.3V至525V門極驅(qū)動(dòng)輸出最大〔脈沖〕電流IOMAX：2A最高工作頻率fmax：1MHz工作電源電壓Vcc：-0.3V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Tjmax：150°C邏輯電源電壓VDD：-0.3V至VSS+25V允許參考電壓Vs臨界上升率dVs/dt：50000V/μs高端懸浮電源參考電壓Vs：VB-25V至VB+0.3V高端懸浮輸出電壓VHO：Vs-0.3V至VB+0.3V邏輯輸入電壓VIN：Vss-0.3V至VDD+0.3V邏輯輸入?yún)⒖茧妷篤ss：Vcc-25V至Vcc+0.3V低端輸出電壓VLO：-0.3V至Vcc+0.3V功耗PD：DIP-14封裝為1.6W2．IR2110的推薦工作條件：高端懸浮電源絕對(duì)值電壓VB：Vs+10V至Vs+20V低端輸出電壓VLO：0至Vcc低端工作電源電壓Vcc：10V至20V邏輯電源電壓VDD：Vss+5V至Vss+20V邏輯電源參考電壓Vss：-5V至+5V圖1.13IR2110芯片1.4主電路設(shè)計(jì)延時(shí)保護(hù)電路利用IR2110芯片的完善設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)保護(hù)電路。R2110使它自身可對(duì)輸入的兩個(gè)通道信號(hào)之間產(chǎn)生適宜的延時(shí)，保證了加到被驅(qū)動(dòng)的逆變橋中同橋臂上的兩個(gè)功率MOS器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間有一互瑣時(shí)間間隔，因而防止了被驅(qū)動(dòng)的逆變橋中兩個(gè)功率MOS器件同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生直流電源直通路的危險(xiǎn)。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(dòng)電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(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。我們可以采取雙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)過整個(gè)直流電機(jī)后再通過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(shí)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(dòng)機(jī)的負(fù)極經(jīng)過整個(gè)直流電機(jī)后再通過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，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-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，從而到達(dá)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)?，那么便可以?shí)現(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1.14主電路輸出電壓波形圖1.151.5測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是輸出電動(dòng)勢(shì)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(jì)，輸出電動(dòng)勢(shì)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(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變。當(dāng)被測(cè)機(jī)構(gòu)與測(cè)速發(fā)電機(jī)同軸連接時(shí)，只要檢測(cè)出輸出電動(dòng)勢(shì)，即可以獲得被測(cè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，所以測(cè)速發(fā)電機(jī)又稱速度傳感器。測(cè)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(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測(cè)速度的元件，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者通過反應(yīng)來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。1.6濾波電路圖1.16濾波電路1.7A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809介紹ADC0809是8位、逐次比擬式A/D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(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出為00HFFH，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，無(wú)須調(diào)零或者調(diào)整滿量程。1.7.2ADC0809的引腳及其功能ADC0809有28個(gè)引腳，其中IN0IN7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(dòng)引腳，其上脈沖的下降沿起動(dòng)一次新的A/D轉(zhuǎn)換。EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，可以用于向單片機(jī)申請(qǐng)中斷或者供單片機(jī)查詢。OE是輸出允許端。CLK是時(shí)鐘端。DB0DB7是數(shù)字量的輸出。ADDA、ADDB、ADDC接地址線用以選定8路輸入中的一路，詳見下列圖。圖1.17ADC0809的引腳ADDCADDBADDA選通輸入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表1.62.直流調(diào)速系統(tǒng)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述直流調(diào)速是指人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)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)，反應(yīng)環(huán)節(jié)和保護(hù)環(huán)節(jié)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能自動(dòng)校正與給定轉(zhuǎn)速的偏差的調(diào)速系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。這種調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要受到負(fù)載波動(dòng)及電源電壓波動(dòng)等外界擾動(dòng)的影響。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能自動(dòng)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(dòng)等外界擾動(dòng)的影響，使電動(dòng)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)具有反應(yīng)環(huán)節(jié)。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、控制裝置和信息裝置三局部組成。它能按照規(guī)定的指令，及時(shí)的控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、運(yùn)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)和控制理論的開展，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)也得到了很大的開展。目前，所用電機(jī)的單機(jī)容量從幾百瓦開展到數(shù)萬(wàn)千瓦，變流設(shè)備從旋轉(zhuǎn)式電機(jī)變流機(jī)組開展到大功率晶閘管靜止變流裝置，中小功率自關(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、給定積分器開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(dòng)操作的開關(guān)控制開展到閉環(huán)多參量控制；電氣傳動(dòng)以從單純的調(diào)速系統(tǒng)擴(kuò)展為實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度控制的運(yùn)動(dòng)控制中的重要分支。總之，現(xiàn)代電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)業(yè)已開展成為全新的電氣傳動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)。2.2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)反應(yīng)環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的，但它只是在超過臨界電流IIr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反應(yīng)作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)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(lái)以后，電極轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長(zhǎng)。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(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想啟動(dòng)過程波形示于圖1-1b〕。這時(shí)，啟動(dòng)電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)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(dòng)過程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖1-1b)所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反應(yīng)控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反應(yīng)就可以保持該量根本不變，那么采用電流負(fù)反應(yīng)就應(yīng)該能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反應(yīng)，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)同時(shí)加到一個(gè)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)反應(yīng)，不再讓電流負(fù)反應(yīng)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)反應(yīng)，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(lái)解決這個(gè)問題的。b)理想圖2.1直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)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)速反應(yīng)系統(tǒng)，即保證了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，有保證了靜態(tài)無(wú)靜差，很好的解決了動(dòng)靜態(tài)之間的矛盾。但電流得不到限制。電流負(fù)反應(yīng)雖然能限制啟動(dòng)電流，但在啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流僅在某一瞬間到達(dá)最大的允許值，其余的時(shí)間都比擬小啟動(dòng)過程慢。同時(shí)。他的機(jī)械特性較軟，不適合調(diào)速，想要啟動(dòng)過程盡可能快。就應(yīng)使整個(gè)啟動(dòng)過程中的電機(jī)始終保持最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由上述可知，實(shí)現(xiàn)理想過程過程的關(guān)鍵是控制電流波形，圖2.2生產(chǎn)機(jī)械工作工程由圖可知，為了到達(dá)最正確過渡過程，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(shí)，盡快使電樞電流到達(dá)穩(wěn)定值。為了使電樞電流有動(dòng)態(tài)到穩(wěn)態(tài)和由穩(wěn)態(tài)到動(dòng)態(tài)迅速變化，應(yīng)使Ud突變到最大值，待電樞電流到達(dá)要求值歐，在突變到需要值。同時(shí)，西東機(jī)械特性曲線應(yīng)既有轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的絕對(duì)硬特性，還要有電流截至負(fù)反應(yīng)挖土機(jī)特性。如果單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)同時(shí)引入轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)和電流負(fù)反應(yīng)，法兼顧這兩方面的性能要求，不僅啟動(dòng)電流波形幾乎沒有得到改善，而且其轉(zhuǎn)速還存在靜差。所以就引入了雙環(huán)和多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.3開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比擬V-M開環(huán)系統(tǒng)，其機(jī)械特性方程而閉環(huán)時(shí)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)特性比擬⑴靜態(tài)速降小，特性硬

在負(fù)載相同情況下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為那么它們的關(guān)系是：⑵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(shí)⑶當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍可大大提高如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是，而對(duì)最低速靜差率s要求相同，那么閉環(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(xiàng)優(yōu)點(diǎn)假設(shè)要有效，都取決于一點(diǎn)，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)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(jià)是，須增設(shè)檢測(cè)與反應(yīng)裝置和電壓放大器。3.系統(tǒng)軟件局部的設(shè)計(jì)3.1PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖及參數(shù)計(jì)算圖3.1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/R0Tn=Rn/CnTon=1/4R0*Con參數(shù)求法：電動(dòng)機(jī)P=10KWU=220VI=55An=1000轉(zhuǎn)/分電樞電阻R=0.5歐姆取濾波電路中Ro=40千歐Rn=470千歐Cn=0.2uFCon=1uF那么：Umax=220VUmin=〔220/0.9〕*0.5=122VYi-1=0W=1000轉(zhuǎn)/分P=Kp=Rn/Ro=11.7I=Kp*T/Ti=1253.2系統(tǒng)中的局部程序設(shè)計(jì)3.2.1單片機(jī)資源分配工作存放器0組RO-R700H-07H數(shù)據(jù)緩沖區(qū)30H-7FHPSW.4〔RS1=0〕PSW.3(RS0=0)；選中工作存放器0組P0口地址80HP1口地址90HP2口地址A0HP3口地址B0H堆?！睸P〕81H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制TCON88H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制TMOD89H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0低字節(jié)TL08AH高字節(jié)TH08CH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1低字節(jié)TL18BH高字節(jié)TH18DH中斷1——PI采樣〔ui〕中斷0——A/D采樣P1口預(yù)置WP0口測(cè)量值〔實(shí)測(cè)Y〕主程序：0000AJMPSTARTSTART：CLRPSW.4CLRPSW.3；選中工作存放器0組CLRCMOVR0，4FHMOVA，30HCLEAR1：CLRAINCADJNZR0，CLEAR1；清零30-7FHSETBTR0；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0工作MOVTMODE，#01H；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作在方式1SETBEA；總中斷開放SETBIT0；置INTO為降沿觸發(fā)SETBIT1；置INT1為降沿觸發(fā)LJMPMAINLJMPCTCOLCALLSAMPLEFosc=12MHZ，用一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)50ms，用R2作計(jì)數(shù)器，置初值14H，到定時(shí)時(shí)間后產(chǎn)生中斷，每執(zhí)行一次中斷效勞程序，讓計(jì)數(shù)器內(nèi)容減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容減為0時(shí)，那么到1s。PI控制算法:Ui=Ui-1+Kp(ei-ei-1)+(Kp*T/Ti)*ei令P=KPI=KP*T/TI那么Ui=Ui-1+P(ei-ei-1)+I*eiT——采樣周期Ti=RnCnKp=Rn/R0PI程序：SETBEX1；開放中斷1MOVR0，90H；P1口〔W〕送R0,預(yù)設(shè)MOVR1，80H；P0口〔Y〕送R1，實(shí)測(cè)MOVA，R0；W給AMOVB，R1；Y給BSUBBA，B；ei給AMOV7FH，A；ei給7FHMOV7EH，#00H；ei-1=0給7EHMOV7BH，UmaxMOV7AH,UminAJMPIN；積分項(xiàng)AJMPP；比例項(xiàng)MOVA，R2；Pi給AADDA，R3；Pi+Pp給AMOV7DH，#00H；Ui-1=0給7DHADDA，7DH