【文章內(nèi)容簡介】 常數(shù)來表示電流，可得如下關(guān)系： 考慮到和之間的關(guān)系，公式進化為: 上式便是直流電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電阻、轉(zhuǎn)矩常數(shù)和速度常數(shù)之間的關(guān)系。；電流單位是A；速度單位是rpm；電壓單位是V。轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)矩M曲線：表述的是在一恒定電壓U下電機的機械表現(xiàn)。兩點法作圖:空載轉(zhuǎn)速n（電機在額定電壓、空載的情況下的轉(zhuǎn)速）和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(電機在堵轉(zhuǎn)條件下的轉(zhuǎn)矩值)。空載轉(zhuǎn)速與堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩將隨著給定電壓的改變而成線性關(guān)系?？蛰d轉(zhuǎn)速與電壓有如下關(guān)系:。轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)矩M曲線的斜率，是一項體現(xiàn)電機性能的重參數(shù)，與電壓無關(guān)。有如下關(guān)系:直流電機的速度與轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系可用下式表示: 系統(tǒng)總體方案（） PIC單片機為本系統(tǒng)的控制核心，通過電腦設(shè)置下載到單片機。由單片機輸出二進制控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路將對應(yīng)模擬電壓送到直流伺服放大器的設(shè)定值輸入端。放大器根據(jù)輸入的模擬電壓輸出對應(yīng)的電壓來控制直流電機的轉(zhuǎn)速。直流電機同軸的光電編碼器E輸出A、B兩路方波信號送到整形電路，通過整形電路送到單片機用于測量轉(zhuǎn)速。不斷比較設(shè)定值和實際值，根據(jù)比較獲得的誤差調(diào)節(jié)放大器的輸出電壓。顯示部分顯示各段設(shè)定的時間值、轉(zhuǎn)速值和測量的轉(zhuǎn)速值；單片機主要完成參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)速測量、參數(shù)顯示和控制輸出等功能。 系統(tǒng)器件型號選擇maxon集團的數(shù)字MR，參數(shù)如下表旋轉(zhuǎn)一周計數(shù)1024通道數(shù)3最高工作頻率320HzVCCSV士5%輸出信號TTL兼容零位脈沖寬度(額定)e工作溫度范圍一25℃一85℃編碼盤慣量采用專用驅(qū)動芯片IR2111對IRF530進行柵極驅(qū)動。IR2111內(nèi)置自舉工作單元，柵極驅(qū)動電壓范圍寬，單通道施密斯邏輯輸入，輸入與TTL和CMOS電平兼容，高端輸出與輸入相同，低端輸出經(jīng)死區(qū)時間調(diào)整后與輸入反向，可同時驅(qū)動同一橋臂上的兩只功MOSFET。 IR2111的懸浮自舉技術(shù)是指，不管功率開關(guān)器件源極電壓多少，通過自舉電容和自舉二極管的工作，總能保證待驅(qū)動功率器件的柵極與源極之間的電壓為1020V，即能驅(qū)動該功率器件正常工作。IR2111內(nèi)置的自舉工作工作單元本質(zhì)上是電荷泵電路，電荷泵電路的簡單自舉原理介紹如下： 圖4自舉原理 如圖４所示，電容Ｃ的a端通過二極管Ｄ接，電容C的b端接幅值的方波。當(dāng)b點點位為O時，D到通，開始對電容C充電，直到節(jié)點ａ的電位達到（假設(shè)二極管Ｄ為理想二極管）；當(dāng)ｂ點電位上升至高電平時，因為電容兩端電壓不能突變，此時ａ點電位上升為，所以，ａ點電壓就是一個方波，最大值是，最小值是，可見輸出端電壓平均值將高于，其波形就跟隨輸入波形的變化而變化，但始終維持一個穩(wěn)定的差值，實現(xiàn)自舉。 單片機選型　　目前國內(nèi)在使用單片機作控制系統(tǒng)的微處理器時多選擇51系列或Motorola系列單片機，而本系統(tǒng)選用的PIC系列單片機在多個方面較其它系列單片機更有優(yōu)越性。下面對PIC單片機作較詳細介紹?！IC單片機與其他單片機的比較 當(dāng)今世界上涌現(xiàn)出各種各樣的單片機，目前應(yīng)用較廣的主要有美國Intel公司開發(fā)和生產(chǎn)的MCS一51，MCS一96系列、臺灣ICSI公司的8051系列、美國Motorola公司的MC68系列和美國Microchip公司的PIC系列等，其中各個系列的單片機都有其各自的優(yōu)點，與其它系列相比，美國Microchip公司近幾年推出的系列PIC單片機，它的最大優(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、明晰、提高了整機的可靠性。并且具有較強的抗干擾性，大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力，從而提高了工業(yè)電腦自動控制器的適應(yīng)能力，以下分幾個方面通過與其它類型單片機的比較來說明它的優(yōu)越之處。(l)哈佛總線結(jié)構(gòu)　　PIC系列單片機在架構(gòu)上采用了與眾不同的設(shè)計手法，PIC系列單片機不僅采用了哈佛體系結(jié)構(gòu)(也就是兩種存儲器位于不同的邏輯空間里，這種架構(gòu)的微控制器、微處理器、數(shù)字信號處理器或者微型計算機系統(tǒng)，稱為哈佛體系結(jié)構(gòu))，而且還采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)。在PIC系列單片機中采用的這種哈佛總線結(jié)構(gòu)，就是在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，這樣做的好處是，便于實現(xiàn)指令提取的“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進行取指令操作。便于實現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度。在一般的單片機中，指令總線和數(shù)據(jù)總線是共用的(即分時復(fù)用)Motorola公司開發(fā)的MC68HC05/08系列單片機，其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址(也就是兩種存儲器位于同一個邏輯空間里，這種架構(gòu)的微控制器、微處理器、數(shù)字信號處理器或者微型計算機系統(tǒng)，稱為普林斯頓體系結(jié)構(gòu))，早期在國內(nèi)市場上最流行的單片機產(chǎn)品Intel開發(fā)生產(chǎn)的MCS一51系列單片機，其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器雖然獨立編址。但是它們與CPU之間傳遞信息必須共用同一條總線，仍然擺脫不了瓶頸效應(yīng)的制約，于是影響到CPU運行速度的進一步提高。(2)指令單字節(jié)化　　因為數(shù)據(jù)總線和指令總線是分離的，并且采用了不同的寬度，所以程序器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM的尋址空間(即地址編碼空間)是互相獨立的，而且存儲器度也不同。這樣設(shè)計不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性，還能提高運行速實現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化。在此所說的字節(jié)，特指PIC單片機的指令字節(jié)，是常說的8位字節(jié)。例如， PIC12C50X/PIC16CSX系列單片機的指令字節(jié)12位，PIC16C6X/PIC16C7X/PIC16CSX系列的指令字節(jié)為14位。PIC18FXXX系列的字節(jié)為16位。它們的數(shù)據(jù)存儲器全為8位寬。而MCS一51系列單片機的ROM和寬度都是8位，指令長度從一個字節(jié)(8位)到3個字節(jié)長短不一。另外，PIC微控制器的取指令和執(zhí)行指令采用指令流水線結(jié)構(gòu)，當(dāng)一條指令被執(zhí)行時允一條指令同時被取出，使得在每個時鐘周期內(nèi)可以獲得的最高效率?！　　　　　?3)精簡指令集(RISC)技術(shù)　　PIC系列單片機的指令系統(tǒng)(就是該單片機所能識別的全部指令的集合，叫做指令系統(tǒng)或者指令集)只有35條指令。PIC系列單片機不僅全部指令均為單字節(jié)指令，而且絕大多數(shù)指令為單周期指令，以利于提高執(zhí)行速度。這給指令的學(xué)習(xí)、記憶、理解帶來很大的好處，也給程序的編寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流都帶來極大的便利，真可謂“易學(xué)好用”。而MCS一51單片機的指令系統(tǒng)共有In條指令，MC68HCOS單片機的指令系統(tǒng)共有89條指令。(4)尋址方式簡單　　尋址方式就是尋找操作數(shù)的方法。PIC系列單片機只有4種尋址方式(即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址)，容易掌握，而MCS一51單片機則有7種尋址方式，68HC05單片機有6種尋址方式。(5)代碼壓縮率高　　IKB的存儲器空間，對于PIC系列單片機則能夠存放的指令條數(shù)可達1024條。對于像MCS一51這樣的單片機，大約只能存放600條指令，而與幾種典型的單片機相比，PIC系列單片機是一種最節(jié)省程序存儲器空間的單片機。(6)尋址空間設(shè)計簡潔　　PIC系列單片機的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨立的尋址(或地址編碼)空間，而且前兩者的地址安排不需要用戶操心，這會受到大家的歡迎。而MC68HC05和MC68HCn單片機的尋址空間只有一個，編程時需要用戶對程序區(qū)、堆棧區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和1/0端口所占用的地址空間作精心安排，這樣給開發(fā)人員在設(shè)計上帶來很大的麻煩。(7)外接電路簡潔　　與MCS一51系列及其它單片機相比，PIC單片機內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、1/0引腳上拉電路、看門狗定時器，尤其是集成了ADC模塊和CCP模塊(輸入捕捉/輸出比較/脈寬調(diào)制)，可以最大程度的減少和免用外接器件，以便實現(xiàn)“純單片”化，這樣，不僅便于開發(fā)，而且還可以節(jié)省電路板空間和制造成本。(8)存儲器容量大　　　PIC18F458系列單片機具有多達1536字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，多達256的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，另外還有多達SKxl4字節(jié)的可多次重復(fù)寫入的閃速FLASH程序存儲器。而MCS一51單片機只有4K字節(jié)的EEPROM。128字節(jié)RAM以及64K的外部數(shù)據(jù)、程序存儲器空間，無FLASH程序存儲器。(9)定時器數(shù)目多、功能全　　PIC系列單片機具有3個定時器:帶有8位預(yù)分頻器的8位定時器/計數(shù)器TMR0。帶有預(yù)分頻器的16位定時器/計數(shù)器TMR1，并且在休眠期間外部晶振/時鐘可以工作。以及帶有8位周期寄存器、預(yù)分頻器和后分頻器的8位定時器/計數(shù)器TMR3。而MCS一51只有兩個16位的定時器/計數(shù)器。(10)獨特具有的功能　　PIC系列單片機具有兩個捕獲(Capture)、比較(Compare)、脈寬調(diào)制(PWM)模式、多通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、帶有SPI和IZC的同步串行端口SSP、帶有9位地址檢測的同步異步接收發(fā)送器USART(USART/SCI)、8位寬并行從屬端口(PSP)、有節(jié)電鎖定復(fù)位的節(jié)電檢測電路等。而MCS一51系列單片機沒有。 PIC18F458單片機的其它優(yōu)點(1)CPU的性能特點 它有16位指令，8位寬數(shù)據(jù)通道，高達2MB的程序存儲器，4kB的數(shù)據(jù)存儲器，高達10MIPS的執(zhí)行速度。DC40MHz時鐘輸入，410MHz帶PLL鎖相環(huán)有源晶振/時鐘輸入；帶優(yōu)先級的中斷和8單周期硬件乘法器。(2)外圍功能模塊特性捕捉/比較/脈寬調(diào)制（PWM）（CCP）模塊；CCP引腳配置如下：捕捉輸入:16位，；比較單元：16位，最大分辨率為100ns；脈寬調(diào)制（PWM）輸出: 分辨率為110位；最高PWM頻率：88位分辨率時為156kHz，10位分辨率時為39kHz。增強型CCP模塊具有標準型CCP模塊的所有特性，但它在先進的電機控制時還有如下特性：1，2，4路的PWM輸出；可選擇PWM的極性；可編程的PWM死區(qū)時間。(3)運行速度高　　PIC18F458由于采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，以及指令的讀取和執(zhí)行采用了流水作業(yè)方式，使得PIC18F458單片機運行速度大大提高，遠遠高于其它相同檔次的單片機。(4)功耗低　　PIC18F458單片機的功率消耗極低，是目前世界上低的單片機之一。在8MHz時鐘下工作時耗電不超過mA，在睡眠模式下耗電可以低到1mA以下。(5)驅(qū)動能力強　　I/0端口驅(qū)動負載的能力較強，每個I/O引腳吸人和輸出電流的最大值可分別達到2mA和20mA，能夠直接驅(qū)動發(fā)光二極管LED、光電禍合器或者微型繼電器等。(6)獨特的C語言開發(fā)環(huán)境　　對于PIC18F458單片機，Microchip公司提供了“C語言編譯程序”，這樣用C語言這樣高級語言來進行程序設(shè)計，可大大的提高了工作效率。與一般的C語言版本如Turbo C相比，作為單片機的開發(fā)語言，PICC增加了針對PIC單片機硬件本身的操作，如端口、引腳的輸入輸出、寄存器的位操作等。(7)產(chǎn)品系列齊全、擁有高性能的高端產(chǎn)品　　另外，必須說明的是，PIC系列單片機品種齊全、根據(jù)其指令的位數(shù)可分為初級產(chǎn)品、中級產(chǎn)品和高級產(chǎn)品，在以后的開發(fā)過程中，可根據(jù)具體需要選擇單片機的型號。其高級產(chǎn)品一16位指令字系列的PIC17CXXX和PIC18CXXX。16位指令字系列是8位單片機中運行速度最快的，它具備一個指令周期內(nèi)完成8位二進制乘法的能力，可以在一些需要高速運算的應(yīng)用場合取代DSP數(shù)字信號處理器。再加上PIC17CXXX還具有豐富的I/0控制功能，并可以外接擴展EPROM和RAM，使它成為目前8位單片機中性能最高的品種之一，可被廣泛的應(yīng)用于高中檔的電子設(shè)備中。而PIC18CXXX系列是一款高性能、全靜態(tài)設(shè)計、內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換器的CMOS16位單片機，可應(yīng)用于各種復(fù)雜和高性能的電子及工業(yè)控制。正因為如此本課題選用PIC18F458單片機，為以后產(chǎn)品升級及個人能力的進一步提高都將帶來便利。本章分析了直流電機的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線。依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求進行了整體方案設(shè)計。分析了系統(tǒng)工作原理。依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求和方案對直流電機、放大器、光電數(shù)字編碼器、PIC單片機等進行了選型。3 硬件電路設(shè)計 引言本系統(tǒng)在設(shè)計