【文章內(nèi)容簡介】 了契機。 眾所周知，直流電機轉(zhuǎn)速 n 的表達式為： n=（ UIR)／ KΦ （ 21） (21)中， U電樞端電壓； I電樞電流： R電樞電路總電阻； Φ 每極磁通量； K電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都是用電樞控 制法。下面介紹在勵磁恒定不變的情況下，如何通過調(diào)節(jié)電樞電壓來實現(xiàn)調(diào)速。 絕大多數(shù)直流電機采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 PWM 來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。 當開關(guān)管導(dǎo)通時，電機兩端響電壓 Us。 PWM 信號的周期為 T，其中高電平時間 _為 tl，低電平時間為 t2。當開關(guān)管截止時電機電 樞兩 端的電壓為 0。 t2 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管動作重復(fù)前面的過程。這樣，直流電動機電樞繞組兩端的電壓平均值 U0 為： U0=(tlUs+0） /（ t1+t2） =t1Us/T= a Us (22) 式中， a 為占空比， a=tl／ T。 占空比 a 表示了在一個周期 T 里，開關(guān)管道通的時間與周期的比值。 a 的變化范同為 0≤ a≤ 1。由（ 22）可知，當電源電壓 Us 不變的情況下，電樞的端電壓的平均值 U0 取決于占空比 a 的大小，改變 a 值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的 ，這就是 PWM 調(diào)速的原理。 在 PWM 調(diào)速時，占空比 a 是一個重要參數(shù)。以下三種方法都可以改變占空比的值： ：這種方法是保持 tl 不變，只改變 t2，這樣使周期 T(或頻率 )也隨之改變 ：這種方法是保持 t2 不變，只改變 tl，這樣使周期 T(或頻率 )也隨之改變 ：這種方法是使周期 T(或頻率 )保持不變，而同時改變t1 和 t2 前兩種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期，當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時將會引于控制脈沖的頻率，且考慮到程序設(shè)計的方便性問題，仍是用的第二種方 法。目前，在直流電機 的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 PWM 控制信號的產(chǎn)生方法有四種： 分立電子元件組成的 PWM 信號發(fā)生器：這種方法是用分立的邏輯電子元件組成 PWM 信號電路。他是最早期的方式?，F(xiàn)在已被淘汰了。 軟件模擬法：利用單片機的一個 I/O 引腳，通過軟件不斷地輸出高低電平來實現(xiàn) PWM 波輸出。這種方法要占用 CPU 大量的時間，使單片機無法進行其他的工作，因此現(xiàn)在用得也較少了。但是由于本設(shè)計的自動門系統(tǒng)在輸出 PWM 信號時也就不需要作其他什么動作了，況且考慮到實驗室的仿真器沒有專用的 PWM 口，因而采用了這 種方法。 專用 PWM 集成電路：從 PWM 控制投術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的 PWM 集成電路芯片，這些芯片除了有 PWM 信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護功能等。在單片機控制直流電動機中，使用專用 PWM 集成電路可以減輕單片機負擔，工作更可靠。 單片機的 PWM口：新一代的單片機增加了許多功能，其中包括 PWM功能。單片機通過初始化設(shè)置，使其能自動地發(fā)出 PWM 脈沖波，只有在改變占空比時 CPU 才進行干涉。 直流電動機的 PWM 驅(qū)動又分為可逆與不可逆、雙極性與單極性之 分。本設(shè)計采用了單極性驅(qū)動可逆 PWM 系統(tǒng)， 下面作一下詳細介紹。 單極性驅(qū)動方式是指住一個 PWM 周期內(nèi)，電動機的電樞制成收單極性的電壓。單極性驅(qū)動也有 T 型和 H 型之分，以 H 型最多。 H 型又可以分為多種控制方式，此設(shè)計采用受限單極性驅(qū)動方式和受限倍頻單極性驅(qū)動方式。 首先單極性驅(qū)動可逆 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動電路如下圖 32 所示。 圖 22 受限單極可逆 PWM 驅(qū)動系統(tǒng) 電機止轉(zhuǎn)時，開關(guān)管 Ql 受 PWM 控制信號的控制，開關(guān)管 Q2施加高電半使其常開；開關(guān)管 施加低電平，使它們?nèi)冀刂?。如圖 22的狀態(tài)。 在要求電動機反轉(zhuǎn) 時，開關(guān)管 Q1 受 PWM 控制信號的控制，開關(guān)管V2 施加高電平使其常開；開關(guān)管 施加低電平，使它們?nèi)冀刂埂? 當要求電動機正轉(zhuǎn)時，在每個 PWM 周期的 0tl 區(qū)間， Ql 導(dǎo)通電動機工作在電動狀態(tài)。在每個 PWM 周期的 tlt2 區(qū)間， Q1截止，電流在自 感電動勢的作用下，經(jīng) Q2 和 D4 型重新流回路，如圖 21 的虛線 2 所示，電動機繼續(xù)工作在電動狀態(tài)。 電動機正轉(zhuǎn)時的電流波形如圖 23(a)所示。占空比比仍可按式 21 計算。 當電動機制動時， PWM 信號的占空比減小，使電樞兩端的平均電壓小于反電動勢。在反電動勢的作 用下，電流產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，但是由于V2 處十截止狀態(tài)，使耗能制動電流通路受到限制，所謂“受限”因此而得名。 當電動機工作在輕載時，在每個 PWM 周期的 tlt2 區(qū)間，當續(xù)流電流衰減到零后，由于 V2 的截止使反電動勢不能建立反向電流，電樞電流出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，如圖 23（ b)所示。 圖 23 受限單極可逆 PWM 電流波形 首先單極性驅(qū)動方式在輕載時會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，這是這種方式不利 的一面，可以通過提高開關(guān)頻率或改進電路設(shè)計來克服；但是由于能夠避免開關(guān)管直通，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，所以得以普遍使用。 單片機實現(xiàn)受限 單極性控制具體方法如下： 下圖 24 是用單片機控制受限單極性可逆 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)的原理圖。圖中單片機將 PWM 定向到 引腳，另外通過 引腳發(fā)出轉(zhuǎn)向控制信號，規(guī)定其中高電平代表正轉(zhuǎn)，低電平代表反轉(zhuǎn)。從單片機輸出的 PWM信號和轉(zhuǎn)向信號先經(jīng)過 2個與門和 l 個非門在各個開關(guān)管的柵極相連。 當單片機要求正轉(zhuǎn)時，單片機 輸出高電平信號，該信號分成 3路：第 1 路接與門 Yl 的輸入端，使與門 Yl 的輸出由 PWM 決定，所以開關(guān)管 vl 柵極受 PWM 控制。第 2 路直接與開關(guān)管 Q2 柵極相連，使 Q2導(dǎo)通。第 3 路經(jīng)非門 Fl 連接到 與門 Y2 的輸入端，使與門 Y2 輸出為 0，這樣使開關(guān)管 Q4 截止。從非門 Fl 輸出的另一路與開關(guān)管 Q3 的柵極相連，其低電平信號也使 Q3 截止 . 同樣電動機要求反轉(zhuǎn)，單片機 輸出低電平信號，經(jīng)過兩個與門和一個非門組成邏輯電路后，使開關(guān)管 Q4受 PWM 信號的控制， Q3導(dǎo)通， 截止。 圖 24 單片機控制受限單極性可逆 PWM 系統(tǒng)原理圖 三、 軟件設(shè)計 （一） 整體程序流程圖及功能模塊設(shè)計 本設(shè)計程序以匯編語言編寫，因為匯編語言易于讀寫、易于 調(diào)試和修改，同時匯編語言用來編制系統(tǒng)軟件和過程控制軟件，其目標程序占用內(nèi)存空間少，運行速度快。 本程序的設(shè)計主要由 PWM 信號發(fā)生程序、轉(zhuǎn)速測量模塊程序和檢測開關(guān)本軟件主要采用查詢的方法來實現(xiàn) .雖然中斷的方法要比查詢具有實時性并節(jié)約時間，但是基于本系統(tǒng)的要求，因為如果采用有人進入INT0 中斷服務(wù)程序的話，服服務(wù)程序很不容易判斷自動門究竟出于哪一部分，要用哪種速度開門。查詢?nèi)绻O(shè)置的合適也是完全可以的。 程序組成。整體程序流程圖如下頁圖 31 所示。 （二） PWM 信號發(fā)生及轉(zhuǎn)速測量模塊程序設(shè)計 PWM 信號就是 脈沖寬度信號，一定時間的高電平和一定時間的低電平的循環(huán)即可形成 PWM 信號。于是本程序采用將 清 0 和置 l 的方法來實現(xiàn)。首先在程序開始初始化的時候?qū)? 清 0，調(diào)用 PWM 信號產(chǎn)生程序時，先將 置 1，然后經(jīng)定時程序延時一段時間后再將 清 0。然后判斷有沒有中斷要執(zhí)行，如到達限位開關(guān)或是有人進出時。如果以上情況都沒發(fā)生就繼續(xù)調(diào)用這一個方波的發(fā)生程序。直至有中斷打斷時，執(zhí)行清 0 或調(diào)用另一個方波發(fā)生程序?qū)嵤┳兯佟? 開始 系統(tǒng)初始化 啟動紅外探測器 有人 嗎 ? 快速開門 有人嗎 ? 到半處限位開關(guān)嗎 ? 慢速開門 有人嗎 ? 到開門限位開關(guān)嗎 ? 電機停止 延時 2 秒 有人嗎 ? 快速關(guān)門 有人嗎 ? 有障礙嗎 ? 到半處限位開關(guān)嗎 ? 慢速關(guān)門 有人嗎 ? 有障礙嗎 ? 到關(guān)門限位開關(guān)嗎 ? 電機停止 延時 2 秒 返回 N K1 N K4 K2 K3 N N K5 Y Y Y Y Y N N N Y N N Y K5 Y Y K2 K3 K4 K1 Y N Y N 圖 31 整體程序 流程圖 變速是根據(jù)程序的順序執(zhí)行順序而判斷門所處的位置來實現(xiàn)的。此程序嚴格按照自動門開關(guān)一次的順序來編寫的，考慮了各階段可能遇到的所有問題，因此根據(jù)程序執(zhí)行的控制器可判斷自動門是該快速還是慢速。 清零 置 1 延時 清零 延時 有人嗎？ 快速開門 門已完全打開？ Y Y N 停止開門 N 開始 圖 32 快速開門流程圖 具體程序如下： KSLOW:CLR 定時 s 的程序如下： DEL: MOV R7， 200 DEL1: MOV R6， 250 DEL2: DJNZ R6， DEL2 DJNZ R7， DEL1 RET 其中 是兩個 8 位的寄存器，分別裝有兩次的循環(huán)初值，250 和 200 執(zhí)行內(nèi)循環(huán)時，執(zhí)行時間為 250*2us=5000us=。外層循環(huán)執(zhí)行時間為 200*=100ms=。 在基本延時程序的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用它可以實現(xiàn)多種定時。 MOV R0， 14H LOOPl： CALL DEL DJNZ R0， LOOPI 就實現(xiàn)了 20*=2s 的定時。 本程序采用定時和技術(shù)結(jié)合的方法 來實現(xiàn)。其中定時沒有采用定時器／計數(shù)器。因為前邊已經(jīng)有了基本延時程序，為了使程序更簡便 并且有更高的利用 率，因 T10: MOV TMOD,50H。 T1 為方式 1 計數(shù)器 MOV TL1， 0 MOV TH1， 0 MOV R0,10。 測試一秒內(nèi)的轉(zhuǎn)速 SETB TR1 LOOP2:LCALL DEL DJNZ R0， LOOP2 CLR TR1 MOV A,TL1 CJNE A， 0,JIXU1 JIXU1:JB ,GSLOW AJMP GFAST 當調(diào)用關(guān)門程序的過程中才有必要測速，其他部分不需要設(shè)置此程序。在調(diào)用關(guān)門 PWM 信號的過程中，調(diào)用測速程序。計數(shù)器采用的 Tl計數(shù)。首先將計數(shù)器 Tl 啟動并設(shè)置初值為 0，然后開始定時，定時 l 秒后，將計數(shù)器所計數(shù)值傳給寄存器 A，在將此計數(shù)值與電機正常狀態(tài)下最低轉(zhuǎn)速的二倍相比較 (因為圓盤上設(shè)有兩個孔，因此是最低轉(zhuǎn)速的二倍 )。如果計數(shù)值小于最小值的二倍則代表有障礙物，從而轉(zhuǎn)到開門程序執(zhí)行。 其中 TMOD 是定時器／計數(shù)器的工作方式寄存器。 它用于選擇定時器／計數(shù)器的工作模式和工作方式，它的字節(jié)地址為 89H，不能 進行位尋址。其格式如下圖 31 所示 圖 31 TMOD 格式 當 GATE 位為 0 時，僅由運行控制位 TRX(x=0， 1)=1 來啟動定時器／計數(shù)器運行。 為工作方式選擇位。本程序中將其設(shè)置為 01，表示定時器／計數(shù)器工作在方式 l，為 l6 位定時器／計數(shù)器。 C/T=1 時為計數(shù)器模式，計數(shù)器對外部輸入引腳 TO(P3． 4 腳 )或Tl(P3． 5 腳 )的外部脈沖 (負跳變 )計數(shù)。 TRl 為計數(shù)器控制位， TRl 為 1 啟動定時器／計數(shù)器 工作 (GATE為 0 的時候僅由它來控制定時器／計數(shù)器 )。該位可由軟件置 l 或清 0。 檢測是否有人的探測器接到了 INT0 引腳，由于系統(tǒng)功能實現(xiàn)的需要，本設(shè)計采用了查詢的方法。因為若使用中斷的方法，在中斷服務(wù)程序中開門的速度很難確定，因為門無論處于何種狀態(tài)，都有可能有人進出而需要執(zhí)行開門動作。如果不能準確判斷自動門日前所處的位置，就不能正確的調(diào)用相應(yīng)的 PWM 信號，使電機實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速。查尋方法如下： JNB ， KSLOW 還有 JB ， GSLOW 等語句。 JNB 指令意思是：如果 為高電平，則跳轉(zhuǎn)到 KFAST 執(zhí)行。 JB 指令是當此引腳為高電平時進行跳轉(zhuǎn)。 系統(tǒng)中有多個請求源，均采用了對輸入引腳查詢的方式。這有助于準確的判斷所應(yīng)執(zhí)行的動作。 結(jié) 論 在電機