【正文】 第3章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) STC89C52單片機(jī)的簡介 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng) STC89C52最小系統(tǒng)跟其他微控制器最小系統(tǒng)一樣，處理器是不能獨(dú)立工作的，必須給它接上電源，加上時(shí)鐘信號(hào)，并有復(fù)位電路，如果芯片沒有片內(nèi)存儲(chǔ)器，還得外部提供存儲(chǔ)器，才能保證最小系統(tǒng)能夠運(yùn)行。： 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對于STC89C52最小系統(tǒng)，由于其內(nèi)部自帶有存儲(chǔ)器，因此可以沒有存儲(chǔ)器系統(tǒng)，如果系統(tǒng)不需要調(diào)試，調(diào)試測試接口也可以沒有，但是在這次設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行軟件調(diào)試，因此調(diào)試測試接口必須。 供電系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，是整個(gè)系統(tǒng)能夠工作的基礎(chǔ)，具有很重要的地位，電源設(shè)計(jì)需要考慮到輸出電壓、電流、功率等因素。~，一般情況下設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)的工作電壓為5V。所有的微控制器均為時(shí)序電路，只有有了時(shí)鐘信號(hào)，微控制器才能正常工作。STC89C52內(nèi)部自帶有時(shí)鐘電路，但是必須外接一個(gè)晶體或者陶瓷諧振器，這樣才能給單片機(jī)提供時(shí)序，使單片機(jī)能夠工作，： 外接晶振與電容CC2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，加電以后延遲約10ms后，振蕩器開始起振并產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，不受軟件的控制。電容器的作用是幫助諧振電路起振，稱為諧振電容，振蕩器的振蕩頻率取決于晶體的頻率，一般常用的晶振有6MHz、，在設(shè)計(jì)電路板的時(shí)候應(yīng)該使晶體和電容盡量接近單片機(jī)的芯片，這樣可以減少寄生電容，保證振蕩器能夠穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行和工作，并且晶振的外殼一般要可靠接地，才能減少晶振高頻振蕩產(chǎn)生的干擾。復(fù)位系統(tǒng)是對單片機(jī)進(jìn)行初始化操作的一種方式，單片機(jī)復(fù)位方式有兩種方式，外部復(fù)位和看門狗復(fù)位兩種方式，復(fù)位并不影響片內(nèi)存儲(chǔ)器存放的內(nèi)容，它只是使單片機(jī)從0000H開始執(zhí)行程序，特殊功能寄存器也恢復(fù)到初始化狀態(tài)。看門狗復(fù)位是為了防止程序跑飛而出現(xiàn)的安全隱患而設(shè)置的復(fù)位方式，當(dāng)看門狗復(fù)位打開后，看門狗計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，看門狗會(huì)使單片機(jī)復(fù)位，因此需要及時(shí)喂狗，這種復(fù)位方式是一種軟件復(fù)位方式。外部復(fù)位是一種硬件復(fù)位，它是通過復(fù)位電路持續(xù)給單片機(jī)復(fù)位引腳一個(gè)有效的電平達(dá)到一定得時(shí)間后，會(huì)使單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，對于STC89C52，是持續(xù)給RST引腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，單片機(jī)完成復(fù)位。外部復(fù)位又分為上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種。 (a) (b) （a）手動(dòng)開關(guān)復(fù)位；（b）上電復(fù)位STC89C52有兩種Flash存儲(chǔ)器編程方法：并行編程和串行編程。并行編程方法是：首先，在地址線上加上要編程單元的地址信號(hào)；接著，在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)；然后，激活相應(yīng)的控制信號(hào)；接著，將EA/VPP端加上+12V的編程電壓；最后每對Flash存儲(chǔ)器寫入一個(gè)字節(jié)或者每寫一個(gè)程序加密位，都要給ALE/PROG加上編程一個(gè)脈沖；改變編程單元的地址和數(shù)據(jù)重復(fù)上述步驟，直到程序都寫入Flash為止。串行編程是將RST接至電源正極，通過串口ISP接口進(jìn)行編程，串行接口包含串行時(shí)鐘線、輸入線和輸出線。本次設(shè)計(jì)的調(diào)試測試接口用串口調(diào)試方式，通過USB轉(zhuǎn)串芯片MAX232進(jìn)行程序的下載。程序存儲(chǔ)器一般用于存放編好的程序、表格和常數(shù)，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放運(yùn)算中間結(jié)果，起到數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位以及用戶自定義的字形表等。STC89C52具有256B的片內(nèi)RAM和8K的片內(nèi)ROM，在本次設(shè)計(jì)中已經(jīng)足夠了，因此不需要外擴(kuò)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。 STC89C52單片機(jī)中斷、定時(shí)器 單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行和其他系統(tǒng)一樣，需要不斷的與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，當(dāng)CPU與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)采用查詢方式，會(huì)大大的占用CPU的資源，浪費(fèi)了時(shí)間去等待外設(shè)，為了解決這一問題，單片機(jī)系統(tǒng)引入了中斷技術(shù)。中斷時(shí)單片機(jī)暫時(shí)停止當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)而去處理觸發(fā)中斷的事件，處理完后，自動(dòng)返回到被暫停的程序斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行被暫停的程序。51子系列單片機(jī)有5個(gè)中斷源，52子系列單片機(jī)比51子系列多一個(gè)，具有6個(gè)中斷源，具有兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)中斷的兩級(jí)嵌套，用于控制中斷的特殊功能寄存器有4個(gè)，它們是IE、IP、TCON和SCON，分別控制中斷的開放、禁止和優(yōu)先級(jí)。 51系列單片機(jī)的5個(gè)中斷源可以分為兩大類：外部中斷和內(nèi)部中斷，內(nèi)部中斷源包括兩個(gè)定時(shí)器T0和T1以及串行口中斷，52子系列比51子系列多一個(gè)內(nèi)部中斷定時(shí)器T2中斷，其他均一樣。 外部中斷有兩種觸發(fā)方式：邊沿觸發(fā)方式和電平觸發(fā)方式，由特殊功能寄存器TCON進(jìn)行控制，當(dāng)采用邊沿觸發(fā)方式時(shí)，外部中斷輸入的高電平和低電平時(shí)間需要保持一個(gè)機(jī)器周期，才能保證單片機(jī)可靠的檢測到中斷信號(hào)。當(dāng)采用電平觸發(fā)方式時(shí)，需要保持低電平有效，直到中斷請求被響應(yīng)，才能夠撤銷中斷請求信號(hào)。 CPU與外部進(jìn)行信息交換稱為通信，通信的方式有串行通信和并行通信。并行通信的主要特征是傳輸速度快，在傳輸距離較短的情況下，占有很大的優(yōu)勢，對于長距離傳輸來說，由于信號(hào)線太多導(dǎo)致線路復(fù)雜，成本變高；串行通信線路簡單，但是傳輸速度慢，當(dāng)傳輸距離較長時(shí)，在成本方面占有很大的優(yōu)勢。 定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷有4種工作方式：方式0、方式方式2和方式3。 方式0為13位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。13位計(jì)數(shù)寄存器由TH0(TH1)的高8位和TL0(TL1)的低5位構(gòu)成，其他位不用。這種方式下的最大計(jì)數(shù)值為，即8192個(gè)數(shù)。 方式1為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。16位計(jì)數(shù)寄存器由TH0(TH1)和TL0(TL1)構(gòu)成，其用法和方式0基本一樣，只是最大計(jì)數(shù)值為，即65536個(gè)數(shù)。 方式2是能自動(dòng)重裝計(jì)數(shù)初值的8位計(jì)數(shù)器，TH0(TH1)用來存放計(jì)數(shù)初值，TL0(TL1)用來計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)?位產(chǎn)生中斷溢出后，單片機(jī)自動(dòng)將高8位中的計(jì)數(shù)初值重新裝入低8位計(jì)數(shù)器，如此循環(huán)不止。不過這種方式的計(jì)數(shù)最大值為，即256個(gè)數(shù)。 方式3跟前三種方式大不相同，只有T0能工作在方式3模式，T1不能工作在方式3，這種方式下是將T0分為兩個(gè)獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器，TH0只能用作定時(shí)器方式，對機(jī)器周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，TL0只能不僅可以工作在計(jì)數(shù)器模式也可以工作在定時(shí)器模式，功能和操作和方式0、方式方式2完全相同。 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化包含下面幾點(diǎn)內(nèi)容： ，給寄存器TMOD置相應(yīng)的值； ，并根據(jù)工作方式對TH0(TL1)和TL0(TL1)賦相應(yīng)的值； ，如需要中斷，需要對中斷允許寄存器和中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器賦相應(yīng)的值； ，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 并行I/O口 MCS51系列單片機(jī)具有四個(gè)雙向8位I/O口，分別為P0、PPP3口，共32根I/O口線。每個(gè)I/O口都可以作為8位并行I/O口使用，并且可以獨(dú)立的作為1位雙向I/O口線進(jìn)行使用。各個(gè)口的每一位都由一個(gè)鎖存器和一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器以及輸入緩沖器組成。作為輸出時(shí)，數(shù)據(jù)可以鎖存；作為輸入時(shí)，數(shù)據(jù)可以緩沖。 P0口試一個(gè)三態(tài)的雙向I/O口，在系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，作為低8位地址線和數(shù)據(jù)總線的分時(shí)復(fù)用，當(dāng)沒有系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)作為通用的準(zhǔn)I/O口使用。值得注意的是當(dāng)P0口作為輸出口時(shí)，若要驅(qū)動(dòng)NMOS或者其他拉電流負(fù)載時(shí)，需要外接上拉電阻。 P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，通常作為通用I/O口使用，作為輸出口使用時(shí)，不需要接上拉電阻，它能夠共拉電流負(fù)載。 P2口也是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，有兩種功能，作為通用I/O口使用和高8位地址總線輸出兩種功能，當(dāng)作為通用I/O口使用時(shí)和P1口的使用方法一樣，當(dāng)需要外部擴(kuò)展時(shí)，P2口和P0口作為外部接口的地址總線，給外圍電路輸出地址。 P3口也是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，P3口可以作為通用I/O口，并且每一位都可以獨(dú)立的定義為通用I/O口功能輸入輸出。但是它的很多端口都具有第二功能，外部中斷INT0和INT1，定時(shí)計(jì)數(shù)器T0和T1的外部時(shí)鐘接口、串行中斷源，都是通過P3口的。因此，P3口一般不作為通用口使用，而是作為它的第二功能口來使用[5]。 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體框圖 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制硬件主要部分包括單片機(jī)STC89C52以及外圍電路、L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，LCD1602液晶顯示模塊，轉(zhuǎn)速給定模塊2*3鍵盤以及光電旋轉(zhuǎn)編碼器直流電機(jī)測速模塊，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的單閉環(huán)，使得直流電機(jī)速度能夠跟隨給定，并且抵抗負(fù)載擾動(dòng)和閉環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)，用ADC0809芯片進(jìn)行電機(jī)電樞電流的檢測并實(shí)現(xiàn)電流限幅而對電機(jī)進(jìn)行電流保護(hù)。： 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析，需要知道動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而這些都是建立在對描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型的分析之上的，因此建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的，它影響到系統(tǒng)所選擇的控制規(guī)律對系統(tǒng)的作用，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差分析都是建立在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型之上的。因此要對系統(tǒng)先進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立。 ： 在主回路電流連續(xù)的前提下，動(dòng)態(tài)電壓方程為： （31）在忽略各種阻力的情況下，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為： （32）公式中包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為N*m，是電力拖動(dòng)裝置這算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為。 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電勢以及電磁轉(zhuǎn)矩分別如下： （33） （34）電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁條件下的電動(dòng)勢系數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為 （35）定義電樞回路時(shí)間常數(shù)；定義電力拖動(dòng)時(shí)間常數(shù)。單位均為s。整理式（31）（32）（33）（34）（35）后得到 （36） （37）在零初始條件下得到電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，電流與電動(dòng)勢之間的傳遞函數(shù)分別為： （38） （39）： 在設(shè)計(jì)中使用的是光電旋轉(zhuǎn)編碼器來進(jìn)行測速，在程序中根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此反饋回來的是電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，放大系數(shù)為1，因此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為單位負(fù)反饋系統(tǒng)框圖；由于設(shè)計(jì)中是用直流電源供電，因此PWM波的晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為0。： 圖中ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，D為PWM波占空比，當(dāng)D=1時(shí)，即直流電機(jī)所加的最大耐壓，也就是給直流電機(jī)供電的外接直流電源電壓。從圖中可以看出，反饋控制的基本規(guī)律是：（1） 反饋控制的作用是抵抗擾動(dòng)，服從給定，系統(tǒng)能夠抵抗所在閉環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)，比如負(fù)載擾動(dòng)，電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化和主電路電阻的變化都會(huì)影響轉(zhuǎn)速，而閉環(huán)調(diào)節(jié)抵抗這些擾動(dòng)，使電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速對于給定轉(zhuǎn)速可以唯命是從；但是它對于反饋環(huán)所包圍外的擾動(dòng)沒有抵抗作用，比如對于給定速度的擾動(dòng)和測速裝置的擾動(dòng)沒用作用。（2） 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度，如果給定有一定的波動(dòng)，那么反饋系統(tǒng)就很難沒有波動(dòng)，因?yàn)楦鶕?jù)控制規(guī)律（1），被控量是要跟隨給定的，給定存在波動(dòng)，被控量也會(huì)跟著有波動(dòng)，因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)需要高精度的給定；根據(jù)控制規(guī)律（1），系統(tǒng)沒法克服反饋檢測裝置的誤差，因此對于反饋裝置的誤差，系統(tǒng)沒有辦法克服，從而使得控制效果不是很理想，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速可能和給定速度存在偏差。因此高精度的測速反饋裝置對于高精度的調(diào)速系統(tǒng)同樣重要?，F(xiàn)在大部分的系統(tǒng)都通過數(shù)字給定和數(shù)字測速裝置來提高系統(tǒng)的精度。（3） 比例控制的反饋系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)，從靜特性上看，比例控制系數(shù)越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好，穩(wěn)態(tài)誤差越小，而且，比例控制沒法消除誤差，只能減小誤差，因?yàn)楸壤刂葡禂?shù)不可能達(dá)到無窮大；從動(dòng)態(tài)上看，比例控制系數(shù)越大，系統(tǒng)快速性也越好；但是存在一個(gè)問題，比例控制越強(qiáng)，系統(tǒng)的超調(diào)量越大，這就是一個(gè)矛盾的問題，因此要設(shè)計(jì)出無靜差的系統(tǒng)，光靠比例控制是不能達(dá)到效果的[6]。 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 由于數(shù)字控制具有很高的精度和可靠性，因此，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。