【文章內(nèi)容簡介】 ++_A圖25 帶調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結構圖 （1）、當采用比例調(diào)節(jié)器時，得式25： （2）、當采用比例積分調(diào)節(jié)器時，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為 得到負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速度偏差為： 式26突加負載使，利用拉氏變換的終值定理可以求出負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為： 因此，比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng)。但如果積分環(huán)節(jié)出現(xiàn)在擾動點以后，它對消除靜差是無能為力的。 另外，采用比例積分控制的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，只是在穩(wěn)態(tài)時無差，動態(tài)還是有差的。在整個調(diào)節(jié)過程中，比例部分在開始和中間階段起主要作用，在的作用下，PI調(diào)節(jié)器立即輸出比例調(diào)節(jié)部分,使晶閘管整流輸出電壓 出現(xiàn)，阻值轉速n的繼續(xù)下降，幫助轉速的順利回升，隨著轉速接近穩(wěn)態(tài)值，比例部分作用變小。積分部分在調(diào)節(jié)過程的后期起主要作用，而且依靠它最后消除轉速偏差。在動態(tài)過程中最大的轉速降落叫做動態(tài)速降（如果突減負載，則為動態(tài)速升），它表明了系統(tǒng)抗擾的動態(tài)性能?？傊?，采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在穩(wěn)定運行時，只要不變，轉速n的數(shù)值也保持不變，與負載的大小無關；但是在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，任何擾動都會引起動態(tài)速度變化。因此系統(tǒng)是轉速無靜差系統(tǒng)。需要指出，“無靜差”是理論上的，因為比例積分調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時電容器C兩端電壓不變，相當于開路，運算放大器的放大系數(shù)理論上為無窮大，才能達到輸入偏差電壓為0，輸出電壓為任意所需值。實際上，這時的放大系數(shù)是運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)，其數(shù)值很大，但任是有限的，因此仍存在著很小的，即仍有很小的偏差，只是在一般的精度要求下可以忽略不計。 數(shù)字式轉速負反饋單閉環(huán)系統(tǒng)原理 該系統(tǒng)原理框圖如圖26 所示，轉速反饋控制環(huán)的調(diào)節(jié)是利用單片機軟件實現(xiàn)的PI調(diào)節(jié)。圖中虛線部分是采用單片機實現(xiàn)的控制功能。+轉速調(diào)節(jié)PI晶閘管裝置直流電動機轉速反饋圖26 數(shù)字式轉速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器設計原理 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：，其中，為積分時間常數(shù)，為比例系數(shù)。該調(diào)節(jié)器的模擬輸出為： 式27式中，e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差輸入，即給定值與反饋至只差。將式27按如下原則離散化： （1）、微分方程中的導數(shù)直接用差分項代替； （2）、積分用積分的求和式代替； （3）、時間t編程離散量kT，T為采樣周期，kT為第k個采樣周期的時刻。得到式27的差分方程為： 式28為使計算簡便，將式27轉換為遞推式，有： 式29即 式210其中常數(shù) 。式210表明：計算本次的控制量只需上次的控制量和上次與本次的偏差量即可。常數(shù)和A事先存于固定的存儲單元中，每次PI運算只是進行兩次乘法運算和兩次加法運算。 第三章 直流電動機調(diào)速器硬件設計 系統(tǒng)硬件設計總體方案及框圖 系統(tǒng)的硬件結構主要包括：C8051F020單片機、由霍爾元件A44E構成的轉速檢測及反饋電路、LED顯示電路、功能鍵控制電路、H型PWM變換電路。 總體框圖DC MOTOR轉速檢測、反饋LED顯示功能鍵控制PWMC8051F020圖31系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)硬件設計 C8051F020單片機 單片機簡介C8051F020是Cygnal公司出品的完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(shù)字I/O引腳。以下為其主要特性： （1）、高速、流水線結構的8051兼容的CIP51內(nèi)核（可達25MIPS） （2）、全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） （3）、真正12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關 （4）、真正8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關 （5）、兩個12位DAC,具有可編程的FLASH存儲器 （6）、64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器 （7）、4352字節(jié)的片內(nèi)RAM （8）、可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口 （9）、硬件實現(xiàn)的SPI\SMBus、和兩個UART串行接口 （10）、5個通用的16位定時器 （11）、具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列 （12）、片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器 具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F020是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。 該單片機可在工業(yè)溫度范圍（45℃到+85℃）。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F020為100腳TQFP封裝。 下面介紹的是實驗中主要使用到的C8051F020的功能： （1）、JTAG調(diào)試和邊界掃描：C8051F020具有片內(nèi)JTAG邊界掃描和調(diào)試電路，通過4腳JTAG接口并使用安裝在最終應用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。，位生產(chǎn)和測試提供完全的邊界掃描功能。Silicon Labs的調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、堆棧指示器和單步執(zhí)行。不需要額外的目標RAM、程序存儲器、定時器或通信通道。在調(diào)試時所有的模擬和數(shù)字外設都正常工作。當MCU單步執(zhí)行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設（ADC和SMBus除外）都停止運行，以保持與指令執(zhí)行同步。（2）、可變成計數(shù)器陣列：除了5個16位的通用計數(shù)器/定時器之外，C8051F020 MCU系列還有一個片內(nèi)可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）。PCA包括一個專用的16位計數(shù)器/定時器時間基準和5個可編程的捕捉/比較模塊。時間基準的時鐘可以是下面的六個時鐘源之一：系統(tǒng)時鐘/1系統(tǒng)時鐘/定時器0溢出、外部時鐘輸入（ECI）、系統(tǒng)時鐘和外部振蕩源/8。每個捕捉/比較模塊都有六種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位脈沖寬度調(diào)制器和16位脈沖寬度調(diào)制器。PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時鐘輸入可以通過數(shù)字交叉開關連到MCU的端口I/O引腳。實驗中使用了8位脈寬調(diào)制器的工作方式。（3）、可編程數(shù)字I/O和交叉開關：C8051F020具有標準8051的端口（0、2和3）。在F020/2中由4個附加的端口（6和7），因此共有64個通用端口I/O。這些端口I/O的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。每個端口I/O引腳都可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標準8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止，這為低功耗應用提供了進一步節(jié)電的能力。該單片機引入了數(shù)字交叉開關。這是一個大的數(shù)字開關網(wǎng)絡，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到P0、PP2和P3的端口I/O引腳，如圖21所示。與具有標準復用數(shù)字I/0的微控制器不同，這種結構可支持所有的功能組合?？赏ㄟ^設置交叉開關控制寄存器將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。 使用可編程定時器/計數(shù)器陣列獲得8位PWM信號 當PCA 捕捉/比較模塊配置為8位PWM方式時，出現(xiàn)在CEXn的波形周期等于256個PCA時鐘周期，該信號的低電平時間等于在模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn的低字節(jié)中所存儲的8位數(shù)字，在主PCA計數(shù)器PCA0L的低字節(jié)發(fā)生溢出時，模塊的比較寄存器的高字節(jié)被拷貝到模塊的比較寄存器的低字節(jié)中（PCA0CPLn=PCA0CPHn），通過更新PCA0CPHn就能改變占空比，拷貝過程保證在輸出端不產(chǎn)生毛刺。輸出波形的占空比（用%表示）如下式：占空比=(（256PCA0CPHn）/256)100PCA0CPHn可以含有1個0～255的數(shù)值，%～100%，其分辨率為：（1/256）100=。8位PWM方式的最大優(yōu)點是不需要CPU的干預就可以輸出一個固定占空比的波形。若CIDL位（）置為0（復位狀態(tài)），即使CPU處于休眠狀態(tài)，輸出波形也將保持。因此改變占空比是通過向PCA0CPHn寫入一個8位數(shù)來完成的。 單片機端口配置 C8051F020各端口連接圖如圖33所示。 圖32 C8051F020數(shù)字交叉開關 圖33 單片機各端口連接圖 主電路為H型PWM變換電路，硬件電路如圖34所示。該H型電路由2對功率晶體管芯片TIP31（NPN）/32(PNP) 、4個三極管BC184構成。由圖可知，該電路有兩個輸入端，當任一端輸入高電壓而另一端輸入低電壓時，高電壓一邊的BC184導通使得與之相連的TIP3TIP31分別處于導通、截止的狀態(tài)，而低電壓一邊的BC184截止使得與之相連的TIP3TIP31分別處于截止、導通的狀態(tài)，此時形成一個回路，電動機電樞繞組承受電壓。當兩端同時輸入高電壓時，兩個TIP31同時截止，電動機兩端無回路形成，因此電動機兩端因無電壓而停轉，即該電路可以防止上下直通的情況產(chǎn)生。兩個輸入端均可輸入PWM0、PWM1兩個脈寬調(diào)制信號，控制電動機正反轉時的電樞電壓。由前述的PWM控制工作原理可知，在程序進行控制時，將一端的PWM信號占空比設為0，則電動機此時將受另一端輸入的PWM信號控制方向及轉速大小。圖34 H型PWM變換電路（主電路） LED顯示電路LED顯示電路由一個共陽極四位一體的LED實現(xiàn)，硬件電路如圖35所示?！琍5口控制段碼選擇信號。 按鍵控制電路 硬件電路如圖336所示。系統(tǒng)中使用這六個按鍵依次實現(xiàn)選位、置位、確定、升速、降速、反轉六個功能。六個按鍵通過四個與門后與外部中斷0、1口相連，則只要有按鍵按下，就會觸發(fā)外部中斷0、1。另外使用P3口作為鍵值輸入口。程序上使用外部中斷0、1（INT0、INT1）及鍵值掃描實現(xiàn)對按鍵的控制。當按下選位鍵時，可以對四位LED進行選擇，選定某位后按下置位鍵則可在該位上選擇0～9任一個數(shù)，當完成轉速給定值設定后按下確定鍵，則系統(tǒng)開始調(diào)速。在電動機運行過程中按下升速、降速或反轉鍵則能進行對電動機升、降速及反轉的控制。圖35 LED顯示電路圖36 按鍵接入外部中斷0、1 圖37 鍵值輸入電路 轉速檢測、反饋電路轉速檢測、反饋電路使用霍爾元件A44E實現(xiàn)。 根據(jù)霍爾效應制成的霍爾傳感器不僅可以用于磁場的測量,大量的還是以磁場為工作媒體,將物體的多種運動參量轉變?yōu)殡妷狠敵觯蚨谧詣涌刂啤⒏鞣N物理量的測量中得到了大量的應用。 隨著集成電路技術的發(fā)展,