【正文】 紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，如何對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后 和硬件連調(diào) 進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，最后寫(xiě)出軟件程序 ，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求 。 課題研究的背景 隨著社會(huì)的發(fā)展和各種技術(shù)的更新，以及生產(chǎn)質(zhì)量和工藝的不斷增長(zhǎng)和改善 ，自動(dòng)調(diào)速已經(jīng)廣 泛應(yīng)用到各行各業(yè)中并且對(duì)其要求也越來(lái)越高。 雖然直流電機(jī)在價(jià)格，性能，維護(hù)等方面不如交流電動(dòng)機(jī)，但是直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好，啟動(dòng)容易，能夠重載啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，所以目前直流電動(dòng)機(jī) 的 應(yīng)用很廣泛。另外，以單片機(jī)為核心的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)還有維修簡(jiǎn)單、柔性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它一般應(yīng)用于啟動(dòng)和調(diào)速要求 較高的 機(jī)械上，例如， 機(jī)床、電車(chē)、電氣軌道牽引、挖掘機(jī)械、紡織機(jī)械等。然后經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，直流電機(jī)的勵(lì)磁、電樞方面都在進(jìn)行不斷的改良和創(chuàng)新。直到 19 世紀(jì) 90 年代，直流電機(jī)已然擁有了現(xiàn)代直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。但在改革開(kāi)放以后，電機(jī)業(yè)得到了飛速發(fā)展，有了自己的體系和標(biāo)準(zhǔn)，并生產(chǎn)出了一系列產(chǎn)品?？傊?，直流電機(jī)憑借它優(yōu)良的性能，被廣泛應(yīng)用在了各個(gè)領(lǐng)域。 其后由于汞弧變流器的出現(xiàn)，利用汞弧變流器代替上面發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使電機(jī)的調(diào)速性能指標(biāo)進(jìn)一步提高。 PWM 控制很早就 被 提出 了 ，但 受到當(dāng)時(shí) 電力電子器件 技術(shù) 水平的 束縛 ，一直 都 未能 得到 實(shí)現(xiàn)。首先是模擬實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)控制策略慢慢 退出 了 歷史舞臺(tái)， 但 微處理器、通用計(jì)算機(jī)、 DSP 控制器等數(shù)字控制系統(tǒng) 迅 速的發(fā)展 了起來(lái) 。 目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化 ，高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。 如今，單片機(jī)有著廣泛的應(yīng)用。這些優(yōu)點(diǎn)使得其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，在通信產(chǎn)品、家電用品、智能儀器儀表、過(guò)程控制和專(zhuān)用控制裝置等領(lǐng)域都有它的身影。 研究?jī)?nèi)容和技術(shù)要求 本 論文主要的研究?jī)?nèi)容就是在對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速原理和方法有了一定了解的基礎(chǔ)之上，采用 PWM 脈沖調(diào)制控制占空比從而改變電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制調(diào)速。并 通過(guò)按鍵設(shè)置 實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的 啟動(dòng)、 加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停。直流拖動(dòng) 目前 在技術(shù)上 和理論上都是比較成熟的。該系統(tǒng)采用 PWM 脈寬調(diào)速，并且實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2— 1 說(shuō)所示。有 e=rx 或 e=xr。因此，對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)我們引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，構(gòu)成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 (3)相同靜差率要求時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍大得多。所以，此類(lèi)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的。 根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 ： 0K1 TTTK1 )TT(K1 )TT(T ?????? ? slmsmslm 即ssslm TT T)T(TKl2??? （ 公式 2— 3） 因此，只有當(dāng) K 值滿(mǎn)足 公式 3— 3 時(shí) 才能使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 圖 2— 4 比例積分控制示意圖 （ 3）比例微分控制（ PD） ： 比例微分控制與比例積分 控制相似，都是結(jié)合了兩種控制的優(yōu)點(diǎn)，由此可以提高系統(tǒng)的控制速度。所以調(diào)速系統(tǒng)會(huì)有靜差。 PI 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元 ， 它的基本原理比較簡(jiǎn)單，基本的 PI 控制規(guī)律可描述為： （ 公式 2— 4） 相比較于平 PID 控制， PI 控制器 原理簡(jiǎn)單，使用方便， PI 參數(shù) 、 ??和可以根據(jù)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化， PI 參數(shù)就可以重新進(jìn)行調(diào)整與設(shè)定。除此之外，比例積分調(diào)節(jié)器還 可以 提高系統(tǒng) 的 穩(wěn)定性，因此，它在調(diào)速系統(tǒng) 及 其他控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 通過(guò)直流電動(dòng)機(jī)的速度反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使得直流電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)停止、速度自動(dòng)控制，方向自動(dòng)控制等功能，并通過(guò)液晶將指定轉(zhuǎn)數(shù)、實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)顯示出來(lái)。它成本低體積小的單片機(jī)結(jié)構(gòu)可以對(duì)許多應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能的控制。 其 片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 在圖 2— 1 中， 40 分別是接地和 +5V引腳。此時(shí)， P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在 52 子系列單片機(jī)中， 作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的計(jì)數(shù)脈沖輸入端 T2， 作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部控制端 T2EX。 P3口也具有兩種功能，一種是作為準(zhǔn)雙向口使用，此外 P3口的每一條口線都有專(zhuān)門(mén)的第二功能 。 PSEN （ 29引腳）：片外程序存儲(chǔ) 器讀選通信號(hào)，低電平有效。 ALE在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出 2個(gè)脈沖，在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器期間，下降沿用于控制鎖存 P0口輸出的低八位地址；在不訪問(wèn)片外程序期間，可作為對(duì)外輸出的時(shí)鐘脈沖信號(hào)或者用于定時(shí)，此時(shí)頻率為振蕩頻率的 1/6。當(dāng)處于高電平時(shí)，選用片內(nèi)的存儲(chǔ)器。 綜上所述， STC89C52 單片機(jī)功能多但引腳少，許多引腳具有雙重功能，這種雙重功能的 設(shè)置為單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。效率低、維護(hù)不方便，因此適用面較窄。主電路簡(jiǎn)單，需要的功率器件較少；諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小；穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng) [7]。集成鍵盤(pán)處理芯片種類(lèi)較多，例如 827 HD7279等，這種集成處理芯片具有判斷鍵盤(pán)按下、鍵盤(pán)譯碼等功能，應(yīng)用方便，而且可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立式鍵盤(pán)連接和矩陣式鍵盤(pán)連接方式以組成多位鍵盤(pán)。 在基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向和速度的控制，同時(shí)為了特殊情況下對(duì)電機(jī)急停 。 方案一：采用點(diǎn)陣式液晶顯示器。 方案二：采用字符型 LCD1602 液晶顯示器。 測(cè)速模塊的選擇 由于直流電動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行反饋控制，所以要應(yīng)用傳感器對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)。 將 光電碼盤(pán)裝在 電機(jī)的 轉(zhuǎn)子端軸上， 當(dāng)直流 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 起來(lái)后 ，光 電碼盤(pán)也跟 隨 著一起轉(zhuǎn)動(dòng)， 此時(shí) 有一個(gè)固定 的 光源照射在碼盤(pán)上， 然后便 利用光敏元件來(lái) 接收 光 信號(hào) ，接收到光的次數(shù)就是碼盤(pán)的編碼數(shù)。 這種方法是 在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上裝一個(gè)圓盤(pán)，圓盤(pán)上裝若干對(duì)小磁鋼，小磁鋼越多，分辨率越高，霍爾開(kāi)關(guān)固定在小磁鋼附近，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每當(dāng)一個(gè)小磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)，霍爾開(kāi)關(guān)便輸出一個(gè)脈沖，計(jì)算出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，即可 確定旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速 [8]。 PWM 調(diào)寬模塊 本設(shè)計(jì)是通過(guò)改變 PWM 脈沖占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的， 用 單片機(jī)內(nèi)部自帶定時(shí)器 來(lái)控制使 得 電機(jī)工作在占空比可調(diào)的狀態(tài)，從而能夠精確調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，效率很高，可以保證電機(jī)實(shí) 現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。 PWM 的軟件實(shí)現(xiàn)方式： （ 1）采用軟件延時(shí)，但這種方式下的精度不高，且占用處理器資源。 PWM 調(diào)速工作方式 （ 1） 雙極性工作制 ： 雙極性工作制 指 的 是在一個(gè) 確定的 脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩端控制兩個(gè)口 有 一個(gè)控制信號(hào) 輸出 ，兩 個(gè) 信號(hào) 的 高低電平 不同 ，用兩 個(gè) 信號(hào)的高低電平時(shí)差來(lái)決定 PWM 波從而驅(qū)動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) ，使其 轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速 發(fā)生 變化。也正因?yàn)槿绱耍?PWM 又被稱(chēng)為 “ 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ” [10]。占空比的調(diào)節(jié)范圍為 10 ??D ,根據(jù)負(fù)載要求確 定 。 PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形，保持開(kāi)關(guān)周期 T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 Ton。低頻段 比較 接近 , 只有 在高頻 段 時(shí)稍有不同 , 如圖 3— 3所示。 比 如 , 一個(gè)PWM 的頻 為 1000hz, 則其 時(shí) 鐘周期 即為 1ms,若 高 電平 持續(xù) 的時(shí) 間 為 200us, 占空 比即200:1000。 PWM 的實(shí)現(xiàn)方法有兩種辦法，一種是硬件方法 ， 另一種是軟件方法；硬件方法可以通過(guò)一些功能強(qiáng)大的單片機(jī)或者是一些專(zhuān)用芯片來(lái)產(chǎn)生波形。占空比的調(diào)整方式有三種：定頻調(diào)寬方式，定寬調(diào)頻方式和調(diào)寬調(diào)頻方式，本次采用定頻調(diào)寬的方式 。單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 是軟 件設(shè)計(jì) PWM 時(shí)的核心部分 ， 又因?yàn)榫д竦牟煌?，和定時(shí)器工作方式的不同，會(huì)使得產(chǎn)生的波形有所不同因此 選擇好晶振明確定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系 是十分重要的 ， 當(dāng)定時(shí)器的工作方式確定后，可以 確定 PWM 占空比關(guān)系計(jì)算出 PWM 信號(hào)高、低電平對(duì)應(yīng)的定時(shí)初值，由控制端口輸出，用 C 語(yǔ)言編制程序產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，可以找到一些用途，若調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率有一定的要求，則需要用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 。 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本章主要介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)， 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為：以 89C52 為心，由轉(zhuǎn)速環(huán)、顯示、按鍵控制等電路組成。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖 4— 1 所示： S T C 8 9 C 5 2電 源 模 塊按 鍵 模 塊晶 振 、 復(fù) 位測(cè) 速 模 塊顯 示 模 塊電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 模 塊直 流 電 機(jī) 圖 4— 1 系統(tǒng)原理總框圖 在系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)中，不但要從整體的方向考慮，每個(gè)環(huán)節(jié)都要做 到盡量完善，這樣整個(gè)系統(tǒng)最終才會(huì)具有良好的使用性能，才能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 從直流電 動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速公式： （公式 4— 1） U—電樞兩端的電壓 Ia—流過(guò)電樞的電流 Ra—電樞電路 的 電阻 Ce—直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)常數(shù) ? —?jiǎng)?lì)磁磁通 可知，調(diào)速的方法有兩種： 1） 電 樞控制，即用調(diào)節(jié)電壓或者在電樞電路中接入調(diào)速電阻來(lái)調(diào)速。 電樞電路中接入調(diào)速電阻的情況：電樞電路接入調(diào)速電阻 R 后，由式可見(jiàn)，機(jī)械特性的斜率將隨之增大，它和負(fù)載特性 Tl+To 的交點(diǎn)將逐步下移，于是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。這種調(diào)速方法所用設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單且方便，且效率高，缺點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速和電樞電流的增加，電機(jī)的溫升升高，換向變壞，轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)還可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。盡管如此，所得電壓還是會(huì)隨著電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、負(fù)載或者環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生變化。 本 設(shè)計(jì)中我們 采用 的是 獨(dú)立按鍵 。 L298N 芯片概述 L298N 驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，信號(hào)輸入與單片機(jī)的 P3 口相接，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源與給芯片供電的電源均采用 +5V，另外在直流電機(jī)的兩端給連接了 4 個(gè)續(xù)流二極管，起到續(xù)流保護(hù)的作用。所以為了保護(hù)驅(qū)動(dòng)芯片需要在電動(dòng)機(jī)的兩端接兩組二極管。 在系統(tǒng)中，使用 P0 口作為數(shù)據(jù)輸入端口， 1602 的 RS,RW,E 端口分別連接單片機(jī)的， ， 口。利用霍爾傳感器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)磁鋼產(chǎn)生的垂直磁場(chǎng)和平行磁場(chǎng)信息，電機(jī)轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生一個(gè)脈沖，脈沖送入單片機(jī)計(jì)數(shù)，最終輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速。 再 將這些子程序合理的安排和連接起來(lái) ，構(gòu)成一個(gè)完整的控制程序 。 在 T0 定時(shí)器服務(wù)子程序 中 ，首先 要 賦予定時(shí)器初值，在定時(shí)器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生 PWM 脈沖，并且在定時(shí)周期內(nèi)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際值。 for(a=z。b)。 （ 4） 定時(shí)中斷處理程序：采用定時(shí)方式 1，因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用 12M 晶振，可產(chǎn)生最高約為 的延時(shí)。這樣有利于保護(hù)電機(jī)。 經(jīng)過(guò)比較選擇我們采用第 一 種方案，因?yàn)橛檬鼓芏藛为?dú)控制電機(jī)的 加減速 即方便又簡(jiǎn)單，且該方案分別用三個(gè)控制端控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)不同功能的驅(qū)動(dòng)，互不干擾影響，簡(jiǎn)單可 行，且易于程序的編寫(xiě)。 在 L298N 的 OUT1 和 OUT2 之間 接 負(fù)載直流電機(jī)，通過(guò)霍爾器件對(duì)其進(jìn)行速度的采樣和計(jì)算，通過(guò)數(shù)脈沖計(jì)算出轉(zhuǎn)速的大小，最終將采集的速度傳給單片機(jī)的 I/O 口，并且通過(guò) 1602 顯示出該速度值。 圖 5— 3 PWM 脈沖調(diào)制的控制流程圖 在本設(shè)計(jì)中 ， PWM 波由單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生，由單片機(jī) 口輸出，接 L298N的 ENA 使能端 進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 else PWM=0 。 從程序中即可以看出 PWM 占空比分為了 50 份，當(dāng)占空比逐漸增加時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之增加；當(dāng)程序執(zhí)行到 if(countjd) PWM=1。在這次設(shè)計(jì)中采用了掃描的方式，利用 if 語(yǔ)句分別對(duì)單片機(jī)的 六 個(gè) I/O 口進(jìn)行查詢(xún)， 若 =0， 則表示電機(jī) 啟動(dòng) 鍵按下，經(jīng)過(guò)一個(gè)延時(shí)消抖，進(jìn)而調(diào)用正轉(zhuǎn)子程序，電機(jī) 啟動(dòng) 正轉(zhuǎn) ，在這里說(shuō)明一下，本設(shè)計(jì)程序編寫(xiě)時(shí)，啟動(dòng)鍵按下，電機(jī)默認(rèn)為正轉(zhuǎn)狀態(tài) ； 若 =0，電機(jī) 加速 ；=0，電機(jī) 減速 ； =0，電機(jī) 加速 ； =0，電機(jī)減速 。 按鍵子程序流程圖如圖 5— 4 所示： 圖 5— 4 按鍵掃描子程序流程圖 LCD1602 的顯示程序 LCD 顯示控制是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，需要首先設(shè)置 RS， RW， E 引腳高低電平，隨后對(duì)數(shù)據(jù)輸入口進(jìn)行賦值，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。 1602 顯示數(shù)據(jù)：主要是通過(guò)傳遞它所能識(shí)別的 Ascall 碼值來(lái)傳遞的，因?yàn)?0 的 Ascall碼是 0X30，可以分別將轉(zhuǎn)速的千、百、十、個(gè)位以 3001000]0[ Xdati ?? 的方式 ， 使每個(gè)數(shù)在 0 的基礎(chǔ)上加上自己本身從而轉(zhuǎn)化成 1602 可以識(shí)別的數(shù)字，進(jìn)而傳出并顯