【文章內(nèi)容簡介】 這就需要對電機(jī)的速度進(jìn)行快速精確的調(diào)節(jié)。目前，PWM控制方式作為可調(diào)電源取代笨重的電動機(jī)一發(fā)電機(jī)組以及飽和電抗器的控制方式具有許多優(yōu)點。其原理是通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)電動機(jī)電樞電壓實現(xiàn)平滑調(diào)速。由單片機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)一般由電動機(jī)、觸發(fā)器、調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速/電流檢測與反饋環(huán)節(jié)組成，對系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字調(diào)節(jié)，即所謂全數(shù)字控制。本系統(tǒng)可控制額定電壓為1255V。針對本系統(tǒng)所用的是直流電機(jī)，可使得調(diào)速范圍為8300轉(zhuǎn)/分鐘，速度精度在1%以內(nèi)，位置精度在0. 1%以內(nèi)。本設(shè)計所針對實際對象為額定電壓為24V，額定轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘。，其中包括:電機(jī)控制模塊、隔離保護(hù)電路、電機(jī)驅(qū)動模塊、過流保護(hù)電路、串口通信電路。在以下幾節(jié)中將分別介紹各個模塊的功能以及電路構(gòu)成。 系統(tǒng)硬件組成圖以AT89S52實現(xiàn)模糊控制以及與LM629的數(shù)據(jù)傳送。單片機(jī)通過LM629獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并通過中值濾波得到實際轉(zhuǎn)速V，之后經(jīng)模糊運算得到的KP、KI、KD參數(shù)，再發(fā)送至LM629。一、LM629特點LM629集成芯片是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。它是可編程全數(shù)字式控制的專用運動控制處理器。NMOS結(jié)構(gòu)，采用28引腳雙列直插式封裝，使用6MHz或8MHz時鐘頻率和5V電源工作。具體特點如下:(l)內(nèi)部有32位的位置、速度和加速度寄存器。(2)16位可編程數(shù)字控制器。(3)可編程分項采樣時間間隔。(4)8位分辨率的PWM輸出。(5)內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器。(6)可以進(jìn)行位置和速度控制。(7)速度、位置和數(shù)字PID控制器參數(shù)可以在控制過程中改變。(8)實時可編程中斷。(9)可對增量式光電碼盤的輸出進(jìn)行4倍頻處理和信號處理。二、管腳及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(l)管腳介紹。管腳13與增量碼盤的輸出信號相連(IN，A，B)。管腳411數(shù)據(jù)端口D0D7。管腳1215分別是CS、RD、GND、WR。管腳16是PS，PS=1時讀寫數(shù)據(jù)，PS=0時讀狀態(tài)和指令。管腳17是Hl，H1=1時申請中斷。管腳18，19分別是轉(zhuǎn)向(PWMS)和輸出(PWMM)。管腳2628分別是CKL、RTS、VDD。其他管腳在本系統(tǒng)中不用。 LM629N芯片管腳圖(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它通過I/0口與單片機(jī)通訊，輸入運動參數(shù)和控制參數(shù)，輸出狀態(tài)和信息。其內(nèi)部有1個16位數(shù)字控制器，輸出PWM和方向控制信號(Sign)，用來控制閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)由單片機(jī)提供。驅(qū)動器多采用專用的直流電動機(jī)驅(qū)動芯片(雙極性或單極性)。位置傳感器選用增量式光電編碼盤。[11]增量式光電編碼盤直流電動機(jī)驅(qū)動PID控制器 LM629AT89S52接口指令位置位置反饋 LM629構(gòu)成的直流伺服系統(tǒng)框圖三、工作原理用一個增量式光電編碼盤來反饋電動機(jī)的實際位置。來自增量式光電編碼盤的位置信號A，B經(jīng)LM629四倍頻，提高分辨率。A，B邏輯狀態(tài)每變化一次， LM629內(nèi)的位置寄存器加(減)1。編碼盤的A，B，C信號同為低電平時，就產(chǎn)生一個Index信號送入Index寄存器，記錄電動機(jī)的絕對位置。[21]LM629的梯形速度圖發(fā)生器用于計算所需的梯形速度分布圖。能實現(xiàn)兩種控制方式：(1)在位置控制方式時，單片機(jī)送來加速度、最高轉(zhuǎn)速、最終位置數(shù)據(jù)， (a)所示。在電動機(jī)運行時，上述參數(shù)允許更改，(b)所示的軌跡。(2)在速度控制方式時，電動機(jī)用規(guī)定的加速度加速到規(guī)定的速度，并一直保持這個速度，直到新的速度指令執(zhí)行。如果速度存在擾動，LM629可使其平均速度恒定不變。 LM629內(nèi)部有一個數(shù)字PID控制器，用來控制閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)由單片機(jī)提供。該系統(tǒng)中采用的是美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)作為微處理器。AT89S52是一款低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。在該系統(tǒng)中，89S52實現(xiàn)用戶的接口，同時完成控制器PID所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)、控制參數(shù)、控制指令的設(shè)定。在本系統(tǒng)中LM629的I/O口D0D7與單片機(jī)的P0口相連，用來從單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)和控制指令，從LM629傳送電機(jī)的狀態(tài)和運動信息。，作為選中LM629的地址線。，作為另一條地址線。該系統(tǒng)的關(guān)鍵就是用到了LM629所集成的PID控制器，PID控制器指令有2條，用于輸入PID參數(shù)，而這三個參數(shù)便是單片機(jī)經(jīng)模糊運算所得到的KP、KI、KD。其指令操作碼為IEH (210個字節(jié)寫數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)的前兩個字節(jié)中。高字節(jié)存放微分采樣時間間隔數(shù)據(jù)。隨后是參數(shù)數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)占2個字節(jié)，順序為KP、KI、KD和積分極限。 低字節(jié)內(nèi)容 7 6 5 4 3 2 1 0 不用KP KI KD積分極限 高字節(jié)數(shù)據(jù)格式 15 14 13 12 11 10 9 8時間間隔/us 0 0 0 0 0 0 0 0 256 0 0 0 0 0 0 0 1 512 0 0 0 0 0 0 1 0 768 0 0 0 0 0 0 1 1 1024 ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1 1 1 1 1 1 1 1 65536LM629能向單片機(jī)提供電機(jī)實際位置，讀實際位置指令RDRP，操作碼為0AH，4個字節(jié)讀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)范圍:C0000000H3FFFFFFFH，所讀取的實際數(shù)據(jù)順序是高位在前。同時LM629也能向單片機(jī)提供實際轉(zhuǎn)速信息，讀實際速度指令RDRV，指令碼為OBH，但起缺點是只能提供速度采樣值的65535倍的整數(shù)部分，數(shù)據(jù)范圍:C000H3FFFH，可知，其所記錄速度數(shù)據(jù)的真實程度并不準(zhǔn)確。AT89S52的主要工作就是向LM629傳送運動數(shù)據(jù)和PID數(shù)據(jù)，并通過LM629對電動機(jī)的運行進(jìn)行監(jiān)控。LM629則根據(jù)AT89S52發(fā)來的數(shù)據(jù)生成速度圖，進(jìn)行位置跟蹤，PID控制和生成PWM信號輸出。為了防止電機(jī)驅(qū)動單元對數(shù)字控制單元的干擾，必須在兩者之間加隔離電路來防止干擾的產(chǎn)生。避免LMD18200的驅(qū)動電路對控制信號的干擾，對于LMD18200的引腳3(轉(zhuǎn)向輸入)、引腳5(PWM輸入)與LM629的PWMS、PWMM引腳之間通過光電耦合器6N137連接。(l) 光電耦合器的選型，如果LM629接6MHz晶振，其最小輸出占空比（1/128）時的接通時間為:4/fCLK=4/6*106s=因此應(yīng)選擇高速光耦。而N6137的工作頻率可達(dá)到10MHZ，即它可用在開關(guān)周期為:l/l07s= 因此光耦可選6N137。 LM629 PWM調(diào)制信號圖(2) 光電耦合器的電路接入，6N137的驅(qū)動電流范圍在68mA之間，LM629不能直接驅(qū)動6N137，因此在他們之間必須增加驅(qū)動，在這里選用74LS04做為光耦驅(qū)動。對于74LS04，它的翻轉(zhuǎn)時tPLH=tPHL=15ns，可知完全滿足LM629的PWMM腳輸出最小輸出占空比時的接通時間場合。且最大輸出電流IOL=8mA，能完全驅(qū)動6N137。[20] 隔離模塊電路圖LM629的PWMM腳輸出信號經(jīng)74LS04反向，加上6N137是OC門輸出，因此在光耦的輸出端必須接上拉電阻使信號還原。 R1，R1取值為10K。對于LM629的PWMS腳的電路接法和PWMM腳一樣。 6N137內(nèi)部電路圖采用LMD18200實現(xiàn)受限單極性驅(qū)動方式，LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動機(jī)驅(qū)動的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動化控制領(lǐng)域。[15] LMD18200外形結(jié)構(gòu)圖 LMD18200內(nèi)部電路框圖引腳10接直流電機(jī)電樞，電流流向由引腳3控制，實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電流檢測輸出引腳8提供電流取樣信號，典型值為377uA/A。可以接一個對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閥值為10A，當(dāng)超過該值時會自動封鎖輸出，并周期性的自動恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時間較長，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個輸出。過熱信號還可通過引腳9輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145度時引腳9有輸出信號。通過充電泵電路為上橋臂的2個開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個300kHz的振蕩器控制，使充電泵電容可以充至14V左右。本系統(tǒng)在引腳l、11外接10uF的電容形成第二個充電泵電路。 LMD18200單極性驅(qū)動方式下理想波形LMD18200提供雙極性驅(qū)動方式和單極性驅(qū)動方式。雙極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，電動機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性可逆系統(tǒng)雖然有低速運行平穩(wěn)性的優(yōu)點，但也存在著電流波動大，功率損耗較大的缺點，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機(jī)的控制。本采用單極性可逆驅(qū)動方式。單極性驅(qū)動方式是指在一個PWM周期內(nèi)，電動機(jī)電樞只承受單極性的電壓。本系統(tǒng)直流電機(jī)的額定電壓為24V。因此LMD18200的6腳接24V直流電源。圖中的DB2是輸出，為電機(jī)提供電樞電壓。在任何情況下，不論正常工作或發(fā)生故障時，必須保證驅(qū)動或是電機(jī)的工作條件不超出它的允許范圍。由于長時間過電流都會損壞驅(qū)動或電機(jī)，所以除了在選用器件時留有充分合理的裕量，還必須采取采用有效過電流保護(hù)措施。，為了防止電機(jī)因過流而燒壞，必須有過流保護(hù)裝置，在這里用比較器LM339構(gòu)成。由于LMD18200電流檢測輸出引腳8提供電流取樣信號，典型值為377uA/A。取LM339基準(zhǔn)電壓為Ur=5V，可得LMD18200流檢測輸出引腳8下拉電阻值:R=100KΩ慢點LM339的輸出Uo接AT89552的INT1腳連接，IT0=l以負(fù)跳變方式觸發(fā)。當(dāng)電機(jī)過流時向AT89S52發(fā)出中斷，從而達(dá)到過流保護(hù)的作用。 在直流電動機(jī)的輸出軸上安裝增量式光電編碼盤作為轉(zhuǎn)速傳感器，它的輸出直接聯(lián)到LM629的A、B、C輸入端，形成反饋環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)選用國產(chǎn)GMC1200型光電脈沖發(fā)生器，工作電壓為5V土5%。: 輸出信號波形來自增量光電編碼盤的位置信號A、B經(jīng)LM629四倍分頻提高分辨率，A、B邏輯每變化一次LM629內(nèi)的位置寄存器加(減)1。A、B、Z信號同為低電平，就產(chǎn)生一個Index送入寄存器，記錄電機(jī)的絕對位置。其中位置信號可直接從LM629內(nèi)的位置寄存器中讀出。單片機(jī)對測速脈沖頻率應(yīng)用M/T法處理可得轉(zhuǎn)速值，M/T法能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，以較短的檢測時間實現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速測量。在測速時間Ta內(nèi)同時對光電脈沖發(fā)生器輸出的脈沖數(shù)m1計數(shù)的同時對高頻脈沖的個數(shù)m2也進(jìn)行計數(shù)，m1與m2分別反映對應(yīng)的轉(zhuǎn)角和測速時間。由于不能從LM629讀出電機(jī)的精確速度，可采用AT89S52的T2口通過中斷對當(dāng)前速度采樣。:(T2)相連。此系統(tǒng)速度的采樣周期為60ms，對于設(shè)定轉(zhuǎn)速為N轉(zhuǎn)每分鐘的速度控制，脈沖光電發(fā)生器的精度為1200，則60ms期間所采集的脈沖數(shù)X為:X=N**1200/60如對每分鐘120轉(zhuǎn)的速度設(shè)定值，每60ms內(nèi)的脈沖數(shù)為144，將此過程反推則可得出轉(zhuǎn)速的實際值。系統(tǒng)采用RS232串口與PC機(jī)通信，6 軟件設(shè)計在本系統(tǒng)中上位機(jī)程序用VB編寫，單片機(jī)控制程序用keil C51編寫。 PC系統(tǒng)界面設(shè)計及串口通信 上位機(jī)主要完成相關(guān)參數(shù)設(shè)定，速度曲線的顯示。 系統(tǒng)界面及功能系統(tǒng)界面即人機(jī)界面，它的成功與否直接關(guān)系到系統(tǒng)的使用。，包括功能有：(1)控制方式設(shè)定，其中有：模糊控制：參數(shù)模糊自整定PID控制。在模糊控制方式下“PID參數(shù)設(shè)定”欄不可以選中，即不能手動輸入PID參數(shù)。手動控制：依靠人工手動輸入PID參數(shù)。(2)PID參數(shù)設(shè)定：PID參數(shù)設(shè)定輸入，只能在“控制方式設(shè)定”欄的手動控制方式下可用。(3)速度設(shè)定及顯示：設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。(4)運動曲線圖顯示：橫坐標(biāo)表示位置，縱坐標(biāo)表示速度，可通過兩個粉紅色的文本輸入框設(shè)定顯示范圍?！C串口通信VB下的串行端口通信是通過其提供的控件Microsoft Comm control(簡稱MSComm)實現(xiàn)的，該控件屏蔽了通信過程中的底層操作，程序員只需設(shè)置并監(jiān)視MSComm控件的屬性和事件，結(jié)合其它VB提供的控件就可完成對串口的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。(l)通信處理方式MSComm,控件提供了如下兩種處理通信的方式，第一是查詢方式，在用戶程序中設(shè)計定時或不定時查詢MSCom