【文章內(nèi)容簡介】 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常 規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器； 1000 次擦寫周期；全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz；三級加密程序存儲器； 32 個可編程 I/O 口線；三個16 位定時器 /計數(shù)器；八個中斷源；全雙工 UART 串行通道；低功耗空閑和掉電模式；掉電后中斷可喚醒；看門狗定時器；雙數(shù)據(jù)指針；掉電標識符。 AT89S52 主要功能 擁有靈巧的 8 位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash 晶片內(nèi)部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） 內(nèi)部程序存儲器（ ROM）為 8KB 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）為 256 字節(jié) 32 個可編程 I/O 口線 8 個中斷向量源 三個 16 位定時器 /計數(shù)器 三級加密程序存儲器 全雙工 UART 串行通道 AT89S52 引腳 圖 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 8 圖 31 單片機引腳圖 AT89S52 有 6個中斷源：兩個外部中斷 （ INT0 和 INT1），三個定時中斷（定時器 0、 2）和一個串行中斷。這些中斷每個中斷源都可以通過置位或清除特 殊寄存器 IE 中的相關(guān)中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無效。 IE 還包括一個中斷允許總控制位 EA，它能一次禁止所有中斷。 AT89S52 內(nèi)部具有看門狗定時器及 3 個 16 位可編程定時器 /計數(shù)器。 16 位是指他們都是由 16 個觸發(fā)器構(gòu)成，故最大計數(shù)模值為 1216? ?？删幊淌侵杆鼈兊墓ぷ鞣绞接芍噶顏碓O置，或者當計數(shù)器用，或者當定時器用，并且記數(shù)（定時）的范圍也可以由指令來設置。這種控制功能是通過定時器方式控制器 TMOD 來完成的。 驅(qū)動電路 功率放大驅(qū)動芯片有多種，其中較 常用的芯片有 IR2110 和 EXB841，但由于IR2110 具有雙通道驅(qū)動特性，且電路簡單，使用方便，價格相對 EXB841 便宜，具有較高的性價比，且對于直流電機調(diào)速使用起來更加簡便，因此該驅(qū)動電路采用了IR2110 集成芯片，使得該集成電路具有較強的驅(qū)動能力和保護功能。 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技單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 9 術(shù)，于 1990年前后開發(fā)并且投放市場的，是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動的單片式集成驅(qū)動器。它把驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET或 IGBT所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點在于，將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動信號，可以驅(qū)動同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，可以達到 600V，其內(nèi)設欠壓封鎖，成本低、易于調(diào)試。高壓側(cè)驅(qū)動采用外部自舉電容上電，與其他驅(qū)動電路相比，它在設計上大大減少了驅(qū)動變壓器和電容的數(shù)目，使得 MOSFET和 IGBT的驅(qū)動電路設計大為簡化，而且它可以實現(xiàn)對 MOSFET和 IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，還具有快速完整的保護功能。與此同時， IR2110的研制成功并且投入應用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。 IR2110 的引腳圖以及功能 HOUBUsNcV c cC O MNCV SSLINSDH INV DDNCLO 圖 32 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；邏輯輸入與標準的 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。50V/ns，在 15V下的靜態(tài)功耗僅有 ；輸出的柵極驅(qū)動電壓范圍為 10～ 20V，邏輯電源電壓范圍為 5～ 15V，邏輯電源地電壓偏移范圍為－ 5V～＋5V。 IR2110 采用 CMOS 施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。推挽式驅(qū)動輸出峰值電流 ≥2A，負載為 1000pF 時，開關(guān)時間典型值為 25ns。兩路匹配傳輸導通延時為 120ns，關(guān)斷延時為 94ns。 IR2110 的腳 10 可以承受 2A 的反向電流。 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 10 P W M 1 P W M 2VbHOVsLOH INL INSDC O MVb HO Vs LOH IN L IN SDC O MIR 2 1 1 0R9 R 1 0R 1 1 R 1 2VD 10VD 11IR 2 1 1 0C4 C5P W M 1 P W M 2U g1U g2 U g3 U g4V s s V s s 圖 33 IGBT 驅(qū)動電路 元器件的選擇比較、選型 本設計采用 IGBT， IGBT 作為大功率的電路驅(qū)動器件，具有以下 優(yōu)點： （ 1） IGBT在正常工作時，導通電阻較低，增大了器件的電流容量。（ 2） IGBT 的輸出電流和跨導都大于相同尺寸的功率 MOSFET。（ 3）較寬的低摻雜漂移區(qū)（ n區(qū)）能夠承受很高的電壓，因而可以實現(xiàn)高耐壓的器件。（ 4） IGBT 利用柵極可以關(guān)斷很大的漏極電流。（ 5）與 MOSFET 一樣， IGBT 具有很大的輸入電阻和較小的輸入電容，則驅(qū)動功率低，開關(guān)速度高。雖然當 IGBT 關(guān)斷（柵極電壓降為 0）時， IGBT 的漏極電流也就相應地不能馬上關(guān)斷，即漏極電流波形有一個較長時間的拖尾 ——關(guān)斷時間較長（ 10～ 50ms），所以 IGBT 的工作頻率較低。但這本設計中 IGBT 仍然是本設計驅(qū)動的最理想器件。 IGBT 型號選擇：（ 1） IGBT 承受的正反向峰值電壓： Uirm﹦ VVU ??? （ 31） 考慮到 ，可選 IGBT 的電壓為 900V。 （ 2） IGBT 導通時承受的峰值電流 : Iirm= AI 1 ??? （ 32） 額定電電壓按 220V 供電電壓、額定功率 10kVA 容量算。 在計算出（或測出）最大電壓后，再留有 20%~30%的裕量， 選用的 IGBT 型號為 三菱 公司的 CT60AM18F，其耐壓值為 900V，最大峰值電流 30A，完全滿足設計要求。 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 11 H 橋雙極性主電路 從上面的原理可以看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門極驅(qū)動電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(guān)的動作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。因此在這個電路中， VT VT4或者 VT VT 3是不可能持續(xù)、不間斷的導通的。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。 將 IC1的 HIN端與 IC2的 LIN端相連，而把 IC1的 LIN端與 IC2的 HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號恰好相反。 在 HIN為高電平期間， VT VT 4導通，在直流電機上加正向的工作電壓。其具體的操作步驟如下： 電源經(jīng) VT 1至電動機的正極經(jīng)過整個直流電機后再通過 VT 4到達零電位，完成整個的回路。此時直流電機正轉(zhuǎn)。 在 HIN為低電平期間， LIN端輸入高電平， VT VT 3導通，在直流電機上加反向工作電壓。其具體的操作步驟如下： 電源經(jīng) VT 3至電動機的負極經(jīng)過整個直流電機后再通過 VT 2到達零電位，完成整個的回路。此時，直流電機反轉(zhuǎn)。 因此電樞上的工 作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。 設 PWM波的周期為 T， HIN為高電平的時間為 t1，這里忽略死區(qū)時間，那么 LIN為高電平的時間就為 Tt1。 HIN信號的占空比為 D=t1/T。設電源電壓為 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 (33) 定義負載電壓系數(shù)為 λ， λ= Vout / V, 那么 λ= 2D – 1 ；當 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。 D在 0—1之間變化，因此 λ在177。 1之間變化。如果我們聯(lián)系改變 λ，那么便可以實現(xiàn)電機正向的無級調(diào)速。 當 λ=， Vout=0,此時電機的轉(zhuǎn)速為 0； 當 λ1時， Vout為正，電機正轉(zhuǎn)； 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 12 當 λ=1時， Vout=V,電機正轉(zhuǎn)全速運行。 MGM O T O R D CV T 1V T 2VD1VD2V T 3V T 4VD3VD4U g1U g2U g3U g4Us 圖 34 橋式可逆 PWM變換器電路 雙極式控制可逆 PWM 變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖 8 所示。 OOOOU g1 U g4U g2 U g3U ABUsU sidid1id2 ttttton Tton T 圖 35 PWM 變換器的驅(qū)動電壓波形 他們的關(guān)系是： 1 4 2 3g g g gU U U U? ? ? ? ?。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當 0 ontt?? 時，晶體管 1VT 、 4VT 飽和導通而 3VT 、 2VT 截止，這時 AB sUU? 。當 ont t T?? 時， 1VT 、 4VT截止，但 3VT 、 2VT 不能立即導通，電樞電流 di 經(jīng) 2VD 、 3VD 續(xù)流，這時 AB sUU?? 。 ABU在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式 PWM 變換器的特征，其電壓、電流波形如圖 2所示。電動機的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時， 2on Tt ?，單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 13 則 ABU 的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負脈沖相等，2on Tt ? ，平均輸出電壓為零，則電動機停止。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為 2 1o n o n o nd s st T t tU U UT T T? ??? ? ? ????? (34) 如果定義占空比 ontT?? ，電壓系數(shù) dsUU?? 則在雙極式可逆變換器中 8 2 7 9SL1+5VIRQC L KA0CSRDWRD 0 D 7C N T LS H I G TR E S E T1512 141311109876543210R L 3RL2RL1RL0S L 0SL2S L 3A03B 0 3驅(qū)動器P0WRRDP 2 . 6A L EINT18 3 C 5 5 21KAT89S51 調(diào)速時， ? 的可調(diào)范圍 為 0～ 1 相應的保 護 現(xiàn) 場讀 入 轉(zhuǎn) 速計 算 轉(zhuǎn) 速恢 復 現(xiàn) 場轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié)允 許 測 速中 斷 返 回 。當封 鎖 P W M 輸 出分 析 ， 判 斷 故障 原 因顯 示 故 障等 待 系 統(tǒng) 復 位時， ? 為正，電動機正轉(zhuǎn)；當 12?? 時， ? 為負，電動機反轉(zhuǎn)；當 12?? 時， 0?? ，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零， 而是正負脈寬相 等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)，起著所謂 ―動力潤滑 ‖的作用。 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點： 1）電流一定連續(xù)。 2）可使電動機在四象限運行。 3）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 4）低速平穩(wěn)性好，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。 檢測回路 檢測回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號送入單片機進行處理 。 光電編碼器 編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“ ０ ”；非接觸式的接受單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 14 敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代