【正文】 PID 控制算法簡單，結構可靈活 改變，技術成熟，可靠性高，在線性連續(xù)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 (4)利用 單片機的 PWM 接 口 。 圖 46 PWM波形產生電路 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 23 在 圖 46 中 ， 1U 和 2U 為兩片 4 位比較器 74LS85， 3U 為 8 位的計數(shù)器。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM 脈寬調制，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。 （ 2） D/A 轉換接口電路的設計 D/A 轉換 采用 DAC0832 芯片 來實現(xiàn)。在這種調速方法中，由于電動機在任何轉速下磁通和等效電阻都不變，只是改變電動機的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速通風惡化的影響 (也就是說假定電動機是強迫通風或為封閉的自冷式 )，則不論在高速還是低速下，電動機都能輸出額定轉矩，故稱這種調速方法為恒定轉矩調速，這是它的一個極為重要的特點。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩），電樞就能按逆時針方向旋轉起來。 P3 端口和 Pl端口的結構相似，區(qū)別僅在于P3 端口的各端口線有兩種功能選擇。 （ 3）控制總線（ CB）： 用來傳輸全機的控制信號 。 片外數(shù)據(jù)存儲器 RAM： 當片 內 RAM 不能滿足數(shù)量上的要求時，可通過總線端口和其他 I/O 口擴展外部 RAM，其最大容量可達 64KB 字節(jié)。從功能上看，它與一般微機的累加器相比沒有什么特別之處，但需要說明的是 ACC 的進位標志 Cy 就是布爾處理器進行位操作的一個累加器。 2) 單片機時鐘電路通常有兩種形式 ， 如圖 25 所示 。（ 2）片內數(shù)據(jù)存儲器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR。隨著單片機在各個領域全面、深入地發(fā)展和應用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的 8 位 /16 位 /32 位通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。 單片機按照其用途可分為通用型和專用型兩大類。 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 以后又出現(xiàn)了晶閘管、 MOSFET， IGBT 等為主 控元件的調速裝置 。 本設計 分析了 對直流電機進行速度測量的原理， 采用了 PWM 技術對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調速的目的。因此 ,電動機速度控制器采用以單片機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。文中采用了專門的芯片組成了 PWM 信號的發(fā)生系統(tǒng)，通過 運算 放大 器 來驅動電機。單片機經過 3 代的發(fā)展，目前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的 CPU 功能在增強，內部資源在增多，引角的多功能化，以及低電壓底功耗。 Vss：接地端。 （ 7）中斷控制系統(tǒng) ； （ 8）內部時鐘電路。中央處理器主要由運算部 件和控制部件組成。其中有一些控制信號線能簡化應用系統(tǒng)外圍控制邏輯，如控制地址鎖存的地址鎖存信號 ALE，控制片外程序存儲器運行的片內外存儲器選擇信號 EA，以及片外取指信號PSEN。當 EA 接低電平時，所有的取指操作均對片外程序存儲器進行 。 P0 口 （ ～ ） 是三態(tài)雙向 I/O 口，可作為通用 I/O 口使用，也可以作為系統(tǒng)擴展時的低 8 位地址 /8 位數(shù)據(jù)總線使用。 圖 211 P3口的結構圖 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 13 第 三 章 系統(tǒng)硬件電路設 計 總體 方案設計 本文采用 51 單片機為控制核心，配以 44 鍵盤和 4 位數(shù)碼管顯示 ， 通過 D/A 轉換電路對驅動電路進行電壓采集和速度采集 ， 并實現(xiàn)過壓保護和速度顯示。 圖 33 直流電機原理圖 直流電動機的定子通常有 勵磁繞阻，當勵磁繞阻通以直流電流時產生磁場。 ADC0809 的 IN0 和變送器輸出端相連，故 IN0 上輸入的 0V～ +5V 范 圍的模擬電壓經 A/D 轉換后可由 8051 通過程序從 P0 口輸入到它的內部 RAM 單元。 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 18 圖 38 D/A轉換 與單片機接口 電路 轉速測量電路 轉速測量采用一組鼠標用的紅外對管實現(xiàn)。加上使用自關斷器件，開關頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波 [9]。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個 具體模擬信號的電平進行編碼。 A B 端接一個過零比較器 ，其 輸出即為 PWM 波 ， 其占空比 是 通過 0P 口給定的數(shù)值來改變的。 2)接地線盡量加粗。 每次 PID 計算結束后將本次測試結果相應的值移入相應的寄存器中 。本次設計的電路中，在電源進線處也安置了一 個電解電容 )50,47(6 VFC ? ，這主要是起到濾除輸入信號的雜波，降低電源對芯片的干擾等作用。這種方法要占用 CPU 大量時間，使單片機無法進行其它的工作，因此也逐漸被淘汰。例如，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看 成由 N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。如果周期性地施加上述脈沖，則響應 ??ti 也是周期性的。 數(shù)碼管顯示電路 模組提供了 4 位共陰極 LED 數(shù)碼管，數(shù)碼管采用 ULN2021A 為其提供驅動電流。 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 17 圖 37 A/D轉換電路圖 A/D 轉換器的主要性能參數(shù)有 ： 1)分辨率 ： 分辨率表示 A/D 轉換器對輸入信號的分辨能力 ， A/D 轉換器的分辨率以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示 。采用晶閘管供電的直流調速系統(tǒng)，其特性方程式為 : ddeU I Rn K?? (33) 式中 : eK — 當磁通恒定時電動機的電勢常數(shù)， ?? ee CK dU — 理想空載整流電壓 )(V 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 16 dI — 整流電流的平均值 )(A R — 電樞回路總的等效電阻 )(? 但是當延遲角 ? 很大，而且負載電流很小時，電流斷續(xù)作用顯著，如果此時仍采用上述近似處理，其誤差就很大，這時可以近似地采用兩段直線來描述。 給定 輸出 — 圖 31 系統(tǒng) 工作原理 圖 由 圖 31 可知 ， 如果電機始終接通電源時 ， 電機轉速最大為 maxV ， 占空比為TtD /1? ； 則電機的平均速度為 ： DVVD ?? max ， 可見只要改變占空比 D， 就可以得到不同的電機速度 ， 從而達到調速的目的 ， 嚴格地講 ， 平均速度與占空比 D 并不是嚴格的線性關系 ， 在一般的應用中 ， 可將其近似看成線性關系 [3]， 如圖 32 所示。其結構如圖 29 所示。 （ 1）地址總線（ AB）： 用來傳輸主存的單元地址碼、外部設備的設備碼或地址碼 。當從外部 ROM 中取指令時，采用選通信號 PSEN，而從外部 RAM 中讀寫數(shù)據(jù)時則采用讀RD 和寫 WR 信號或來選通，因此不會因地址 重疊 而發(fā)生混亂。在執(zhí)行乘法運算指令時，用來存放其中一個乘數(shù)和乘積的高 8 位數(shù)；在執(zhí)行除法運算指令時， B 中存入除數(shù)及余數(shù)。 1） 單片機的 振蕩周期、時鐘周期、機器周期和指令周期 相互關系如圖 24 所示。 每個 機器周期由 6 個狀態(tài)周期 組成，即 1S 、 2S 當 EA 為低電平時， CPU 只執(zhí)行片外程序存儲器指令。 Intel 公司在 MCS48 基礎上推出了完善的、典型的單片機系列 MCS51。 在 80 年代初又推出了MCS51 系列的高性能的 8 位單片機。在數(shù)字化系統(tǒng)中除具有常規(guī)的調速功能外，還可實現(xiàn)故障報警、診斷及顯示等功 能。 Dc motor。s precision. Key Words Single ship puter。直流電動機調速系統(tǒng)通過單片機控制可實現(xiàn)人機對話，極大地提高設備的自動化程度，能提高生產率、可靠性與柔性。 Intel 公司單片機是目前應用最廣、品種最多的單片機。 第二階段（ 1978—1982）：單片機的完善階段。 程序存儲器地址允許輸入端 EA /VPP： 當 EA 為高電平時， CPU 執(zhí)行片內程序存儲器指令，但當 PC 中 的值超過 0FFFH時，將自動轉向執(zhí)行片外程序存儲器指令。例如取指令、讀存儲器、寫存儲器等等 。一般情況下，算術邏輯操作發(fā)生在時相 1P期間，而內部寄存器之間的傳送發(fā)生在時相 2P 期間，這些內部時鐘信號無法從外部觀察，故用 XTAL2 振蕩信號作參考，而 ALE 可作為外部工作狀態(tài)指示信號用?；趩纹瑱C的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 8 為了乘除運算的需要，設置了 B 寄存器。 8051 單片機通過不同信號來選通 ROM 或 RAM。 外部存儲器 與單片機的連接如圖 27 所示 。當 P1 口作為輸入口使用時，需要向 P1 口鎖存器先寫入 “ 1” ， 然后讀取P1 口的輸入信號。 系統(tǒng)工作原理 圖如 圖 31 所示 。由于電動機既可以 工作在電動機狀態(tài)，也可以工作在發(fā)電機狀態(tài)，所以改變發(fā)電機勵磁電流方向，就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個象限。 A/D 轉換接口電路如圖 37 所示 。將 SPEED連接到單片機的 I/O 口，即可通過定時計數(shù)的方法計算出電機轉動速度 [7]。脈沖越窄，各 ??ti 響應波形的差異也越小。 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代替正弦波，通過對矩形波的控制來模擬輸出不同頻率的正弦波。 利用單片機的一個 I/O 引腳，通過軟件對該引腳不斷地輸出高低電平來實現(xiàn) PWM 波輸出。 4)原則上電源進線端都應安置 濾噪 電容器。 最后的輸出 )(km 可以經過換算為 介于 0～ 1 之 間的數(shù)值 ，相對應 的 為 PWM 占空比 [11]。若接地線很細，接地電位則隨電路的變化而變化，導致它的信號電平不穩(wěn)定，抗噪聲性能變差。 PWM 脈沖波的產生 PWM 脈沖波的產生方法有四種 ： (l)利用 分立電子元件組成的 PWM 信號發(fā)生器 。 PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。 下面給出 一個實例 ，其電路連接如 圖 41 所示。 在直流電機的轉軸上安置了光柵轉盤，光柵轉盤的兩側分別裝有鼠標用 的 紅外發(fā)射和接收管。首先輸入地址選擇信號，在 ALE 信號作用下，地址信號被鎖存，產生譯碼信號，選中一路模擬量輸入。轉子又稱電樞，它的作用是產生電磁轉矩和電勢，實現(xiàn)機電能量的變換。 51 單片機的最大優(yōu)點表現(xiàn)在引腳少、功能強、可直接帶 LED 負載；具有低耗能工作方式，較簡便地實現(xiàn)掉電保護；外圍配置簡單提高了整機的可靠性；并且具有較強的抗干擾性。當單片機系統(tǒng)需要擴展片外存儲器或者需要擴展具有數(shù)據(jù) /地址線的芯片時， 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。 基于單片機的直流電機調速 系統(tǒng)的 設計 10 8051 單片機的片外總線結構 及并行 I/O 口 總線是多個系統(tǒng)部件之間進行信息傳送的公共通路。 8051 在物理上有 3 個存儲器空間 ： 1)片內數(shù)據(jù)存儲器 RAM 。下面我們把中央處理器功能模塊和有關的控制信號 聯(lián)系起來加以討論，并涉及相關的硬件設備 。 其 基本組成如圖 23 所示 。 2） 時鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2： XTAL1：接外部晶振和微調電容的一端，在片內它是振蕩器倒 相放大器的輸入，若使用外部 TTL 時鐘時，該引腳必須接地。 如果將 8 位單片機的推出作為起點，那么單片機的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個階段： 第一階段（ 1976—1978）：單片機的 探索階段。利用一組鼠標用的紅外對管 測得電機速度，經過 濾波 電路得到直流電壓信號，把電壓信號輸入給 A/D 轉換芯片最后反饋給單片機，在內部進行 PID 運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機的調速控制。 一般 直流調速系統(tǒng)通常采用三相全控橋式整流電路對直流電動機進行供電，通過改變電路的輸出電壓從而控制電動機的轉速。 實時測量電機的實際轉速，并在 LED數(shù)碼管上顯示出來，并 對電機進行 PID 轉速調節(jié)，使其轉速趨近于設定值。 早期 的電機電樞電壓調節(jié)法采用串聯(lián)電阻調速法 ， 這種方法 耗能大、且調速不太平穩(wěn) ， 逐漸被其他調速裝置代替 。在硬件電路的搭建上 ， 一般采用閉環(huán)控制方式 。在單片機的 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用的引腳， 32條輸入 /輸出（ I/O）引 腳 。 第四階段（ 1990—）：微控制器的全面發(fā)展階段。 一 個 8051 單片機包含下列部件 :（ 1）一個 8 位微處理器 CPU。 指令周期：指 CPU 執(zhí)行一條指令所需要的時間，一個指令周期通常含有 1～ 4 個機器