【正文】 電壓 (V ) dE — 電樞反電勢(shì) (V ) R — 電樞回路電阻 （ ? ） 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程為 ： 11 ()d dde e eU Rn T U I RC C C C? ? ? ?? ? ? ? (32) 式中 : dU — 電樞電壓 )(V n — 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 min)/(r ? — 電動(dòng)機(jī)磁通 )(bW R — 電樞回路電阻 )(? T — 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 )( mN? eC — 電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)系數(shù) 1C — 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù) 連續(xù)改變電樞供電電壓 aU ，可以使直流電動(dòng)機(jī)在很寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较?，企圖使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。極大地提高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力。 圖 210 P2口的結(jié)構(gòu)圖 P3 口（ ～ ） 為內(nèi)部帶上拉電阻的 8 位 準(zhǔn)雙向 I/O 口， P3 口除了作為一般的 I/O 口使用之外，每個(gè)引腳都具有第二功能。 其結(jié)構(gòu)圖分別如圖 28 所示。 數(shù)據(jù)總線寬度為 8 位，用于傳送數(shù)據(jù)和指令，由 P0 口提供。 一個(gè)單處理器系統(tǒng)中的總線，按其所處位置的不同，大致可分為三類： 內(nèi)總線 是 指同一部件如 CPU 內(nèi)部連接各寄存器及運(yùn)算部件之間的總線。片內(nèi) RAM 的 80H～ FFH 地址空間是特殊功能寄存器 SFR 區(qū)，對(duì)于51 子系列在該區(qū)域內(nèi)安排了 21 個(gè)特殊功能寄存器，對(duì)于 52 子系列則在該區(qū)域內(nèi)安排了 26 個(gè)特殊功能寄器，同時(shí)擴(kuò)展了 128 個(gè)字節(jié)的間接尋址片內(nèi) RAM，地址也為 80～FFH，與 SFR 區(qū)地址 重疊 。 2)片外 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 。 運(yùn)算部件中的累加器 ACC 是一個(gè) 8 位的累加器（ ACC 也可簡(jiǎn)寫為 A）。 (1)運(yùn)算部件 它包括算術(shù)、邏輯部件 ALU、布爾處理器、累加器 ACC、寄存器 B、暫存器 TMP1和 TMP程序狀態(tài)字寄存器 PSW 以及十進(jìn)制調(diào)整電路等。 指令周期：指 CPU 執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，一個(gè)指令周期通常含有 1～ 4 個(gè)機(jī)器周期。 圖 23 8051單片機(jī)基本組成圖 計(jì)算機(jī)的一條指令由若干個(gè)字節(jié)組成。 一 個(gè) 8051 單片機(jī)包含下列部件 :（ 1）一個(gè) 8 位微處理器 CPU。 XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出，若使用外部 TTL 時(shí)鐘時(shí)，該引腳為外部時(shí)鐘的輸入端。 第四階段（ 1990—）：微控制器的全面發(fā)展階段。以 Intel 公司的 MCS48 為代表。在單片機(jī)的 40 條引腳中有 2 條專用于主電源的引腳， 2 條外接晶體的引腳， 4 條控制或與其它電源復(fù)用的引腳， 32條輸入 /輸出（ I/O）引 腳 。 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 3 第二章 8051 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)概述 單片微型計(jì)算機(jī) 簡(jiǎn)稱為 單片機(jī) ，又稱為微型控制器，是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支 ，自 70 年代問(wèn)世以來(lái)，以及其高的性能價(jià)格，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣，發(fā) 展也很快。在硬件電路的搭建上 ， 一般采用閉環(huán)控制方式 。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用 模擬元件，如晶體管、各種線性運(yùn)算電路等，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而致使系統(tǒng)的運(yùn)行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。 早期 的電機(jī)電樞電壓調(diào)節(jié)法采用串聯(lián)電阻調(diào)速法 ， 這種方法 耗能大、且調(diào)速不太平穩(wěn) ， 逐漸被其他調(diào)速裝置代替 。該系統(tǒng)解決了以往復(fù)雜的模擬電路設(shè)計(jì)問(wèn)題 ， 增強(qiáng)了對(duì)直流電機(jī)速度的可控性 ， 提高了調(diào)速系統(tǒng)的精度。 實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并在 LED數(shù)碼管上顯示出來(lái)，并 對(duì)電機(jī)進(jìn)行 PID 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使其轉(zhuǎn)速趨近于設(shè)定值。直流電機(jī)作為最常見的一種電機(jī)，具有非常優(yōu)秀的線性機(jī)械特性、較寬的調(diào)速范圍、良好的起動(dòng)性以及簡(jiǎn)單的控制電路等優(yōu)點(diǎn)，因此在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中都得到了十分廣泛的應(yīng)用。 一般 直流調(diào)速系統(tǒng)通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，通過(guò)改變電路的輸出電壓從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 采用脈寬調(diào)制控制電機(jī)電樞的通斷與串電阻調(diào)節(jié)法相比 ， 減少了電能在電阻中的損耗 ， 能夠節(jié)約能源 。利用一組鼠標(biāo)用的紅外對(duì)管 測(cè)得電機(jī)速度，經(jīng)過(guò) 濾波 電路得到直流電壓信號(hào)，把電壓信號(hào)輸入給 A/D 轉(zhuǎn)換芯片最后反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。在以后的討論中，除有特殊說(shuō)明以外，所述內(nèi)容皆適用于 CHMOS 芯片。 如果將 8 位單片機(jī)的推出作為起點(diǎn)，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個(gè)階段： 第一階段（ 1976—1978）：?jiǎn)纹瑱C(jī)的 探索階段。 Intel 公司推出的 MCS96 系列單片機(jī)，將一些用于測(cè)控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運(yùn)行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。 2） 時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2： XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒 相放大器的輸入，若使用外部 TTL 時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。單片機(jī)應(yīng)用在檢測(cè) 、 控制領(lǐng)域中，有如下特點(diǎn)：有小巧靈活 、 成本低 、 易于產(chǎn)品化，可靠性好，適應(yīng)溫度范圍寬，易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)各種控制功能使用指令。 其 基本組成如圖 23 所示 。 機(jī)器周期：完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間，通常為 12 個(gè)振蕩周期。下面我們把中央處理器功能模塊和有關(guān)的控制信號(hào) 聯(lián)系起來(lái)加以討論，并涉及相關(guān)的硬件設(shè)備 。在實(shí)現(xiàn)位操作時(shí)，借用了程序狀態(tài)標(biāo)志器（ PSW）中的進(jìn)位標(biāo)志 Cy 作為位操作的“累加器”。 8051 在物理上有 3 個(gè)存儲(chǔ)器空間 ： 1)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 。每個(gè)地址單元除了可進(jìn)行字節(jié)操作之外，還可進(jìn)行位操作。 基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 10 8051 單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu) 及并行 I/O 口 總線是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行信息傳送的公共通路。 （ 2）數(shù)據(jù)總線（ DB）： 用來(lái)在總線上的兩個(gè)部件之間傳送數(shù)據(jù) 。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)需要擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器或者需要擴(kuò)展具有數(shù)據(jù) /地址線的芯片時(shí)， P0 口只能作為低 8 位地址 /8 位數(shù)據(jù)總線使用，不能再作通用 I/O 口使用。其結(jié)構(gòu)如圖 210 所示。 51 單片機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶 LED 負(fù)載；具有低耗能工作方式，較簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)；外圍配置簡(jiǎn)單提高了整機(jī)的可靠性；并且具有較強(qiáng)的抗干擾性。 導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。轉(zhuǎn)子又稱電樞，它的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的變換。此直線與橫軸的交角為 ? ， 則?tan39。首先輸入地址選擇信號(hào)，在 ALE 信號(hào)作用下，地址信號(hào)被鎖存，產(chǎn)生譯碼信號(hào)，選中一路模擬量輸入。 3)轉(zhuǎn)換誤差 ： 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示 。 在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安置了光柵轉(zhuǎn)盤，光柵轉(zhuǎn)盤的兩側(cè)分別裝有鼠標(biāo)用 的 紅外發(fā)射和接收管。數(shù)碼管的各段、位與控制引腳的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖 311 所示 [8]。 下面給出 一個(gè)實(shí)例 ，其電路連接如 圖 41 所示。 圖 44 用 PWM 波代替正弦半波 脈寬調(diào)制（ PWM）控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈 沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。 PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無(wú) (OFF)。 由于測(cè)速中占用了兩個(gè)定時(shí)器 0T 和 1T ， 如果再將 PWM 波形產(chǎn)生交給 8051 則會(huì)加大軟件的任務(wù) ， 并且影響整個(gè)系統(tǒng) 的控制效果。 PWM 脈沖波的產(chǎn)生 PWM 脈沖波的產(chǎn)生方法有四種 ： (l)利用 分立電子元件組成的 PWM 信號(hào)發(fā)生器 。這些芯片除了有 PWM 信號(hào)發(fā)生功能外，還有 “死區(qū) ”調(diào)節(jié)功能、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能等。若接地線很細(xì)，接地電位則隨電路的變化而變化，導(dǎo)致它的信號(hào)電平不穩(wěn)定，抗噪聲性能變差。其程序流程圖如圖 51 所示。 最后的輸出 )(km 可以經(jīng)過(guò)換算為 介于 0～ 1 之 間的數(shù)值 ，相對(duì)應(yīng) 的 為 PWM 占空比 [11]。 將式 （ 51） 離散化，可得到數(shù)字 PID 算法的表達(dá)式 ： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0 1kp I Djm k K e k K e j K e k e k?? ? ? ? ?????? （ 52） 當(dāng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)）時(shí)，需要用 PID 的“增量算法” 。 4)原則上電源進(jìn)線端都應(yīng)安置 濾噪 電容器。如 AD 公司的 12 位單片機(jī) AD? C831， Inter 公司的 16 位單片機(jī) 8XC196 以及Cygnal 公 司的 8 位單片機(jī) CSO5lFOXX 系列等。 利用單片機(jī)的一個(gè) I/O 引腳，通過(guò)軟件對(duì)該引腳不斷地輸出高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn) PWM 波輸出。經(jīng) 512 分頻后為2314kHz， 即 PWM 波形的頻率為 2314 kHz。 PWM 波形發(fā)生電路 根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來(lái)代替正弦波，通過(guò)對(duì)矩形波的控制來(lái)模擬輸出不同頻率的正弦波。沖量 指窄脈沖基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 22 的面積。脈沖越窄，各 ??ti 響應(yīng)波形的差異也越小。 這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個(gè)作用配合一致，且 與 中間直流環(huán)節(jié)無(wú)關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能。將 SPEED連接到單片機(jī)的 I/O 口，即可通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)的方法計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度 [7]。 D/A 轉(zhuǎn)換 與單片機(jī) 接口電路如圖 38 所示。 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路如圖 37 所示 。 調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高、能耗少、精度高等優(yōu)點(diǎn) ， 在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用 ， 其中 PWM 應(yīng)用更為廣泛。由于電動(dòng)機(jī)既可以 工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，也可以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，所以改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流方向，就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個(gè)象限。那么根據(jù)KLV 方程 : 電機(jī)轉(zhuǎn)速 ???aaaaC RIUn ， 其中 ， 對(duì)于極對(duì)數(shù)為 P ， 匝數(shù)為 N ， 電樞支路數(shù)為 a 的電機(jī)來(lái)說(shuō) :電機(jī)常數(shù) apNCa 60?， 意味著電機(jī)確定后 ， 該值是不變的。 系統(tǒng)工作原理 圖如 圖 31 所示 。當(dāng)處于第二功能時(shí)，鎖存器輸出 1，通過(guò)第二輸出功能線輸出特定的內(nèi)含信號(hào)，在輸入方面，即可以通過(guò)緩沖器讀入引腳信號(hào)，還可以通過(guò)替代輸入功能讀入片內(nèi)的特定第二功能信號(hào)。當(dāng) P1 口作為輸入口使用時(shí)，需要向 P1 口鎖存器先寫入 “ 1” ， 然后讀取P1 口的輸入信號(hào)。 圖 27 8051與外部存儲(chǔ)器連接 圖 8051 單片機(jī)有 4 個(gè)并行 I/O 口，稱為 P0、 P P2 和 P3，每個(gè)端口都有 8 根引腳，它們都是雙向通道，每一條 I/O 引腳都能獨(dú)立地用做輸入或輸出，作為輸出時(shí)數(shù)據(jù)可以鎖存，作為輸入時(shí)數(shù)據(jù)可以緩沖。 外部存儲(chǔ)器 與單片機(jī)的連接如圖 27 所示 。 程序存儲(chǔ)器 ROM： 程序存儲(chǔ)器 ROM 包括片內(nèi) ROM 和片外 ROM 兩個(gè)部分。 8051 單片機(jī)通過(guò)不同信號(hào)來(lái)選通 ROM 或 RAM。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 26 所示 ?；趩纹瑱C(jī)的直流電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 8 為了乘除運(yùn)算的需要，設(shè)置了 B 寄存器。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈 沖。一般情況下，算術(shù)邏輯操作發(fā)生在時(shí)相 1P期間，而內(nèi)部寄存器之間的傳送發(fā)生在時(shí)相 2P 期間，這些內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)無(wú)法從外部觀察，故用 XTAL2 振蕩信號(hào)作參考，而 ALE 可作為外部工作狀態(tài)指示信號(hào)用。所以一個(gè)機(jī)器周期可依次表示為 11PS 、 21PS 、 12PS 例如取指令、讀存儲(chǔ)器、寫存儲(chǔ)器等等 。（ 4）兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0、 T1，可用作定時(shí)器，也可用以對(duì)外部脈 沖進(jìn)行計(jì) 數(shù)。 程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端 EA /VPP： 當(dāng) EA 為高電平時(shí)， CPU 執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng) PC 中 的值超過(guò) 0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度將更高、體積將更小和功能將更強(qiáng) [1]。 第二階段（ 1978—1982）：?jiǎn)纹瑱C(jī)的完善階段。專用型單片機(jī)其硬件結(jié)構(gòu)和指令是按照某個(gè)特定用途而設(shè)計(jì)的。 Intel 公司單片機(jī)是目前應(yīng)用最廣、品種最多的單片機(jī)。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，極大地提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，能提高生產(chǎn)率、可靠性與柔性。 傳統(tǒng)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)控制回路的硬件設(shè)備極其復(fù)雜 ， 安裝調(diào)試?yán)щy ， 相對(duì)故障率較高 ， 維修比較困難 .而采用單片機(jī)控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) ， 其控制方案是依靠軟件實(shí)現(xiàn)的 ， 控制器由可編程功能模塊組成 ， 配置和參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)單方便 ， 工作穩(wěn)