【正文】 靜差調(diào)節(jié)。采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，以軟件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字 PID，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速，應(yīng)具備必要的人機(jī)界面可對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，并可以手動調(diào)整控制器的 PID參數(shù)，具備堵轉(zhuǎn)保護(hù)等必要的保護(hù)手段。 我國目前廣泛使用的 MCS51 系列單片機(jī)，性價比較好， 803 87 8051 都屬于 51系列。 圖 MCS51單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 MCS51單片機(jī)都采用 40腳雙列直插式封裝， 40個引腳中有： 2個專用于主電源， 2個外接晶振， 4 跳控制或與其他電源復(fù)用的引腳， 32 個 I/O 引腳。目前。 單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的主要功能有：邏輯控制功能，運(yùn)算、調(diào)節(jié)和控制功能、自動保護(hù)功能、故障檢測和實(shí)時診斷功能。 圖 H橋驅(qū)動電路 6 由圖可知， H橋驅(qū)動電路由 4個三極管與 電機(jī)組成，其形狀與字母 H相似，所以被稱為“ H橋驅(qū)動電路”。 當(dāng) Q2 與 Q3導(dǎo)通時，如圖 圖 電機(jī)逆時針運(yùn)行 電流從從電源正極流出后，從 Q3 由右向左流過電機(jī)，再從 Q2流出回來電源的負(fù)極。它的內(nèi)部包含兩個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，可以驅(qū)動 46V、 2A 以下 的電機(jī)。 12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， ENA、 ENB 接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。當(dāng) IN1 端與 IN2 端都為低電平時，驅(qū)動橋路上的 4個晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài)，這樣使正在運(yùn)行的電機(jī)的電樞電流 反向 ，電機(jī)便自由停止。 目前在速度采集技術(shù)上主要有以下三種方法： 方法一：霍爾集成片。將測速發(fā)電機(jī)與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，帶動測速發(fā)電機(jī)一起轉(zhuǎn)動，此時測速發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生大小取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速的感應(yīng)電動勢。 將上訴三種方法進(jìn)行比較，由于高性能的霍爾元件較難購置，且成本較高，所以不采用方法一。光柵盤是在一個一定直徑的圓板上等分地裁剪出若干個長方形孔 如圖 (a)所示。 (a) (b) 10 圖 光電編碼器原理圖 2． 3． 2 電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計(jì) 圖 測速模塊電路圖 2． 4 顯示模塊設(shè)計(jì) 2． 4． 1 顯示模塊的原理與方法 為了使調(diào)速系統(tǒng)能讓人更直觀地觀察到電機(jī)在調(diào)速期間的運(yùn)行狀況，所以，顯示模塊是不可缺少的。其顯示接口電路分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。液晶顯示器 LCD 因其功耗小、體積小等特點(diǎn)，且符合本課題要求，所以予以采用。 20 K 背光電源（ ） 714 DB0DB7 數(shù)據(jù)線 有些型號的模塊 1 20 腳為空腳 表 128? 64LCD液晶顯示器模塊引腳功能 12 2． 4． 2 顯示模塊 電路設(shè)計(jì) 本調(diào)速系 統(tǒng)的 顯示模塊 電路設(shè)計(jì)如圖 。每個鍵占用一個 I/O 口。以對行線和列線進(jìn)行掃描的方法來確認(rèn)鍵值。而行列式恰好滿足了本課題的要求，所以采用方法二。在原來開環(huán)形的驅(qū)動器的基礎(chǔ)上，加 上速度閉環(huán)，這樣就形成了直流電機(jī)的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時， 通過求和代替積分，以及查分代替微分，使 PID 算法離散化，將描述連續(xù) 時間 PID 算法的微分方程，轉(zhuǎn)化成描述離散 時間 PID算法的差分方程。系數(shù) pK 越大，控制左右也越強(qiáng)，系統(tǒng)的動態(tài)特性也越強(qiáng)，即表現(xiàn)為起動快，對階躍設(shè)定跟隨得快。 積分控制的輸出與偏差信號 ()et 存在的時段有關(guān)，只要時間足夠，積分控制將靜態(tài)偏差消除。因?yàn)橹辉谄顒偝霈F(xiàn)時產(chǎn)生很大的控制作用，所以微分控制可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)整時間，從而達(dá)到提高系統(tǒng)快速性的作用，而且還有助于減小超調(diào)，克服震蕩，達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，但是微分控制不能消除靜態(tài)偏差。 PID 算法也存在多種算法，如位置式 PID 算法、增量式 PID 算法等。 如圖 圖 數(shù)字測速模塊設(shè)計(jì)思想 利用單片機(jī)的 外部中斷來記錄脈沖數(shù)。 3． 3 128?64LCD 顯示模塊 3． 3． 1 128?64LCD 顯示器的控制方法 在前面的章節(jié)已經(jīng)對 128?64LCD 顯示器的引腳分布以及引腳功能做了說明，下面我們來介紹下 128?64LCD 顯示器的控制方法。 (5) 顯示起始行設(shè)置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 1 顯示起始行 （ 0~63） 有上表可知， DB5 至 DB0 為顯示起始行的地址， 取值在 0至 3FH(1 至 64行 )之間 ，它所規(guī)定的是顯示器屏幕上顯示內(nèi)容的最頂一行所對應(yīng)的顯示存儲器的行地址。 DDRAM 共有 64 列， DB5 至 DB0 取不同的值得到 0至 3FH(1至 64)，即某一頁面上的 某一單元地址。 3． 4 行列式鍵盤輸入模塊 3． 4． 1 行列式鍵盤輸入模塊的 設(shè)計(jì)思想 單片機(jī)讀取行線和連線當(dāng)前的電平高低，確認(rèn)是否有按鍵按下，然后通過內(nèi)部運(yùn)算確定鍵值，輸出鍵值，用于：改變電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)， 128? 64LCD 顯示相關(guān)參數(shù)，設(shè)定 PID 參數(shù)。再讀取列值，如果讀取得到的列值是“ 0”，則說明所在行和列的交叉處的鍵被按下。 (3) 鍵值確定。 3． 5 PWM 調(diào)速方法設(shè)計(jì) 3． 5． 1 對 PWM 控制的介紹 由電機(jī)原理可得一下公式： U IRn K?? ? （ 21） 在確定的調(diào)速系統(tǒng)中， I、 R、 K 及φ都是確定，則由式（ 21）可知，轉(zhuǎn)速 n與直流電機(jī)的 22 電樞電壓存在一定關(guān)系，只要調(diào)節(jié)點(diǎn)數(shù)電壓 U，就能改變轉(zhuǎn)速 n，此法稱為調(diào)壓調(diào)速法。通過這種方式來改變公路器件的驅(qū)動脈沖信號的通、斷的時間，來改變負(fù)載兩端的平均電壓的大小。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 圖 PWM替換正弦半波原理圖 23 下面舉例說明下， PWM 的工作原理，如下圖所示： 圖 PWM波形圖 設(shè) T 為脈沖的周期， t1 為電樞兩端高電平時電壓為 Ud 所用的時間， α 為占空比，得： 1 /tT?? 因此，我們可得電樞兩端電壓的平均值 sdUU?? 如圖 27，若電壓幅值 5dUV? ，周 期 10T ms? ，脈寬 1 6t ms? ， 則占空比 5 / 10 50%? ? ? ，得：電樞兩端的平均電壓 5sU V V? ? ??? ? ???。 方法二：專業(yè) PWM 集成芯片。采用軟件編程的方法讓單片機(jī)的一個 I/O 引腳不間斷地輸出高低電平來實(shí)現(xiàn) PWM 波。 將上訴四種方法進(jìn)行比較 ，為了減少硬件電路的復(fù)雜性，減少成本，以及為了鍛煉自己的編程能力，本設(shè)計(jì)采用軟件模擬法來完成 PWM 脈沖波的產(chǎn)生。它是以 51 系列單片機(jī)為控制核心，加上一定量的外圍電路，通過 L298 驅(qū)動芯片完成對直流電機(jī)的驅(qū)動，通過 PWM脈沖波完成對直流電機(jī)的調(diào)速，通過數(shù)字 PID 與測速模塊形成速度閉環(huán)系統(tǒng)完成對直流電機(jī)的無靜差調(diào)節(jié)。 26 參考文獻(xiàn) [1] 張強(qiáng) 等 .基于單片機(jī)的電動機(jī)控制技術(shù) [M].北京：中國電力 出版社出版 ,～ 16 [2] 谷腰欣司 等 .直流電動機(jī)實(shí)際應(yīng)用技巧 [M].北京：科學(xué) 出版社出版 ,2021. 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