【正文】 圖 21 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 8051 單片機(jī)簡(jiǎn)介 1． 8051 單片機(jī)的基本組成 主控芯片 PWM信號(hào)的產(chǎn)生與放大 直流電機(jī) 測(cè)速 發(fā)電機(jī) 濾波 電路 A/D 轉(zhuǎn)換 5 8051 單片機(jī)由 CPU 和 8 個(gè)部件組成，它們都通過(guò)片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用 CPU 加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。本文所研究的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的 ―占空比 ‖來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)得電機(jī)速度，經(jīng)過(guò)濾波電路得到直流電壓信號(hào)，把電壓信號(hào)輸入給 A/D 轉(zhuǎn)換芯片最后反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行 PI 運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 選題的目的 和 意義 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng) 2 用。改變電壓的方法很多，最常見(jiàn)的一種 PWM 脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。另外，本系統(tǒng)中使用了測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)濾波電路后，將測(cè)量值送到 A/D 轉(zhuǎn)換器，并且最終作為反饋值輸入到單片機(jī)進(jìn)行 PI 運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)速度的控制。河南科技 學(xué) 院 2021 屆 本科 畢業(yè)論 文 論 文 題 目 ： 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 所在院系： 信息工程學(xué)院 所學(xué)專(zhuān)業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 導(dǎo)師姓名： 曲培新 完成時(shí)間： 20210522 1 摘 要 本文主要研究了利用 MCS51系列單片機(jī)控制 PWM信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。在軟件方面，文章中詳細(xì)介紹了PI 運(yùn)算程序，初始化程序等的編寫(xiě)思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響 ，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間 的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)成為 PWM控制技 3 術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 2. 總體 設(shè)計(jì) 概述 單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速簡(jiǎn)介：?jiǎn)纹瑱C(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。因此， PWM 又被稱(chēng)為 ―開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ‖。硬件部分是前提， 4 是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。其基本組成如下圖所示： 圖 22 8051 基本結(jié)構(gòu)圖 2． CPU 及 部分 部件的作用功能介紹如下 中央處理器 CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。 定時(shí)器： 8051 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 當(dāng)使 能端呈高電平時(shí)，鎖存器中的內(nèi)容可以更新，而在返回低電平的瞬間實(shí)現(xiàn)鎖存。 27128 的引腳圖如 圖 25 所示： 8 圖 25 27128 結(jié)構(gòu)圖 3．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器 8051 單片機(jī)有 128B RAM，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過(guò) 128B 也需要把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 進(jìn)一步擴(kuò)展。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展常使用隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片，用的較多的是 Intel 公司的 6116 容量為 2KB 和6264 容量為8KB。第二種情況是8051 帶片外存儲(chǔ)器， 在 CPU 訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)先是用于傳送片外存儲(chǔ)器的低 8 位地址，然后傳送 CPU 對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。它的第二功能作為控制用，每個(gè)引腳不盡相同 。如果 ____EA =1，那么允許使用片內(nèi) ROM；如果 ____EA =0，那么允許使用片外 ROM。PWM 可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。 如 圖 28 所示： 圖 28 PWM 方波 設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設(shè)占空比為 D= t1 / T，則電機(jī)的平均速度為 Va = Vmax * D，其中 Va 指的是電機(jī)的平均速度； Vmax 是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度； D = t1 / T 是指占空比。當(dāng) PWM 波的頻率太高時(shí)，它對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率管要求太高，而當(dāng)它的頻率太低時(shí)，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng) PWM 波的 頻率在 18KHz 左右時(shí)，效果最好。 12 位串行計(jì)數(shù)器 4040 的計(jì)數(shù)輸入端 CLK 接到單片機(jī) C51 晶振的振蕩輸出 XTAL2。由于單片機(jī)上電復(fù)位時(shí) P1 端口輸出全為 ―1‖，使用數(shù)值比較器 4585 的 B 組與 P1 端口相連，升速時(shí) P0端口輸出 X 按一定規(guī)律減少，而降速時(shí)按一定規(guī)律增大。當(dāng) CR 為高電平時(shí)，它對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，由于在時(shí)鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，故對(duì)脈沖上升和下降時(shí)間沒(méi)有限制，所有的輸入和輸出均經(jīng)過(guò)緩沖。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，與其他驅(qū)動(dòng)電路相比，它在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū)動(dòng)變壓器和電容的數(shù)目，使得 MOSFET 和 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，而且它可以實(shí)現(xiàn)對(duì) MOSFET 和 IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，還具有快速完整的保護(hù)功能。其結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，芯片引腳圖如下所示： 圖 212 IR2110 引腳圖 主電路設(shè)計(jì) 延時(shí)保護(hù)電路 利用 IR2110 芯片的完善設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)保護(hù)電路。我們可以采取雙 PWM 信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)以及它的速度。同理，此時(shí) IC2 的 HO 為低電平而 LO 為高電平， Q3 截止，C3 上的電壓經(jīng) 過(guò) VB、 IC 內(nèi)部電路和 HO 端加在 Q4 的柵極上，從而使得 Q4 導(dǎo)通。其具體的操作步驟如下： 當(dāng) IC1 的 LO 為高電平而 HO 為低電平的時(shí)候， Q2 導(dǎo)通且 Q1 截止。此時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。設(shè)電源電壓為 V，那么電樞電壓的平均值為： Vout= [ t1 ( T t1 ) ] V / T = ( 2 t1 – T ) V / T = ( 2D – 1 )V 定義負(fù)載電壓系數(shù)為 λ， λ= Vout / V， 那么 λ= 2D – 1 ；當(dāng) T 為常數(shù)時(shí)，改變 HIN 為高電平的時(shí)間 t1，也就改變了占空比 D，從而達(dá)到了改變 Vout 的目的。 當(dāng) λ=， Vout=0， 此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 0； 當(dāng) λ1時(shí)， Vout 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng) λ=1時(shí)， Vout=V， 電機(jī)正轉(zhuǎn)全速運(yùn)行。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)的極性即相應(yīng)改變。為了使脈動(dòng)直流電變 得較為平穩(wěn)，把其中的交流成分濾掉，叫做濾波。而 ADC0809 是采樣頻率為 8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模 —數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。 ALE是地址鎖存允許， ?REFV 、 ?REFV 接基準(zhǔn)電源，在精度要求不太高的情況下，供電電源就可以作為基準(zhǔn)電源。 CLK是時(shí)鐘端。 主程序設(shè)計(jì) 主程序主程序是一個(gè)循環(huán)程序 ， 其主要思路是 ， 先設(shè)定好速度初始值 ， 這個(gè)初始值與測(cè)速電路送來(lái)的值相比較得到一個(gè)誤差值 ， 然后用 PI 算法輸出控制系數(shù)給 PWM 發(fā)生電路改變波形的占空比 ， 進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 主 程序流程圖如圖 32 所示 ： 26 PI 控制算法子程序設(shè)計(jì) /*PI 控制算法子程序 */ void PID_work() 圖 32 主程序流程圖 27 { negsum=0。} else { negsum+=k1。 //存儲(chǔ)結(jié)果 CY=0。 else UK=k1+k3。經(jīng)過(guò)多天的努力探索，也經(jīng)過(guò)老師的指導(dǎo)，大部分問(wèn)題都已經(jīng)解決，就是程序還是不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能，這讓我很著急。若不成 功，則重新回到軟件調(diào)試步驟，進(jìn)行軟件調(diào)試。另外，在進(jìn)行仿真的時(shí)候，也經(jīng)常出現(xiàn)程序沒(méi)有錯(cuò)誤了，但是仿真通不過(guò)的情況，這些大部分原因是在管腳定義上，很多系統(tǒng)仿真的問(wèn)題 都出在這。曾經(jīng)也試過(guò)用單片機(jī)直接產(chǎn)生 PWM 波形，但其最終效果并不理想，在使用了少量的硬件后，單片機(jī)的壓力大大減小，程序中有充足的時(shí)間進(jìn)行閉環(huán)控制的測(cè)控和計(jì)算，使得軟件的運(yùn)行更為合理可靠。老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、誨人不倦的態(tài)度和 學(xué)術(shù)上精益求精的精神讓我受益終生。同時(shí)也要感謝身邊朋友的熱心幫助，沒(méi)有你們的 關(guān)心 與 支持 ， 我不可能這么快完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì) ！ 這 幾個(gè)月 的歲月 是我學(xué)生生涯中最有價(jià)值的一段時(shí)光 ，也將會(huì)成為我以后永遠(yuǎn)的美好的回憶