直流電機(jī)負(fù)載下的開(kāi)關(guān)電源控制問(wèn)題研究-畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　（2009屆）</b></p><p>　題 目直流電機(jī)負(fù)載下的開(kāi)關(guān)電源控制問(wèn)題研究</p><p>　學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院</p><p>　專 業(yè)電氣工程與自動(dòng)化</p><p>

2、;　班 級(jí)</p><p>　學(xué) 號(hào)</p><p>　學(xué)生姓名</p><p>　指導(dǎo)教師</p><p>　完成日期2009.06.01</p><p><b>　　誠(chéng) 信 承 諾</b></p><p>　　我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文《直流電機(jī)負(fù)載下

3、的開(kāi)關(guān)電源控制問(wèn)題研究》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。</p><p>　　承諾人（簽名）： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本課題主要研究一種能適于反電勢(shì)負(fù)載的A

4、C/DC開(kāi)關(guān)電源的控制方法。</p><p>　　雖然開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展迅速，但是針對(duì)開(kāi)關(guān)電源給電機(jī)類負(fù)載的供電問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外暫無(wú)有效的解決方案。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)電流往往高過(guò)其額定值的許多倍，使得開(kāi)關(guān)電源給相應(yīng)功率的電機(jī)類負(fù)載供電時(shí)常因過(guò)電流保護(hù)關(guān)機(jī)而無(wú)法工作、或需要大幅降額使用而造成極大浪費(fèi)。為解決以上問(wèn)題，探討一種適于直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載的新型開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)方案。</p><p>　　本文首

5、先提出系統(tǒng)的總體方案，對(duì)其可行性進(jìn)行了分析，然后建立了該系統(tǒng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，研究綜合控制算法，其中電壓環(huán)（AVR）采用ID調(diào)節(jié)器整定成典型型系統(tǒng)，電流環(huán)（ACR）采用PI調(diào)節(jié)器整定成典型型系統(tǒng)，再用Matlab仿真分析，并與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓控制進(jìn)行比較，系統(tǒng)仿真得到了較好的電壓、電流波形曲線，實(shí)現(xiàn)了最大動(dòng)態(tài)電流的約束控制和穩(wěn)壓控制的目的，最后設(shè)計(jì)電源控制器，包括電源控制器的總體結(jié)構(gòu)框圖，硬件電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。</p><

6、p>　　電源控制器硬件電路采用單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)選用ADμC812，采用基于串行通信的ZLG7290芯片作為L(zhǎng)ED數(shù)碼管與按鍵的人機(jī)界面接口電路，本設(shè)計(jì)采用4個(gè)按鍵和3個(gè)LED。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；開(kāi)關(guān)電源；電源控制器；ADμC812</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The

7、 paper focuses on Study for a kind of back-EMF load of AC / DC switching power supply control method.</p><p>　　Although the rapid development of switching power supply technology, for switching power supply

8、to the electric power load category, there are no effective solution at home and abroad. Because the start-up, brake current of motor are often many times higher than its rating, the switching power supply always unable

9、to work for shutdown of over-current protection when power supply to the corresponding power motor type load, or need to significantly reduced the amount of use so as to caused a great</p><p>　　In this paper

10、, propose overall proposal of the system first, analysis of its feasibility, and then establish the object mathematical model of the system, research integrated control algorithm, automatic voltage regulator (AVR) use re

11、gulator of ID to Setting the system to Typicalsystem, automatic current regulator (ACR) regulator of PI to Setting the system to Typicalsystem, use MATLAB to simulation and analysis, comparison with the traditional volta

12、ge regulator control, we get nice wave curve of</p><p>　　The hardware circuit of power supply controllers uses single-chip to control, the single-chip selected ADμC812, Use ZLG7290 which based on serial comm

13、unication for man-machine interface circuit of LED digital tube and button, this design uses four buttons and three LED digital tubes.</p><p>　　Key words：DC Motor；Switching Power Supply；Power Supply Controll

14、ers ；ADμC812</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　1 前言..........................................

15、....................1</p><p>　　2 總體方案及其可行性分析............................................4</p><p>　　3 系統(tǒng)建模、控制算法及仿真分析......................................6</p><p>　　3.1 對(duì)象建模......

16、..............................................6</p><p>　　3.2 綜合控制算法研究............................................9</p><p>　　3.2.1 電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的設(shè)計(jì).............................11</p><p&

17、gt;　　3.2.2 電流調(diào)節(jié)器（ACR）的設(shè)計(jì).............................12</p><p>　　3.3 系統(tǒng)仿真分析...............................................13</p><p>　　3.3.1 仿真參數(shù)計(jì)算.........................................13&l

18、t;/p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析...................................14</p><p>　　4 電源控制器的技術(shù)實(shí)現(xiàn).............................................17</p><p>　　4.1 電源控制器的總體結(jié)構(gòu)框圖.......................

19、............17</p><p>　　4.2 電源控制器的設(shè)計(jì)...........................................17</p><p>　　4.2.1 硬件電路設(shè)計(jì).........................................17</p><p>　　4.2.2 程序設(shè)計(jì)............

20、.................................23</p><p>　　5 總結(jié).............................................................30</p><p>　　致謝................................................................31<

21、;/p><p>　　參考文獻(xiàn)............................................................32</p><p>　　附錄 電源控制器硬件電路圖..........................................33</p><p><b>　　1 前言</b></p

22、><p>　　現(xiàn)實(shí)生活中常用的電源，可以分為發(fā)出電能的電源和變換電能的電源兩大類。自然界并沒(méi)有可以直接利用的電源，人類所使用的電源都是通過(guò)機(jī)械能、熱能、化學(xué)能等轉(zhuǎn)化而來(lái)的。這種把其他能源通過(guò)轉(zhuǎn)換而得到的電源稱為發(fā)出電能的電源，像發(fā)電機(jī)、電池等。在很多情況下，發(fā)出電能的電源并不符合使用的要求，需進(jìn)行再一次變換，這種變換是把一種形態(tài)的電能轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電能，像變壓器、變頻器等。我們把輸入和輸出都是電能的電源稱之為變換

23、電能的電源。開(kāi)關(guān)電源就是屬于變換電能的電源，此種電源就是電路中的電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的電源[1,2]。</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源的前身是線性穩(wěn)壓電源[3,4]。在我們生活中，大多數(shù)電子裝置、電氣控制設(shè)備的工作電源是直流電源。在開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)之前,這些裝置的工作電源都采用線性穩(wěn)壓電源。隨著計(jì)算機(jī)等電子裝置的集成度不斷增加，功率越來(lái)越大，體積卻越來(lái)越小。因此,迫切需要體積小、重量輕、效率高、性能好的新型電源來(lái)

24、取代體積龐大的線性穩(wěn)壓電源，這就成了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。由于開(kāi)關(guān)電源在絕大多數(shù)性能指標(biāo)上都有很大優(yōu)勢(shì)，其具有體積小、重量輕、效率高、性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前除了對(duì)直流輸出電壓的紋波要求極高的場(chǎng)合以外，開(kāi)關(guān)電源已全面取代了線性穩(wěn)壓電源。目前國(guó)際上開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向?yàn)椋焊哳l、高密度化、低壓、大電流和多元化等。</p><p>　　綜上所述，同時(shí)具備三個(gè)條件的電源可以稱之為開(kāi)關(guān)電源。這三個(gè)條件就是：開(kāi)關(guān)（電路中的電

25、力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)）、高頻（電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻）和直流（電源輸出是直流而不是交流）。</p><p>　　直流電機(jī)專用伺服驅(qū)動(dòng)電源，已不僅僅是傳統(tǒng)意義上的開(kāi)關(guān)電源，它直接參與了直流電機(jī)的控制工作，其特有的微機(jī)接口控制和上電時(shí)序控制功能尤其適合直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，相對(duì)傳統(tǒng)的通用型大功率電源有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其多功能的技術(shù)特點(diǎn)，符合電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的發(fā)展方向[4,5

26、]。</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源技術(shù)就是隨著電力電子器件、開(kāi)關(guān)頻率技術(shù)發(fā)展而發(fā)展的，兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開(kāi)關(guān)電源每年以超過(guò)兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕小、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為AC /DC和DC /DC兩大類[6]。DC /DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，已得到廣大用戶的認(rèn)可；但AC /DC變換器因其自身特性，使得模塊化的進(jìn)程中遇到較復(fù)雜的技

27、術(shù)和工藝制造問(wèn)題。</p><p>　　DC /DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱直流斬波[7]。其工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制（PWM）方式；二是頻率調(diào)制（PFM）方式。具體電路有BUCK電路—降壓電路，BOOST—升壓電路，BUCK—BOOST電路—升降壓電路，CUK電路—升降壓電路。</p><p>　　AC /DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的。功

28、率流由電流源流向負(fù)載的稱為“可控整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。AC /DC變換器輸入為50 /60 Hz的交流電，所以，整流濾波時(shí)需要體積較大的濾波電容器。另外，整流器電容濾波電路是一種非線性元件和儲(chǔ)能元件的組合。因此，雖然輸入交流電壓為正弦波，但輸入交流電流波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀。交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC /DC電源體積的小型化；同時(shí)，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開(kāi)關(guān)動(dòng)作，

29、使得解決EMC電磁兼容問(wèn)題難度加大，也就對(duì)內(nèi)部高密度電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，從而也限制了AC /DC變換的模塊化。</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源由功率級(jí)和控制電路兩部分組成?？刂齐娐返墓δ苁窃谳斎腚妷骸?nèi)部參數(shù)、外接負(fù)載變化時(shí)，調(diào)節(jié)功率級(jí)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間，使開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或者電流保持恒定。因此，在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，控制方法的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的性能來(lái)說(shuō)是十分重要的。采用不同的檢測(cè)信號(hào)和不同的控制電路會(huì)

30、有不同的控制效果。</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源按照檢測(cè)信號(hào)的不同來(lái)分類可以分為單環(huán)控制和雙環(huán)控制[8]。恒壓源單環(huán)控制主要是電壓型控制；雙環(huán)控制則有電流型、V型等幾種控制方式。</p><p>　　隨著控制理論的發(fā)展，一些現(xiàn)代的控制方法，如模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等非線性控制方法也被嘗試應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源的控制電路中。雖然這些控制方法到目前沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，但是由于其獨(dú)特的控制性能，應(yīng)用前景

31、可觀。</p><p>　　早期文獻(xiàn)中Duty Cycle Control（Duty Ratio Programmed Control）都是特指的電壓型控制[9]。在電流型控制方法出現(xiàn)之后，才明確提出了Voltage Mode Control的說(shuō)法。電壓型控制方法只檢測(cè)輸出電壓一個(gè)變量，因而只有一個(gè)控制環(huán)，所以設(shè)計(jì)和分析相對(duì)比較簡(jiǎn)單。由于鋸齒波的幅值比較大，抗干擾能力比較強(qiáng)。其主要缺點(diǎn)是輸入或輸出的變化只能在輸出

32、改變時(shí)才能檢測(cè)到并反饋回來(lái)進(jìn)行糾正，因此響應(yīng)速度比較慢。由于電壓型控制對(duì)負(fù)載電流沒(méi)有限制，因而需要額外的電路來(lái)限制輸出電流。</p><p>　　電流型控制（Current Mode Control）又稱為Current Injection（或 Injected） Control 或者Current Programmed Control，1978年首次提出[10]。電流型控制同時(shí)引入電容電壓和電感電流2個(gè)狀態(tài)變量

33、作為控制變量，提高了開(kāi)關(guān)電源PWM控制策略的性能。電流型控制方法和電壓型控制方法的主要區(qū)別在于：電流型控制方法用開(kāi)關(guān)電流波形代替電壓型控制方法的鋸齒波作為PWM比較器的一個(gè)輸入信號(hào)。由于電流型控制方法采用輸出電流前饋控制，相對(duì)于電壓型控制方法有更快的負(fù)載或輸入瞬態(tài)響應(yīng)速度，減小了輸出電壓的紋波；且由于其自身具有限流的功能，易于實(shí)現(xiàn)變換器的過(guò)流保護(hù)，因而在多個(gè)電源并聯(lián)時(shí)，更便于實(shí)現(xiàn)均流。但電流型控制方法在占空比大于50%時(shí)要產(chǎn)生諧波振蕩，

34、從而產(chǎn)生穩(wěn)定性問(wèn)題。這通?？稍诒容^器輸入端使用一個(gè)補(bǔ)償斜坡來(lái)消除。</p><p>　　由于V型控制方法（V Squared Control 或VControl）具有優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)性能，適用于電壓調(diào)整模塊（Voltage Regulator Modular，VRM）等對(duì)動(dòng)態(tài)特性要求比較高的場(chǎng)合[11,12]。V控制方法與電流型控制方法的區(qū)別在于：V控制方法用濾波電容電壓采樣代替了電流型控制方法中PWM 比較器的電流采

35、樣輸入。輸出電壓反饋回來(lái)作為2個(gè)控制環(huán)的反饋量。傳統(tǒng)的電流型控制事實(shí)上是控制電感電流。當(dāng)使用Buck變換器時(shí)，若電感在輸出部分，則電流型控制是非常有效的。但是對(duì)于反激變換器和boost變換器拓?fù)?，電感不在輸出部?電流型控制的許多優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)不出來(lái)。V控制方法由于內(nèi)環(huán)檢測(cè)點(diǎn)在輸出部分，提高了Buck 變換器和正激變換器對(duì)輸入和輸出靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)速度，解決了電流型控制方法存在的問(wèn)題。V控制方法由于內(nèi)環(huán)采用反饋輸出電壓的紋波，因而與電流型

36、控制方法一樣，抗干擾能力差。當(dāng)占空比大于50% 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生次諧波振蕩，所以也要使用斜坡補(bǔ)償。V控制方法可與普通的控制方法如定頻、定開(kāi)通時(shí)間和滯環(huán)控制配合使用以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在使用定關(guān)斷時(shí)間的V控制方法時(shí)可免于使用斜坡補(bǔ)償。V控</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)在滿足性能要求的前提下還要考慮成本、可靠性以及調(diào)試簡(jiǎn)單等多種因素。通常，單環(huán)控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，適用于對(duì)控制性能要求不高的場(chǎng)合；

37、雙環(huán)控制動(dòng)態(tài)性能好，對(duì)輸入電壓擾動(dòng)的抵抗能力提高。電壓型控制響應(yīng)速度比較慢，需要額外的電路來(lái)限制輸出電流。電流型控制響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)特性改善，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，并且具有自動(dòng)限流的功能；V型控制具有比電流型更快的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性更好；現(xiàn)代模糊控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制等控制方法具有優(yōu)越的控制性能，但是還處于理論研究階段。</p><p>　　雖然開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展迅速，但是針對(duì)開(kāi)關(guān)電源給電機(jī)類負(fù)載的供電問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外暫無(wú)

38、有效的解決方案。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)電流往往高過(guò)其額定值的許多倍，使得開(kāi)關(guān)電源給相應(yīng)功率的電機(jī)類負(fù)載供電時(shí)常因過(guò)電流保護(hù)關(guān)機(jī)而無(wú)法工作、或需要大幅降額使用而造成極大浪費(fèi)。為解決以上問(wèn)題，本文探討一種適于直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載的新型開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)方案。</p><p>　　2 總體方案及其可行性分析</p><p>　　本課題主要研究一種能適于反電勢(shì)負(fù)載的AC/DC開(kāi)關(guān)電源的控制方法。為此需要設(shè)計(jì)

39、一個(gè)“綜合控制器”來(lái)控制帶反電勢(shì)負(fù)載的AC/DC開(kāi)關(guān)電源，該“綜合控制器”不僅起到對(duì)輸出電壓的穩(wěn)壓控制作用，而且還要實(shí)現(xiàn)對(duì)最大動(dòng)態(tài)電流與功率的約束控制。從而解決開(kāi)關(guān)電源因電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)電流過(guò)高而無(wú)法工作的問(wèn)題，使得開(kāi)關(guān)電源能給電機(jī)負(fù)載實(shí)施安全、連續(xù)、可靠的供電。系統(tǒng)總體方案如圖2-1。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖</p><p>　　圖2-1中TA為電流傳感器；M

40、為直流電動(dòng)機(jī)；檢測(cè)電路檢測(cè)電流和電壓；“PWM”產(chǎn)生基于PWM方式的開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)；“綜合控制器”包括電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器作為內(nèi)環(huán)，電流調(diào)節(jié)器作為外環(huán)。當(dāng)電機(jī)起、制動(dòng)時(shí)，由電流環(huán)進(jìn)行最大電流限制，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電流環(huán)飽和，由電壓環(huán)進(jìn)行穩(wěn)壓控制。這樣就實(shí)現(xiàn)了控制目的。</p><p>　　根據(jù)總體方案，建立該系統(tǒng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，研究綜合控制方法，并進(jìn)行MATLAB仿真分析，設(shè)計(jì)電源控制器，包括硬件電路設(shè)

41、計(jì)和程序設(shè)計(jì)。該課題研究采用的步驟主要有： </p><p>　?。?）總體方案及其可行性分析，有該開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的總體方案框圖，并對(duì)其各部分進(jìn)行解釋，對(duì)該方案可行性進(jìn)行分析。</p><p>　?。?）系統(tǒng)對(duì)象建模,根據(jù)原理框圖建立各模塊的模型，畫(huà)出結(jié)構(gòu)圖、模型框圖，對(duì)傳遞函數(shù)，模型框圖進(jìn)行化簡(jiǎn)、變換以利于分析。</p><p>　?。?） 綜合控制算法研究,包括電

42、壓調(diào)節(jié)器（AVR）的設(shè)計(jì)和電流調(diào)節(jié)器（ACR）的設(shè)計(jì)，可按照工程整定法進(jìn)行整定，得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)，用MATLAB仿真分析以驗(yàn)證控制算法的可行性。</p><p>　　（4）設(shè)計(jì)電源控制器，包括電源控制器的總體結(jié)構(gòu)框圖，由前面得到的參數(shù)設(shè)計(jì)電源控制器的硬件電路，采用單片機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。計(jì)劃選用單片機(jī)型號(hào)ADμC812，該單片機(jī)速度快，功能強(qiáng)，集成了—個(gè)完全可編程的、自校準(zhǔn)、高精度的模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。Z

43、LG7290用于擴(kuò)展鍵盤(pán)和LED顯示器，其特點(diǎn)為：IC串行接口，可驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED和64個(gè)按鍵，本文采用3個(gè)LED和4個(gè)按鍵。</p><p>　?。?）總結(jié)，對(duì)所作的研究做一個(gè)總結(jié)。</p><p>　　3 系統(tǒng)建模、控制算法及仿真分析</p><p><b>　　3.1 對(duì)象建模</b></p><

44、;p>　　新型開(kāi)關(guān)電源的基本控制回路框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 新型開(kāi)關(guān)電源基本控制回路框圖</p><p>　　(1) PWM環(huán)節(jié)的建模</p><p>　　PWM裝置可看作一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成</p><p>　　(3-1)

45、 </p><p>　　式中 —PWM裝置的放大系數(shù)； </p><p>　　—PWM裝置的延遲時(shí)間（s）。</p><p>　　由于時(shí)間常數(shù)很小，滯后環(huán)節(jié)可以近似為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此</p><p>　　(3-2) </p><p&

46、gt;　　注意，式（3-2）是近似的傳遞函數(shù)，實(shí)際上PWM裝置不是一個(gè)線性環(huán)節(jié)，而是具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)[13]。</p><p>　　(2) 直流電動(dòng)機(jī)的建模</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的模型框圖[13]如圖3-2。</p><p>　　圖3-2 直流電動(dòng)機(jī)的模型框圖</p><p>　　圖3-2中 R—電樞回路總電阻()；&l

47、t;/p><p>　　T—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)（s）；</p><p>　　T—機(jī)電時(shí)間常數(shù)（s）；</p><p>　　I—負(fù)載電流（A）。</p><p>　　(3) 開(kāi)關(guān)電源及輸出濾波環(huán)節(jié)的建模</p><p>　　等效電路如圖3-3所示，L和C分別是濾波電感和濾波電容。</p><p>　　

48、圖3-3 輸出級(jí)濾波環(huán)節(jié)等效電路 圖3-4 輸出級(jí)濾波環(huán)節(jié)局部模型框圖</p><p><b>　　應(yīng)用疊加原理：</b></p><p><b>　　先令E=0,得：</b></p><p>　　= （3-3）</p><p><b>　　

49、再令U=0，得：</b></p><p>　　= （3-4）</p><p>　　令,，綜合式(3-3)和(3-4)可得輸出級(jí)動(dòng)態(tài)模型框圖如圖3-4所示。</p><p>　　(4) 整體數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　把以上各部分連接起來(lái)，并加上電流調(diào)節(jié)器（ACR）和電壓調(diào)節(jié)器（AVR）就得到新型開(kāi)關(guān)電源的整

50、體數(shù)學(xué)模型框圖，如圖3-5所示，其基本工作原理為：當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)電流高于ACR限幅值時(shí)則輸出限幅值，實(shí)現(xiàn)最大電流約束控制，而正常運(yùn)行時(shí)，ACR飽和，由AVR實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。</p><p>　　圖3-5 直流電機(jī)負(fù)載的開(kāi)關(guān)電源數(shù)學(xué)模型</p><p>　　把圖3-5中有反電勢(shì)作用的部分抽出來(lái)進(jìn)行解耦變換，如圖3-6。</p><p>　　圖3-6 反電勢(shì)作用的

51、部分待解耦的結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　令，則有：</b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　

52、　式(3-5)、(3-6)和（3-7）聯(lián)立解得：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中,，均為時(shí)各分量。</p><p><b>　　令，則有：</b></p><p>

53、<b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　式(3-10)、(3-11)和（3-12）聯(lián)立解得：</p><p><b>　　（3-13）</b>

54、</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　式中,，均為時(shí)各分量。</p><p>　　由以上解耦變換，圖3-5可變換為圖3-7,圖中，表達(dá)式分別為式（3-8），（3-13）。</p><p>　　圖3-7 解耦后的新型開(kāi)關(guān)電源模型框圖</p><p><b&g

55、t;　　綜合控制算法研究</b></p><p>　　調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)算法有PID控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、專家模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。</p><p>　?。?）PID控制是在運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制方法。數(shù)字PID算法已成為數(shù)字慣性系統(tǒng)中一種最常用的控制算法。PID控制方法簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定性好、可靠性高，能滿足大多數(shù)控溫的要求。常規(guī)PID控制的缺點(diǎn)是魯棒性不強(qiáng)，適應(yīng)性

56、不快，協(xié)調(diào)性不夠好等。</p><p>　?。?）模糊控制，是大滯后系統(tǒng)，控制要求不同而又很難建立精確的控制模型，是故用基于數(shù)學(xué)模型的控制技術(shù)如經(jīng)典PID等難以獲得理想的控制效果。模糊控制系統(tǒng)不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，是借助于操作者豐富的控制經(jīng)驗(yàn)，模仿人的思維，通過(guò)制定適當(dāng)?shù)目刂茙?kù)可實(shí)現(xiàn)大滯后系統(tǒng)的控制，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　?。?）專家模糊控制，運(yùn)用專家系

57、統(tǒng)使控制器獲得關(guān)于控制對(duì)象的更高層次的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)對(duì)模糊控制器的運(yùn)行參數(shù)加以修正，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度以及控制的跟蹤和抗干擾能力。</p><p>　　（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是更高精度的控制方法，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，將被控對(duì)象的影響因素作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，作為PID控制器的參數(shù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達(dá)到自整定PID控制器參數(shù)的目的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)能力、并行計(jì)算

58、能力和非線性映射能力，在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的控制方面具有很大潛力，但是，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的研究大多仍停留在數(shù)學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)室階段，極少用于實(shí)際系統(tǒng)的控制當(dāng)中。</p><p>　　PID控制是在運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制方法。PID控制方法簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定性好、可靠性高，能滿足大多數(shù)控制對(duì)象的要求。本文的綜合控制算法設(shè)計(jì)均基于PID調(diào)節(jié)算法，PID控制算法的各部分的作用如下：</p&g

59、t;<p>　?。?）比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快。偏大，振蕩次數(shù)變多，調(diào)節(jié)時(shí)間反而加長(zhǎng)，當(dāng)太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；若太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。加大比例系數(shù)，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是加大，只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　（2）積

60、分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之增強(qiáng)。但過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。若過(guò)小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。積分控制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PI 或PID 控制。控制系統(tǒng)中增加積分環(huán)節(jié)能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。積分時(shí)間常數(shù)位于積分項(xiàng)的分母上，所以積分時(shí)間與積分作用的強(qiáng)弱成反比。越小

61、，積分作用就越強(qiáng)。反之大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，當(dāng)合適時(shí)，系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程比較理想。</p><p>　　（3）微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），其作用主要是在響應(yīng)過(guò)程中抵制偏差向任何方向的變化。微分時(shí)間常數(shù)過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。微分控制可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，使超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小

62、，提高控制精度。微分時(shí)間常數(shù) 與微分作用的強(qiáng)弱成正比。</p><p>　　微型計(jì)算機(jī)在PID控制中的應(yīng)用，又使PID控制得到進(jìn)一步的發(fā)展。數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種普遍采用的控制方法，在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器之前，首先必須根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要，確定要將系統(tǒng)校正成哪一類典型系統(tǒng)。為此，應(yīng)該清楚地掌握兩類典型系統(tǒng)的主要特征和它們?cè)谛阅苌系牟顒e。兩類系

63、統(tǒng)的名稱本身已經(jīng)說(shuō)明了它們的基本區(qū)別，典型型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)，分別適合于不同的穩(wěn)態(tài)性能要求[13]。</p><p>　　在典型型系統(tǒng)中，選擇包含一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)作為典型系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　式中，—系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)；</p><p>　　—系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)（s）。</p><p>　　典型型系統(tǒng)屬于“一

64、階無(wú)差”系統(tǒng)，對(duì)于階躍信號(hào)輸入，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)是無(wú)差的，而對(duì)于斜坡信號(hào)輸入，系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的，一般適用于只有階躍信號(hào)輸入的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p><p>　　在典型II型系統(tǒng)中，選擇一種最簡(jiǎn)單而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為典型系統(tǒng)，典型II型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　式中，—系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)；</p><p>　　—系統(tǒng)的零點(diǎn)時(shí)間常數(shù)（s），且>；</

65、p><p>　　—系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)（s）</p><p>　　典型II型系統(tǒng)具有二階無(wú)靜差特性，在階躍信號(hào)和斜坡信號(hào)輸入下都是穩(wěn)態(tài)無(wú)差的，屬于“二階無(wú)差”系統(tǒng)。在拋物線信號(hào)輸入下，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，大小與開(kāi)環(huán)放大系數(shù)成反比。</p><p>　　此外，在動(dòng)態(tài)性能上，典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)的超調(diào)量一項(xiàng)要比典型II型系統(tǒng)小，但是典型II型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能要比典型型系

66、統(tǒng)好。</p><p>　　3.2.1 電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的設(shè)計(jì)</p><p>　　電壓環(huán)中由于電動(dòng)機(jī)負(fù)載一般有T>>T,成立，式（3-8）可化簡(jiǎn)為： </p><p>　?。?-15）

67、 </p><p>　　所以，圖3-7中的內(nèi)環(huán)（AVR）可簡(jiǎn)化為如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 電壓環(huán)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　整定成典型型系統(tǒng)，期望傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(3-16)&l

68、t;/b></p><p>　　選ID調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　式中為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)，為AVR濾波時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　= （3-18）</p><

69、;p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　　（3-20）</b></p><p><b>　　由最優(yōu)整定原則得：</b></p><p><b>　　(3-21)</b></p><p><b>　　所以得到：<

70、;/b></p><p><b>　　(3-22)</b></p><p><b>　　(3-23)</b></p><p>　　3.2.2 電流調(diào)節(jié)器（ACR）的設(shè)計(jì)</p><p>　　把AVR環(huán)節(jié)作為一個(gè)整體，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>

71、;　　(3-24)</b></p><p>　　電壓環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作電流環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，則電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖可化為如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　整定成成典型型系統(tǒng)，期望傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(3-25)</b></p>

72、<p><b>　　選PI調(diào)節(jié)器</b></p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　式中為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為ACR濾波時(shí)間常數(shù)。</p><p><b>　　(3-27)</b></p><p><b>　　(3-28)

73、</b></p><p><b>　　(3-29)</b></p><p><b>　　由最優(yōu)整定原則得：</b></p><p><b>　　(3-30)</b></p><p><b>　　所以得到：</b></p><

74、p><b>　　(3-31)</b></p><p><b>　　(3-32)</b></p><p>　　3.3 系統(tǒng)仿真分析</p><p>　　3.3.1 仿真參數(shù)計(jì)算</p><p>　　設(shè)直流伺服電機(jī)70SYX的參數(shù)：額定功率，額定電壓，轉(zhuǎn)速，額定電流，電樞電阻，電樞電感，機(jī)電時(shí)

75、間常數(shù)。</p><p>　　輸出級(jí)濾波元件，，工作頻率。則 ， </p><p><b>　　(1) AVR參數(shù)</b></p><p>　　PWM延遲時(shí)間 ，PWM放大系數(shù) ，電壓環(huán)濾波時(shí)間常數(shù) ，角頻率 ，電壓反饋系數(shù) 。</p><p>　　由式（3-20）得 ，由式（3-21）得 ，由式（3-22）得 ，由式（

76、3-23）得 。</p><p>　　所以ID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)</p><p><b>　?。?-33）</b></p><p><b>　　(2) ACR參數(shù)</b></p><p>　　電流反饋系數(shù)，電壓流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù) 。由式（3-29）得 ，由式（3-32）得 ，由式（3-31）得 。<

77、/p><p>　　所以PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)</p><p><b>　　（3-34）</b></p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析</p><p>　　利用MATLAB軟件的Simulink工具可畫(huà)出系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　?。?）傳統(tǒng)穩(wěn)壓控制仿真</p>&l

78、t;p>　　先仿真?zhèn)鹘y(tǒng)穩(wěn)壓控制,其結(jié)構(gòu)圖如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 傳統(tǒng)穩(wěn)壓控制仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　給定信號(hào)（step1）為5V，擾動(dòng)信號(hào)（step2）為5.5A，由仿真得到的曲線調(diào)試參數(shù)，并保持=始終成立，最后得到，。</p><p>　　傳統(tǒng)穩(wěn)壓控制仿真得到的電壓、電流波形曲線如圖3-11所示。電壓波形沒(méi)有超調(diào)，上升時(shí)間

79、很短，符合典的特征。電流波形峰值時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量。</p><p>　　圖3-11 傳統(tǒng)穩(wěn)壓控制仿真電壓、電流波形曲線</p><p>　　由傳統(tǒng)穩(wěn)壓控制仿真得到的電壓、電流波形曲線可知，穩(wěn)壓控制效果很好，電壓最后穩(wěn)定在24V，由于沒(méi)有最大動(dòng)態(tài)電流約束控制，所以電流超調(diào)很大，是額定值的十倍以上，如此大的電流，開(kāi)關(guān)電源的過(guò)流保護(hù)起作用，使得開(kāi)關(guān)電源關(guān)機(jī)，從而無(wú)法帶動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。所以傳

80、統(tǒng)穩(wěn)壓控制不能很好的帶動(dòng)直流電機(jī)類的負(fù)載，要帶動(dòng)直流電機(jī)類負(fù)載必須要加上最大動(dòng)態(tài)電流約束。</p><p>　　（2）新型開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)仿真</p><p>　　在傳統(tǒng)穩(wěn)壓控制的基礎(chǔ)上加上最大動(dòng)態(tài)電流約束控制即ACR環(huán)節(jié)再來(lái)仿真，整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖3-12所示，給定信號(hào)（step1）為5V，擾動(dòng)信號(hào)（step2）為5.5V，限幅5V。調(diào)節(jié)參數(shù)最后得到，。</p>&l

81、t;p>　　圖3-12 新型開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)仿真得到的電壓、電流波形曲線如圖3-13。</p><p>　　圖3-13 新型開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)仿真電壓波形曲線</p><p>　　由系統(tǒng)仿真得到的電壓、電流波形曲線可以看到，電壓波形經(jīng)過(guò)一段時(shí)間上升到額定值，沒(méi)有超調(diào)，波形曲線很好，符合典的特征。電流波形經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)整，然后進(jìn)

82、入恒流階段，再到1.1s之后電流下降，峰值時(shí)間為0.12s，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.4s，超調(diào)為13%，最后穩(wěn)定在額定值5.5A，整個(gè)過(guò)程最大動(dòng)態(tài)電流不到額定值的2倍。電壓最后穩(wěn)定在24V，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓控制，電流經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整后穩(wěn)定在額定電流，實(shí)現(xiàn)了最大動(dòng)態(tài)電流的約束控制。整個(gè)系統(tǒng)仿真得到了較好的結(jié)果，兩個(gè)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了預(yù)想的功能。</p><p>　　和傳統(tǒng)穩(wěn)壓控制相比，新型開(kāi)關(guān)電源控制器即有穩(wěn)壓控制功能，又能實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)態(tài)電流

83、約束控制，適合直流電機(jī)類負(fù)載。但由于整定過(guò)程的一些近似以及其它干擾，所以存在誤差，由曲線可得誤差為8%。</p><p>　　4 電源控制器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.1 電源控制器的總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　電源控制器的基本組成結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。主要有檢測(cè)調(diào)理電路模塊（包括電壓檢測(cè)調(diào)理和電流檢測(cè)調(diào)理），單片機(jī)，通信模塊以及人機(jī)界面。檢測(cè)調(diào)理

84、電路用于檢測(cè)反饋電壓和反饋電流，采樣送入單片機(jī)，單片機(jī)處理后輸出給控制對(duì)象，人機(jī)界面主要有LED顯示實(shí)時(shí)電壓值，PID參數(shù)等，鍵盤(pán)用于修改PID參數(shù)和切換顯示。</p><p>　　圖4-1 電源控制器基本組成結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　單片機(jī)選用ADμC812，該單片機(jī)速度快，功能強(qiáng)，集成了一個(gè)完全可編程的、自校準(zhǔn)、高精度的12位模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，芯片融合了所有的從屬功能以完全支持可編程

85、數(shù)據(jù)采集核心，這些從屬功能包括用戶FLASH存儲(chǔ)器、監(jiān)視定時(shí)器(WDT)、電源監(jiān)視器(PSM)和多種符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的并行、串行接口等。</p><p>　　人機(jī)界面主芯片采用ZLG7290來(lái)擴(kuò)展鍵盤(pán)和LED顯示器，其特點(diǎn)為：IC 串行接口，可驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED 和64個(gè)按鍵。本設(shè)計(jì)當(dāng)中用到了4個(gè)按鍵和3個(gè)LED數(shù)碼管。</p><p>　　4.2 電源控制器的設(shè)計(jì)<

86、/p><p><b>　　硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　主要包括輸入輸出接口電路，電流檢測(cè)調(diào)理電路，電壓檢測(cè)調(diào)理電路，通信電路以及鍵盤(pán)顯示電路的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路圖見(jiàn)附錄。</p><p>　　(1) 輸入輸出接口電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)選用ADμC812，功能方塊圖如圖4-2所示，其主要性能

87、特點(diǎn)有：</p><p>　　a. ADuC812是全集成的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它在單個(gè)芯片內(nèi)，把高性能8位MCU(兼容8051) 、可重復(fù)編程的非易失性FLASH程序存儲(chǔ)器、高性能的自校準(zhǔn)多通道ADC和2個(gè)12位DAC等融于一體。</p><p>　　b. 芯片融合了所有的從屬功能以完全支持可編程數(shù)據(jù)采集核心。這些從屬功能包括用戶FLASH存儲(chǔ)器、監(jiān)視定時(shí)器(WDT)、電源監(jiān)視器(PSM

88、)和多種符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的并行、串行接口。 </p><p>　　c. MCU內(nèi)核和模擬轉(zhuǎn)換器二者均有正常、空閑及掉電工作模式，提供了適合于低功率應(yīng)用的、靈活的電源管理方案。</p><p>　　圖4-2 ADμC812功能方塊圖</p><p><b>　　主要功能有：</b></p><p><b>　　a.

89、模擬 I/O</b></p><p>　　8通道，高精度12位ADC</p><p>　　片內(nèi)40ppm/℃電壓基準(zhǔn)</p><p>　　每秒200K高速抽樣</p><p>　　高速ADC至RAM的DMA控制器</p><p>　　2個(gè)12位電壓輸出DAC</p><p><

90、;b>　　片內(nèi)溫度傳感器</b></p><p><b>　　b. 存儲(chǔ)器</b></p><p>　　8KB片內(nèi)FLASH/EE程序存儲(chǔ)器</p><p>　　640B片內(nèi)FLASH/EE數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器</p><p>　　256B片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM</p><p>　　16MB外部

91、數(shù)據(jù)地址空間</p><p>　　64KB外部程序地址空間</p><p>　　c. 與8051兼容內(nèi)核</p><p>　　12MHz額定工作頻率（最大16MHz） </p><p>　　3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器</p><p>　　32條可編程的I/O線</p><p>　　9個(gè)中斷源，2個(gè)

92、優(yōu)先級(jí)</p><p><b>　　d. 片內(nèi)外圍設(shè)備</b></p><p>　　UART串行接口I/O</p><p>　　與IC兼容的串行接口和SPI串行接口</p><p><b>　　看門狗定時(shí)器</b></p><p><b>　　電源監(jiān)視器</b

93、></p><p>　　ADμC812的輸入輸出接口電路如圖4-3。</p><p>　　圖4-3 ADμC812的輸入輸出接口電路圖</p><p>　　ADC0即引腳1為電流檢測(cè)調(diào)理后輸入引腳，ADC1即引腳2為電壓檢測(cè)調(diào)理后輸入引腳，P2.7即引腳39為PWM信號(hào)輸出引腳，引腳18、26、27為ZLG7290的控制信號(hào)引腳，引腳16、17為通信的接收和發(fā)

94、送引腳。</p><p>　　供電電源VCC，AVDD均為5V， AGND為模擬地，GND為數(shù)字地，注意AGND和GND要分開(kāi)。濾波電容C2、C4、C5、C6、C7、C13均為0.1μF。</p><p>　　PWM-OUT輸出PWM信號(hào)，用于控制開(kāi)關(guān)電源。INT，SCL，SDA用于控制鍵盤(pán)，LED數(shù)碼管擴(kuò)展芯片ZLG7290。RXD，TXD用于通信接口電路。</p><

95、;p>　　下載調(diào)試時(shí)，在PSEN引腳跨接一個(gè)1的下拉電阻R3來(lái)觸發(fā)其進(jìn)入下載模式，仿真時(shí)，在引腳跨接一個(gè)1的上拉電阻R4來(lái)觸發(fā)其進(jìn)入仿真狀態(tài)。</p><p>　　晶振Y1選11.0592MHz，2個(gè)濾波電容C8、C9均選3.3pF。</p><p>　　高電平復(fù)位，復(fù)位時(shí)間至少10ms，上電復(fù)位，增加了手動(dòng)復(fù)位功能，按鍵S5為手動(dòng)復(fù)位按鍵，R11取100K，C12取0.33μF，可

96、以達(dá)到要求。</p><p>　　JP1是用于下載調(diào)試，當(dāng)下載調(diào)試時(shí)JP1合上，把40號(hào)引腳接地。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)A用于仿真，當(dāng)仿真時(shí)不用接，接高電平。</p><p>　　(2) 電流檢測(cè)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)的電流檢測(cè)調(diào)理電路如圖4-4。</p><p>　　圖4-4 電流檢測(cè)調(diào)理電

97、路</p><p>　　I-IN為反饋電流經(jīng)采樣后的電壓信號(hào)，再經(jīng)AD620放大，輸出到單片機(jī)的模擬輸入口ADC0。</p><p>　　電流動(dòng)態(tài)時(shí)最大不超過(guò)額定值的2倍，按10A計(jì)算，主電路中采樣電阻R1取0.02，產(chǎn)生電壓0.2V，單片機(jī)模擬輸入為0-V（2.5V），再經(jīng)過(guò)放大器放大11倍，輸出到單片機(jī)。</p><p>　　放大器選用AD620儀表放大器，該放

98、大器使用簡(jiǎn)單方便，精度高，增益范圍1～1000，只需一個(gè)電阻即可設(shè)定，符合要求。</p><p>　　根據(jù)該放大器的放大增益公式</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p><b>　　可以求得。</b></p><p>　　供電電壓VCC為5V,-VCC為-5V,濾波電容C1、

99、C3均為0.1μF。</p><p>　　(3) 電壓檢測(cè)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)的電壓檢測(cè)調(diào)理電路如圖4-5。</p><p>　　圖4-5 電壓檢測(cè)調(diào)理電路</p><p>　　U-IN為待檢測(cè)的電壓，額定值為24V，經(jīng)R9、R10分壓后輸出給單片機(jī)。單片機(jī)模擬輸入為0-V（2.5V），取，，分壓后電壓符合要求。濾波電容C

100、11取0.1μF。</p><p>　　(4) 通信電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)的通信電路如圖4-6。</p><p>　　圖4-6 通信接口電路</p><p>　　ADμC812內(nèi)部有串行通信模塊UART，此串行端口是全雙工的，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。接收時(shí)有緩沖，意味在前一個(gè)字節(jié)被讀走前就可開(kāi)始第二個(gè)字節(jié)的接受。事實(shí)上，如果

101、在第二個(gè)字節(jié)的接受時(shí)間完成時(shí)第一個(gè)字節(jié)還未被讀走，第一個(gè)字節(jié)將丟失。由于發(fā)送是主動(dòng)的，一般不需要緩沖。與串行數(shù)據(jù)網(wǎng)的物理接口是通過(guò)引腳RXD（P3.0）和TXD（P3.1）實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　RS-232是串行通信一般采用的標(biāo)準(zhǔn)，采用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片ADM202。ADM202采用5V供電，借助外部的五個(gè)電容C16、C17、C18、 C20、 C21（均為0.1μF），可以產(chǎn)生滿足RS-23

102、2電平要求的輸出，具有2個(gè)發(fā)送和接收通道。</p><p>　　(5) 鍵盤(pán)及顯示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)的鍵盤(pán)及顯示電路如圖4-7。</p><p>　　圖4-7 鍵盤(pán)及顯示電路</p><p>　　人機(jī)界面主要包括鍵盤(pán)和LED顯示，本文采用四個(gè)按鍵，三個(gè)LED顯示器。</p><p>　　按鍵S1：+，

103、S2：-，S3：確定，S4：取消。其中S3，S4定義為功能鍵，S1，S2起選擇修改作用，在選擇模式下，S1表示選擇顯示上一個(gè)參數(shù)，S2表示選擇顯示下一個(gè)參數(shù)，在修改模式下，S1表示該參數(shù)值增加0.1，S2表示該參數(shù)值減少0.1。LED顯示電壓和PID調(diào)節(jié)器的各參數(shù)，共3位，一位小數(shù)，其中電壓為實(shí)時(shí)顯示，不能被修改。</p><p>　　擴(kuò)展芯片選用ZLG7290，其主要特點(diǎn)有：</p><p&

104、gt;　　IC串行接口提供鍵盤(pán)中斷信號(hào)方便與處理器接口；</p><p>　　可驅(qū)動(dòng)8位共陰極數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED 和64個(gè)按鍵；</p><p>　　可控掃描位數(shù)可控任一數(shù)碼管閃爍；</p><p>　　提供數(shù)據(jù)譯碼和循環(huán)移位段尋址等控制；</p><p>　　可檢測(cè)任一鍵的連擊次數(shù)；</p><p>　　無(wú)需外

105、接元件即直接驅(qū)LED可擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)電壓；</p><p>　　提供工業(yè)級(jí)器件多種封裝形式PDIP24，SO24。</p><p>　　芯片供電電壓VCC為5V，通過(guò)0.1μF的電容C19和220μF/16V的有極性電容接地濾波。</p><p>　　晶振Y2取8 MHz，2個(gè)濾波電容C10、C15均為22pF。</p><p>　　低電

106、平復(fù)位，上電復(fù)位，R14取100K，C14取470 pF。</p><p>　　該芯片有3個(gè)引腳和單片機(jī)連接，14號(hào)引腳與單片機(jī)的中斷引腳相連，19號(hào)引腳SCL通過(guò)3K3的上拉電阻R13和單片機(jī)時(shí)鐘口線連接，20號(hào)引腳SDA通過(guò)3K3的上拉電阻R12和單片機(jī)的SDATA連接。</p><p>　　四個(gè)按鍵均有限流電阻，R5、R6、R7、R8都取3K3，數(shù)碼管每個(gè)數(shù)據(jù)線均有限流電阻，RP1為

107、8個(gè)220的電阻，D1為二極管4148快速恢復(fù)二極管，可消除負(fù)向干擾。</p><p><b>　　程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)的程序包括主程序，中斷服務(wù)程序和相應(yīng)的子程序。子程序主要包括控制算法程序，按鍵掃描和顯示程序等。</p><p><b>　　主程序的設(shè)計(jì)</b></p><

108、p>　　主程序流程圖如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 主程序流程圖</p><p>　　主程序基本流程如下：</p><p>　　（1）上電復(fù)位，程序開(kāi)始，關(guān)中斷，以便系統(tǒng)完成初始化。</p><p>　?。?）主程序初始化，包括設(shè)置看門狗定時(shí)器（WDCON）的設(shè)置，時(shí)間20ms，ADC寄存器（ADCCON1,ADCCON

109、2,ADCCON3）的設(shè)置和中斷寄存器（IE,IP,IE2）的設(shè)置等。</p><p>　　（3）初始化完成后，看門狗定時(shí)器開(kāi)始工作，同時(shí)開(kāi)中斷，使系統(tǒng)開(kāi)始響應(yīng)中斷。</p><p>　　（4）這時(shí)系統(tǒng)如果有中斷，主程序就響應(yīng)中斷，完成中斷服務(wù)子程序，在響應(yīng)中斷完成后，返回系統(tǒng)主程序。</p><p>　　（5）在系統(tǒng)響應(yīng)中斷返回或沒(méi)有中斷需要響應(yīng)時(shí)，同時(shí)看門狗的定

110、時(shí)時(shí)間又</p><p>　　沒(méi)有到的情況下，就執(zhí)行顯示等非實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)任務(wù)，當(dāng)看門狗的定時(shí)時(shí)間到了，主程序就按時(shí)“喂狗”，以防止程序“跑飛”或“死機(jī)”。</p><p>　　看門狗定時(shí)器的設(shè)置：</p><p>　　看門狗定時(shí)器控制和狀態(tài)寄存器WDCON如表4-1。</p><p>　　表4-1 看門狗定時(shí)器控制和狀態(tài)寄存器WDCON<

111、;/p><p>　　PRE2、PRE1、PRE0：溢出時(shí)間設(shè)置位，可設(shè)置16ms～2048ms看門狗溢出時(shí)間；</p><p>　　WDR1、WDR2：看門狗定時(shí)器的刷新位，通過(guò)對(duì)這兩位的有序位操作，可使看門狗復(fù)位，即稱“喂狗”；</p><p>　　WDS：看門狗定時(shí)器的狀態(tài)位，等于1，說(shuō)明看門狗為溢出狀態(tài)；</p><p>　　WDE：看門狗

112、定時(shí)器的使能位，為1，啟動(dòng)看門狗定時(shí)器，為0，關(guān)閉看門狗定時(shí)器。</p><p>　　“喂”看門狗的次序：</p><p>　　WDFeed： SETB WDR1</p><p>　　SETB WDR2</p><p>　　ADC寄存器的設(shè)置：</p><p>　　ADμC812中集成了一個(gè)快速8通道的12

113、位A/D轉(zhuǎn)換器，為用戶提供了多通道多路轉(zhuǎn)換器、采樣/保持、片內(nèi)基準(zhǔn)及校準(zhǔn)特性。所有部件很容易通過(guò)3個(gè)寄存器接口配置。該ADC是由常規(guī)逐次逼近轉(zhuǎn)換器組成。模擬電壓輸入范圍從0～。片上提供一個(gè)高精度低偏移的工廠校準(zhǔn)的2.5V基準(zhǔn)電壓。也可接入外部，外部基準(zhǔn)電壓應(yīng)在2.3V～AVDD范圍內(nèi)。</p><p>　　ADCCON1控制寄存器如表4-2。</p><p>　　表4-2 ADCCON1控

114、制寄存器</p><p>　　MD1，MD0：選擇有效工作模式；</p><p>　　CK1，CK0：選擇ADC時(shí)鐘的主時(shí)鐘分頻比，1次A/D轉(zhuǎn)換需要16個(gè)ADC時(shí)鐘加上所選數(shù)目的采集時(shí)鐘；</p><p>　　AQ1，AQ0：選擇用于采樣/保持放大器采集輸入信號(hào)的時(shí)間；</p><p>　　T2C：設(shè)置定時(shí)器2轉(zhuǎn)換位，選擇定時(shí)器2 溢出位用