大功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題　　目 大功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 院　 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院</p><p>　　專業(yè)班級(jí)　 </p><p>　　學(xué)生姓名　

2、</p><p>　　指導(dǎo)教師　 </p><p><b>　　成　　績(jī)　　</b></p><p>　　2012年　6　月　18　日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)由于易于調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)性能好，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣

3、泛的應(yīng)用。但以往的直流調(diào)速是用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以制作成本高，由于器件溫度的漂移，對(duì)控制精度產(chǎn)生的很大的影響，對(duì)于一些復(fù)雜的，非線性控制規(guī)律難以實(shí)現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)速裝置的任務(wù)，而且具有維護(hù)方便，便于檢修，算法靈活，穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。</p><p>　　本設(shè)計(jì)是以數(shù)字PI為基本控制算法，以單片機(jī)（AT89C51

4、）為核心，產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波，通過(guò)功率放大和驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)速度的控制。再利用光電編碼器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，反饋到單片機(jī)中（AT89C51），實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。同時(shí)用ACS712D電流傳感器將電流轉(zhuǎn)換為成比例的電壓，輸出的電壓信號(hào)通過(guò)TLC549A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)（AT89C51）實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。在設(shè)計(jì)中采用LCD1602對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向進(jìn)行顯示，通過(guò)按鍵對(duì)其進(jìn)行輸入控制。該直流調(diào)速系統(tǒng)具有可靠性高，

5、便于控制等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 脈沖寬度調(diào)制；單片機(jī)；直流調(diào)速</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　DC motor with easy adjustment, good dynamic performance, in the industry has been widely used. B

6、ut due to the application of analog circuits to achieve, so the production cost is high, be influenced by temperature drift of devices, the control precision of the great impact, for some complex, nonlinear control law i

7、s difficult to achieve. Along with the electric power electronic technology, data processing and the development of the computer, the digital PID control also got swift and violent dev</p><p>　　The design is

8、 based on the digital PI control algorithm for the basic, with single chip microcomputer ( AT89C51) as the core, to generate adjustable duty ratio PWM wave, through a power amplifying and driving circuit for DC motor spe

9、ed control. Using photoelectric encoder for speed detection, feedback to the micro controller ( AT89C51), to achieve closed-loop speed control. At the same time with the ACS712D current sensor converts the current into a

10、 voltage proportional to the output voltage sig</p><p>　　Key words : PWM wave; MCU; DC motor control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p>

11、<p>　　AbstractII</p><p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1 研究背景及意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀2</p><p>　　第2章 理論分析計(jì)算3</p><p>　　2.1 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)3</p>

12、<p>　　2.2 直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)4</p><p>　　2.3 測(cè)速方法的確定和實(shí)現(xiàn)5</p><p>　　2.4 控制系統(tǒng)方案的選擇6</p><p>　　2.4.1 單閉環(huán)系統(tǒng)的組成和分析6</p><p>　　2.4.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成和分析7</p><p>　　

13、2.5 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.5.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)10</p><p>　　第3章 硬件電路的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 主電路的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.2 電源電路的設(shè)計(jì)13</p&g

14、t;<p>　　3.3 AT89C51主控芯片的最小系統(tǒng)13</p><p>　　3.4 PWM信號(hào)接口電路14</p><p>　　3.4.1 單片機(jī)控制D/A芯片接口電路的設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.4.2 波形整形及放大電路的設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.5 功率放大和驅(qū)動(dòng)模塊16</p

15、><p>　　3.5.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.5.2 光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.6 速度檢測(cè)模塊18</p><p>　　3.7 電流檢測(cè)電路20</p><p>　　3.8 按鍵和顯示模塊20</p><p>　　

16、3.8.1 顯示電路20</p><p>　　3.8.2 按鍵電路21</p><p>　　第4章 軟件程序的設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.1 PWM信號(hào)發(fā)生器軟件的設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.2 顯示電路軟件設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.2.1 字符的顯示25</p>

17、<p>　　4.2.2 漢字的顯示25</p><p>　　4.2.3 LCD1602 的引腳說(shuō)明25</p><p>　　4.2.3 LCD1602指令說(shuō)明及時(shí)序26</p><p>　　4.3 雙閉環(huán)PI控制軟件的設(shè)計(jì)28</p><p><b>　　結(jié)論31</b></p>

18、;<p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p>　　附錄 程序清單33</p><p><b>　　致謝40</b></p><p>　　第1章 緒 論 </p><p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，

19、幾乎所有的地方都是用電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為的其他形式的機(jī)械能。在機(jī)械生產(chǎn)、金屬冶煉、化學(xué)等各種工業(yè)部門中，采用了各種各樣的電動(dòng)機(jī)來(lái)傳動(dòng),比如在機(jī)床、軋機(jī)、挖掘機(jī)、提升機(jī)、起重機(jī)、水泵、紙機(jī)、輸送機(jī)械等各種生產(chǎn)機(jī)器中。伴隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高和生產(chǎn)量的不斷增大，越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備要求能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制。由于生產(chǎn)機(jī)械和工藝流程的不同，對(duì)于電能轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)也提出了各種各樣的控制指標(biāo)，一些要求能迅速啟動(dòng)、制動(dòng)，正傳和反轉(zhuǎn)；一些要求電動(dòng)機(jī)能夠低

20、速穩(wěn)定運(yùn)行；一些要求電動(dòng)機(jī)啟、制動(dòng)平穩(wěn)，并能準(zhǔn)確的停在設(shè)定的位置。由此可見(jiàn)這些傳動(dòng)系統(tǒng)都是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。在與交流電動(dòng)機(jī)相比較，直流電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：直流電機(jī)的調(diào)速性能好、靜差率小、穩(wěn)定性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性好、運(yùn)行效率高，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，直流電動(dòng)機(jī)都被應(yīng)用在了高性能的調(diào)速系統(tǒng)中。</p><p>　　近年來(lái)，直流電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制方式都有了巨大的改變。伴隨著數(shù)字控制系統(tǒng)在脈寬調(diào)

21、制中的應(yīng)用，它已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)中新的控制方式。隨著新型高速可關(guān)斷的電力電子器件的飛速發(fā)展，使用全控型晶閘管，場(chǎng)效應(yīng)管等調(diào)速系統(tǒng)具有開(kāi)關(guān)頻率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且采用這種方法調(diào)速非常容易在微機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　隨著邏輯電路電壓的發(fā)展，讓這類芯片能夠在低電壓程序邏輯中使用，比如5V的直流電動(dòng)機(jī)速度控制裝置在很多大型機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用，很多半導(dǎo)體制造商都推出了能夠提升工

22、作電壓的專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，如IR公司的IR2112、IR2105等。但是，這些芯片往往都需要10V或者更高的電壓，這給系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)增加了負(fù)擔(dān)。此外，為了滿足小功率的直流電動(dòng)機(jī)的使用需求，直流電機(jī)的專用集成芯片被一些廠商設(shè)計(jì)了出來(lái)，例如Ns公司推出了專門驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)H橋的LMDl8200，其最高工作電壓達(dá)到了55V，最高峰值電流達(dá)到了6A，連續(xù)輸出的平均電流達(dá)了3A。雖然集成芯片的應(yīng)用使得電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)變簡(jiǎn)單了，但是專用的驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)芯片

23、的輸出功率有限，無(wú)法滿足大型直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制要求，市場(chǎng)上少數(shù)幾種大功率集成驅(qū)動(dòng)芯片的價(jià)格又很高，例如一片SA01驅(qū)動(dòng)芯片的價(jià)格要3500元。在應(yīng)用這些芯片驅(qū)動(dòng)大功率直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，因?yàn)槠骷牟粚?duì)稱，H橋的上下橋臂的特性不同，使得上橋臂燒毀和直通現(xiàn)象發(fā)生[1]。綜合以上所述研究大功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置意義重大。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)在，國(guó)外

24、一些電氣公司，都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出成套的數(shù)字化直流調(diào)速裝置，它們已經(jīng)有很成熟的模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的應(yīng)用程序產(chǎn)品可供選擇。近年來(lái)隨著現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，模糊控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)等智能化的控制方法也大量的涌現(xiàn)出來(lái)。集散型的微機(jī)控制系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)有成套的定性產(chǎn)品。對(duì)于那些復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)跟蹤控制，技術(shù)已經(jīng)成熟，特別是使用PLC單片機(jī)等控制更容易操作、可靠性更強(qiáng)、參數(shù)便于調(diào)節(jié)。所以數(shù)字化和智能化成為了目前的發(fā)展

25、方向。</p><p>　　全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)由于是以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，其硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，降低了成本，而且避免器件溫度漂移的影響。微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)在各方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是我國(guó)自主研發(fā)的全數(shù)字控制的直流調(diào)速裝置很少見(jiàn)。由于外國(guó)產(chǎn)品價(jià)格昂貴，所以國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展有一定的空間。目前，國(guó)內(nèi)許多高校、研究所和廠家也都在開(kāi)發(fā)基于PWM波的全數(shù)字直流調(diào)速裝置

26、。</p><p>　　第2章 理論分析計(jì)算</p><p>　　2.1 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)</p><p>　　脈寬調(diào)制（PWM）控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，輸出一些列同等幅度的脈沖，來(lái)代替所需的正弦波、方波、鋸齒波等。就是在輸出波形的半周期內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使每個(gè)脈沖的電壓等值為正弦波，這樣得到的波形輸出平滑且低次諧波減少。按照一定規(guī)律調(diào)節(jié)每

27、個(gè)脈沖的寬度，就能控制逆變電路輸出電壓的大小和輸出頻率的高低[2]。</p><p>　　在采樣控制原理中有一個(gè)非常重要的結(jié)論：如果沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)的控制結(jié)構(gòu)上時(shí)，效果基本相同。這里的沖量就是窄脈沖的面積，效果基本相同是指在本環(huán)節(jié)上輸出響應(yīng)的波形大體相同。若把每個(gè)輸出的波形進(jìn)行分析變換，在低頻段它們的特性非常相似，高頻段上略有差異。</p><p>　　根據(jù)上面理

28、論我們就可以用不同寬度的矩形波來(lái)代替正弦波，通過(guò)對(duì)矩形波的控制來(lái)模擬輸出不同頻率的正弦波。例如，把正弦波的半周期分成N等份，這樣就可以把正弦波半周期近似成由N份相連脈沖組成的波形。這些寬度相等,幅值不等且脈沖頂部不是水平線的脈沖，都等于，這些脈沖的幅值都按正弦規(guī)律變化。</p><p>　　如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正

29、弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是脈寬調(diào)制波形。由此可見(jiàn)，這些脈沖的寬度都是按照正弦波的規(guī)律變化的。</p><p>　　根據(jù)采樣控制原理的結(jié)論：沖量相等效果相等，所以脈寬調(diào)制波形和正弦半波效果是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，采用同樣的方法也可以得到脈寬調(diào)制波形。在脈寬調(diào)制波形中，每個(gè)脈沖的幅值相等。要改變等效后正弦波輸出的幅值時(shí)，只要按相同的比例系數(shù)改變各個(gè)脈沖的寬度就可實(shí)現(xiàn)，因此在交－直－交變

30、頻器中，采用不可控二極管就可以進(jìn)行整流，直流側(cè)電壓的幅值就是脈寬調(diào)制逆變電路輸出的脈沖電壓。</p><p>　　綜上所述，如果給出一個(gè)正弦波的頻率，幅值和半周期內(nèi)的脈沖數(shù)，脈寬調(diào)制波形的每個(gè)脈沖寬度，時(shí)間間隔就能夠計(jì)算出來(lái)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制電路中晶閘管器件導(dǎo)通和關(guān)斷，就能得到所需波形。</p><p>　　2.2 直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)</p><p>　

31、　直流調(diào)速系統(tǒng)中有三種調(diào)速方法：調(diào)節(jié)電樞兩端的供電電壓、減弱勵(lì)磁磁通和改變電樞回路中的電阻。三種調(diào)速方法各有其特點(diǎn)：其中改變電樞回路中電阻只能對(duì)電動(dòng)機(jī)作有級(jí)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，調(diào)速系統(tǒng)效率低；減弱磁通調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但只能在基速以上的范圍調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速所得到的人為機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性平行，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好能在轉(zhuǎn)速一下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。所以，直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。其中，在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，以PWM調(diào)速應(yīng)用最為廣

32、泛。</p><p>　　直流PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率高，靠電樞電感的濾波作用就能獲得平穩(wěn)的直流電流，速度的穩(wěn)定性強(qiáng)，精度高、低速特性好、調(diào)速范圍寬；同樣，由于其開(kāi)關(guān)頻率高,快速響應(yīng)性能好,增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)抗干擾能力，還能獲得很寬的頻帶，由于開(kāi)關(guān)器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此主電路損耗小、提高了裝置效率，直流電源采用三相不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器要高，正因?yàn)橹绷鱌WM調(diào)速系統(tǒng)有如上

33、所述的優(yōu)點(diǎn)，并且隨著電力電子器件開(kāi)關(guān)性能的提高，直流脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。現(xiàn)在，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。</p><p>　　根據(jù)PWM控制的原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的PWM脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓是等效的[3]。那么如果在短時(shí)間（T）內(nèi)脈沖寬度為,幅值是U，由圖2-3可求得在這段時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流的電壓為：</p><

34、p>　　圖2-1 PWM脈沖</p><p>　　，如果令，則上式可簡(jiǎn)化為： </p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中 U——脈沖的幅值 </p><p><b>　　——占空比</b></p><p&

35、gt;　　如果PWM脈沖為如圖2-2所示的周期性矩形脈沖時(shí)，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述相同，即：</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　由公式2-2可知，想要改變等效直流電壓的大小，就可以通過(guò)改變脈沖幅值U和占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，因此常常通過(guò)控制占空比的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在0～U之間任意

36、調(diào)節(jié)，從而達(dá)到了利用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。</p><p>　　圖2-2 周期性PWM矩形脈沖</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的PWM可逆控制，還必須產(chǎn)生四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)PWM控制電路工作時(shí)，H橋的一測(cè)有相位相反但占空比相同的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而且隨著控制信號(hào)的變化還具有互鎖功能。</p><p>　　2.3 測(cè)速

37、方法的確定和實(shí)現(xiàn)</p><p>　　M法又稱又稱測(cè)頻法，其測(cè)速原理是在給定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，對(duì)光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)的測(cè)速方法，M法測(cè)速大多數(shù)用在測(cè)量高轉(zhuǎn)速，因?yàn)閷?duì)于確定的光電編碼器線數(shù)N是一定的，和給定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，計(jì)數(shù)脈沖M越大脈沖也就越?。籘法也被稱作測(cè)周期法，該測(cè)速方法是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的脈沖進(jìn)行記數(shù)，為了減小誤差，希望盡可能記錄較多的脈沖數(shù)，因此T法測(cè)速用于低轉(zhuǎn)速測(cè)量，但是轉(zhuǎn)

38、速過(guò)低，光電編碼器輸出脈沖的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，時(shí)鐘脈沖數(shù)就有可能超過(guò)計(jì)數(shù)的最大值而產(chǎn)生溢出，此外時(shí)間過(guò)長(zhǎng)還會(huì)影響控制系統(tǒng)的快速性。與M法測(cè)速一樣選用線數(shù)相對(duì)較多的光電編碼器，也能提高電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的快速性和精度；另一種測(cè)速方法是結(jié)合M法和T法的測(cè)速特點(diǎn)產(chǎn)生了一種M/T的測(cè)速方法，即在規(guī)定的時(shí)間范圍里，同時(shí)對(duì)時(shí)鐘脈沖數(shù)和光電編碼器輸出的脈沖數(shù)同時(shí)計(jì)數(shù)，有公式計(jì)算出轉(zhuǎn)速。采用M/T法不論是在高速還是在低速測(cè)量時(shí)都具有較強(qiáng)的分辨能力和測(cè)量精度，轉(zhuǎn)速覆蓋

39、范圍廣，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量中應(yīng)用十分廣泛，所以本設(shè)計(jì)采用M/T測(cè)速法測(cè)速。</p><p>　　已知旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出N個(gè)脈沖（N=1024），在被系統(tǒng)中用單片機(jī)的INT0（P3.2）對(duì)在檢測(cè)周期內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行記數(shù)，記數(shù)值是則轉(zhuǎn)角可以表示成：</p><p>　?。?-4） </p><p>　　已知單片機(jī)的時(shí)鐘頻率是，用單

40、片機(jī)INT1(P3.3)在檢測(cè)周期T內(nèi)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值為,則檢測(cè)周期T可以寫(xiě)成：</p><p><b>　?。?-5） </b></p><p>　　檢測(cè)周期T內(nèi)被測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，則有：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　綜合式（2-4）,式（2-5）和（2-6）求出

41、被測(cè)轉(zhuǎn)速為：</p><p><b>　　（2-7）</b></p><p>　　2.4 控制系統(tǒng)方案的選擇</p><p>　　2.4.1 單閉環(huán)系統(tǒng)的組成和分析</p><p>　　在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中如圖2-3所示，應(yīng)用了PI調(diào)節(jié)器之后可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差控制，應(yīng)用了電流截止負(fù)反饋環(huán)用來(lái)限制電流的沖擊，避免

42、出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象。作為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)的量是轉(zhuǎn)速，所以檢測(cè)的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的也是擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。</p><p>　　所以轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過(guò)程。但是在調(diào)速系統(tǒng)中有兩類情況對(duì)電流的控制提出了新的指標(biāo)：一是啟制動(dòng)對(duì)時(shí)間的控制問(wèn)題，二是由于載擾動(dòng)對(duì)電流控制問(wèn)題。</p><p>　　對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，應(yīng)盡可能的減少啟動(dòng)制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間，達(dá)到圖2.

43、1的理想過(guò)渡過(guò)程的曲線，完成最優(yōu)控制。就是在過(guò)渡過(guò)程中應(yīng)保持轉(zhuǎn)矩為最大值，使得直流電機(jī)盡可能以最大加速度或減速度，達(dá)到我們預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速，馬上讓勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，使轉(zhuǎn)速以恒定的速度運(yùn)行。</p><p>　　即在在過(guò)渡過(guò)程中始終保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)為最大值，使直流電動(dòng)機(jī)以最大加速度，減速。達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。所以為了滿足控制要求本設(shè)計(jì)采用了雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。</p>

44、<p>　　圖2-3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.4.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的組成和分析</p><p>　　在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于主電路中都存在電感作用，電流無(wú)法突變，圖2-4所示的理想過(guò)渡過(guò)程只能得到近似的逼近，其關(guān)鍵是要獲得使電流保持最大值的恒流啟制動(dòng)過(guò)程，所以提出了雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速

45、系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)上的，實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外, 很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的要求,尤其是在機(jī)床控制方面，這就需要一個(gè)電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。</p><p>　　圖2-4 時(shí)間最優(yōu)的理想控制過(guò)程</p><p>　　電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只能限制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)電流不超過(guò)某一數(shù)值，而把電流控制在所需值上。但是根據(jù)反饋控制原理，對(duì)某一變量對(duì)其作負(fù)反饋控制就能實(shí)現(xiàn)

46、對(duì)該變量的無(wú)差控制。用一個(gè)調(diào)節(jié)器無(wú)法兼顧對(duì)轉(zhuǎn)速和電流的控制。如果在系統(tǒng)中另設(shè)一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，就可以構(gòu)成電流閉環(huán)。</p><p>　　由圖2-5啟動(dòng)電流的變化特性可知，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí), 啟動(dòng)電流很快加大到電機(jī)所允許過(guò)載能力值, 而且是恒定不變, 在這種條件下,轉(zhuǎn)速程線性增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到我們?cè)O(shè)定的值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流又迅速下降到能夠克服負(fù)載所需的電流值 ，于是這就要求晶閘管的電壓在一開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)候應(yīng)為，由于轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)速n上

47、升， 也上升, 達(dá)到穩(wěn)轉(zhuǎn)速時(shí),.這種情況就要求電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中把電流作為被調(diào)節(jié)量，并保持在電動(dòng)機(jī)電流允許的最大值，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)電流調(diào)節(jié)器。因此電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在這種控制要求下產(chǎn)生了[4]。</p><p>　　圖2-5 帶截止負(fù)反饋系統(tǒng)啟動(dòng)電流波形</p><p>　　圖2-6 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖</p><p&g

48、t;　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)負(fù)反饋都能起作用，在系統(tǒng)中分別設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器，把他們串級(jí)相連，如圖2-6所示。這就是說(shuō)把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再由電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)，這樣就形成了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　2.5 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><

49、;p>　　2.5.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　時(shí)間常數(shù)的確定</b></p><p>　　（1）三相整流裝置的滯后時(shí)間常數(shù)，即平均時(shí)空時(shí)間 Ts=0.0017s。</p><p>　　（2）三相橋式電路中每個(gè)波頭的時(shí)間為3.3ms，確保能夠?yàn)V平波頭，應(yīng)有（1~2） 個(gè)3.3ms，所以電流濾波時(shí)間常數(shù)=2ms=0

50、.002s。</p><p>　?。?）按照小時(shí)間常數(shù)近似計(jì)算，電流環(huán)的小時(shí)間常數(shù)之和。</p><p>　?。?）電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)。</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　2. 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　根據(jù)任務(wù)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可

51、按典型I型系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　?。?-9） </p><p>　　式中 ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)</p><p>　　——電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)</p><p>　　表2 -1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)

52、的關(guān)系 </p><p>　　檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參表2-1的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 </p><p>　　3. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： =0.03s</p><p>　　電流開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，取</p>

53、;<p>　　所以 （2-10）</p><p>　　于是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)是：</p><p>　　=2.6 （2-11）</p><p>　　式中，為電流反饋系數(shù)其值為；晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=36。</p><p>　　4. 近似條件的校驗(yàn)<

54、/p><p>　　有上面的計(jì)算可知：電流環(huán)截止頻率</p><p>　　晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)近似為：</p><p><b>　?。?-12） </b></p><p>　?。?） 反電動(dòng)勢(shì)的改變對(duì)電流環(huán)的影像忽略不計(jì)近似條件： </p><p><b>　　（2-13）</b&

55、gt;</p><p>　?。?） 處理電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)的近似條件：</p><p><b>　　（2-14）</b></p><p>　　其中式（2-12）、式（2-13）和式（2-14）均滿足近似條件</p><p>　　2.5.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　時(shí)

56、間常數(shù)的確定</b></p><p>　　（1） 電流環(huán)時(shí)間常數(shù)等效為1/KI,由前述已知，，則：</p><p>　?。?-15） </p><p>　　（2） 轉(zhuǎn)速濾波的時(shí)間常數(shù)，取。</p><p>　　（3） 按照小時(shí)間常數(shù)近似處理轉(zhuǎn)速時(shí)間常數(shù)，取</p><p><b>　?。?-

57、16）</b></p><p>　　2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　按照設(shè)計(jì)要求，選則PI調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)式為：</p><p><b>　　（2-17）</b></p><p>　　3. 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　按照跟隨性和抗擾性能都比較好的

58、原則，先取h=5，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為：</p><p>　?。?-18） </p><p><b>　　則轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)增益</b></p><p>　　K （2-19）</p><p>　　可得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為</p><p>&l

59、t;b>　　（2-20）</b></p><p>　　式中 電動(dòng)勢(shì)常數(shù) </p><p><b>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) </b></p><p>　　4. 近似條件的校驗(yàn)</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速截止頻率是：</b></p><p>　?。?-21

60、） </p><p>　　（1）能把電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化的條件為:</p><p><b>　?。?-22） </b></p><p>　?。?）近似處理轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)的條件是：</p><p>　　（2-23） </p><p>　　式（2-22）和式（2-23）均滿足近似

61、條件。 </p><p>　　第3章 硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)任務(wù)要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，調(diào)速系統(tǒng)的方框圖如圖3-1，其核心控制部件是單片機(jī)，通過(guò)鍵盤輸入一些參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單啟停，正反轉(zhuǎn)，加速減速操作；系統(tǒng)由單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，通過(guò)PWM波接口電路整形放大后，經(jīng)過(guò)光電隔離，有電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)改變PWM波的占空比來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。速度檢測(cè)模塊檢測(cè)直流電動(dòng)機(jī)的速度，反饋到單片

62、機(jī)的中，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)反饋控制；最后再由LCD1602液晶顯示把轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向顯示出來(lái)，便于操作控制。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)方案框圖</p><p>　　3.1 主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)不能直接接三相交流電，因此要把三相交流電整流成所需的直流電才能給電機(jī)供電。本設(shè)計(jì)采用電容濾波的三橋式相不可控整流電路，電路圖如3-2所示。

63、當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)輸出的直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓即向電容供電，也向負(fù)載供電。</p><p>　　圖3-2 主電路圖</p><p>　　3.2 電源電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　電源電路是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是輸出的電壓是否穩(wěn)定對(duì)整系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，因此很據(jù)需要設(shè)計(jì)了5V和12V的電源。先通過(guò)變壓器把380V的交流電降為

64、220V，5V電源是把220V的交流電再降到11.5V，后經(jīng)過(guò)橋式整流電路把交流電轉(zhuǎn)變成直流電，整流后的電流經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器LM7805輸出穩(wěn)定的+5V電壓。橋式整流電路由四個(gè)型號(hào)相同的二極管組成，VD1和VD3兩個(gè)二極管組成一對(duì)橋臂；VD2和VD4兩個(gè)兩個(gè)二極管組成一對(duì)橋臂。由于二極管的啟動(dòng)電壓比較小，所以經(jīng)過(guò)變壓器的電壓可以使VD1和VD3二極管組成橋臂在正半周期導(dǎo)通，VD2和VD4兩個(gè)二極管組成的橋臂在負(fù)半周期導(dǎo)通。穩(wěn)壓器LM7805是

65、由三個(gè)管腳的串聯(lián)型降壓式電源芯片，Vin是輸入端，Vout輸出端，兩個(gè)端口接去耦電容后接地。經(jīng)穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓后，電源輸出基本不受外輸入變動(dòng)的干擾，而且有效的消除電磁干擾。穩(wěn)壓器LM7805輸出端輸出穩(wěn)定的+5V直流電壓，12V電源同理，只是把220V的交流電壓變?yōu)?6V，芯片選用LM7812。電源電路設(shè)計(jì)如圖3-3所示。 </p><p>　　圖3-3 電源電路</p><p>

66、;　　3.3 AT89C51主控芯片的最小系統(tǒng)</p><p>　　本系統(tǒng)選用AT89C51型號(hào)單片機(jī)作為主控部件，AT89C51是一種具有4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，它有40個(gè)引腳，有四組輸入輸出接口，每組8個(gè)，分別是P0，P1，P2和P3口。其中在P0口作為輸出口時(shí)，外部必須接上拉電阻。P3口同時(shí)也可作為一些特殊功能口，P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT

67、1（外部中斷1)等。</p><p>　?。?）RES：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平 時(shí)間。</p><p>　　（2）/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。</p><p>　?。?）/EA/VPP：當(dāng)/EA是低電平時(shí)，在這段時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)外部程序存（0000H-FFFFH），當(dāng)/EA是高電平時(shí)，這時(shí)訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器。</

68、p><p>　?。?）XTAL1：反向振蕩器的輸入，與外部晶振相連。</p><p>　　（5）XTAL2：反向振蕩器的輸出，與外部晶振相連。</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖</p><p>　　3.4 PWM信號(hào)接口電路</p><

69、;p>　　對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，通常是調(diào)節(jié)電壓來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的，我們用PWM辦法來(lái)控制，它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域，我們通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比來(lái)控制加在電機(jī)兩端的電壓，從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)速，為了滿足設(shè)計(jì)要求，要求改信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生占空比可調(diào)，高精度，大功率的脈寬調(diào)制信號(hào)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器是用單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)

70、換芯片DAC0832輸出脈寬調(diào)制波形，再通過(guò)兩級(jí)信號(hào)放大和高頻率的模擬開(kāi)關(guān)對(duì)波形進(jìn)行整形，這樣得到較為完美的波形后經(jīng)過(guò)一組達(dá)林頓管對(duì)電流進(jìn)行放大得到功率相對(duì)較大的脈沖信號(hào)[5]，硬件框圖如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 PWM波系統(tǒng)硬件框圖</p><p>　　3.4.1 單片機(jī)控制D/A芯片接口電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　D/A芯片選用由Na

71、tional Semiconductor公司生產(chǎn)的DAC0832，它是20引腳雙列直插式低功耗CMOS器件，其中：</p><p>　　（1） D0～D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時(shí)間應(yīng)大于90ns</p><p>　?。?） ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效?！?lt;/p><p>　?。?） CS：片選信號(hào)輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效。

72、　　　</p><p>　?。?） IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化?！　?lt;/p><p>　?。?） IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)?！　?lt;/p><p>　?。?） Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V～+15V?！?lt;/p><p>　　圖3-6 AT89C51與DAC0832的接

73、口電路圖　　</p><p>　　它內(nèi)部具有兩級(jí)數(shù)據(jù)寄存器，完成8位電流D/A轉(zhuǎn)換。要得到滿足要求的波形，還d得經(jīng)過(guò)DAC0832的輸出口接運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于DAC0832的轉(zhuǎn)換速率比較高，為了能夠與其速度相匹配，在這里我們選擇了LF357運(yùn)算放大器，LF357具有較高的轉(zhuǎn)換速率，而且具有低出入偏置電流，小的輸入偏移電流，低輸入噪聲電流，共模抑制比高，較寬的頻帶增益這些優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)與DAC0832的接口電路如

74、圖3-6所示。</p><p>　　3.4.2 波形整形及放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　由于通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和運(yùn)算放大器輸出的脈寬調(diào)制波形仍然不夠平滑，所以還必須對(duì)輸出的脈寬調(diào)制波形進(jìn)行整形，以達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求。波形整形芯片選擇MAX4624，它是先合后開(kāi)的小電阻，低電壓的單刀雙擲的模擬開(kāi)關(guān)，自身有過(guò)流保護(hù)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)快速開(kāi)閉，其最大時(shí)間均為50ns,電路開(kāi)路時(shí)的電阻很低，當(dāng)供電

75、電壓是5V時(shí)，開(kāi)路電阻式1歐姆；當(dāng)供電電壓是3V時(shí)，開(kāi)路電阻是2歐姆。要想得到較大功率的脈沖信號(hào)，必須對(duì)第二級(jí)放大后的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大，這里選用兩只JFET管組成一對(duì)達(dá)林頓管進(jìn)行電流放大。同時(shí)為滿足實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)不同功率脈沖信號(hào)的要求，將第二級(jí)放大增益設(shè)計(jì)為可調(diào)的。其連接電如3-7所示。</p><p>　　圖3-7 波形整形及放大電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5 功率放大和驅(qū)動(dòng)模塊

76、</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制組成如圖3-8所示：由圖可以看出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要控制信號(hào)有電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號(hào)DIR，電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)PWM，E1為驅(qū)動(dòng)邏輯電路部分提供電源，E2為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源；M+，M-為直流電機(jī)接口。</p><p>　　圖3-8 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制組成圖</p><p>　　3.5.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路的設(shè)計(jì)</p><p

77、>　　單片機(jī)I/O口送來(lái)的DIR信號(hào)和PWM接口電路送來(lái)的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)反向器74LS04和與門器74LS08運(yùn)算后，再驅(qū)動(dòng)光電隔離器，反向控制信號(hào)是DIR,在它輸入時(shí)為DIR1，經(jīng)反向后的DIR2，DIR1和轉(zhuǎn)速控制信號(hào)PWM再通過(guò)74LS08與運(yùn)算后，得到轉(zhuǎn)速控制信號(hào)PWM2；DIR2和轉(zhuǎn)速控制信號(hào)PWM相與后，得到轉(zhuǎn)速控制信號(hào)PWM1，這樣就得到了兩組控制信號(hào)：DIR1，PWM1和DIR2，PWM2兩組信號(hào)分別去驅(qū)動(dòng)光電隔

78、離電路；DIR1和DIR2用來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)向的，PWM1和PWM2用來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中邏輯電路圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 邏輯電路圖</p><p>　　3.5.2 光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　為減少驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)其它電路的干擾和對(duì)其 它電路的保護(hù)，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與其它控制電路進(jìn)行電氣隔離，如下圖3-10所示

79、。在選則光電隔離器時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和每個(gè)光電隔離器的功能不同，在這里選用的2種光電隔離器，他們的型號(hào)是817C和PS9713。其中，817C是低頻率的光電隔離器，與DIR1和DIR2連接，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向；PS9713是快速光電隔離器，開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高，與PWM1和PWM2連接，用來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。若DIR1是1時(shí)，DIR2為0,則PWM1為0，PWM2是和PWM一致的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，這時(shí)A點(diǎn)的點(diǎn)位為1，光電隔離器U3截止,U4導(dǎo)通，

80、B、F點(diǎn)的點(diǎn)位為0，又因?yàn)镈IR2為0，則C點(diǎn)的點(diǎn)位為0，光電隔離器飽U1導(dǎo)通，U2截止，D點(diǎn)的點(diǎn)位為E2，使得U2受PWM2控制工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。</p><p>　　圖3-10 光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大電路</p><p>　　3.6 速度檢測(cè)模塊</p><p>　　本設(shè)計(jì)的速度檢測(cè)模塊式基于光電編碼器進(jìn)行設(shè)計(jì)的，光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的幾何位置轉(zhuǎn)

81、換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵板和光電檢測(cè)電路組成。</p><p>　　光柵盤是在一定直徑的圓盤上等分開(kāi)通若干長(zhǎng)方形孔。由于光電編碼器與電動(dòng)機(jī)同軸，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤和電機(jī)以相同的速度旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)發(fā)光二級(jí)等組成的檢測(cè)電路輸出脈沖信號(hào)，再計(jì)算光電編碼器每秒內(nèi)輸出的脈沖數(shù)就能夠反映當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速，此外為了判斷轉(zhuǎn)速的方向，碼盤還可以提供相差90°的兩路脈沖信號(hào)。<

82、/p><p>　　增量式光電編碼器是利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組A、B和Z相。A、B兩相脈沖相位之差是90°，所以能夠很方便的判斷方向，而Z相位每一轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用作基準(zhǔn)點(diǎn)定位，它的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，平均機(jī)械壽命長(zhǎng)，很強(qiáng)的抗干擾能力，可靠性高，所以本設(shè)計(jì)選用增量型編碼器。光電編碼器輸出的三路脈沖信號(hào)OUT-Z、OUT-A和OUT-B，再分別通過(guò)三片光電耦合器使脈沖信號(hào)隔離輸出穩(wěn)定的5V電壓，在這里選用6N137光耦

83、合器，它具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，能了TTL電平兼容。值得注意的是，在6N137光電隔離器的VCC管腳旁應(yīng)該有一個(gè)0.1uF的去耦電容。電容類型選擇的時(shí)候，應(yīng)選擇那些高頻特性好的陶瓷電容，而且盡可能的靠近6N137光耦合器的VCC管腳。6N137光電編碼器的OUT口輸出電路是集電極開(kāi)路電阻，還必須接上拉電阻，此外6N137光電編碼器的A口和C口之間是一個(gè)LED,還必須串接一個(gè)電阻來(lái)限流。然后再接到SN74HC14上

84、對(duì)波形進(jìn)行整形將整形后的信號(hào)接入一個(gè)RC低通濾波器，濾除高頻脈沖毛刺，提高測(cè)量精度，整形后的輸出信號(hào)分別接到單片機(jī)的P3.4、P3.3和P3.2口，進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。轉(zhuǎn)速檢</p><p>　　圖3-11 速度檢測(cè)電路</p><p>　　3.7 電流檢測(cè)電路</p><p>　　電流檢測(cè)采用ACS712傳感器,它是一種線性的電流傳感器，內(nèi)部有低偏置的線性霍爾傳感器

85、，能輸出與檢測(cè)的交流或直流電流成比例的電壓。具有低噪聲，響應(yīng)時(shí)間快能，使用方便，性價(jià)比高等特點(diǎn)。被檢測(cè)的電流通過(guò)引腳1和2,3和4輸入，在片內(nèi)通過(guò)霍爾IC感應(yīng)轉(zhuǎn)換為成比例的電壓。由于片內(nèi)具有電阻和一個(gè)緩沖放大器，在這里我們通過(guò)在6腳外接一個(gè)電容構(gòu)成一個(gè)低通濾波器。檢測(cè)到的電壓通過(guò)7腳輸出。</p><p>　　由ACS712輸出的電壓信號(hào)接到TLC549A/D轉(zhuǎn)換器上，它是一種低價(jià)位、高性能的8位A/D轉(zhuǎn)換器，它

86、以8為開(kāi)關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的。電源是3V到6V,它能很方便的采用串行口的方式與單片機(jī)連接。工作原理如下：當(dāng)CS為高時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端處于高阻狀態(tài)，此時(shí)TLC549的第7腳不起作用；當(dāng)內(nèi)部電路測(cè)出CS下降沿之后，在進(jìn)過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘的一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿，這一變化才被確認(rèn)，讓后自動(dòng)把上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果最高位輸出到TLC549的第6腳（OUT）；前四個(gè)時(shí)鐘脈沖周期的下降沿依次輸出第2、3、4和第5個(gè)位，在第4個(gè)脈沖周期的下降沿采樣保持

87、電路開(kāi)始采樣模擬輸入量；接下來(lái)的3個(gè)脈沖周期周期的下降輸出第6、7和第8個(gè)轉(zhuǎn)換位。其硬件電路圖如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 電流轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.8 按鍵和顯示模塊</p><p>　　3.8.1 顯示電路</p><p>　　在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，要對(duì)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，這樣便于操作人

88、員進(jìn)行控制，所以顯示電路的設(shè)計(jì)也是非常必要的。</p><p>　　本系統(tǒng)采用液晶LCD1602進(jìn)行顯示，它微功耗、體積小、超薄輕巧、顯示內(nèi)容豐富；+5V電壓，對(duì)比度可調(diào) 、內(nèi)含復(fù)位電路并提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能。51系列單片機(jī)的P0口內(nèi)部沒(méi)有集成上拉電阻，所以它叫做準(zhǔn)雙向口而不叫雙向口。如果你想讓它輸出高電平的話，必須要通過(guò)上拉電阻接VCC。本系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)LCD，那么用1

89、K左右的就行了。如果希望亮度大一些，電阻可減小，最小不要小于200歐姆，否則電流太大；如果希望亮度小一些，電阻可增大，增加到多少呢，主要看亮度情況，以亮度合適為準(zhǔn)，一般來(lái)說(shuō)超過(guò)3K以上時(shí)，亮度就很弱了。顯示電路如圖3-13。</p><p>　　圖3-13 顯示電路</p><p>　　3.8.2 按鍵電路</p><p>　　在調(diào)速裝置中，需要通過(guò)按鍵來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)

90、單的控制，因此它是硬件電路中非常必要的。在本設(shè)計(jì)中共用了5個(gè)按鍵，名稱和功能等如下，電路圖如圖3-14所示。S1是復(fù)位按鍵；S2是功能按鍵；S3是加速/正傳按鍵；S4減速/反轉(zhuǎn)按鍵；S5是啟動(dòng)/停止按鍵，當(dāng)要進(jìn)行轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)時(shí)，按下功能鍵然后選擇正傳還是反轉(zhuǎn)，按下功能鍵確定；當(dāng)要進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，按下功能鍵然后選擇加速還是減速，按下功能鍵確定。</p><p>　　圖3-14 按鍵電路</p><

91、p>　　第4章 軟件程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 PWM信號(hào)發(fā)生器軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　PWM信號(hào)發(fā)生器程序框圖如圖4-1和4-2所示，單片機(jī)對(duì)PWM波的頻率、占空比、輸出口以及DAC0832的控制端進(jìn)行初始化，啟動(dòng)DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，這時(shí)候程序開(kāi)始對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，判斷是否有鍵按下，當(dāng)確定沒(méi)有鍵按下時(shí)，直接調(diào)用PWM子程序，根據(jù)程序設(shè)定好的占空比計(jì)算各

92、段波形持續(xù)的時(shí)間，再計(jì)算定時(shí)器所需的常數(shù)，輸出相應(yīng)的PWM波形；當(dāng)確定有按鍵按下時(shí)，延時(shí)20ms，再進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)用PWM子程序，同理輸出相應(yīng)的PWM波形。</p><p>　　圖4-1 PWM波子程序</p><p>　　圖4-2 PWM波主程序流程圖</p><p><b>　　程序如下所示：</b></p><p

93、>　　#include<reg51.h>#include<absacc.h> //使用其中定義的宏來(lái)訪問(wèn)絕對(duì)地址#define DAC0832 XBYTE[0x7fff] /* 定義DAC0832端口地址 */#define uchar unsigned char#define uint unsigned int</p><p>　　Sbit E=P3^1;&

94、lt;/p><p>　　Sbit Function=P1^0;//定義功能按鍵</p><p>　　Sbit Direction=P1^1; //定義正傳反轉(zhuǎn)按鍵</p><p>　　Sbit Speed=P1^2; //定義減速減速按鍵</p><p>　　uchar i,j,a;</p><p>　　vo

95、id delay(uchar t) //延時(shí)函數(shù){ while(t--);}</p><p>　　void square(void){ /* 方波發(fā)生函數(shù) */DAC0832=0x0000;delay(i);DAC0832=0xffff;delay(j);}void main(void){</p>&l

96、t;p>　　if(Function==0) //判斷功能鍵是否按下</p><p>　　void delay(uchar t) //延時(shí)去抖</p><p>　　if(Function==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　If(Direction==0)</

97、p><p>　　void delay(uchar t)</p><p>　　If(Direction==0)</p><p>　　While(Function==0) //確定要改變轉(zhuǎn)向 </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　a=j;</

98、b></p><p><b>　　j=i;</b></p><p><b>　　i=a;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(Speed==0) //加速鍵按下</p><p>　　Void delay(

99、uchar t) //延時(shí)去抖</p><p>　　if(Speed==0) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　void delay(uchar t)</p><p><b>　　i=i+5;</b></p><p>&l

100、t;b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　elsewhile( { square(); /* 產(chǎn)生方波 */}}</p><p>　　4.2 顯示電路軟件設(shè)計(jì)</p><

101、p>　　4.2.1 字符的顯示</p><p>　　用LCD 顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，首先找到顯示屏上某個(gè)位置所對(duì)應(yīng)的RAM區(qū)的8個(gè)字節(jié)，在有程序分別對(duì)這個(gè)8個(gè)字節(jié)置“1”或置“0”，“1”表示點(diǎn)亮，“0”表示不亮，</p><p>　　這樣組合起來(lái)就能把一個(gè)字符點(diǎn)亮。但是有的控制器內(nèi)部自帶字符發(fā)生器，如LCD1602，顯示一個(gè)字符就非常容易了，把控制器的工作設(shè)定在文本方式，再根據(jù)

102、字符顯示的位置，找到該位置找出顯示RAM所對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在把所需要的字符代碼送上去就可以了。</p><p>　　4.2.2 漢字的顯示</p><p>　　顯示漢字大都采用顯示圖形的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，先把你所顯示漢字的點(diǎn)陣碼提取出來(lái)，再把所顯示漢字位置的行列數(shù)找出來(lái)，確定對(duì)應(yīng)的RAM區(qū)的地址，設(shè)立光標(biāo)，把所要顯示漢字的第一個(gè)字節(jié)送上去，光標(biāo)所在位置加1，然后送下一個(gè)字節(jié)，這樣直到把一

103、個(gè)完整的漢字顯示出來(lái)。</p><p>　　4.2.3 LCD1602 的引腳說(shuō)明</p><p>　　LCD1602引腳說(shuō)明如表4-1所示：</p><p>　　表4-1 引腳接口說(shuō)明表</p><p>　　4.2.3 LCD1602指令說(shuō)明及時(shí)序</p><p>　　LCD1602指令說(shuō)明如表4-2所示：&l

104、t;/p><p>　　表4-2 LCD1602控制命令表 </p><p>　　LCD1602液晶顯示程序流程如圖4-3所示，先對(duì)LCD輸入模式、光標(biāo)是否閃爍、字符的移位等進(jìn)行初始化，延時(shí)20ms,對(duì)LCD寫(xiě)指令。再確定要顯示的位置，寫(xiě)它所在行列地址，再去首地址，寫(xiě)數(shù)據(jù)，判斷是否寫(xiě)完一行。然后讀數(shù)據(jù)，再判斷一次是否超過(guò)了一行，最后讀數(shù)據(jù)并顯示并返回。</p><p>

105、;　　圖4-5 LCD顯示流程圖</p><p>　　4.3 雙閉環(huán)PI控制軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4-6 雙閉環(huán)控制流程圖</p><p>　　在雙閉環(huán)控制程序中，先對(duì)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行電流和速度進(jìn)行采樣，分別調(diào)用電流環(huán)和速度環(huán)子程序進(jìn)行控制。按下啟動(dòng)按鍵然后對(duì)轉(zhuǎn)向進(jìn)行判斷、顯示;對(duì)光電編碼器送來(lái)的脈沖進(jìn)行進(jìn)行計(jì)算、顯示轉(zhuǎn)速。程序流程如圖4-6所

106、示，程序如下：</p><p>　　#define N_KP 0x6800； //速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)</p><p>　　#define N_KI 0x007A； //速度調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)</p><p>　　#define N_KC 0x0012； //速度調(diào)節(jié)器的積分飽和修正系數(shù)=N_KI/N_KP</p><p&

107、gt;　　#define I_KP 0x007A； //電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)</p><p>　　#define I_KI 0x0999； //電流調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)</p><p>　　#define I_KC 0x00CC； //電流調(diào)節(jié)器的積分飽和修正系數(shù)=I_KI/I_KP</p><p>　　int16 I_REF = 0；

108、 </p><p>　　int16 N_REF = 0； </p><p>　　Uint16 DIRECTION =1； //轉(zhuǎn)速方向標(biāo)志</p><p>　　int16 I_EK； //電流偏差</p><p>　　Uint16 I_RK= 0； //第K次電流積

109、分累計(jì)</p><p>　　int16 I_U； //電流調(diào)節(jié)器的輸出</p><p>　　Uint16 I_ELPI； //電流最大偏差</p><p>　　int32 TMP； //臨時(shí)變量</p><p>　　Uint16 ENCODEROLD；

110、 //編碼器前一次的讀數(shù)</p><p>　　Uint16 ENCINCR = 0x0000； //編碼增量</p><p>　　Uint16 SPEEDTMP = 0x0000； //編碼器輸出的脈沖累計(jì)</p><p>　　Uint16 SPEEDSTEP = 100； //對(duì)速度調(diào)節(jié)器計(jì)數(shù)</

111、p><p>　　Uint16 KSPEED = 0x1000； //編碼脈沖</p><p>　　Uint16 N； //轉(zhuǎn)速反饋量</p><p>　　int16 N_EK； //速度偏差</p><p>　　Uint16 N_RK；

112、//第K次速度積分累計(jì)</p><p>　　int16 N_U； //速度調(diào)節(jié)輸出</p><p>　　Uint16 N_ELPI = 0； //速度極限偏差</p><p>　　int16 I_MIN = -9990；</p><p>　　int16 I_MAX = 9990；</p&g