【文章內(nèi)容簡介】 可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 (34)如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時，的可調(diào)范圍為0～1相應的。當時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當時，為負，電動機反轉(zhuǎn)；當時，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，它并不等于零，從這里也可以看出電流也是交變的。因為存在正負脈寬相等條件，對交變電流的平均值而言，它的值也等于零，因而平均轉(zhuǎn)矩是不產(chǎn)生，雙極式控制有個很大的缺點就是它會徒然增大電動機的損耗。雖然這個缺點無法避免，但是它的好處還是很明顯的，那就是高頻微震電流存在于電動機停止時，正是因為這一點，正、反向時靜摩擦死區(qū)被有效的消除了，“動力潤滑”的作用因此而得名。 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點： 1）可使電動機在四象限運行。 2）低速平穩(wěn)性好，每個開關器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。 3）電流一定連續(xù)。 4）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 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 編碼器是一種轉(zhuǎn)換裝置，它能把直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號。前者成為碼尺，后者稱碼盤。編碼器如果按照讀出方式來分的話可以分為非接觸式和接觸式兩種。非接觸式的接受敏感元件是磁敏元件或光敏元件，光敏元件時常常使用以不透光區(qū)和透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“0”還是“1”；接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸絕緣區(qū)或?qū)щ妳^(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“0”還是“1”。同理，編碼器如果按照工作原理來分的話可分為絕對式和增量式兩種。絕對式編碼器的特點為一個確定的數(shù)字碼對應每一個位置，因此它的示值與測量的中間過程無關，而只與測量的起始和終止位置有關。增量式編碼器與絕對式編碼器原理一點也不相同，它的原理是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，然后用脈沖的個數(shù)來表示位移的大小。通過比較增量式和絕對式的特點及優(yōu)缺點，我們可以確定本設計可以采用增量式光電編碼器來采樣轉(zhuǎn)速信號，如圖36所示。增量式編碼器最大的優(yōu)勢是專門用來測量轉(zhuǎn)動角位移的累計量。下面我們這里以三相編碼器為例來介紹增量式編碼器的結(jié)構(gòu)及其工作原理。圖36 編碼器原理圖圓盤上有規(guī)則地刻有不透光和透光的線條是增量式光電編碼器非常顯著地特點，在圓盤兩側(cè)分別安放光敏元件和發(fā)光元件。一旦當圓盤隨電機旋轉(zhuǎn)時，光敏元件輸出的脈沖是這樣形成的，光敏元件接受的光增量會隨透光線條同步變化，它輸出的波形經(jīng)過整形后便形成了脈沖。碼盤上有向標志，每轉(zhuǎn)一圈z相輸出一個脈沖。碼盤提供相位相差90176。的兩路脈沖信號,并以此來判斷旋轉(zhuǎn)方向。復位計數(shù)器采用編碼盤輸出的z相脈沖，每轉(zhuǎn)一圈復位一次計數(shù)器。將A、B兩相脈沖中任何一相輸入計數(shù)器中，均可使計數(shù)器進行計數(shù)。用D觸發(fā)器的輸出信號Q來判斷編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。D觸發(fā)器的時鐘端和D輸入端分別接整形后的A、B兩相輸出信號，采用A相脈沖的上升沿來觸發(fā)D觸發(fā)器的CLK端。電機的轉(zhuǎn)動方向是這樣確定的，由于A、B兩相的脈沖相位相差90176。，當電機反轉(zhuǎn)時，A相脈沖超前B相脈沖90176。，則D觸發(fā)器總是在B脈沖為低電平時觸發(fā)，這時Q輸出端輸出為低電平。當電機正轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前A相脈沖90176。，觸發(fā)器總是在B脈沖為高電平時觸發(fā)，這時D觸發(fā)器的輸出端Q輸出為高電平。為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得快速和高精度的數(shù)字測速，選用轉(zhuǎn)速傳感器時本設計采用每轉(zhuǎn)1024線的光電編碼器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機轉(zhuǎn)速有固定的比列關系，微機對該頻率信號采用M/T法測速處理。之所以要保證轉(zhuǎn)速檢測的快速性和精度，是因為轉(zhuǎn)速檢測的快速性和精度對電機調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能影響極大。 M/T法測速原理 M/T法測速原理是在對時鐘脈沖的個數(shù)進行計數(shù)的同時對光電編碼器輸出的測速脈沖數(shù)也進行計數(shù)。原理如圖37：圖37 M/T法測速原理測速時間由測速脈沖來同步，即由圖37電路實現(xiàn)等于整個脈沖周期。設從圖37上a點開始，計數(shù)器分別對和計數(shù)，到達b點，預計的測速時間到，微機發(fā)出停機指令，但因為不一定恰好等于整數(shù)個編碼輸出脈沖周期，所以計數(shù)器仍對時鐘脈沖計數(shù)，直到c點時，可以利用下一個轉(zhuǎn)速脈沖上升沿（即c點）觸發(fā)數(shù)字測速硬件電路使計數(shù)器停止計數(shù)。這樣，代表了個測速脈沖周期的時間。設時鐘脈沖頻率為，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出p個脈沖，則電機轉(zhuǎn)速的計算公式為： (35) 由于M/T法的計數(shù)值和都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時，相當于M法測速，最低速時，自動進入T法測速。因此，M/T法測速能適用的轉(zhuǎn)速范圍比較大，是目前廣泛應用的一種測速方法。希望在低速獲得高精度測速值，于是利用光碼盤A，B兩相輸出在相位上互差90176。的二路脈沖經(jīng)異或門二倍頻再送入的計數(shù)器。這時，轉(zhuǎn)速計算公式修改為： (36) 鍵盤及顯示電路鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳誦命令等功能，鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU在忙于各項工作任務時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應根據(jù)實際應用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時響應按鍵操作，又要不過多占用CPU的工作時間。鍵盤/顯示模塊的核心控制器采用Intel公司的8279。如圖12所示。它是一種專用智能芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)段式數(shù)碼顯示和鍵盤輸入控制。正是因為它具有這兩種功能，它能減輕CPU的負擔，并且可以大大簡化單片機控制系統(tǒng)的軟硬件設計,所以本設計使用這個芯片。下面是它功能的一些簡單介紹: （1）常規(guī)情況下,能同時管理64個物理鍵和16個八段數(shù)碼管；（2）能按FIFO(先進先出)方式實現(xiàn)8個鍵值的緩沖； （3）能自動實現(xiàn)按鍵的“去抖”和重鍵處理；（4）能以中斷或查詢兩種方式工作； （5）與微處理器接口簡單。其引腳定義如下: DB0～DB7:雙向數(shù)據(jù)總線 RL0～RL7: 檢測輸入線 SL0～SL3: 矩陣掃描線 IRQ:中斷請求信號 /RD、/WR:讀寫選通信號 /CS:片選信號 /BD: 顯示消隱信號 CLK:時鐘信號 RESET:復位信號 SHIFT: 擴展鍵位的換檔信號,帶上拉電阻 CTRL/STB: 控制鍵輸入/選通信號輸入,帶上拉電阻 A0:命令/狀態(tài)或數(shù)據(jù)識別信號A=1,為寫命令或讀狀態(tài)。 A=0,為數(shù)據(jù)采用4*4式鍵盤，分數(shù)字部分和控制部分，如圖下表所示。數(shù)字部分用來輸入給定轉(zhuǎn)速，控制部分用來控制電機的運行。0123456789取消確認測速停車 圖38顯示器圖 輸入給定轉(zhuǎn)速時應注意的幾個問題：（1）轉(zhuǎn)速不足四位時，在前面加撥0湊夠四位；（2）轉(zhuǎn)速輸入錯誤時，按取消鍵，顯示器清空，重新輸入值；（3）轉(zhuǎn)速輸入完成后，按確認鍵。 采用共陰極的發(fā)光二極管構(gòu)成可以顯示4位十進制的顯示器，運行中顯示當前的實際轉(zhuǎn)速值。如上圖示。8279與單片機、鍵盤和顯示器的外圍總接線如圖39示。 圖 39顯示器/鍵盤驅(qū)動電路由于8279芯片有自動分時掃描功能，所以它可與CPU同時工作，減輕CPU的負擔，而且接口方便，顯示穩(wěn)定，程序簡單，可靠性高。 電源電路采用78系列芯片產(chǎn)生+5V、+15V。電路圖如圖310：圖310 78系列的電源電路 78XX,XX就代表它所輸出的電壓值，能降低電壓45V,三端穩(wěn)壓集成電路電子產(chǎn)品非常常見，用的比較多的有負電壓輸出的79系列和正電壓輸出的78系列。從名字上可見，穩(wěn)壓用的三端IC集成電路都是統(tǒng)一的標準，引腳輸出只有三條，分別是接地端、輸出端和輸入端。 因為它具有兩大比較突出的優(yōu)勢，首先電路內(nèi)部有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，其次它所需的外圍元件極少，所以采用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源。三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓是由該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字表示的，如7909表示輸出電壓為負9V，7806表示輸出電壓為正6V。 另外，集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面有時還會有一個L或M，如79L24或78M12，字母有它固有的含義，它是用來區(qū)別封裝形式和輸出電流等，其中78M系列最大輸出電流為1A，78L系列的最大輸出電流為100mA。當然，對于實際應用還有一些事項要稍加注意，比如針對大功率的條件下，必須在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器，小功率的話就不需考慮這個問題了。另外，還會出現(xiàn)穩(wěn)壓管溫度過高的情況，這時穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能將變差，此時穩(wěn)壓管損壞也很有可能出現(xiàn)。4系統(tǒng)軟件設計 PWM實現(xiàn)方式 調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在產(chǎn)生PWM脈沖的實現(xiàn)上比較方便。 定時器/計數(shù)器 單片機內(nèi)部的定時器是PWM信號軟件實現(xiàn)的核心，就定時器而言，選用不同的單片機，它定時器的特點一般都會不同，就算是相同型號的單片機，如果它選擇的定時器工作方式不同，或者選用的晶振不同，那么它定時器的定時初值與定時時間的關系也會不相同。那么，定時器的定時初值與定時時間的關系是第一要確定下來的東西?，F(xiàn)在假如定時器/計數(shù)器為位，單片機的時鐘頻率為，那么定時時間與定時器初值的關系為： （41） 式中，個機器周期的時鐘數(shù)； 定時器定時初值。 一般情況下，機型不同，的值就會不同。在實際的設計過程中，常常是由已選擇的具體的機型，然后給出它相應的值。而在本次設計中我們選用的是晶體振蕩器的頻率為12MZ的單片機，那么它的。綜上所述，我們知道要想控制電機的轉(zhuǎn)速，我們需要控制占空比，而要達到控制占空比的目的，我們僅僅只需通過設定不同的定時初值來改變占空比就行了。 PWM產(chǎn)生程序includedefine uchar unsigned charuchar num。sbit PWM=P1^0。void init(){ TMOD=0x01。 TH0=(65536500)/256。 TL0=(65536500)%256。 EA=1。 ET0=1。 TR0=1。}void T0_timer() interrupt 1{ TH0=(65536500)/256。 TL0=(65536500)%256。 num++。}void main(){ init()。 while(1) { if(num==4) { PWM=~PWM。 num=0。 } }} 系統(tǒng)程序設計 主程序——完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)刷新顯示、鍵盤處理、與上位計算機和其他外設通信等功能，總的來說，它主要完成一些實時性要求不高的功能，如圖41。初始化子程序——主要是完成一些系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化和硬件器件工作方式的設定等工作，如圖42。有鍵按下嗎？系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)通信刷新顯示鍵處理主程序YN系統(tǒng)初始化設定定時器、PWM、數(shù)字測速工作方式參數(shù)及變量初始化返回設定I/O、通信接口及顯示、鍵盤工作方式圖41 主程序流程圖 圖42 初始化子程序 主程序主要要完成的任務是三個方面：變量的初始化、內(nèi)部定時/計數(shù)器T0、T1測速和鍵盤/顯示芯片8279。 此程序共有2個中斷源：外部中斷0，用于電機故障處理；外部中斷1，用于鍵盤輸入處理。 中斷程序設計外部中斷0模塊設計 外部中斷0是故障中斷，優(yōu)先級最高。當電機出現(xiàn)問題時向CPU申請中斷。響應中斷后封鎖PWM輸出，使電機停轉(zhuǎn)。外部中斷1模塊設計外部中斷1是鍵盤輸入中斷，高優(yōu)先級。當鍵盤有輸入值時，8279向CPU申請中斷。讀取鍵值，按其實際功能進行操作。內(nèi)部定時器T0溢出中斷設計轉(zhuǎn)速測定為M/T式編碼盤測