【文章內(nèi)容簡介】 子的飽和截止模式下，效率非常高； H型電路保證了可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性 也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù)。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍。 K1 K2A+VCCVCC 圖 21 PWM 波調(diào)速電路 其結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示： 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 22 電機(jī) PID調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 （二）方案二：晶閘管調(diào)速 采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止式變流裝置供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 1957 年，晶閘 管（俗稱 “ 可控硅 ” ）問世，到了 60 年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（ VM 系統(tǒng)）。如圖 13， VT 是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 cU 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓 dU ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 410 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，在 60 年代到 70 年代，晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（ VM 系統(tǒng)）代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（ GM 系統(tǒng)），得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的 dudt 與 didt 都十分敏感，若超過允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。另外，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成 “ 電力公害 ” ，因此必須添置無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。 兼于方案二 調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大 ，因此本設(shè)單片 機(jī)（速度的測(cè)量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制） 霍爾傳感器速度采集 單片機(jī)（ PID 運(yùn)算控制器、PWM 模擬發(fā)生器） 直流電動(dòng)機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 計(jì)采用方案一。 檢測(cè)方案 選擇 電機(jī)控制系統(tǒng)中信號(hào)檢測(cè)是必不可少的，不僅開環(huán)控制狀態(tài)的極限控制需要，如過電流、過電壓、過熱和欠電壓等嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常工作的信號(hào)，而且對(duì)于絕大多數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)，狀態(tài)信 息的檢測(cè)更是不可缺少，即進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并利用檢測(cè)信號(hào)控制電機(jī)的正常運(yùn)行。檢測(cè)信號(hào)分為電量和非電量兩類。電量有電流、電壓、電荷量和電功率等。在檢測(cè)系統(tǒng)中占絕大多數(shù)檢測(cè)信號(hào)屬于非電量信號(hào)，如位置、速度等。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，常用的檢測(cè)信號(hào)主要有電流、電壓、轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速等物理量。下面分別介紹這些 物理量的檢測(cè)方法。 檢測(cè)方案 位置傳感器主要用于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和速度計(jì)算，為了正確的獲得轉(zhuǎn)子位置信息，不僅要合理 地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置傳感器與單片機(jī)的接口，還要考慮位置信號(hào)處理的方法。合理選擇測(cè)速元件，這里我 們選擇霍爾傳感器作為測(cè)速元件。 （ 1）霍爾傳感器 由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上，稱之為霍爾傳感器。 圖 24霍爾元件 接線圖： 圖 25霍爾原件接線圖 霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形較小，如圖所示，是其中一種型號(hào)江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 的外形圖。 （ 2）霍爾效應(yīng) 如圖 23 所示，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為 ： 。 H IBU =k d 圖 23霍爾原理圖 式中 d 為薄片的厚度， k稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關(guān)。 上述效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)，它是德國物理學(xué)家霍爾于 1879 年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。 （ 3）霍爾元件 根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感 、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。 ? 線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。 ? 開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。 （ 1）線性型霍爾傳感器的特性 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 25電壓與外磁場(chǎng)關(guān)系 輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖 25 所示，可見，在 B1～ B2 的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。 （ 2）開關(guān)型霍爾傳感器的特性 如圖 26 所示，其中 BOP 為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度， BRP 為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 當(dāng)外 加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn) Bop 時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn) Bop 以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn) BRP 時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健?Bop 與 BRP 之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。 另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖27 所示。 圖 26霍爾原件特性 B V0 O Brp Bop V+ on off 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn) Bop時(shí)，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，而在外磁?chǎng)撤消后，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到 BRP 時(shí)，才 能使電平產(chǎn)生變化。 按被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)受檢對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)是被檢測(cè)的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。 線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測(cè)量。例如： 1．電流傳感器 由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng)，從而確定導(dǎo)線 中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。 28霍爾電流傳感器原理圖 V0 Bop O Brp B 圖 27 鎖鍵型特性 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 霍爾電流傳感器工作原理如圖 28所示，標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口，將霍爾傳感器插入缺 口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。 2．位移測(cè)量 如圖 29 所示，兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在 Z軸上作 △Z位移時(shí)，傳感器有一個(gè)電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。 圖 29位移測(cè)量 如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測(cè)出拉力及壓力的大小，如圖 210所示，是按這一原理制成的力傳感器。 圖 210壓力傳感器 開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報(bào)警器、自 動(dòng)控制電路等。 1．測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù) 如圖 211 所示，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。 圖 211 霍爾傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速 如果把開關(guān) 型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。 單片機(jī)的選擇 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含4K 的可編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片機(jī)芯片中，ATMEL 公司的功能強(qiáng)大， 低價(jià)位 AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合， 可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 主要性能參數(shù)： ? 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ? 4K字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲(chǔ)器 ? 1000 次擦寫周期 ? 的工作電壓范圍 ? 全靜態(tài)工作模式： 0HZ33MHZ ? 三級(jí)程序加密鎖 ? 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM ? 32個(gè)可編程 I/O 口線 ? 2個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ? 6個(gè)中斷源 ? 全雙工串行 UART 通道 ? 低功耗空閑和掉電模式 ? 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) ? 看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 ? 掉電標(biāo)示和快速編程特性 AT89S51 引腳圖如下圖： 江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 212 AT89S51引腳圖 ： AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié)閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè)I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89S51可降至 0HZ 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中到內(nèi)容，但振蕩器停 止工作并禁止其它所有工作部件直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 引腳功能說明： Vcc:電源電壓 GND:地 P0口： P0 口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時(shí)， P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1口： P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電江西理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL）。 P2口： P2 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸出口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL）。 在訪問外部 程序存儲(chǔ)器或 16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVE @DPTR指令）時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX @Ri 指令）時(shí)， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR））區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 亦接收高位地址和其他控制信號(hào)。 P3口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì) P3 口寫入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。作輸入端 時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。 P3口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能。 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打開或關(guān)閉該功能。 DISRTO 位缺省為 RESET 輸出高電平打開狀態(tài)。 ALE/~PROG:當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址所存允許）輸出脈沖用于所存地址的低 8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器， ALE仍以時(shí)鐘振