【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 與擾動(dòng)量之間的關(guān)系如下。 ++_A圖25 帶調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （1）、當(dāng)采用比例調(diào)節(jié)器時(shí)，得式25： （2）、當(dāng)采用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為 得到負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速度偏差為： 式26突加負(fù)載使，利用拉氏變換的終值定理可以求出負(fù)載擾動(dòng)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(wú)靜差系統(tǒng)。但如果積分環(huán)節(jié)出現(xiàn)在擾動(dòng)點(diǎn)以后，它對(duì)消除靜差是無(wú)能為力的。 另外，采用比例積分控制的單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，只是在穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)差，動(dòng)態(tài)還是有差的。在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，比例部分在開(kāi)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(zhuǎn)速n的繼續(xù)下降，幫助轉(zhuǎn)速的順利回升，隨著轉(zhuǎn)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(guò)程的后期起主要作用，而且依靠它最后消除轉(zhuǎn)速偏差。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中最大的轉(zhuǎn)速降落叫做動(dòng)態(tài)速降（如果突減負(fù)載，則為動(dòng)態(tài)速升），它表明了系統(tǒng)抗擾的動(dòng)態(tài)性能?？傊捎肞I調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，只要不變，轉(zhuǎn)速n的數(shù)值也保持不變，與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)；但是在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，任何擾動(dòng)都會(huì)引起動(dòng)態(tài)速度變化。因此系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速無(wú)靜差系統(tǒng)。需要指出，“無(wú)靜差”是理論上的，因?yàn)楸壤e分調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時(shí)電容器C兩端電壓不變，相當(dāng)于開(kāi)路，運(yùn)算放大器的放大系數(shù)理論上為無(wú)窮大，才能達(dá)到輸入偏差電壓為0，輸出電壓為任意所需值。實(shí)際上，這時(shí)的放大系數(shù)是運(yùn)算放大器的開(kāi)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(jì)。 數(shù)字式轉(zhuǎn)速負(fù)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(zhuǎn)速反饋控制環(huán)的調(diào)節(jié)是利用單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的PI調(diào)節(jié)。圖中虛線部分是采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制功能。+轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PI晶閘管裝置直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋圖26 數(shù)字式轉(zhuǎn)速負(fù)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(shè)計(jì)原理 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：，其中，為積分時(shí)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(dǎo)數(shù)直接用差分項(xiàng)代替； （2）、積分用積分的求和式代替； （3）、時(shí)間t編程離散量kT，T為采樣周期，kT為第k個(gè)采樣周期的時(shí)刻。得到式27的差分方程為： 式28為使計(jì)算簡(jiǎn)便，將式27轉(zhuǎn)換為遞推式，有： 式29即 式210其中常數(shù) 。式210表明：計(jì)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(chǔ)單元中，每次PI運(yùn)算只是進(jìn)行兩次乘法運(yùn)算和兩次加法運(yùn)算。 第三章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括：C8051F020單片機(jī)、由霍爾元件A44E構(gòu)成的轉(zhuǎn)速檢測(cè)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(zhuǎn)速檢測(cè)、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(shè)計(jì) C8051F020單片機(jī) 單片機(jī)簡(jiǎn)介C8051F020是Cygnal公司出品的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳。以下為其主要特性： （1）、高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP51內(nèi)核（可達(dá)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(kāi)關(guān) （4）、真正8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開(kāi)關(guān) （5）、兩個(gè)12位DAC,具有可編程的FLASH存儲(chǔ)器 （6）、64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)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(chǔ)器接口 （9）、硬件實(shí)現(xiàn)的SPI\SMBus、和兩個(gè)UART串行接口 （10）、5個(gè)通用的16位定時(shí)器 （11）、具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列 （12）、片內(nèi)看門狗定時(shí)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(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F020是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲(chǔ)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(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。 該單片機(jī)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(hào)電壓。C8051F020為100腳TQFP封裝。 下面介紹的是實(shí)驗(yàn)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(guò)4腳JTAG接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進(jìn)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(cè)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(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、堆棧指示器和單步執(zhí)行。不需要額外的目標(biāo)RAM、程序存儲(chǔ)器、定時(shí)器或通信通道。在調(diào)試時(shí)所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都正常工作。當(dāng)MCU單步執(zhí)行或遇到斷點(diǎn)而停止運(yùn)行時(shí)，所有的外設(shè)（ADC和SMBus除外）都停止運(yùn)行，以保持與指令執(zhí)行同步。（2）、可變成計(jì)數(shù)器陣列：除了5個(gè)16位的通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器之外，C8051F020 MCU系列還有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）。PCA包括一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和5個(gè)可編程的捕捉/比較模塊。時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)鐘可以是下面的六個(gè)時(shí)鐘源之一：系統(tǒng)時(shí)鐘/1系統(tǒng)時(shí)鐘/定時(shí)器0溢出、外部時(shí)鐘輸入（ECI）、系統(tǒng)時(shí)鐘和外部振蕩源/8。每個(gè)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(shí)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(shí)鐘輸入可以通過(guò)數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)連到MCU的端口I/O引腳。實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)：C8051F020具有標(biāo)準(zhǔn)8051的端口（0、2和3）。在F020/2中由4個(gè)附加的端口（6和7），因此共有64個(gè)通用端口I/O。這些端口I/O的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051相似，但有一些改進(jìn)。每個(gè)端口I/O引腳都可以被配置為推挽或漏極開(kāi)路輸出。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止，這為低功耗應(yīng)用提供了進(jìn)一步節(jié)電的能力。該單片機(jī)引入了數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)。這是一個(gè)大的數(shù)字開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，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(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字I/0的微控制器不同，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號(hào)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(yīng)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(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列獲得8位PWM信號(hào) 當(dāng)PCA 捕捉/比較模塊配置為8位PWM方式時(shí)，出現(xiàn)在CEXn的波形周期等于256個(gè)PCA時(shí)鐘周期，該信號(hào)的低電平時(shí)間等于在模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn的低字節(jié)中所存儲(chǔ)的8位數(shù)字，在主PCA計(jì)數(shù)器PCA0L的低字節(jié)發(fā)生溢出時(shí)，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(guò)更新PCA0CPHn就能改變占空比，拷貝過(guò)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(gè)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(diǎn)是不需要CPU的干預(yù)就可以輸出一個(gè)固定占空比的波形。若CIDL位（）置為0（復(fù)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(guò)向PCA0CPHn寫入一個(gè)8位數(shù)來(lái)完成的。 單片機(jī)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(kāi)關(guān) 圖33 單片機(jī)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(duì)功率晶體管芯片TIP31（NPN）/32(PNP) 、4個(gè)三極管BC184構(gòu)成。由圖可知，該電路有兩個(gè)輸入端，當(dāng)任一端輸入高電壓而另一端輸入低電壓時(shí)，高電壓一邊的BC184導(dǎo)通使得與之相連的TIP3TIP31分別處于導(dǎo)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(dǎo)通的狀態(tài)，此時(shí)形成一個(gè)回路，電動(dòng)機(jī)電樞繞組承受電壓。當(dāng)兩端同時(shí)輸入高電壓時(shí)，兩個(gè)TIP31同時(shí)截止，電動(dòng)機(jī)兩端無(wú)回路形成，因此電動(dòng)機(jī)兩端因無(wú)電壓而停轉(zhuǎn)，即該電路可以防止上下直通的情況產(chǎn)生。兩個(gè)輸入端均可輸入PWM0、PWM1兩個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)的電樞電壓。由前述的PWM控制工作原理可知，在程序進(jìn)行控制時(shí)，將一端的PWM信號(hào)占空比設(shè)為0，則電動(dòng)機(jī)此時(shí)將受另一端輸入的PWM信號(hào)控制方向及轉(zhuǎn)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(gè)共陽(yáng)極四位一體的LED實(shí)現(xiàn)，硬件電路如圖35所示?！?，P5口控制段碼選擇信號(hào)。 按鍵控制電路 硬件電路如圖336所示。系統(tǒng)中使用這六個(gè)按鍵依次實(shí)現(xiàn)選位、置位、確定、升速、降速、反轉(zhuǎn)六個(gè)功能。六個(gè)按鍵通過(guò)四個(gè)與門后與外部中斷0、1口相連，則只要有按鍵按下，就會(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的控制。當(dāng)按下選位鍵時(shí)，可以對(duì)四位LED進(jìn)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(gè)數(shù)，當(dāng)完成轉(zhuǎn)速給定值設(shè)定后按下確定鍵，則系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)速。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中按下升速、降速或反轉(zhuǎn)鍵則能進(jìn)行對(duì)電動(dòng)機(jī)升、降速及反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速檢測(cè)、反饋電路轉(zhuǎn)速檢測(cè)、反饋電路使用霍爾元件A44E實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的霍爾傳感器不僅可以用于磁場(chǎng)的測(cè)量,大量的還是以磁場(chǎng)為工作媒體,將物體的多種運(yùn)動(dòng)參量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?，因而在自?dòng)控制、各種物理量的測(cè)量中得到了大量的應(yīng)用。