【正文】 能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。如今，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制已經(jīng)離不開單片機(jī)的支持，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，使人類社會(huì)步入了自動(dòng)化時(shí)代，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與其他學(xué)科領(lǐng)域交叉融合，促進(jìn)了學(xué)科發(fā)展和專業(yè)更新，引發(fā)了新興交叉學(xué)科與技術(shù)的不斷涌現(xiàn)。 PWM 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)擁有需用的功率元件少、線路簡(jiǎn)單、控制方便、開關(guān)頻率高、低速性能好、穩(wěn)速精度高及調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在工廠企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。 直流電動(dòng)機(jī)因其可以方便地通過改變電樞電壓 和勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)速而得到廣泛的應(yīng)用，調(diào)節(jié)電樞串聯(lián)電阻來改變電樞上的電壓，是最經(jīng)典的直流電機(jī)調(diào)速方法，但是有相當(dāng)部分的電能消耗在所串聯(lián)電阻上，很不經(jīng)濟(jì)。在直流電機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號(hào)傳送到 AT89S51， 由 AT89S51 進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)， 算出直流電機(jī)每秒鐘的轉(zhuǎn)速， 最后 送LED 顯示。 該設(shè)計(jì)中使用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤進(jìn)行命令的輸入，當(dāng) 鍵盤的信號(hào) 被 單片機(jī) AT89S51 接受 ，單片機(jī)在 子程序 控制下 通過計(jì)算占空比產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的 脈寬調(diào)制（ PWM） 信號(hào)輸出和控制信號(hào)輸出，其中一路信號(hào) 可 控制 L298 的 使能和方向，一路 脈寬調(diào)制（ PWM） 波形 則 送 L298 實(shí)現(xiàn)控制直流電機(jī)的速度的功能。 近年來，電氣傳動(dòng)的 PWM 控制技術(shù)以成為電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。于是 90年代出現(xiàn)了以 IGBT 為代表，具有自關(guān)斷能力并可在高速下工作的功率器件作為開關(guān)元件的 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)成為更為先進(jìn)的直流調(diào)速方案 [4] 。 而以往直流電動(dòng)機(jī)的控制只是簡(jiǎn)單的控制，很難進(jìn)行調(diào)速，第一章 緒論 2 不能實(shí)現(xiàn)智能化。 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步， 交流調(diào)速問題的解決，交流調(diào)速 系統(tǒng) 在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo) 地位，但 在我國(guó) ， 目前仍有大量 的各類機(jī)床和控制 系統(tǒng) 仍在 使用直流電動(dòng)機(jī) 來作 伺服驅(qū)動(dòng) ,有些用模擬 PWM 進(jìn)行 控制、有些用晶閘管移相 進(jìn)行控制。選用 L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 E. 程序的嵌入與調(diào)試：進(jìn)行仿真、調(diào)試，固化樣機(jī)聯(lián)調(diào)，軟硬件結(jié)合起來調(diào)試，找錯(cuò)、修改軟硬件，進(jìn)行軟硬件測(cè)試。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)較差。其中脈寬調(diào)制（ Pulse Width Modulation,PWM）是常用的一種調(diào)速方法。 AT89S51 單片機(jī)的封裝 AT89S51 單片機(jī)具有多種封裝形式，包括 PDIP PDIP4 PLCC44 和TQFP44。上述存儲(chǔ)空間在物理上可以被映射到 4 個(gè)區(qū)域：片內(nèi)程序第二章 預(yù)備知識(shí)介紹 6 存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 程序存儲(chǔ)空間 程序存儲(chǔ)空間可以被映射為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器或者外部程序存儲(chǔ)器。高于 0FFFH 的程序存儲(chǔ)空間只能被映射為外部程序存儲(chǔ)器。進(jìn)入不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是通過不同的指令來實(shí)現(xiàn)的，這點(diǎn)與程序存儲(chǔ)器不一樣。它可以進(jìn)一步被分為 3部分，如圖 23 所示。當(dāng)前正在使第二章 預(yù)備知識(shí)介紹 8 用的工作寄存器組由位于高 128 字節(jié)的程序狀態(tài)字寄存器（ PSW）中第 3位（ RS0）和第 4位 （ RS1）的數(shù)據(jù)決定。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址從 30H～ 7FH 部分僅可以用作通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 在 AT89S51 單片機(jī)中，包括前面提到的程序狀態(tài)字寄存器（ PSW）的特殊功能存儲(chǔ)器共有 26個(gè)，它們離散地分布在 80H～ FFH的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間范圍內(nèi)。例如前面提到的用來確定當(dāng)前工作寄存器組的程序狀態(tài)字寄存器（ PSW），它的地址為 D0H，因此對(duì)它可以進(jìn)行字節(jié)操作，也可以進(jìn)行 位操作。這些外圍器件統(tǒng)一編址。要實(shí)現(xiàn)以上的功能，應(yīng)用比較廣泛的是由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的 H 型橋式驅(qū)動(dòng)電路。使全橋式驅(qū)動(dòng)電路的 4 只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)， V V4 為一組， V V3 為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。但是為了簡(jiǎn)化電路，在設(shè)計(jì)中使用集成有橋式電路的電機(jī)專用芯片。具有兩個(gè)使能控制端口，分別控制兩個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)。 圖 26 L298 引腳圖 The pin figure of L298 表 27 L298 引腳功能表 第二章 預(yù)備知識(shí)介紹 12 Function table of L298 pins 顯示模塊 本系統(tǒng)使用四位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，為了節(jié)省 I/O 口，我們使用 74LS47 來把四位的 BCD 碼轉(zhuǎn)換成七段 LED顯示，所以在單片機(jī)中輸出轉(zhuǎn)速的數(shù)值要用 BCD表示，會(huì)詳細(xì)在下一章的軟件部分講到。設(shè)計(jì)中我采用了通過控制三極管來選通 LED 的方法。南京工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 第 三 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)是基于 AT89S51 單片機(jī)的直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng) ，其基本原理為：由單片機(jī) AT89S51接受鍵盤的信號(hào)并通過計(jì)算占空比產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的 PWM信號(hào)輸出和控制信號(hào)輸出， 脈寬調(diào)制 (PWM)信號(hào)經(jīng)過功率放大后 驅(qū)動(dòng)電機(jī) ,本調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是 L298 驅(qū)動(dòng)芯片。調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是單極性工作方式。比較器LM393 主要起到了限制過流和保護(hù) L298 的作用。 在直流電機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號(hào)傳送到 AT89S51， AT89S51進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算出直流電機(jī)每秒鐘的轉(zhuǎn)速，并用四位 BCD 碼輸出，由于 本系第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 14 統(tǒng)使用四位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，為了節(jié)省 I/O 口，我 使用 74LS47來把四位的 BCD 碼轉(zhuǎn)換成七段 LED 顯示 后 送 LED 顯示。為解決這個(gè)問題，我們采用雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源。圖中 C4是一個(gè)大容量的電解電容，起到低頻濾波的作用。至于 AT89S51正常工作的最少模式跟 AT89C51 基本上是一樣的，這里就不再詳述了。 圖 43 L298 及其外圍硬件電路圖 Peripheral hardware circuit of L298 單片機(jī) AT89S51 輸出的脈寬調(diào)制 (PWM)信號(hào)需經(jīng)過功率放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī) ,本調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是 L298驅(qū)動(dòng)芯片。調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是單極性工作方式。 LM393 的同相端直接連到了一個(gè)可變電位計(jì)南京工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 上 ,電位計(jì)的參考電壓是可調(diào)的。這就起到了限制過流和保護(hù) L298的作用。 44 L298 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 internal structure images of L298 L298 的控制時(shí)序圖 P W MD IR E C T IO NIN 1 和 IN 3IN 2 和 IN 4VA1 和 V B 1VA3 和 V B 3 圖 45 L298 內(nèi)部三極管根據(jù)輸入信號(hào)變化的時(shí)序圖 第四章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 Sequence diagram by changing of the signal input of the transistor material inside in L298 在時(shí)序圖中我們可以見到 PWM 波形的占空比由 40%到 80%到 60%的變化。這過程中 3AV 與 3BV 一直與 PWM 波形變化一致。其中 C為 IN IN3， D為 IN IN4； L為低電平， H 為高電平，※為無論是低電平還是高電平。 停止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)不工作。第一， L298 的允許采樣電壓值是 2V（見表 42），超過這一幅度，芯片會(huì)自動(dòng)保護(hù)從而停止工作。 速度的測(cè)量和顯示 本設(shè)計(jì)附加了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的測(cè)速顯示功能?？紤]到成本和易用性等問題，本設(shè)計(jì)選用的是霍爾元件 CS3020 作為測(cè)速的傳感器。 第四章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 CS3020 霍爾傳感器內(nèi)部有 5 個(gè)部分 組成 ，即由穩(wěn)壓 電路 、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級(jí)組成。其工作特性見圖 49。對(duì)于 CS3020， OPB =， RPB =， OLV =80～ 150mV，OHV =4V，工作電壓為 ～ 24V。 單片機(jī)的 、 、 和 分別作為四位 LED 的由低位到高位的選通腳。這樣做可以保證 LED 能正常地工作。本章將對(duì)該直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的程序做具體分析。（當(dāng)然可送其它占空比數(shù)據(jù)，這里是為了更好的展示，根據(jù)不同系統(tǒng)的需要，其值可變）。其程序流程圖如圖 52。 這種抖動(dòng)對(duì)于人來說是感覺不到的，但對(duì)計(jì)算機(jī)來說，則是完全可 以感應(yīng)到的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的速度是在微秒級(jí)，而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí)，對(duì)計(jì)算機(jī)而言，這已是一個(gè) “ 漫長(zhǎng) ” 的時(shí)間了。軟件法其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是在單片機(jī)獲得 ，不是立即認(rèn)定 S1已被按下，而是延時(shí) 10毫秒或更長(zhǎng)一些時(shí)間后再次檢測(cè) ，如果仍為低，說明 S 的確按下了，這實(shí)際上是避開了按鍵按下時(shí)的抖動(dòng)時(shí)間。 相對(duì)應(yīng)用硬件實(shí)現(xiàn) PWM 信號(hào)，用軟件實(shí)現(xiàn)具有成本低，限制少，實(shí)現(xiàn)便捷等優(yōu)點(diǎn)。第二種是應(yīng)用指令延時(shí)實(shí)現(xiàn) PWM的輸出，第五章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26 此種方法的分辨率可以達(dá)到一個(gè)指令周期，但是程序較為復(fù)雜，而且占用機(jī)時(shí)比較多。定時(shí)器 T0確定 PWM 波的頻率， T1 確定高電平的時(shí)間，這樣改變 T1 的初值就可以改變占空比。 對(duì)于小型電動(dòng)機(jī)速度的測(cè)量，比較常用的采用脈沖發(fā)生器來檢測(cè)速度。在實(shí)際應(yīng)用中，還有一種集以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)與一體的測(cè)南京工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 速方法 M/T 法。 在圖 55 中可見， INT0 中斷執(zhí)行的功能 十分簡(jiǎn)單，就是外部每輸入一個(gè)脈沖， R0 寄存器就加 1。 圖 55 測(cè)速功能的程序流程圖 Program flow chart of speed measurement 第五章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 顯 示子程序 本設(shè)計(jì)用了四位共陽(yáng)數(shù)碼管和七段譯碼器作為顯示電路外圍器件，其詳細(xì)的硬件論述請(qǐng)看第四章的 LED 顯示的硬件電路部分。其中 P2口的低四位作為 BCD 碼的輸出口，在 LED的硬件圖中可以看到，單片機(jī)的 P2口作為顯示部分的數(shù)據(jù)輸出口與控制輸出口。 LED的千位是正反轉(zhuǎn)的標(biāo)志位，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的時(shí)候不顯示（ BCD 碼為 1111），當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候顯示為“三”型（ BCD 碼為1101）。 KEIL C51 編譯器由 uVision2 集成開發(fā)環(huán)境與編輯器和調(diào)試器以及 C51 編譯器組成。 Proteus 軟件提供多種現(xiàn)實(shí)存在的虛擬儀器儀表。提供 Schematic Drawing、 SPICE 仿真與 PCB 設(shè)計(jì)功能，同時(shí)可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真 51 系列、 AVR、 PIC 等常用的 MCU，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如 37 led、示波器等。在計(jì)算機(jī)上學(xué)習(xí)電工基礎(chǔ)，模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等課程，并進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試等。后來經(jīng)過一點(diǎn)一點(diǎn)的調(diào)試，并認(rèn)真總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了問題其實(shí)在編寫中斷處理程序時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，修改后即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的目的。 第六章 系統(tǒng)調(diào)試與分析 32 圖 電機(jī)正轉(zhuǎn)加速 圖 電機(jī)正轉(zhuǎn)減速 按下反轉(zhuǎn)鍵，直流電機(jī)有圖 反向加速運(yùn)行結(jié)果 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 論證了設(shè)計(jì)控制 系統(tǒng)的可行性，基本達(dá)到了單片機(jī) 對(duì)直流電機(jī)調(diào)速的目的 。 Application Research of PWM Inverter in the Cascade Speed Control System of Innerfeedback Motor[C]. Proceedings of 2020 9th International Conference on Electronic Measurement amp。 在他們 的精心指導(dǎo)和幫助下，我對(duì)直流電機(jī)的脈寬調(diào)制有了具體的認(rèn)識(shí)，并完成了此次基于單片機(jī)的直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)工