單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案

單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，脈寬調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于電機轉(zhuǎn)速的控制越來越廣泛。特別是單片機應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，使得脈寬調(diào)速技術(shù)成為電機調(diào)速的主流。本設(shè)計給出了一種基于單片機的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MCS-8051單片機為核心，產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號；把輸出的PWM信號通過LMD18200驅(qū)動電路直接控制直流電機的啟動、速度、暫停以及方向的變化；設(shè)計的鍵盤人機界面可以方便的改變PWM的狀態(tài)，進而達到方便的改變電機的工作狀態(tài)；電機的轉(zhuǎn)速可以方便的顯示在數(shù)碼管上。通過實驗，本設(shè)計不僅可實現(xiàn)直流電機啟動、正反轉(zhuǎn)和順序控制，還可方面的進行轉(zhuǎn)速控制，控制精度達到了較高的要求，具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：PWM；單片機；控制AbstractWiththeelectricaltechnologydevelopment,thetechnologyofPWMhavebeenusedtomachinespeedcontrolinfarandwide.basedonsinglechipmicrocomputer'sdirectcurrentmachinespeedcontrolsystem.ThissystemusestheMCS-8051singlechipmicrocomputerisacore,producesPWM(pulse-durationmodulation)thesignal。UsesthebipolaritydrivetypethroughtheLMD18200actuationchiptocontroldirectcurrentmachine'sstart,thespeed,thesuspensionaswellasthedirectionchange。Andusesthekeyboardtotaketheinput,addsandsubtractschangesthePWMsignaldata。Carrieson7sectionofnixietubeactuationsthroughCD4511todemonstrateelectricmotor'srotationalspeed.Bythisexperimentthisdesignmaytakethesimplecontroltopluralityofcontrolsexcessive,realizesthedirectcurrentmachinetostart,isreversingoutsidethecontrolandthesequentialcontrol,butmustcarryonthespeedcontrol,ithavevaluetouseinactually

thekeywords:PWM。SMC；control前言單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第1頁。在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用，無論在工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是在日常生活中的家用電器，都在大量地使用著各式各樣的電動機。據(jù)資料統(tǒng)計，現(xiàn)在有的90%以上的動力源來自于電動機，電動機與人們的生活息息相關(guān)，密不可分。隨著現(xiàn)代化步伐的邁進，人們對自動化的需求越來越高，使電動機控制向更復(fù)雜的控制發(fā)展。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第1頁。脈寬調(diào)制控制在電機控制方面起了很重要的作用。脈寬調(diào)制控制控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點，對于交流電機驅(qū)動而言，傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制多采用模擬技術(shù)實現(xiàn)，即脈寬調(diào)制信號的獲得是通過三角波與所希望的調(diào)制函數(shù)直接比較而獲得，隨著高性能的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的全數(shù)字控制，以及驅(qū)動電機電流控制的數(shù)字化方法的實現(xiàn)，脈寬調(diào)制方法須采用數(shù)字化實現(xiàn)。數(shù)字化實現(xiàn)脈寬調(diào)制方法的一個優(yōu)點就是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小?？傊}寬調(diào)制的數(shù)字化實現(xiàn)可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗，提高系統(tǒng)的可靠性，運行的穩(wěn)定性。由于單片計算機具有體積小，重量輕，耗電少，功能強和價格低等特點，又由于數(shù)據(jù)大多是在芯片內(nèi)傳送處理，所以運行速度快，抗干擾能力強。以至于從七十年代問世以來，在二十多年的時間里，發(fā)展異常迅速，并已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。單片機內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的。單片機具有通訊接口，用單片機進行接口的控制與管理，單片機與主機可并行工作，大大地提高了系統(tǒng)的運行速度。單片機所實現(xiàn)的控制是靠程序的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。通過對單片機的程序的編寫可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。本設(shè)計就是基于單片機的應(yīng)用實現(xiàn)脈寬調(diào)制控制的。利用單片機的編程來改變脈寬波形的占空比從而可以得到頻率穩(wěn)定占空比不同的矩形波，矩形波通過濾波后就可以得到相應(yīng)的電壓值，從而控制電機。第1章緒論脈寬調(diào)制控制電路概述單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第2頁。脈寬調(diào)制技術(shù)起源甚早，隨著工業(yè)生產(chǎn)的需求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，80年代后，它被廣泛應(yīng)用于工業(yè)功率控制裝置的逆變器中，從此獲得迅速發(fā)展。它的特點是以微處理器和電子半導(dǎo)體元件為核心，橫跨電力、電子、微型計算機及自動化控制等多種學(xué)科領(lǐng)域。

在對電路的控制中，因為模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制，所以模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對收音機的音量進行控制。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻，擰動旋鈕時，電阻值變大或變小，流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動揚聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例，盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟或可行的。其中一點就是，模擬電路運行時其參數(shù)容易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對于工作組件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。因此如果以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第2頁。脈寬調(diào)制就是用數(shù)字的方式控制電路的，也就是說脈寬調(diào)制控制是通過對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的一種控制方式。由于高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)變用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。脈寬調(diào)制信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有，要么完全無。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候就是電被斷開的時候。只要頻寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。本文介紹的是基于單片機軟件產(chǎn)生的脈寬調(diào)制電壓，即用單片機的編程，通過軟件的方式輸出一系列按一定規(guī)律變化的、幅值相等而寬度不相等的脈沖。在本設(shè)計中，系統(tǒng)的主要硬件是單片機，我選用了MCS--51單片機，MCS-51單片機是美國INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS-48單片機相比，它的結(jié)構(gòu)更先進，功能更強，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達111條，MCS-51單片機可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品。在驅(qū)動部分我用了LMD18200。設(shè)計任務(wù)與要求本設(shè)計是在單片機的基礎(chǔ)上實現(xiàn)脈寬調(diào)制電壓，需要設(shè)計者對整個系統(tǒng)的每一部分進行認知，各部分的功能以及實現(xiàn)方法，要求對該系統(tǒng)以MCS-51單片機為核心，產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號的過程以及通過LMD18200驅(qū)動芯片采用雙極性驅(qū)動方式來控制直流電機的啟動、速度、暫停以及方向的變化實現(xiàn)方法，并且采用鍵盤作為輸入，加減改變PWM信號數(shù)據(jù)；通過CD4511進行7段數(shù)碼管驅(qū)動顯示電動機的轉(zhuǎn)速的原理掌握并自主編程實現(xiàn)。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第3頁。本次設(shè)計對直流電機的簡單控制向復(fù)雜控制的過度，實現(xiàn)直流電機啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制外，還要進行轉(zhuǎn)速控制的實現(xiàn)需要設(shè)計者的?？萄芯?。例如用到的單片機的原理及其編程的方法；系統(tǒng)用到的基本原理，如脈寬調(diào)制控制的理論及脈寬調(diào)制控制的實現(xiàn)方法，都需要設(shè)計者的認真對待，查閱相關(guān)資料。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第3頁。第1.3節(jié)總體設(shè)計方案本設(shè)計是要求設(shè)計者基于單片機軟件實現(xiàn)脈寬調(diào)制電壓，設(shè)計的核心器件是單片機，由單片機的軟件編程輸出脈寬波形，再由驅(qū)動電路實現(xiàn)對被控電路的控制，對直流電機的啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制以及轉(zhuǎn)速控制，具體硬件設(shè)計方案框圖如圖1-1所示。通訊接口通訊接口單片機MCS8051LED編碼接口直流電機光電編碼器LMD18200光耦圖1-1硬件設(shè)計方案框圖其主要由MCS-8051單片機、LMD18200的驅(qū)動電路、增量式光電編碼器、編碼器接口電路LED顯示、232串行通訊接口電路構(gòu)成。各部分作用介紹如下。MCS-51單片機：實現(xiàn)對鍵盤控制，查看按鍵的狀態(tài)的變化，判斷按鍵是不是按下；并實現(xiàn)LED顯示；并且生成PWM信號，控制直流電機的轉(zhuǎn)速。LMD18200：提供雙極性驅(qū)動方式和單極性驅(qū)動方式，本設(shè)計用的是雙極性方式，雙極性可逆系統(tǒng)有低速運行平穩(wěn)性的優(yōu)點。增量式光電編碼器：當(dāng)光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動時，A、B兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出，A、B兩相脈沖相差900相位角，如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn)，否則為反轉(zhuǎn)。第2章硬件設(shè)計單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第4頁。第2.1節(jié)單片機的選擇單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第4頁。本設(shè)計的硬件主體是單片機，單片機作為脈寬調(diào)制控制的中央處理單元，擔(dān)負著重要的任務(wù)，所以對單片機的選擇十分的重要。我在對市場上一些應(yīng)用比較廣泛的單片機進行了對比，最終選擇了利用率比較高的MCS-51系列單片機。MCS-51把微型計算機的主要部件都集成在一塊心片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，可靠性更高，運行速度更塊，由于屬于芯片化的微型計算機，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達最優(yōu)化，抗干擾能力加強，工作亦相對穩(wěn)定。而且它的開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，介紹其功能特性書籍和開發(fā)軟件隨處可取，只需配備一臺PC（個人電腦——對電腦的配置基本上無要求），一臺仿真編程器即可實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)，早期的開發(fā)軟件多使用DOS版本，隨著Windows視窗軟件的普及，現(xiàn)在幾乎都使用Windows版本，并且軟件種類繁多，琳瑯滿目，在眾多的單片機品種中，C51的環(huán)境資源是最豐富的，這給C51用戶帶來極大的便利，一直到現(xiàn)在MCS-51系列或其兼容的單片機仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品。因此，在工業(yè)測控系統(tǒng)中，它仍然是單片機的最理想的選擇。單片機屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。第2.2節(jié)LMD18200的介紹及工作原理2.2.1LMD18200的簡介LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動機驅(qū)動的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機和增量型編碼器構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應(yīng)用于打印機、機器人和各種自動化控制領(lǐng)域。其功能如下：額定電流3A，峰值電流6A，電源電壓55V。額定輸出電流2A，輸出電壓30V?？赏ㄟ^輸入的PWM信號實現(xiàn)PWM控制：可通過輸入的方向控制信號實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制；可以接受TTL或CMOS以及與它們兼容的輸入控制信號；可以實現(xiàn)直流電動機的雙極性和單極性控制；內(nèi)設(shè)過熱報瞥輸出和自動關(guān)斷保護電路；單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第5頁。內(nèi)設(shè)防橋臂直通的電路。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第5頁。2.2.2LMD18200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-1LMD18200外形結(jié)構(gòu)圖LMD18200外形結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。它有11個引腳,采用TO-220和雙列直插式封裝。LMD18200的原理圖如圖2-2所示．由圖可見．它內(nèi)部集成了4個DMOS管，組成一個標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動橋．通過充電泵電路為上橋臂的2個開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個300kHz的振蕩器控制．使充電泵電容可以充至l4V左右，典型上升時間是20μs，,適于1KHz左右的工作頻率。可在引腳1、11外接電容形成第二個充電泵電路，外接的電容越大，向開關(guān)管柵極輸入電容充電的速度越快．電壓上升的時間越短．工作頻率可以更高．引腳2、10接直流電動機電樞，正轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該從引腳2到引腳10；反轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該從引腳10到引腳2。電流檢測輸出引腳8可以接一個對地電限，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護電路設(shè)置的過電流閾值為10A．當(dāng)超過該值時會自動封鎖輸出．并周期性的自動恢復(fù)輸出．如果過電流持續(xù)時間較長，過熱保護將關(guān)閉整個輸出。過熱信號還可通過引腳9輸出．當(dāng)結(jié)溫達到145℃時引腳9有信號輸出。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第6頁。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第6頁。圖2-2LMD18200原理圖2.2.3LMD18200的驅(qū)動方式LMD18200提供雙極性驅(qū)動方式和單極性驅(qū)動方式。雙極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性驅(qū)動方式是PWM控制信號通過引腳3輸入，引腳5為5V，根據(jù)PWM控制信號占空比來決定直流電機轉(zhuǎn)速和方向，當(dāng)占空比大于50%，輸出電壓大于電動機額定電壓U0，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)占空比小于50%，輸出電壓小于電動機額定電壓U0，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)占空比等于50%，輸出電壓等于電動機額定電壓U0，電動機不轉(zhuǎn)。雙極性可逆系統(tǒng)有低速運行平穩(wěn)性的優(yōu)點，但也存在著電流波動大，功率損耗較大的缺點，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機的控制。單極性驅(qū)動方式是指在一個PWM周期內(nèi),電動機電樞只承受單極性的電壓。PWM控制信號通過引腳5輸入，引腳3為方向輸入，引腳4為使能輸入。而本設(shè)計是應(yīng)用的雙極性可逆驅(qū)動方式。第2.3節(jié)光電編碼器接口光電編碼器有4個端口，2個電源端口，2個脈沖輸出端口（A、B）。光電編碼器輸出信號形式如圖2-3所示。圖2-3光電編碼器輸出信號形式單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第7頁。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第7頁。ωλΔs式中第2.4節(jié)4N25光電隔離光電隔離是由光電耦合器件來完成的。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。由于光電耦合器的輸入阻抗（100Ω～1kΩ）與一般干擾源的阻抗（105～106Ω）相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光。另外光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很小（約幾個pF），所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾，被控設(shè)備的各種干擾很難反饋到輸入系統(tǒng)。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第8頁。光電耦合器把輸入信號與內(nèi)部電路隔離開來，或者是把內(nèi)部輸出信號與外部電路隔離開來，如圖2-5所示。開關(guān)量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)。由于光電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號進行直接耦合，而是以光為媒介進行耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第8頁。6632514AnodeCathodeEmitterCollectorNCBase圖2-54N25光電耦合器目前，大多數(shù)光電耦合器件的隔離電壓都在2.5kV以上，有些器件達到了8kV，既有高壓大電流大功率光電耦合器件，又有高速高頻光電耦合器件（頻率高達10MHz）。常用的器件如4N25，其隔離電壓為5.3kV。第2.5節(jié)直流電機的控制2.5.1直流電機的PWM調(diào)壓調(diào)速原理眾所周知．直流電動機轉(zhuǎn)速，的表達式為(2—1)式中U----電樞端電壓；I----電樞電流；R-----電樞電路總電阻；φ----每極磁通量；K---電動機結(jié)構(gòu)系數(shù)由式（2--1）可得，直流電動機的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：對勵磁磁通進行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進行控制的電樞控制法。其中勵磁控制法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，并且勵磁線圈電感較大．動態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少．現(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞控制法．本節(jié)我們要介紹的就是在勵磁恒定不變的情況下，如何通過調(diào)節(jié)電樞電壓來實現(xiàn)調(diào)速。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第9頁。對電動機的驅(qū)動離不開半導(dǎo)體功率器件．在對直流電動機電樞電壓的控制和驅(qū)動中，對半導(dǎo)體功率器件的使用上又分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式。線性放大驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點是：控制原理簡單．輸出波動小．線性好，對鄰近電路干擾?。枪β势骷诰€性區(qū)工作時會將大部分電功率用于產(chǎn)生熱量，效率和散熱問題嚴(yán)重，因此這種方式只用于數(shù)瓦以下的微小功率直流電動機的驅(qū)動。絕大多數(shù)直流電動機采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第9頁。圖2-6是利用開關(guān)管對直流電動機進行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形．在圖2-6（a）中，當(dāng)開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓US。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為0.t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。圖2—6PWM調(diào)速控制原理和電壓波形圖單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第10頁。雙極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性驅(qū)動電路有兩種一種稱為T型，它由2個開關(guān)管組成，采用正負電源．相當(dāng)于2個不可逆系統(tǒng)的組合，由于形狀像倒放的“T”字，所以稱為T型．T型雙極性驅(qū)動由于開關(guān)管要承受較高的反向電壓，因此只用在低壓小功率直流電動機驅(qū)動。另一種稱為H型，其形狀像“H”字。H型雙極性驅(qū)動應(yīng)用較多，因此在這里將詳細介紹。圖2-7是H型雙極可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)。它由4個開關(guān)管和4個續(xù)流二極組成，單電源供電．4個開關(guān)管分成兩組，V1、V4為一組，V2、V3一組。同一組的開關(guān)嗬同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。在每個PWM里，當(dāng)控制信號Ui1高電平時，開關(guān)管V1V4導(dǎo)通，此時Ui2為低電平．因此V2、V3截止，電樞繞組承受從A到B的正向電壓；當(dāng)控制信號Ui1低電平時，開關(guān)管V1、V4.截止，此時Ui2為高電平．因此V2、V3導(dǎo)通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓，這就是所謂的“雙極”。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第10頁。圖2--7H型雙極可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)由于在一個PWM周期里電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化．因此其平均電壓U0可用下式?jīng)Q定：(2—3)由式（2--3）可見，雙極性可逆PWM驅(qū)動時，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比α大?。?dāng)α=0時，U0=-US，電動機反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)α=l時．U0=US電動機正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速最大．當(dāng)α=1/2時，U0=0，電動機不轉(zhuǎn)。雖然此時電動機不轉(zhuǎn)．但電樞繞組中仍然有交變電流流動，使電動機產(chǎn)生高頻振蕩．這種振蕩有利于克服電動機負載的靜摩擦，提高動態(tài)性能。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第11頁。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第11頁。第2.6節(jié)LED數(shù)碼顯示電路的設(shè)計為了驗證通信結(jié)果的正確性，必須增加有效的手段測試單片機接收到的數(shù)據(jù)正確與否，而最簡單且可行的方法就是增加LED顯示部分。本設(shè)計選用7位共陰極LED數(shù)碼管，其引腳圖如圖2-8所示。ccbadefgdp．dp１２３４５６７８圖2-8LED數(shù)碼管LED數(shù)碼顯示器是有發(fā)光二極管組成的顯示字段的顯示器件。這種顯示器分為共陰極和共陽極兩種形式，在本設(shè)計中，我采用的是共陰極形式。所謂共陰極LED數(shù)碼顯示是指所有發(fā)光二極管的陰極連在一起，形成該模塊的公共端。通常七段LED數(shù)碼顯示器有8個發(fā)光二極管，其中七個發(fā)光二極管構(gòu)成一個“8”，一個發(fā)光二極管用于顯示小數(shù)點，這8個筆段分別用a～h表示。LED的驅(qū)動是通過CD4511譯碼器，CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼-七段碼譯碼器，其特點：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動LED顯示器。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第12頁。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第12頁。第2.7節(jié)整體電路結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)以LMD18200作為系統(tǒng)的驅(qū)動,intel公司8051單片機作為處理器,配以轉(zhuǎn)速顯示、光電編碼器作為電機控制輸出單元。整個系統(tǒng)力求結(jié)構(gòu)簡單,功能完善。硬件電路如下圖所示。由C8051單片機發(fā)出PWM控制信號，通過光電藕合器4N25與LMD18200的引腳3相連，其目的是隔離，以避免LMD18200的驅(qū)動電路對控制信號的干擾。由于采用了LMD18200功率集成驅(qū)動電路，使整個電路元件少，體積小，適合在儀器儀表控制中使用。系統(tǒng)下作原理：在新的采樣周期到來時，光電編碼器測得電機的速度，并通過編碼器接口電路反饋到單片機。單片機通過比較預(yù)定義的運動速度與實際的電機速度（反饋速度），得到偏差，然后經(jīng)過PID控制算法得出控制量。單片機根據(jù)得到的控制量，改變輸出PWM信號的脈寬。PWM信號通過光耦隔離，經(jīng)LMD18200進行功率放人輸出控制直流電機．然后進入下一個采樣周期。整體設(shè)計的工作過程是單片機讀取鍵盤的按下狀況，通過脈寬控制波形的輸出經(jīng)過光電隔離，通過LMD18200的雙極性控制進行對直流電機的控制，實現(xiàn)直流電機啟動、制動、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。然后由光電編碼器測得直流電機的速度，并通過光電編碼接口電路將信息反饋到單片機，由單片機通過比較預(yù)先給定的速度與反饋得到的速度得到偏差，然后經(jīng)過PID算法得出控制量，在改變脈寬控制的寬度進行輸出，并在LED上顯示轉(zhuǎn)速。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第13頁。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第13頁。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第14頁。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第14頁。第3章軟件控制程序設(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括單片機程序和在上位機土運行的應(yīng)用程序。單片機控制軟件采用C語言模塊化程序結(jié)構(gòu)。第3.1節(jié)主程序流程圖主程序的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。否是否否是是計時器到PID調(diào)節(jié)計數(shù)值增1，判斷轉(zhuǎn)向是外中斷定時中斷串口中斷LCD信息顯示數(shù)據(jù)處理接收、監(jiān)測數(shù)據(jù)中斷初始化串口、中斷、計數(shù)器、定時器、LED開始否是否否是是計時器到PID調(diào)節(jié)計數(shù)值增1，判斷轉(zhuǎn)向是外中斷定時中斷串口中斷LCD信息顯示數(shù)據(jù)處理接收、監(jiān)測數(shù)據(jù)中斷初始化串口、中斷、計數(shù)器、定時器、LED開始圖3-1系統(tǒng)總流程圖從結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)程序主要包括一個主循環(huán)體程序、串口數(shù)據(jù)處理程序、PID控制程序、中斷服務(wù)程序和LED顯示控制程序。PID控制程序通過采集實時轉(zhuǎn)速值與設(shè)定值的偏差，通過軟件編程實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的PID調(diào)節(jié)器的運算，從而實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第15頁。第3.2節(jié)PID調(diào)節(jié)程序流程圖單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第15頁。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行控制的PID的控制器獲得了廣泛的應(yīng)用。它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，適應(yīng)性廣。本程序采用增量式數(shù)字PID程序以PWM方式來對直流電機進行調(diào)速。開始開始計算控制參數(shù)A,B,C設(shè)置初始值e(k-1)=e(k-2)=0本次采樣輸入c（k）計算控制量Δμ(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)計算偏差值e(k)=r(k)-c(k)輸出Δμ(k)為下一時刻準(zhǔn)備e(k-1)→e(k-2)e(k)→e(k-1)采樣時刻？被控制對象電機是否圖3-2增量式數(shù)字PID控制程序的流程圖單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第16頁。運行與調(diào)試單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第16頁。第4.1節(jié)系統(tǒng)調(diào)試中的問題和解決方法在完成了硬件連接以及軟件編程的工作后，此控制系統(tǒng)設(shè)計基本完成，進入系統(tǒng)調(diào)試階段。在系統(tǒng)調(diào)試的過程中，會出現(xiàn)一些問題：設(shè)計中器件之間的匹配問題，通過查考資料重新設(shè)計電路圖。編程中發(fā)現(xiàn)，對寄存器進行讀寫操作時經(jīng)常發(fā)生問題，比如向某個寄存器寫入數(shù)據(jù)時。通過調(diào)試窗口觀察，時常發(fā)現(xiàn)該寄存器的值并沒有改變?yōu)轭A(yù)期的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)是由于沒有選中單片機中的該存儲體所在的區(qū)域。在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)將開發(fā)機和單片機斷開，單片機不能正常工作，最后發(fā)現(xiàn)在開發(fā)機使用的軟件MPLAB-LED中，默認為程序下載設(shè)置是調(diào)試模式，在ENABLEDEBUGMODE項關(guān)閉后，單片機正常工作。第4.2節(jié)在MPLAB中進行程序調(diào)試經(jīng)過MPASM編譯與連接的程序會得到HEX和CDD文件，HEX文件就是要燒寫到單片機中的程序代碼，而CDD文件則是MPLAB在調(diào)試時要用到的文件。在調(diào)試過程中，我們可以分為兩個部分，一個是程序流程的控制，一個是單片機狀態(tài)的查詢，兩者之間相互搭配，才能完成程序調(diào)試的目的。程序流程的控制在下一節(jié)中說明，這里我們先來看看如何得到單片機的狀態(tài)。不管在前面介紹單片機功能有多復(fù)雜，其實最后在程序?qū)懲旰?，所有的?shù)據(jù)都在存儲器中，程序存儲器放的是我們的程序代碼，數(shù)據(jù)存儲器包括特殊功能寄存器和程序中變量所使用的寄存器。MPLAB提供了存儲器不同方式的窗口觀察，這些窗口如下圖所示，但這些窗口的內(nèi)容會和設(shè)定有關(guān)，在調(diào)試過程中MPAB有一個方便的顯示方式就是存儲器的數(shù)據(jù)如果有變化時，會變成紅色的文字顯示，通過這個功能也可以大大地提高調(diào)試速度。最后，在重新燒寫修改過的程序代碼后，程序開始運行，系統(tǒng)正常工作。結(jié)論單片機脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計方案全文共19頁，當(dāng)前為第17頁。驀然回首，為期兩個多月的畢業(yè)設(shè)計就要結(jié)束了，在這漫長而又短暫之中，通過自己不斷地學(xué)習(xí)，不斷地努力與拼搏、不斷地對新知識的追求與索取、不斷地自我發(fā)現(xiàn)、感到自己的知識結(jié)構(gòu)水平提出高了許多，對知識的掌握程度也加深了許多，對知識之間的相互聯(lián)系也有了更深的了解；通過不斷地提高自己的認識水平與能力、不斷地學(xué)習(xí)新方法、新思想、新的思維方式、不斷地改變自己的人生觀和方法論、感到自己不但成長且成熟了許；通過不