【正文】 圖 47 PID 流 程圖 開 始 計(jì)算 NK存入 46H— 48H 計(jì)算 ANK存入 4CH— 4EH 計(jì)算 Δ NK存入 4CH— 4EH 計(jì)算 CBNK2存入 4FH— 51H 計(jì)算 ANK+BNK存入 4CH— 4EH 計(jì)算 BNK存入 4FH— 51H 取 Δ NK整數(shù) N 降速 N 轉(zhuǎn) 更新 NK1,NK2 取 Δ NK整數(shù) N Δ NK0 提速 N 轉(zhuǎn) 返 回 AT89C51 開始 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 28 圖 48 調(diào)速軟件系統(tǒng)框圖 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 存放計(jì)數(shù)器 T1 中的值 是否計(jì)夠20 次？ 累加 20 次的計(jì)數(shù)值 計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速 n=60M/ZTc 給出 PID 運(yùn)算參數(shù) TI、 TD、 KP 調(diào)用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器運(yùn)算 保存運(yùn)算結(jié)果 將實(shí)際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制， 送入顯示 RAM 顯示 返回中斷 重新設(shè)定定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的 初值并啟動(dòng) 重新設(shè)定定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的初值并啟動(dòng) N Y 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 29 5 系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 本次系統(tǒng)仿真采用控制系統(tǒng)仿真軟件 ，使用 MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法有兩種 ： 一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究 ； 另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用 Power System工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。 將模擬的 PID 算式 ? ? ? ? ? ? ? ? 00p1Ktu udt tdTdtteTte t eDI??????? ??? ? (42) 用求和的方式代替積分；用增量的方式代替微分 .則可作如下近似 ktt? (k=0, 1 ,2,…… ..) ? ? ? ? ????? ??k0jk0jt0ejTjTetdtte (43) ? ? ? ? ? ?? ? T eeT TkekTedt t kk 11de ?????? 進(jìn) 行離散處理有 ? ?00 1kkDjkpk ueeTTeeKu ??????? ???? ??kjITT (44) 這便是增量式 PID 算式，由于它的每次輸出均與過(guò)去有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì) Ek 進(jìn)行累加，故工作量大。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 24 圖 45 顯示子程序 選通個(gè)位 ? 是 否 選通個(gè)位 ? 是 否 選通個(gè)位 ? 是 否 選通個(gè)位 ? 是 否 顯示個(gè)位 顯示十位 顯示百位 顯示千位 返回 延時(shí) 延時(shí) 延時(shí) 分解速度值到顯示緩沖區(qū) 延時(shí) 顯示完畢 ? 否 是 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 25 圖 46 測(cè)速子程序 數(shù)字 PID 控制器 PID 控制器原理 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的 調(diào)節(jié)器 控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 保 護(hù) 現(xiàn) 場(chǎng)讀 入 轉(zhuǎn) 速計(jì) 算 轉(zhuǎn) 速恢 復(fù) 現(xiàn) 場(chǎng)轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié)允 許 測(cè) 速中 斷 返 回 封 鎖 PWM輸 出分 析 ， 判 斷 故障 原 因顯 示 故 障等 待 系 統(tǒng) 復(fù) 位 圖 43 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序框圖 圖 44故障保護(hù)中斷子程序框圖 當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平發(fā)生跳變時(shí)申請(qǐng)故障保護(hù)中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用定時(shí)中斷。讀取鍵值，按其實(shí)際功能進(jìn)行操作。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)向 CPU 申請(qǐng)中斷。 初始化子程序 ——完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等，如圖 42。 } void main() { init()。 TR0=1。 TH0=(65536500)/256。 這樣，我們可以通過(guò)設(shè)定不同的定時(shí)初值 TW，從而改變占空比，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為 f，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器為 N 位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為 ： （ 41） 式中， TW— 定時(shí)器定時(shí)初值； N— 一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)。 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 20 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PWM 實(shí)現(xiàn) 方式 調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號(hào)中的 78 或 79 后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 7806 表示輸出電壓為正 6V， 7909 表示輸出電壓為負(fù) 9V。 電源電路 電源電路采用 78 系列芯片產(chǎn)生 +5V、 +15V。 顯示器設(shè)計(jì) 采用共陰極的發(fā)光二極管構(gòu)成可以顯示 4 位十進(jìn)制的顯示器，運(yùn)行中顯示當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速值。 其引腳定義如下 : DB0～ DB7:雙向數(shù)據(jù)總線 /RD、 /WR:讀寫選 通信號(hào) /CS:片選信號(hào) RESET:復(fù)位信號(hào) CLK:時(shí)鐘信號(hào) A0:命令 /狀態(tài)或數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào) A=1,為寫命令或讀狀態(tài) 。簡(jiǎn)單地說(shuō) ,它有以下一些功能 : 與微處理器接口簡(jiǎn)單 。 /顯示芯片 8279 簡(jiǎn)介 Intel公司的 8279 是鍵盤 /顯示模 塊的核心控制器。 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 16 這時(shí)，轉(zhuǎn)速計(jì)算公式修改為： 6 0 1 m2 2 m 2mfn Pm ?? 5 8 5 9 4 1＝ （ 36） 鍵盤及顯示電路 鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳誦命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段 .單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是 CPU 的工作內(nèi)容之一。設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為 f0，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出 p個(gè)脈沖，則 電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為： n=(60*m1*f0)/(z*m2) (35) 由于 M/T 法的計(jì)數(shù)值 M1 和 M2 都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于 M法測(cè)速，最低速時(shí)， M1=1，自動(dòng)進(jìn)入 T 法測(cè)速。 M/T 法測(cè)速原理 M/T法測(cè)速原理是在對(duì)光電編碼器輸出的測(cè)速脈沖數(shù) m1進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)對(duì)時(shí)鐘脈沖 的個(gè)數(shù) m2也進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)， A相脈沖超前 B相脈沖 90176。整形后的 A、 B兩相輸出信號(hào)分別接到 D觸發(fā)器的時(shí)鐘端和 D輸入端， D觸發(fā)器的 CLK端在 A相脈沖的上升沿觸發(fā)。的兩路脈沖信號(hào)。 圖 36 編碼器原理圖 增量式光電編碼器在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè)安放發(fā)光元件和光敏元件。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。 光電編碼器 編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。 2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零， 而是正負(fù)脈寬相 等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。 OOOOU g1 U g4U g2 U g3U ABUsU sidid1id2 ttttton Tton T 圖 35 PWM 變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形 他們的關(guān)系是： 1 4 2 3g g g gU U U U? ? ? ? ?。 1之間變化。 設(shè) PWM波的周期為 T， HIN為高電平的時(shí)間為 t1，這里忽略死區(qū)時(shí)間，那么 LIN為高電平的時(shí)間就為 Tt1。 在 HIN為低電平期間， LIN端輸入高電平， VT VT 3導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加反向工作電壓。 將 IC1的 HIN端與 IC2的 LIN端相連，而把 IC1的 LIN端與 IC2的 HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號(hào)恰好相反。 在計(jì)算出（或測(cè)出）最大電壓后，再留有 20%~30%的裕量， 選用的 IGBT 型號(hào)為 三菱 公司的 CT60AM18F，其耐壓值為 900V，最大峰值電流 30A，完全滿足設(shè)計(jì)要求。雖然當(dāng) IGBT 關(guān)斷（柵極電壓降為 0）時(shí)， IGBT 的漏極電流也就相應(yīng)地不能馬上關(guān)斷，即漏極電流波形有一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的拖尾 ——關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)（ 10～ 50ms），所以 IGBT 的工作頻率較低。（ 2） IGBT 的輸出電流和跨導(dǎo)都大于相同尺寸的功率 MOSFET。推挽式驅(qū)動(dòng)輸出峰值電流 ≥2A，負(fù)載為 1000pF 時(shí)，開關(guān)時(shí)間典型值為 25ns。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。 芯片 IR2110 性能及特點(diǎn) IR2110是美國(guó)國(guó)際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路以及無(wú)閂鎖 CMOS技單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 9 術(shù)，于 1990年前后開發(fā)并且投放市場(chǎng)的，是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動(dòng)的單片式集成驅(qū)動(dòng)器。 16 位是指他們都是由 16 個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，故最大計(jì)數(shù)模值為 1216? 。 AT89S52 主要功能 擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash 晶片內(nèi)部具時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ ROM）為 8KB 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）為 256 字節(jié) 32 個(gè)可編程 I/O 口線 8 個(gè)中斷向量源 三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 全雙工 UART 串行通道 AT89S52 引腳 圖 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 8 圖 31 單片機(jī)引腳圖 AT89S52 有 6個(gè)中斷源：兩個(gè)外部中斷 （ INT0 和 INT1），三個(gè)定時(shí)中斷（定時(shí)器 0、 2）和一個(gè)串行中斷。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。故采用方案一。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用第 3 種方法。以下是三種可改變占空比的方法： （ 1）定寬調(diào)頻法 :保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 占空比 D 表示了在一個(gè)周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值 ， 變化范圍為0≤ D≤1 。硬件部分是前提，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)。因此， PWM 又被稱為 “ 開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ” 。 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。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的接通或斷開，并通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直流電機(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，因此， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。勵(lì) 磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小但低速時(shí)受到磁場(chǎng)飽和的限制，高速時(shí)受 到換向火花和轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 3 差。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過(guò)線圈中電流改變方向時(shí)，線圈的方向也將改變，因此通過(guò)改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向