H橋PWM數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計說明

1、. . . . I / 55摘摘 要要隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人民生活水平的提高，對自動化的需求也越來越高。直流電動機(jī)因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡單、易于大圍平滑調(diào)速、控制性能好等特點，應(yīng)用領(lǐng)域越來越大，這就對電動機(jī)的控制提出了極高的要求。應(yīng)用于直流電機(jī)的調(diào)速方式很多，其中以 PWM 脈寬調(diào)制調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛，而PWM 脈寬調(diào)制中，H 型 PWM 脈寬調(diào)制的性能尤為突出。本文是基于 H 型 PWM 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，對各個部分分別進(jìn)行論證，力圖在每個組成單元上都達(dá)到最好的系統(tǒng)性能。它以單片機(jī)為控制核心，由雙閉環(huán)（電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)） 、驅(qū)動電路、電流檢測、鍵盤輸入、LED 數(shù)碼管顯示、報

2、警電路等幾部分組成。采用全控型大功率晶體管 GTR，可方便的控制其通斷，因此它組成的 H 型 PWM 調(diào)速系統(tǒng)除結(jié)構(gòu)簡單外，更具有開關(guān)頻率高、主回路脈動成分小、低速運(yùn)行性能好等優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：單片機(jī) PWM 直流電動機(jī) GTR. . . . II / 55AbstractAbstractWith the accelerated pace of modernization, the peoples living standards improve, the demand for automation is increasingly high. DC motor it has a more

3、flexible, adjust the speed, the method is simple, easy-to large-scale smooth speed control and good performance characteristics, application areas is growing, demand the very best this motor control. Applied to the DC motor speed control There are many ways, the most widely used of which the PWM pul

4、se width modulation speed control applications, the PWM pulse width modulation, especially the performance of H-type PWM pulse width modulation.This article is based on the H-type PWM digital DC speed control system design, the various parts of the argument, trying to achieve the best performance in

5、 each component unit. MCU control core, double closed-loop (current loop and speed loop), the drive circuit, the current detection, keyboard input, LED digital display, alarm circuit composed of several parts. Full-controlled power transistors GTR, the control off, it is composed of H-type PWM speed

6、 control system apart from the simple structure, but also has a high switching frequency, the small pulsation composition of the main circuit, running at low speed performance and other advantages.Keywords:Keywords:microcontrollerPWMDC motor GTR. . . . III / 55目目 錄錄第第 1 1 章概述章概述- 1 -1.1 問題的引出- 1 -1.

7、2 直流電動機(jī)控制的發(fā)展史- 1 -1.3 PWM 數(shù)字直流調(diào)速的特點- 3 -1.3.1 PWM 直流調(diào)速的特點- 3 -1.3.2 電動機(jī)微機(jī)控制的特點- 3 -1.4 本設(shè)計的主要容- 4 -第第 2 2 章方案的設(shè)計與論證章方案的設(shè)計與論證- 5 -2.1 控制方案的選擇- 5 -2.2 控制器與元器件的選擇與設(shè)計- 6 -2.2.1 控制器的選擇- 6 -2.2.2 晶體管的選擇- 7 -2.2.3 電動機(jī)的選擇- 7 -2.2.4 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計- 8 -2.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計- 8 -2.2.6 電動機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測- 8 -2.2.7 電流檢測- 11 -2.2.8 顯示電

8、路- 11 -2.2.9 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇- 11 -第第 3 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計章系統(tǒng)硬件設(shè)計- 13 -3.1 控制單元電路設(shè)計- 13 -3.1.1 AT89C51 單片機(jī)的概述- 13 -3.1.2 時鐘電路設(shè)計- 16 -. . . . IV / 553.1.3 復(fù)位電路設(shè)計- 17 -3.2 主電路的設(shè)計- 19 -3.3 驅(qū)動電路的設(shè)計- 21 -3.4 測速電路- 22 -3.5 鍵盤顯示電路- 22 -3.6 電流檢測電路- 23 -3.7 A/D 轉(zhuǎn)換電路- 24 -3.8 報警電路- 25 -3.9 直流電源電路的設(shè)計- 26 -第第 4 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計章系統(tǒng)軟件

9、設(shè)計- 28 -4.1 系統(tǒng)設(shè)計思想- 28 -4.2 編程語言的選擇- 30 -4.3 PID 算法的單片機(jī)程序的實現(xiàn)- 32 -4.4 數(shù)據(jù)采集與處理子程序設(shè)計- 35 -4.4.1 數(shù)據(jù)采集子程序- 35 -4.4.2 數(shù)字濾波子程序- 36 -總結(jié)總結(jié)- 37 -致致- 38 -參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)- 39 -附錄附錄 1 1：H H 型型 PWMPWM 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計原理圖數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計原理圖- 40 -附錄附錄 2 2：H H 型型 PWMPWM 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計程序清單數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計程序清單- 41 -. . . . - 1 - / 55第第 1 1 章章 概概

10、 述述1.11.1 問題的引出問題的引出數(shù)字直流調(diào)速裝置，它不僅能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定圍功率和電流大小的直流電機(jī)，而且同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟 件版本對不同類型的被控對象進(jìn)行控制，強(qiáng)大的通訊功能使它能夠和 PLC 等各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，具有操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)等特點。其方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不夠完善、調(diào)試不方便、體積大等不足。另外數(shù)字控制系統(tǒng)具有查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡單等優(yōu)勢

11、，使其具備了極其廣闊的應(yīng)用前景。目前國外主要的電氣公司如瑞典的 ABB 公司、德國的西門子公司和 AEG 公司、日本的三菱公司和東芝公司、美國的 GE 公司等，均已經(jīng)開發(fā)出多個數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。自從 20 世紀(jì) 60 年代我國初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)在我國國民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。我國直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（pulse width modulation,簡稱 PWM）方向發(fā)展，但我國現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置都依靠進(jìn)口，但由于進(jìn)口設(shè)備價格昂貴，因此研究

12、數(shù)字直流調(diào)速裝置成為了一件迫切而又極具意義的事情。1.21.2 直流電動機(jī)控制的發(fā)展史直流電動機(jī)控制的發(fā)展史常用的控制直流電動機(jī)的方式有以下幾種:. . . . - 2 - / 55第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機(jī)械特性軟，不能在較寬圍平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電

13、動機(jī)減速時，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機(jī)、電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)、電動機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高，特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)、電動機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護(hù)人員會造成一定的危害等。第四，1957 年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而

14、晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。第五，從 20 世紀(jì) 80 年代中后期起，以大功率晶體管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機(jī)電動機(jī)組與水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進(jìn)。同時，控制電路也實現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性與低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，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。隨著微型計算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以與自動控制理論、電力電子技

15、術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動機(jī)控制也裝置不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使直流電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極推動了電氣傳動的發(fā)展。近年來，一些先進(jìn)國家陸續(xù)推出并大量使用以微機(jī)為控制核心的直流電氣傳動裝置，如西門子公司的 SIMOREG . . . . - 3 - / 55K6RA24、ABB 公司的 PAD/PSD 等等。1.31.3 PWMPWM 數(shù)字直流調(diào)速的特點數(shù)字直流調(diào)速的特點1.3.11.3.1 PWMPWM 直流調(diào)速的特點直流調(diào)速的特點自從全控型電力電子器件問世，就產(chǎn)生了以脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，從而形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱為直流脈寬調(diào)速系

16、統(tǒng)（或者直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)） 。直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)具有其他調(diào)速方式所不具備的幾大特點：1直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的電力電子器件少 ；2. 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電動機(jī)損耗與發(fā)熱都較?。?3低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速圍廣，可達(dá)到 1:1000 左右； 4若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)； 5電力電子開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；6當(dāng)直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高；1.3.21.3.2 電動機(jī)微機(jī)控制的特點電動機(jī)微機(jī)控制的特點目前，很多電動機(jī)機(jī)

17、微機(jī)控制系統(tǒng)都是由數(shù)字部件和模擬部件組成的混合系統(tǒng)，而全數(shù)字控制系統(tǒng)是當(dāng)前的發(fā)展方向。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，通常是既有模擬信號，也有數(shù)字信號；既有連續(xù)信號，也有離散信號。由于計算機(jī)的 CPU 只能識別和處理數(shù)字信號，而且只能一次次離散地處理，所以計算機(jī)處理外界信息時總要有一個采樣過程，因此電動機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)必然是一種采樣控制系統(tǒng)。電動機(jī)微機(jī)控制的主要特點：1.硬件比較簡單，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化；2.可以分時操作；一臺微機(jī)可以起多個控制器的作用，為多個控制回路服務(wù)；. . . . - 4 - / 55也可控制多個電動機(jī)，完成較多的功能；3.微型計算機(jī)具有記憶和判斷功能，系統(tǒng)的控制

18、方式由軟件決定，若要改變控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件，只需按新的控制規(guī)律編出新的程序即可；且可在運(yùn)行中隨時根據(jù)不同的電動機(jī)工作狀態(tài)，選擇最有利的系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略等；使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性；4.微型計算機(jī)的運(yùn)算速度快，精度高。它有豐富的邏輯判斷功能和大容量的存儲單元，因此有可能實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如采樣參數(shù)辨識、優(yōu)化控制等現(xiàn)代控制理論所提供的控制算法，以達(dá)到較高的控制質(zhì)量；5.可以避免數(shù)字量的運(yùn)算出時現(xiàn)模擬電路中所遇到的零點漂移問題，被控量可以很大，也可以很小，都較易保證足夠的控制精度；6.信息處理能力強(qiáng)，可以完成各種數(shù)據(jù)的處理，與時給操作人員提供有用的信息和指示；正因為

19、有著上述優(yōu)點，電動機(jī)微機(jī)控制的理論與應(yīng)用均得到了迅速的發(fā)展，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)和普與。1.41.4 本設(shè)計的主要容本設(shè)計的主要容交流電通過單相橋式整流電路轉(zhuǎn)換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流 PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動機(jī)供電。檢測回路包括電流和轉(zhuǎn)速檢測，其中電流檢測通過霍耳元件檢測由 A/D 轉(zhuǎn)化通道變?yōu)閿?shù)字量送給單片機(jī)，轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速，實時檢測電流和轉(zhuǎn)速的大小，并有顯示電流值和轉(zhuǎn)速。通過按鍵確定設(shè)定值，與測量值進(jìn)行比較判斷。當(dāng)檢測值大于設(shè)定值，出現(xiàn)故障時，報警裝置啟動，以便人工處理。當(dāng)檢測值小于等于設(shè)定值時，通過改變 PWM 值調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。鍵盤與顯示電路采用專用芯片，PWM 由

20、單片機(jī)部定時產(chǎn)生。轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)均采用閉環(huán)，由軟件控制，其中電流環(huán)為環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)，環(huán)的采樣周期小于外環(huán)的采樣周期。由于采樣值有擾動，因此采用軟件濾波。通過軟件控制大功率晶體管 GTR 的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)單極式、雙極式、受限單極式三種控制方式之間的自動切換。. . . . - 5 - / 55第第 2 2 章章 方案的設(shè)計與論證方案的設(shè)計與論證2.12.1 控制方案的選擇控制方案的選擇自動控制（automatic control）是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動控制是相對人工控制概念而言的。指的是

21、在沒人參與的情況下，利用控制裝置使被控對象或過程自動地按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。自動控制系統(tǒng)按照控制裝置與被控對象之間的作用，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。開環(huán)控制是指控制裝置與被控對象之間只有正向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。具有以下特點：1. 輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，通常容易實現(xiàn)；2. 組成系統(tǒng)的元、部件精度高，系統(tǒng)的準(zhǔn)確度才能高；3. 系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題；開環(huán)系統(tǒng)存在的問題：1. 要求元、部件的精度要高；2. 當(dāng)存在變化規(guī)律無法預(yù)測的干擾時，系統(tǒng)不容易實現(xiàn)；閉環(huán)控制系統(tǒng)是指指控制裝置與被控對象之間既有正向作用又有方向聯(lián)系的控制過程。其具有以下特點：1. 輸出影響輸

22、入，因此能削弱或抑制干擾；2. 低精度的元、部件可以組成高精度的系統(tǒng)；3.因為可能發(fā)生超調(diào)、振蕩，所以穩(wěn)定性問題很重要；根據(jù)文章的總體設(shè)計要求，選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖 2-1 所示。. . . . - 6 - / 55單片機(jī)電動機(jī)測量元件A/D轉(zhuǎn)化 給定值驅(qū)動電路圖 2-1 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖2.22.2 控制器與元器件的選擇與設(shè)計控制器與元器件的選擇與設(shè)計2.2.12.2.1 控制器的選擇控制器的選擇常用的控制器主要有：1.單片微型計算機(jī)（MCU）：是一種集成在電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中

23、斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。主要特點如下：（1）具有較高的性價比；（2）體積小，可靠性高；（3）控制功能強(qiáng)；（4）使用方便，容易產(chǎn)品化；2.工業(yè)控制計算機(jī)（IPC）：用于工業(yè)控制的計算機(jī)，用于工業(yè)過程測量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作。主要有以下特點：（1）可靠性高，實時性好；（2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，過程輸入和輸出配套比較好；（3）系統(tǒng)擴(kuò)展性好，且具有開放性；（4）通信能力強(qiáng)，后備措施齊全；3.可編程邏輯控制器（PLC）：是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機(jī),具有以下特點：. . . . - 7 - / 55（1）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；（

24、2）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎；（4）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造；（5）體積小，重量輕，能耗低；根據(jù)設(shè)計的要求以與產(chǎn)品的性價比，控制器選擇單片微型計算機(jī)即可。2.2.22.2.2 晶體管的選擇晶體管的選擇晶體管選擇的主要原則與注意事項：1在工作過程中，為防止晶體管損壞，必須使它工作在安全區(qū)，因此：（1）當(dāng)需要工作電平高時，應(yīng)選大的高反壓管，尤其要注意 b、e 間的ceoV反向電壓不要超過。eboV（2）在需要輸出大功率時，應(yīng)選值大的功率管，但同時注意必須滿足其cmP散熱要求。（3）在需要輸出大電流時，應(yīng)選大的管子。cmI2當(dāng)工作信號頻率高時，

25、必須選用高頻管或超高頻管；如果用于開關(guān)電路，則應(yīng)選擇開關(guān)管。3由于硅管反向電流小，允許晶體管的溫度高。因此對這些參數(shù)要求較高時應(yīng)選用硅管；而當(dāng)要求導(dǎo)通電壓低時可選用鍺管。4同型號的晶體管中反向電流越小，一般性能較好，在選用晶體管時可做參考；而 值則一般選幾十至一百左右，當(dāng) 太大時，晶體管性能不穩(wěn)定。5當(dāng)直流電源對地為正值時，多選用 NPN 管組成電路；負(fù)值時多選用 PNP 管組成電路。2.2.32.2.3 電動機(jī)的選擇電動機(jī)的選擇本設(shè)計要求的電動機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)：功率 2.2KW. . . . - 8 - / 55電壓 220V電流 12.5A轉(zhuǎn)速 1500r/min調(diào)速圍 D10002.2.

26、42.2.4 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器時，首先應(yīng)該考慮把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以可以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的與時抗擾作用只是次要的因素。因此，本設(shè)計中電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)。2.2.52.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差在負(fù)載抗擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，由于在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳

27、遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。按照線性系統(tǒng)理論數(shù)據(jù)的推算，實際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低，從而大道轉(zhuǎn)速無超調(diào)的目標(biāo)。因此，本設(shè)計中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器。2.2.62.2.6 電動機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)速的與時準(zhǔn)確檢測,與閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制精度緊密相關(guān)。不論是直流調(diào)速系統(tǒng)還是交流調(diào)速系統(tǒng),只有轉(zhuǎn)速的高精度檢測,才能得到高精度的控制系統(tǒng)。速度的數(shù)字檢測基本方法是利用與電動機(jī)同軸連接的光電脈沖發(fā)生器的輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比的原理,根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速率和序列,測量轉(zhuǎn)速. . .

28、 . - 9 - / 55和判別其旋轉(zhuǎn)方向。電動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字檢測方法很多,以下是常用的幾種方法。在電動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字檢測方法中,測速精度首先應(yīng)滿足指標(biāo)要求。1測速指標(biāo)（1）分辨率每改變一個數(shù)字脈沖所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量,以表示,定義為分辨率。值愈QQ小愈好。值愈小,說明測速裝置對轉(zhuǎn)速變化愈靈敏,即測速分辨率愈高。設(shè)在某Q一定時間,轉(zhuǎn)速變?yōu)?所發(fā)出的光電測速脈沖數(shù)為,則分辨率的定義為1n2nmQ即每一個光電測速脈沖所對應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速。mnmnQ/21（2）測速精度測速精度用測速誤差的相對值的百分?jǐn)?shù)表示,記以。當(dāng)實際轉(zhuǎn)速為,轉(zhuǎn)速%n實際值與測量值之差為時,則測速精度為，測速精度決定于n%100)/(=%

29、nn測速部件的機(jī)械制造精度, 并與測速方法有關(guān)。用光電碼盤測速總會有 1 個脈沖所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速誤差。愈小,測量誤差愈小,即測速精度愈高。%（3）檢測時間連續(xù)兩次采樣轉(zhuǎn)速的間隔時間,以表示。愈短,愈有利于快速響應(yīng)。0T0T2電動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)字檢測方法(1) M/T 法M/T 測速法的基本原理是:檢測周期時間由兩部分組成,其中為設(shè)定的固Ts0T定不變時間;為從時間結(jié)束到此后出現(xiàn)的第一個光電脈沖為止的時間。設(shè)旋T0T轉(zhuǎn)編碼每轉(zhuǎn)發(fā)出個脈沖，在檢測周期時間旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)是,Z0T1m在檢測周期時鐘脈沖計數(shù)值,則轉(zhuǎn)速為,式中,為檢Ts2m)/(60Ts2n=Zm /21測周期被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)軸角,(為時

30、鐘脈沖頻率),將其代入上式后得 M/TTsfm /2f法轉(zhuǎn)速的計算式為：)/(6021Zmfmn （2）旋轉(zhuǎn)編碼器光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是檢測轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)角的元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機(jī)相連，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)角信號。它已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)中作為檢測機(jī)械傳動裝置的角位移、角速度、線位移、線速度等靜、動態(tài)運(yùn)動參量的傳感元件，尤其在多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人的電機(jī)伺服系統(tǒng)中，各關(guān)節(jié)均裝有光電碼器用于檢測各關(guān)節(jié)的姿態(tài)。光電碼器有兩種基本形式絕對式. . . . - 10 - / 55光電碼器與增量式光電碼器。由于增量式光電碼器較絕對式光電碼器結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、價格便宜，因而應(yīng)用較廣泛

31、，尤其是在高分辨率和大圍的位置測量中，增量式光電碼器更具有優(yōu)越性。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，如圖 2-2 所示，當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，編碼盤隨之一起轉(zhuǎn)動。通過光柵的作用，持續(xù)不斷地開放或封閉通路，因此，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計算轉(zhuǎn)速。圖 2-2 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖上述脈沖序列能正確地反映了轉(zhuǎn)速的高低，但不能鑒別轉(zhuǎn)向。為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4。則兩組脈沖序列 A 和 B 的相位差 90 度，如圖 2-3 所示。正轉(zhuǎn)時 A 相超前 B相；反轉(zhuǎn)時 B 超前 A 相。采用簡單的鑒相

32、電路就可以分辨出轉(zhuǎn)向。圖 2-3 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的 A，B 兩組脈沖序列若碼盤的光柵數(shù)為 N，則轉(zhuǎn)速分辨率為 1/N，常用的旋轉(zhuǎn)編碼器光柵數(shù)有1024，2048，4096 等。再增加光柵數(shù)將大大增加旋轉(zhuǎn)編碼器制作成本和難度。采. . . . - 11 - / 55用倍頻電路可以有效地提高轉(zhuǎn)速分辨率，而不增加旋轉(zhuǎn)器的光柵數(shù)，一般多采用四倍頻電路，大于四倍頻則較難實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用 6N137 光電編碼盤。2.2.72.2.7 電流檢測電流檢測1.直流電差位計直流電差位計是利用直流補(bǔ)償原理制成的儀器。所謂補(bǔ)償法是一種比較測量法，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度比較高，廣泛運(yùn)用于精密測量領(lǐng)域，以與高準(zhǔn)確度指示儀表的檢定

33、和校準(zhǔn)。2.霍耳元件由于霍耳元件對磁場的敏感，結(jié)構(gòu)簡單體積小，頻帶響應(yīng)寬輸出電動勢的變化圍大，無活動部件使用壽命長等特點。因此，它具有廣泛的應(yīng)用。為了節(jié)約設(shè)計成本，本設(shè)計選用霍耳元件。2.2.82.2.8 顯示電路顯示電路常用的顯示元件有 LED 數(shù)碼管、1602 液晶。1.LED 數(shù)碼管顯示數(shù)碼管是單片機(jī)片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。LED 數(shù)碼管以發(fā)光二極管作為發(fā)光單元，顏色有單紅，黃，藍(lán)，綠，白等七彩效果。具有成本低，功耗小，無熱量，耐沖擊，長壽命等優(yōu)點。2.1602 液晶顯示液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣就可以顯示出圖形。具

34、有厚度薄，適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動，易于實現(xiàn)全彩顯示的特點。根據(jù)實際需要，本設(shè)計選用 LED 數(shù)碼管顯示。. . . . - 12 - / 552.2.92.2.9 A/DA/D 轉(zhuǎn)換器的選擇轉(zhuǎn)換器的選擇單片機(jī)只能接收數(shù)字信號，外部模擬量要被單片機(jī)接收，就必須在單片機(jī)和外部模擬量之間加裝 A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或裝置，它是一個模擬系統(tǒng)和單片機(jī)之間的接口，它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，得到了廣泛的應(yīng)用。常用的 A/D 轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近式和雙斜積分式。前者轉(zhuǎn)換時間短，但抗干擾能力差；后者轉(zhuǎn)換時間長，抗干擾能力強(qiáng)。在信號變化緩慢，現(xiàn)場干擾嚴(yán)重的場合，宜采

35、用后者。由于本設(shè)計信號變化比較快，因此采用逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器。常用的逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器有 8 位分辨率的 ADC0809,12 位分辨率的 AD574等。A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)換時間、分辨率、線性誤差、量程、對基準(zhǔn)點元的要求等。轉(zhuǎn)換時間：指完成一次模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需要的時間。分辨率：通常用數(shù)字量的位數(shù) n 來表示，如 8 位，12 位，16 位等。線性誤差：理想轉(zhuǎn)換特性（量化特性）應(yīng)該是線性的，但實際轉(zhuǎn)換特性并非如此，在滿量程輸入圍，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差定義為線性誤差。量程：即所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓圍。對基準(zhǔn)電源的要求：基準(zhǔn)電源的精度對整個系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大的影

36、響。綜合以上選擇的原則和要求，本設(shè)計選用 8 位逐次逼近式的 A/D 轉(zhuǎn)換ADC0809。. . . . - 13 - / 55第第 3 3 章章 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計3.13.1 控制單元電路設(shè)計控制單元電路設(shè)計根據(jù)第 2 章控制器的選擇，本設(shè)計選用 AT89C51 單片機(jī)。3.1.13.1.1 AT89C51AT89C51 單片機(jī)的概述單片機(jī)的概述AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用

37、ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 單片機(jī)的指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。如圖 3-1 所示，為AT89C51 單片機(jī)的實物圖。. . . . - 14 - / 55圖 3-1 AT89C51 單片機(jī)實物圖1.主要特性：（1）與 MCS-51 兼容；（2）4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 ；（3）壽命：1000 寫/擦循環(huán)；（4）數(shù)據(jù)保留時間：10 年； （5）全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz；（6）三級程序存儲器

38、鎖定；（7）256B 的部 RAM；（8）32 位可編程 I/O 接口； （9）兩個 16 位定時器/計數(shù)器；（10）5 個中斷源；（11）可編程串行通道；（12）低功耗的閑置和掉電模式；（13）片振蕩器和時鐘電路；2AT89C51 共 40 個引腳，管腳電路圖如 3-2 所示。. . . . - 15 - / 55圖 3-2 AT89C51 單片機(jī)引腳圖AT89C51 具體管腳說明如下：VCC：供電電壓。GND：接地。 P0 口：P0 口為一個 8 位漏極開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，

39、它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口：P1 口是一個部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 P2 口：P2 口為一個部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻

40、拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的容。P2 口在 FLASH. . . . - 16 - / 55編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口：P3 口管腳是 8 個帶部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P

41、3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，口管腳和備選功能如下所示：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 （外部中斷 0）0INTP3.3 （外部中斷 1）1INTP3.4 T0（記時器 0 外部輸入）P3.5 T1（記時器 1 外部輸入）P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） WRP3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RDP3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平

42、用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 ：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個PSEN機(jī)器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信

43、號PSENPSEN將不出現(xiàn)。/VPP：當(dāng)保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH） ，EAEA不管是否有部程序存儲器。注意加密方式 1 時，將部鎖定為 RESET；當(dāng)端EAEA保持高電平時，此間部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V. . . . - 17 - / 55編程電源（VPP） 。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.1.23.1.2 時鐘電路設(shè)計時鐘電路設(shè)計單片機(jī)本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證單片機(jī)各部件間的同步工作，單片機(jī)部電路產(chǎn)生在唯一的時鐘信號下嚴(yán)格按照時序進(jìn)行

44、工作，這個時鐘信號就是由單片機(jī)的時鐘電路產(chǎn)生的。AT89C51 部有一個高增益方向放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需要附加電路。AT89C51 的時鐘有兩種產(chǎn)生方法：1.部時鐘方式利用芯片部的振蕩器，然后在引腳 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器（簡稱晶振） ，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入部時鐘電路。外接晶振通常為石英晶體振蕩器或瓷振蕩器。如圖 3-3 所示。圖 3-3 部時鐘方式2.外部時鐘方式從單片機(jī)外部直接引入振蕩時鐘脈沖。振蕩時鐘脈沖從 AT89C51 的 XTAL1 輸入，XTAL2 懸空。如圖 3-4 所示。本設(shè)計采用部時鐘方式。. .

45、. . - 18 - / 55圖 3-4 外部時鐘方式3.1.33.1.3 復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位用于啟動或者重新啟動單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)上電時需要將單片機(jī)復(fù)位；或者當(dāng)單片機(jī)處于未知狀態(tài)，比如程序“跑飛”或進(jìn)入死循環(huán)，也需要強(qiáng)行將單片機(jī)復(fù)位使程序從頭開始重新執(zhí)行。單片機(jī)的外部復(fù)位電路有上電自動復(fù)位、按鍵手動復(fù)位、以與外部復(fù)位信號輸入等方式。1.上電復(fù)位上電復(fù)位利用電容的充電實現(xiàn)。如圖 3-5 所示是 AT89C51 單片機(jī)的上電復(fù)位電路。上電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變，RST 引腳端為高電平，出現(xiàn)正脈沖，持續(xù)時間取決于 RC 電路的時間常數(shù)。RST 引腳要有超過 2 個時鐘周期的高電平才

46、能保證單片機(jī)有效地復(fù)位。. . . . - 19 - / 55圖 3-5 上電復(fù)位電路2.按鍵復(fù)位圖 3-6 是 AT89C51 單片機(jī)的上電加按鍵復(fù)位電路。上電復(fù)位過程同上。當(dāng)單片機(jī)工作過程中需要復(fù)位時，按下復(fù)位按鍵，復(fù)位端 RST 通過電阻與 VCC 電源接通，使 RST 引腳為高電平。復(fù)位按鍵彈起后，RST 端經(jīng)電阻接地，完成復(fù)位工程。圖 3-6 按鍵復(fù)位電路3.外接復(fù)位芯片為了保證單片機(jī)可靠的復(fù)位，有時需要外接復(fù)位芯片，特別是當(dāng)單片機(jī)處于間歇性工作情況的時候，單片機(jī)需要頻繁的復(fù)位。常用的復(fù)位芯片有 MAX810,復(fù)位電路如圖 3-7 所示。根據(jù)設(shè)計需要，本設(shè)計選用上電復(fù)位電路。圖 3-

47、7 外接復(fù)位芯片電路. . . . - 20 - / 553.23.2 主電路的設(shè)計主電路的設(shè)計一、直流電動機(jī)的 PWM 控制原理：直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制勵磁通 ，其控制功率雖然小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制。而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的是電樞電壓控制法。Ua=Ud-IaR，雖然調(diào)節(jié)電阻 R 即可改變端電壓達(dá)到調(diào)速目的，但這種方法效率很低。因此，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展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；使用硅整流器交流電

48、整流成直流電或由蓄電池等直流電源供電，再由 PWM 斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓等。晶閘管相控調(diào)壓或 PWM 斬波器調(diào)壓比串電阻調(diào)壓損耗小，效率高。而斬波調(diào)壓比相控調(diào)壓又有許多優(yōu)點，所以采用斬波調(diào)壓。圖 3-8 為 PWM 斬波器的原理圖與輸出電壓波形圖：圖 3-8 PWM 斬波器的原理圖與輸出電壓波形假定晶體管 V1 先導(dǎo)通 T1 秒（忽略 V1 的壓降，這期間電源電壓 Ud 全部加到電樞上） ，按后關(guān)斷 T2 秒（這期間電樞端電壓為零） 。使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變 的值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。（1）定寬調(diào)頻法：保持 T1 一定，使 T2 變化；（2）調(diào)寬調(diào)頻法：保持 T2 一定，使 T

49、1 變化；. . . . - 21 - / 55（3）變頻調(diào)寬法：保持 T 一定，使 T1 在 0-T 圍變化；不管哪種方法， 的變化圍均為 01，因而電樞電壓平均值 Ua 的調(diào)節(jié)圍為 0-Ud，均為正值。即電機(jī)只能在某一方向調(diào)速，稱為不可逆調(diào)速。二、PWM 變換器的分類：PWM 變換器有不可逆和可逆兩種，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。根據(jù)本設(shè)計的要求，本設(shè)計通過軟件實現(xiàn)雙極式、單極式、受限單極式三種控制方式之間的自動切換。這里著重介紹一下這種 PWM 變換器。圖3-9 繪出了雙極性 H 型可逆 PWM 變換器的電路原理圖與波形圖。雙極性可逆 PWM變換器優(yōu)點：（1）電流

50、一定連續(xù)；（2）電機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時，每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速圍達(dá) 2000 左右；圖 3-9 雙極式可逆 PWM 變換器的原理圖與輸出波形在圖 3-8 中，晶體管 V1、V4 是同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷的，V2、V3 也是，但V1、V2、V3、V4 不允許同時導(dǎo)通。否則電源 Ud 直通短路。設(shè) V1、V4 同時導(dǎo)通 T1秒后同時關(guān)斷，間隔一定時間（為避免電源直通短路，該間隔時間稱為死區(qū)時間）. . . . - 22 - / 55之后，再使 V2、V3 同時導(dǎo)通 T2 秒后同時關(guān)斷，如此反復(fù)

51、，則電樞端電壓波形如圖所示。由于 01，Ua 的圍是-Ud+Ud，因而電機(jī)可以在正、反兩個方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于 V1、V4 截止時，V2、V3 并不能立即導(dǎo)通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下，使 V2、V3 的 c-e 極承受著反壓，所以需加上需流二極管為防止電壓過大，加上過電壓吸收電路。3.33.3 驅(qū)動電路的設(shè)計驅(qū)動電路的設(shè)計根據(jù)以上原則和電機(jī)型號，選用大功率全控型晶體管 GTR，型號為 IN4398。主要技術(shù)參數(shù)如下： 200 WcmP30 AcmI 40 VvcboB 40 VvceoB 5 VveboB1.0mAcboI 1560eeH 4 MHztF驅(qū)動電路如圖 3-10 所示。.

52、. . . - 23 - / 55圖 3-10 驅(qū)動電路3.43.4 測速電路測速電路根據(jù)第 2 章電動機(jī)測速方法的選擇，采用 6N137 光電編碼盤，硬件電路如圖3-11 所示。圖 3-11 速度檢測電路3.53.5 鍵盤顯示電路鍵盤顯示電路根據(jù)第 2 章的選擇，本設(shè)計采用 HD7279。HD7279A 是一片具有串行接口的，可驅(qū)動 8 位共陰式數(shù)碼管（或 64 只獨(dú)立 LED）的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達(dá) 64 鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成 LED 顯示、鍵盤接口的全部功能，電路如圖 3-12 所示。產(chǎn)品特點： （1）串行接口，無需外圍元件可直接驅(qū)動 LED ；（2）各位獨(dú)立控

53、制譯碼/不譯碼與消隱和閃爍屬性； （3） （循環(huán)）左移/（循環(huán)）右移指令 ；（4）具有段尋址指令，方便控制獨(dú)立 LED； （5）64 鍵盤控制器，含去抖動電路 ；（6）有 DIP 和 SOIC 兩種封裝形式供選擇；. . . . - 24 - / 55圖 3-12 鍵盤顯示電路3.63.6 電流檢測電路電流檢測電路根據(jù)第 2 章的選擇原理和系統(tǒng)的要求，本設(shè)計選用霍耳元件檢測電流。所謂霍耳效應(yīng)，是指磁場作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。當(dāng)電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側(cè)面會出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵

54、磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍耳效應(yīng)。由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍耳元件測量出磁場，就可確定導(dǎo)線電流的大小。 VGN-3501 就是一款型電流傳感器。VGN-3501 型用于測量電流，也可控制電流過載檢測器或過載保護(hù)裝置其具體工作原理是：標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵心有一個缺口將 VGN-3501 插入缺口中圓環(huán)上繞有線匝通過檢測電流，電流通過線匝時產(chǎn)生. . . . - 25 - / 55磁場，則霍耳傳感器有信號輸出。當(dāng)線圈為 9 匝時，電流為 20A 時，產(chǎn)生 0.1T 的磁場強(qiáng)度，VGN-3501 可輸出 1.4V 電壓檢測。3.73.7 A/DA/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)

55、換電路由于霍爾元件輸出的為模擬信號，但是單片機(jī)只能接收數(shù)字信號，因此外部模擬量就需要在計算機(jī)和外部模擬量之間加裝 A/D 轉(zhuǎn)換器。根據(jù)第 2 章的選擇，本設(shè)計采用 ADC0809 作為 A/D 轉(zhuǎn)換元件。ADC0809 是帶有 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、8 路多路開關(guān)以與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的 CMOS 組件。它是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809 共有 28 個引腳，如圖 3-13 所示,各引腳功能如下。IN0IN7：8 路模擬電壓輸入端。A，B，C：模擬輸入通道的地址選擇線。當(dāng) CBA=000 時，選中 IN0；CBA=001時，選中 IN1依此類推，當(dāng) CB

56、A=111 時，選中 IN7。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。該端接高電平時有效，僅當(dāng)該信號有效時，才能將地址信號鎖存，經(jīng)譯碼后選中一個通道。START：啟動轉(zhuǎn)換脈沖輸入端。該端所加信號的上升沿將所有部寄存器清 0，下降沿開始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。CLK：時鐘脈沖輸入端。D7D0：數(shù)據(jù)輸出端，D0 為高位。OE：輸出允許端，高電平有效。該端為高電平時，打開三態(tài)輸出緩沖器，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。VREF+和 VREF-：參考電壓正端和負(fù)端。. . . . - 26 - / 55圖 3-13 ADC0809 管腳圖A/D 轉(zhuǎn)換電路圖如圖 3-14 所示。圖 3-14 A/D 轉(zhuǎn)換電路圖3.83.8 報警電路報警電

57、路本設(shè)計中的報警電路采用簡單的 LED 發(fā)光二極管和蜂鳴器。當(dāng)出現(xiàn)故障時，單片機(jī)給出信號，LED 發(fā)光二極管會被點亮，蜂鳴器發(fā)出報警聲，提醒工作人員進(jìn)行處理，即可實現(xiàn)報警的功能。具體的電路圖如圖 3-15 所示。. . . . - 27 - / 55圖 3-15 報警電路3.93.9 直流電源電路的設(shè)計直流電源電路的設(shè)計在本系統(tǒng)中需要兩個供電電源：給單片機(jī)與其它芯片供電的直流 5V 電源和給直流電機(jī)供電的直流 220V 電源。直流 5V 電壓源，由交流電經(jīng)整流橋之后，通過穩(wěn)壓芯片 LM7805 穩(wěn)壓到 5V，給單片機(jī)供電。直流 220V 的電源可通過單相橋式整流電路產(chǎn)生，但是由于整流電路的輸出

58、電壓具有較大的交流部分，不能適合大多數(shù)電子電路與設(shè)備的要求。因此，一般在整流后，還需要利用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。電源電路如圖 3-16 所示，與用于信號處理的濾波電路相比，直流電源中濾波電路的顯著特點是：（1）均采用無源電路；（2）理想情況下，濾去所有交流成分，只保留直流成分；（3）能夠輸出較大電流；. . . . - 28 - / 55圖 3-16 直流電源電路圖. . . . - 29 - / 55第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計4.14.1 系統(tǒng)設(shè)計思想系統(tǒng)設(shè)計思想本設(shè)計采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，編程語言為匯編語言。系統(tǒng)初始化時，將單片機(jī)初始化為 0000H，使

59、單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，P0P3 輸出口全為高電平，堆棧指針寫入 07H。PWM 由單片機(jī)部定時產(chǎn)生，通過單片機(jī)的輸出口接到 H 橋驅(qū)動控制電路上，以便調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)鍵盤顯示電路中的鍵盤有按鍵按下時，單片機(jī)讀取人工設(shè)定值，并與經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后的測量值進(jìn)行比較。當(dāng)檢測值小于或等于設(shè)定值時，可通過調(diào)節(jié) PWM 值；當(dāng)測量值大于設(shè)定值時，單片機(jī)給出信號使報警電路工作，LED 燈被點亮，同時蜂鳴器發(fā)出報警聲，提醒工作人員進(jìn)行故障處理。顯示電路采用數(shù)碼管動態(tài)顯示，可實時顯示電流值或轉(zhuǎn)速值的大小。轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)均采用閉環(huán)，由軟件控制，其中電流環(huán)為環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)，環(huán)的采樣周期小于外環(huán)

60、的采樣周期。由于采樣值有擾動，因此采用軟件濾波。通過軟件控制大功率晶體管 GTR 的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)單極式、雙極式、受限單極式三種控制方式之間的自動切換。. . . . - 30 - / 55初始化讀設(shè)定值讀A/D值小于或等于設(shè)定值調(diào)節(jié)PWM值顯示報警NY人工處理開始圖 4-1 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖. . . . - 31 - / 554.24.2 編程語言的選擇編程語言的選擇常用的編程語言有：機(jī)器語言、高級語言和匯編語言。1.機(jī)器語言：機(jī)器語言是直接用二進(jìn)制代碼指令表達(dá)的計算機(jī)低級語言，指令是用 0 和 1組成的一串代碼，它們有一定的位數(shù)，并分成若干段，各段的編碼表示不同的含義，例如某臺計