【正文】 相信單片機在今后的自動控制領(lǐng)域中將有更廣闊的應(yīng)用前景。其中 P2 口的低四位作為 31 BCD 碼的輸出口， P2 口的高四位分別控制四位 LED（ LED LED LED3 和 LED4）。 30 T0 中斷的作用就是給定一個時間間隔 T，在 T 內(nèi)應(yīng)用 INT0 中斷對外部脈沖進行計數(shù)，時間到就送出 R0 的數(shù)值，并對其清零。通?？梢允褂靡韵聝煞N方法： (1) M 法：在一定時間間隔 T 內(nèi)，對脈沖發(fā)生器的輸出脈沖計數(shù)，從而得到與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖測量值 m。理論上，把這兩種方法結(jié)合起來，根據(jù)不同的占空比，采用相應(yīng)合適的方式可以比較好的解決死區(qū)與效率的問題。而在檢測到按鍵釋放后（ 為高）再延時 510 個毫秒，消除后沿的抖動，然后再對鍵值處理。 圖 52 鍵盤子程序的流程圖 組成鍵盤的按鍵有觸點式和非觸點式兩種，單片機中應(yīng)用的一般是由機械觸點構(gòu)成的。 圖 51 主程序流程圖 如上圖顯示，本設(shè)計的主程序設(shè)計比較簡單。 25 轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性對電機調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能影響極大。編碼盤輸出的 z 相脈沖用于復(fù)位計數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計數(shù)器。增量式編碼器是專門了用來測量轉(zhuǎn)動角位移的累計量。 HIN信號的占空比為 D=t1/T。 在 HIN為低電平期間， LIN端輸入高電平， Q Q3導(dǎo)通，在直流電機上加反向工作電壓。因此在這個電路中， Q Q4或者 Q Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的。引腳 引腳 1引腳 4：為空引腳 。 引腳 3（ Vcc）：直接 接用戶提供的輸出極電源正極，并且通過一個較高品質(zhì)的電容接引腳 2。 驅(qū)動電路 該驅(qū)動電路采用了 IR2110集成芯片，該集成電路具有較強的驅(qū)動能力和保護功能。 8279 與MCS－ 51 單片機的接口非常簡單，因而在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示。 AT89C51 單片機為很多嵌入式控制 系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 。 方案二：以單片機 AT89C51 為中心通過 D/A 轉(zhuǎn)換器 ,將單片機數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而起到控制電動機的轉(zhuǎn)速問題。 主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流 PWM 變換器得到可 調(diào)的直流電壓，給直流電動機供電。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 (1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 \ ① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓 *nU 變 化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 第Ⅲ階段（ 2t 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 。 12 圖 35 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形 第 I 階段（ 1~0 t ）是電流上升階段 。靜特性是圖中的 AB 段， 它是垂直的特性 。在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，如圖 31 所示。 9 3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的設(shè)計 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 采用 PI 調(diào)節(jié)的 單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。下面簡述一下 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。 （ 4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動機 配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強。 （ 4） 晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，而且脈波數(shù)總是有限的。離子拖動系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點，而且縮短 了響應(yīng)時間，但是由于汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。由于微機具有較佳的性能價格比，所以微機在工業(yè)過程及沒備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。 （ 6） 信息處理能力強，可以完成各種數(shù)據(jù)的處理，及時給操作人員提供有用的信息和指示。在微機控制系統(tǒng)中，通常是既有模擬信號，也有數(shù)字信號；既有連續(xù)信號，也有離散信號。 比較簡單的電機微機控制，只要用微 機控制繼電器或電子開關(guān)元件使電路開通或關(guān)斷就可以了。有了變頻調(diào)速后，隨著頻率從低到高的變化，電機的啟動轉(zhuǎn)矩自然會變得比較大。采用變頻調(diào)速以后，節(jié)約電能的效果是非常明顯的。直到 20世紀(jì) 70年代，由于采用電力電子變換器的高效交流變頻傳動開發(fā)成功，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小的交流籠型電機進入了可調(diào)速領(lǐng)域，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流傳動按調(diào)速分工的格局終于被打破了。 本文主要研究了利用 MCS51 系列單片機控制 PWM 信號從而實現(xiàn)對直流電機 轉(zhuǎn)速進行控制的方法。文章中采用了專門的芯片組成 了 PWM 信號的發(fā)生系統(tǒng)，并且對 PWM信號的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對 PWM信號占空比進行調(diào)節(jié)，從 而控制其輸入信號波形等均作了詳細的闡述。此后，交流調(diào)速傳動主要沿著三個方向發(fā)展和應(yīng)用： （ 1） 一般性能的節(jié)能調(diào)速和工藝調(diào)速 。在實際電氣傳動中，應(yīng)用于風(fēng)機、泵、壓縮機的電動機大約占 40%，而實際應(yīng)用變頻調(diào)速的只占 5%左右。在電機的設(shè)計制造思想上可以擺脫啟動轉(zhuǎn)矩的限制，按照新的工況重新考慮。在各種機床設(shè)備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在已普遍采用帶微機的可編程控制器，按一定的規(guī)律控制各類電機的動作。由于計算機的 CPU 只能識別和處理數(shù)字信號，而且只能一次次離散地處理，所以計 算機處理外界信息時總要有個采樣過程，電機微機控制系統(tǒng)必然是一種采樣控制系統(tǒng)。 正因為有上述優(yōu)點，電機微機控制的理論及應(yīng)用發(fā)展得非常迅速，新產(chǎn)品不斷涌 現(xiàn)和普及。近年來，盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，但是直流電機良好的啟動、制動性 4 能，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋 鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 If變化時間遇到的時間常數(shù)同 Ia 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可 控直流電源，常用的 可控直流電源有以下三種： （ 1） 旋轉(zhuǎn)變流機組。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。如果主電路電感不是非常大 ,則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線，斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。 （ 5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。圖21 給出 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其輸出波形。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要，這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。這樣的下垂特性只適合于 0nn? 的情況，因為如果 0nn? ，則 *nn UU ? ，ASR 將退出飽和狀態(tài)。突加給定電壓 *nU 后， cU 、 0dU 、 dI 都上升，在 dI 沒有達到負載電流 dLI 以前，電機還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值 0* nn? 時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值 *imU ，電機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。 ② 對負載變化起抗擾作用。 14 4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理 圖 41 數(shù)字式直流雙閉環(huán) PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖 根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求整個系統(tǒng)原 理如圖 41 所示 ,采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為 PWM 的控制電壓。 15 檢測回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測。其中在單片機控制部分通過按鍵直接從程序中調(diào)出所需要速度的值，同時輸?shù)綌?shù)碼顯示部分和 D/A 轉(zhuǎn)換部分以實現(xiàn)電動機的調(diào)速。 三級程序存儲器鎖定、 128*8 位內(nèi)部 RAM、 32 可編程 I/O 線、兩個 16 位定時器 /計數(shù)器、 5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和 電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路，電路框圖如圖 44 所示。 8253內(nèi)部具有 3 個獨立的 16 位定時 /計數(shù)器，每個計數(shù)器有三根 I/O 線； CLK 為時鐘輸入線，為計數(shù)脈沖輸入端； OUT 為計數(shù)器輸出端，當(dāng)計數(shù)器減為零時 OUT 輸出相應(yīng)信號； GATE 為門控信號，用于啟動或禁止計數(shù)器操作。 8279 芯片有 40 條引腳，由單一＋ 5V 供電。 芯片 IR2110 性能及特點 IR2110是美國國際整流器公司利用自身獨有的高壓集成電路以及無閂鎖 CMOS技術(shù)，于 1990年前后開發(fā)并且投放市場的， IR2110是一種 雙通道高壓、高速的功率 20 器件柵極驅(qū)動的單片式集成驅(qū)動器。 引腳 5（ Vs）：上通道 MOSFET驅(qū)動信號輸出參考地端，使用中，與主電路中上下通道被驅(qū)動 MOSFET的源極相通。 HOUBUsNcV c cC O MNCV SSL INSDH INV DDNCLO 圖 48 IR2110管腳圖 IR2110 采用 HVIC 和閂鎖抗干擾 CMOS 工藝制作，具有獨立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達 500V， du/dt=177。我們可以采取雙 PWM信號來控制直流電機的正轉(zhuǎn)以及它的速度。其具體的操作步驟如下： 當(dāng) IC1的 LO為高電平而 HO為低電平的時候， Q2導(dǎo)通且 Q1截止。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 (41) 定義負載電壓系數(shù)為 λ， λ= Vout / V, 那么 λ= 2D – 1 ；當(dāng) T為常數(shù)時，改變 HIN為高電平的時間 t1，也就改變了占空比 D，從而達到了改變 Vout的目的。這里以三相編碼器為例來介紹增量式編碼器的工作原理及其結(jié)構(gòu)。 編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向可以通過 D 觸發(fā)器的輸出信號 Q 來判斷。為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測速，本設(shè)計使用每轉(zhuǎn) 1024 線的光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機轉(zhuǎn)速有固定的比列 關(guān)系，微機對該頻率信號采用 M/T 法測速處理 [11]。程序首先是給 AT89C51 送取一個占空比為 50%的數(shù)據(jù)。在下圖中，當(dāng)開關(guān) S 未被按下時， 輸入為高電平， S 閉合后， 輸入為低電平。不過一般情況下，我們通常不對按鍵釋放的后沿進行處理，而且不對按鍵釋放的后沿進行處理也可以滿足本設(shè)計的要求 [13]。 圖 54 就的用延時的方法實現(xiàn) PWM 波 形輸出的流程圖。 (2) T 法：通過測量脈沖發(fā)生器的脈沖周期來計算電動機轉(zhuǎn)速的一種測量方法，脈沖周期的測量是借助頻率已經(jīng)確定的始終脈沖計數(shù)間接獲得。由圖 55 可知，設(shè)計應(yīng)用了兩塊小磁鋼，所以電機每轉(zhuǎn)一圈，就 會產(chǎn)生兩個脈沖，因此我們只需要定時 就可以得到電機 1S 的轉(zhuǎn)速了。在流程圖中可見，程序先把個位數(shù)據(jù)存儲單元的 BCD 碼送到 P2 口的低四位，在對 置 1 選通 LED1，這樣 LED1 就顯示個位的數(shù)據(jù)了，再延時 1mS；接著再把十位數(shù)據(jù)存儲單元的 BCD 碼送到 P2 口的低四位，在對 置 1 選通 LED2，這樣 LED2就顯示個位的數(shù)據(jù)了，再延時 1mS；然后把百 位數(shù)據(jù)存儲單元的 BCD 碼送到 P2 口的低四位，在對 置 1 選通 LED3，這樣 LED3 就顯示個位的數(shù)據(jù)了，再延時 1mS；最后把千位數(shù)據(jù)存儲單元的 BCD 碼送到 P2 口的低四位，在對 置 1 選通 LED3，這樣 LED4 就顯示個位的數(shù)據(jù)了，再延時 1mS 后返回。相信 該系統(tǒng) 能成功 運 用于 直流電機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的實時監(jiān)控，簡化控制邏輯系統(tǒng)， 而且 成本低廉、功能完整、抗干擾性能好。同時對電動機控制不是一個簡單的電子控制問題，它涉及很多方面的知識。其中 P2