【文章內容簡介】 速系統(tǒng)，電網電壓擾動和負載電流擾動都作用在被負反饋包圍的前向通道上，僅靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但是從動態(tài)性能上看，由于擾動作用的位置不同，還存在著及時調節(jié)上的差別。負載擾動作用在被調量n的前面。它的變化經積分后就可被轉速檢測出來，從而在調節(jié)器ASR上得到反映。電網電壓擾動的作用點離被調量更遠，它的波形先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經過機電慣性的滯后才能反映到轉速上來，等到轉速反饋產生調節(jié)作用，已經太晚。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，這個問題便大有好轉。由于電網電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內，當電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時的調節(jié)，不必等到影響到轉速后，才在系統(tǒng)中起作用。因此，在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，由電網電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。（三）兩個調節(jié)器的作用1).轉速調節(jié)器的作用（1）使轉速n跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；（2）對負載變化起抗擾作用；（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。2).電流調節(jié)器的作用（1）對電網電壓波動起及時抗擾作用；（2）起動時保證獲得允許的最大電流；（3）在轉速調節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化；（4）當電機過載或者堵轉的時候，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全飽 和用如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。 數(shù)字式雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)簡介 圖25 采用微處理器后的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)框圖 microprocessor using the doubleloop speed control system block diagram DC 由于模擬控制系統(tǒng)存在一些缺點，并且隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是在計算機控制技術方面，使得運用微型計算機實現(xiàn)雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計成為可能，并且可以達到比模擬控制系統(tǒng)更優(yōu)的控制效果。 如上圖25所示的為運用微處理器實現(xiàn)雙閉環(huán)直流控制系統(tǒng)的結構框圖。在圖中可以看出，運用了微處理器的系統(tǒng)，在結構上得到了很大的簡化，這樣可以使制作成本降低。微機控制系統(tǒng)不受器件溫度漂移的影響、穩(wěn)定性好、可靠性高，提高了控制性能。通過軟件編程，進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律，更改起來靈活方便。 本設計的微處理器選用的是與51系列單片機相兼容的AT89S53這種低功耗，高性能的8位單片機。 AT89S53微控制器芯片簡介AT89S53是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含12k Bytes ISPD(Insystem programmable Downloadable)串行編程可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S53可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。其引腳圖如26所示。 AT89S53具有如下特點：40個引腳，12k Bytes Flash片內程序存儲器，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，6個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。其主功能特性如下： (1)兼容MCS51指令系統(tǒng) (2)32個雙向I/O口 (3)3個16位可編程定時/計數(shù)器 (4) 全雙工UART串行中斷口線 (5) 2個外部中斷源 (6) 中斷喚醒省電模式 (7)看門狗（WDT）電路 (8)靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 (9)12k可反復擦寫(1000次）ISP Flash ROM (10) (11)時鐘頻率024MHz (12)256x8bit內部RAM (15)低功耗空閑和省電模式 (16)3級加密位 (17)軟件設置空閑和省電功能 (18)電源關閉標識圖26 AT89S53引腳圖 AT89S53 pin map 控制原理方案設計 如圖27所以是采用AT89S53處理器設計雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的原理框圖。由于該單片機沒有專門的PWM輸出模塊所以要設計專門的PWM控制電路，需要選擇一個分辨率滿足系統(tǒng)要求的A/D轉換器以及對速度檢測的數(shù)據(jù)進行適當?shù)恼蔚?。另外給系統(tǒng)增加了鍵盤顯示電路和與上位機通信接口電路，便于直接控制速度，直觀的顯示速度值，方便控制人員操作。本方案的優(yōu)點是選用了簡單的處理器，資源得到了充分的利用，不會造成太大的浪費，成本比較低。在檢修方面也有一定的優(yōu)勢，當電路中的某一個模塊出了問題，只要對該模塊進行修理或更換即可，其它的硬件可以繼續(xù)使用。該方案的主要不足是設計電路相對比較復雜，以軟件編程為代價實現(xiàn)調速。圖27 采用AT89S8252處理器控制的原理框圖Fig. 27 AT89S53 processor using the control block diagram3 單元電路設計根據(jù)方案的原理框圖（圖27）可知，我們可以把整個電路劃分為幾個單元模塊，設計時采用自下而上的方法，先設計出每個單元模塊的電路，然后把每一個單元小模塊結合在一起就得到總電路。從原理圖上可看到，在這個系統(tǒng)設計中，整個電路可以分為三相整流電路、PWM驅動電路、轉速和電流檢測電路、與上位機通信電路以及鍵盤和顯示電路五個單元，下面就分別對每一個單元電路進行設計。 三相整流電路 本設計主要是針對中小型直流電機，所以一般的驅動電壓較小，所以此整流電路也可以省略，直接用現(xiàn)成的直流電源就可以了。但是在此還是簡單的下整流電路為大功率電機的供電提供了理論方法。整流電路并不復雜，只要用六個電力二極管形成三相整流橋，并加以大電容濾波即可得到直流電壓。三相整流電路如圖31所示。圖31三相整流電路 threephase rectifier circuit PWM驅動電路 驅動電路的特性驅動電路的最佳驅動特性應具有:1)功率管開通時，驅動電路提供的基極電流應有快速的上升沿，并一開始有一定的過沖，以加速開通過程，并使在集電極電流開啟電流尖峰時具有足夠的基極驅動，從而減小開通損耗。2)功率管導通期間，驅動電路提供的基極電流在任何負載情況下都能保證功率管處于飽和導通狀態(tài)，使功率管的飽和壓降較低，以保證低的導通損耗。為減小存儲時間，希望在功率管關斷前處于臨界飽和狀態(tài)。3)關斷瞬時，驅動電路應提供足夠的反向基極驅動，以迅速抽出基區(qū)的剩余載流子，并加反偏截止電壓，使集電極電流迅速下降以減少下降時間。而在功率管開通前，功率管發(fā)射極間的反偏電壓應為零或很小。4)驅動電路損耗要小，電路盡可能簡單可靠，還常采取必要的隔離措施。實際驅動電路設計中，上述要求不可能全部滿足，有些要求需要折中處理。要根據(jù)系統(tǒng)的性能、指標、功率及工作頻率等來設計合適的驅動電路。通常開關頻率應該足夠高，以減小電流脈動量和電機的附加損耗，但是開關頻率越高時，開關損耗越大，因此開關頻率的上限要受到開關管的開關損耗和開關時間的限制?？紤]到上述等諸多因素，在設計中選擇美國國家半導體公司推出的專用于直流電動機驅動的H橋組件LMD18200,該芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件。此種芯片瞬間驅動電流可達6A，正常工作電流可達3A，具有很強的驅動能力，無“shotthrough”電流，而且此種芯片內部還具有過流保護的測量電路，只需要在LMD18200的8腳輸出端測出電壓和給定的電壓比較即可保護電路過流，從而實現(xiàn)電路的過流保護功能。由LMD18200組成的電機驅動電路如圖32所示。LMD18200的5腳為PWM 波輸入端，通過改變PWM的占空比就可調節(jié)電機的速度，改變3腳的高低電平即可控制電機的正反轉。此電路和以上幾種驅動電路比較具有明顯的優(yōu)點，驅動功率大，穩(wěn)定性好，實現(xiàn)方便，安全可靠。32 LMD18200電機驅動電路Fig. 32 LMD18200 Motor drive circuit 驅動芯片LMD18200介紹LMD18200是美國國家半導體公司(NS)推出的專用于直流電動機驅動的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、電機和增量型編碼器構成一個完整的運動控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應用于打印機、機器人和各種自動化控制領域。（一）.主要性能 (1).峰值輸出電流高達6A， (2).連續(xù)輸出電流達3A； (3).工作電壓高達55V； (4).TTL/CMOS兼容電平的輸入； (5).無 “shootthrough” 電流； (6).具有溫度報警和過熱與短路保護功能； (7).芯片結溫達145℃，結溫達170℃時，芯片關斷； (8).具有良好的抗干擾性。 （二）. 典型應用 (1). 驅動直流電機、步機電機 (2).伺服機構系統(tǒng)位置與轉速 (3).應用于機器人控制系統(tǒng) (4).應用于數(shù)字控制系統(tǒng) (5).應用于電腦打印機與繪圖儀 （三）LMD18200內部結構和引腳說明 LMD18200外形結構如圖33所示，內部電路框圖34如圖所示。它有11個引腳,采用TO220和雙列直插式封裝。 LMD18200是美國國家半導體公司生產的、用于電機驅動的功率集成芯片。它將4個DMOS管構成的H橋及其控制邏輯電路均包含在1 個11引 腳的T220封裝中，其功能：額定電流3A，峰值電流6A；電源電壓55 ,TTL和CMOS兼容的控制信號輸入；內含防橋臂單側直通電路；芯片過熱報警輸出和自動關斷。其內部框圖見圖34所示。圖33LMD18200外形結構圖 LMD18200 Overall structure圖34 LMD18200內部框圖Fig 34 LMD18200 Internal block diagram各引腳名稱如下詳細介紹：1） 11腳：橋臂1，2的自舉輸入電容連接端。功能描述：在腳1與腳腳10與腳11 之間接入10uF的自舉電容。2） 10腳：H橋輸出端。3） 3腳：方向輸入端。功能描述：轉向時，該腳控制輸出1 與輸出2（腳10）之間電流的方向，從而控制馬達旋轉的方向。4） 4腳：剎車輸入端。功能介紹：剎車時，輸出驅動電流方向見表1。通過該端將馬達繞組短路而使其剎車。剎車時，將該腳置邏輯高電平，并將PWM信號輸入端（腳5）置邏輯高電平，3腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達所用的器件。3腳為邏輯高電平時，H橋中2個高端晶體管導通；3腳呈邏輯低電平時，H橋中2個低端晶體管導通。腳4置邏輯高電平、腳5置邏輯低電平時，H橋中所有晶體管關斷，此時，每個輸出端只有很小的偏流（）。5） 5腳：PWM信號輸入端。功能描述:。該端與3腳（方向輸入）如何使用，決定于PWM信號類型。6) 7腳：電源正端與負端。功能介紹：用于驅動電機轉動的電源。7）8腳：電流取樣輸出端。功能介紹:提供電流取樣信號，典型值為377 181。A/A。8) 9腳：溫度報警輸出。功能介紹：溫度報警輸出，提供溫度報警信號。芯片結溫達145176。C時，該端變?yōu)榈碗娖?；結溫達170176。C時，芯片關斷。 LMD18200邏輯真值表 LMD18200 Logic truth tablePWM轉向剎車實際輸出驅動電流電機工作狀態(tài)HHL流出流入2正轉HLL流入流出2反轉LL流出流出2停止HHH流出流出2停止HLH流入流入2停止LXHNONE（四）LMD18200工作原理 內部集成了四個DMOS管，組成一個標準的H型驅動橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個開關管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個300kHz左右的工作頻率?？稍谝_11外接電容形成第二個充電泵電路，外接電容越大，向開關管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時間越短，工作頻率可以更高。引腳10接直流電機電樞，正轉時電流的方向應該從引腳步到引腳10；反轉時電流的方向應該從引腳10到引腳2。電流檢測輸出引腳8可以接一個對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內部保護電路設置的過電流閾值為10A，當超過該值時會自動封鎖輸出，并周期性的自動恢復輸出。如果過電流持續(xù)時間較長，過熱保護將關閉整個輸出。過熱信號還可通過引腳9輸出，當結溫達到145度時引腳9有輸出信號。LMD18200提供雙極性驅動方式和單極性驅動方式。雙極性驅動是指在一個PWM周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。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)來避免開關管直通的危險，限制了開關頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機的控制。電動機的數(shù)字控制是電動機控制的發(fā)展趨勢，用單片機對電動機進行控制是實現(xiàn)電動機數(shù)字控制的最常用的手段。使用專門的電機控制芯片LMD18200可以減輕單片機負擔，工作更可靠。 轉速檢測 檢測電路包括轉速檢測和電流檢測兩部分。轉速檢測采