【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圍大得多。 當(dāng)然，以上的優(yōu)點(diǎn)都與 K 的取值有關(guān)。因此，控制器必須具有放大功能，即設(shè)置放 大器。盡管如此，由于上述系統(tǒng)是建立在輸入偏差 ΔUn 來(lái)維持的，一旦 ΔUn 為零，則電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，此類(lèi)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的。 由自動(dòng)控制原理的知識(shí)可知，若將系統(tǒng)中的比例調(diào)節(jié)器改換為比例積分調(diào)節(jié)器，則由于有了積分的累積功能，可以使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài) 時(shí)無(wú)靜差。 實(shí)際上開(kāi)環(huán)放大系數(shù) K 的增大，有可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。依據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，可畫(huà)出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 如圖 2— 3 所示 ： )( sU n? )( sUn)( sU n? )( sU c )( sU d )( snpK 11?Ts 1/12 ?? sTsTTCmlme??)( sI L)1( ?sTR l 圖 2— 3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 其中，2em2m C375C RGDT ??為電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)； RLT?l為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)；Ts 為觸發(fā)整流裝置的失控時(shí)間。 根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 ： 0K1 TTTK1 )TT(K1 )TT(T ?????? ? slmsmslm 即ssslm TT T)T(TKl2??? （ 公式 2— 3） 因此，只有當(dāng) K 值滿(mǎn)足 公式 3— 3 時(shí) 才能使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 控制系統(tǒng)的控制方法 控制器的控制規(guī)律其實(shí)就是輸出信號(hào)與偏差信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系， 常 用在直流電機(jī)調(diào)速中的可以分為以下 4 種。 （ 1） 比例控制（ P） ： 此種控制方法控制反應(yīng)靈敏，控制及時(shí)，偏差越大控制的能力越強(qiáng)，不過(guò)控制結(jié)果存在一定的偏差，并且放大倍數(shù)的增加是有限度的 。 （ 2） 比例積分控制（ PI） ： 比例積分控制是將比例與積分控制器糅合在一起的一種控制模式，因此其既擁有了比例控制控制及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，也擁有了積分控制消除余差的優(yōu)勢(shì)，從而能較好地消除偏差。 圖 2— 4 比例積分控制示意圖 （ 3）比例微分控制（ PD） ： 比例微分控制與比例積分 控制相似，都是結(jié)合了兩種控制的優(yōu)點(diǎn)，由此可以提高系統(tǒng)的控制速度。對(duì)大慣性的環(huán)節(jié)使用比例微分可以最大程度的改善控制質(zhì)量，減小最大偏差，縮短控制時(shí)間。 圖 2— 5 比例微分控制示意圖 （ 4）比例積分微分控制（ PID） 當(dāng)控制對(duì)象慣性較大且控制精度要求較高時(shí)便采用 PID 調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式汲取了三種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，既能快速控制，又能消除余差，具有良好的控制性能。 圖 2— 6 比例積分微分控制示意圖 比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。所以調(diào)速系統(tǒng)會(huì)有靜差。積分控制可以使系統(tǒng)在無(wú)靜 差的情況下保持恒速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速，比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。從無(wú)靜差的角度突出的表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是從另一方面看，在控制的快速性上，積分控制又不如比例控制。如果既要穩(wěn)態(tài)精度高又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來(lái)就行了，這便是比例（ PI）積分控制。 PI 控制器由比例單元（ P）、積分單元（ I）和微分單元 ， 它的基本原理比較簡(jiǎn)單，基本的 PI 控制規(guī)律可描述為： （ 公式 2— 4） 相比較于平 PID 控制， PI 控制器 原理簡(jiǎn)單，使用方便， PI 參數(shù) 、 ??和可以根據(jù)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化， PI 參數(shù)就可以重新進(jìn)行調(diào)整與設(shè)定。 而且，在轉(zhuǎn)速反饋比環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中， PI 調(diào)節(jié)器應(yīng)用也很廣泛。 比例積分控制 集 比例控制和積分控制 兩者的 優(yōu)點(diǎn)， 而且 克服了各自 不足之處 ，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。 其 比例部分能夠迅速 的 響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。除此之外，比例積分調(diào)節(jié)器還 可以 提高系統(tǒng) 的 穩(wěn)定性，因此，它在調(diào)速系統(tǒng) 及 其他控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 通過(guò)上文對(duì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建模和分 析，決定采用 PI算法控制來(lái)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速。 第 3 章 系統(tǒng) 總體 方案 的設(shè)計(jì) 本課題研究的對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī)，對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。其基本思想是利用 89C52 單片，通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)中斷來(lái)產(chǎn)生并且調(diào)正 PWM 的占空比，控制電機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 通過(guò)直流電動(dòng)機(jī)的速度反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使得直流電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)停止、速度自動(dòng)控制，方向自動(dòng)控制等功能，并通過(guò)液晶將指定轉(zhuǎn)數(shù)、實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)顯示出來(lái)。 為實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求，現(xiàn)將單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分成以下幾部分進(jìn)行方案的 比較和選擇。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 單片機(jī)具有體積小，重量輕，耗電少，功能強(qiáng)，控制靈活方便，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)部帶有程序存儲(chǔ)器的 STC89C52 單片機(jī)本身就是一個(gè)最簡(jiǎn)單的最小應(yīng)用系統(tǒng)。它成本低體積小的單片機(jī)結(jié)構(gòu)可以對(duì)許多應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能的控制。單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及擴(kuò)展的程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等組成。 STC89C52 單片機(jī)引腳如圖 3— 1 所示： 圖 3— 1 STC89C52 單片機(jī)管腳圖 在常用的 89 系列的單片機(jī)中， 51 系列只有 4K 字節(jié)的在系統(tǒng)可編程 的 Flash 存儲(chǔ)器， 128字節(jié) RAM。 STC89C52 是一種 有著 低功耗、高性能 等優(yōu)點(diǎn)的 CMOS 8 位 的 微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 的 Flash存儲(chǔ)器。 其 片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，它是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，操作方便，引腳也充足，而且 STC89C52，支持 ISP 串口下載，使得 STC89C52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 我們通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)控制單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的指令，從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)指定電路的控制。 STC 89C52 編程前，首先要設(shè)置地址、數(shù)據(jù)控制信號(hào)，并且要在地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)上相應(yīng)的添加地址信號(hào)和數(shù)據(jù)字節(jié)，控制信號(hào)的激活等 [5]。 在圖 2— 1 中， 40 分別是接地和 +5V引腳。 P0端口（ ～ ， 39～ 32引腳）： P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的 8位雙向 I/O口。作為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL負(fù)載，對(duì)端口 P0寫(xiě)入 “1”時(shí)，可以作為高阻抗輸入。在訪(fǎng)問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0口也可以提供低 8位地址和 8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線(xiàn)。此時(shí)， P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在 Flash ROM編程時(shí)， P0端口接收指令字節(jié)； 而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接阻值 10K的上拉電阻。 P1 端口（ ～ ， 1～ 8 引腳）： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準(zhǔn)雙向口， 為最高位。在 52 子系列單片機(jī)中， 作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的計(jì)數(shù)脈沖輸入端 T2， 作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部控制端 T2EX。 P2端口（ ～ ， 21～ 28引腳）： P2口也是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的 8位準(zhǔn)雙向端口， 。 P2口有兩種功能，一種是可作準(zhǔn)雙向 I/O端口使用，另一種是與 P0口配合，在外接片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O端口且尋址范圍超過(guò) 256B時(shí)，用于傳輸片外存儲(chǔ)器高8位地址。 P3端口（ ～ ， 10～ 17引腳）： P3口也 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O端口， 。 P3口也具有兩種功能，一種是作為準(zhǔn)雙向口使用，此外 P3口的每一條口線(xiàn)都有專(zhuān)門(mén)的第二功能 。其 第二功能如表 2— 1示 。 RST（ 9引腳）：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位引腳。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)周期以上高電平時(shí)為有效，用來(lái)完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。 PSEN （ 29引腳）：片外程序存儲(chǔ) 器讀選通信號(hào)，低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或者數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)該信號(hào)兩次有效，以通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn) P0口讀到常數(shù) 或相應(yīng)指令。在訪(fǎng)問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，信號(hào)處于無(wú)效狀態(tài)。 表 3— 1 P3口第二功能 引腳號(hào) 第二功能 RXD（串行口輸入端） TXD（串行口輸出端） 0INT （外部中斷 0） 1INT （外部中斷 1） T0（定時(shí)器 0計(jì)數(shù)脈沖輸入端 ） T1（定時(shí)器 1計(jì)數(shù)脈沖輸出端） WR （片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào)輸出端） RD （片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端） ALE/（ 30引腳）：地址鎖存控制信號(hào)。 ALE在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出 2個(gè)脈沖，在訪(fǎng)問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器期間，下降沿用于控制鎖存 P0口輸出的低八位地址；在不訪(fǎng)問(wèn)片外程序期間，可作為對(duì)外輸出的時(shí)鐘脈沖信號(hào)或者用于定時(shí)，此時(shí)頻率為振蕩頻率的 1/6。對(duì)于Flash存儲(chǔ)器，在編程期間，該引腳用于輸入編程脈沖。 EA /VPP（ 31引腳）：片外程序存儲(chǔ)器選用端。當(dāng)?shù)碗娖接行r(shí)，只選片外的程序儲(chǔ)存器，針對(duì) 8031，由于沒(méi)有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，此引腳需接地。當(dāng)處于高電平時(shí)，選用片內(nèi)的存儲(chǔ)器。在 Flash編程期間，該引腳應(yīng)接 +12V的電源 [6]。 XTAL1（ 19引腳）：接外部晶振的一端，作為反相放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 XTAL2（ 18引腳）：接外部晶振的另一端，振蕩器反相放大器的輸出端。 綜上所述， STC89C52 單片機(jī)功能多但引腳少，許多引腳具有雙重功能，這種雙重功能的 設(shè)置為單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。 電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的方法 變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)中的最主要的方法，而調(diào)節(jié)直流電樞供電電壓所需的可控制電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。 （ 1）旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組就是 GM 系統(tǒng)，用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組組成機(jī)組，來(lái)獲得可調(diào)的直流電壓。適用于調(diào)速要求不高，能夠可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其體積大、費(fèi)用高。效率低、維護(hù)不方便，因此適用面較窄。 （ 2）靜止可控整流器，如晶閘管可控整流器，可以通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置來(lái)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變平均電壓，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速 ，控制作用快同時(shí)性能也較好。 （ 3）直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用的是 PWM 技術(shù)，用不可控整流電源供電或直流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。與上述兩種方法相比此方法有很多的優(yōu)越性。主電路簡(jiǎn)單，需要的功率器件較少；諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng) [7]。 通過(guò)對(duì)比以上三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)并且以及我們常用的經(jīng)驗(yàn)熟悉度，本次設(shè)計(jì)在根據(jù)脈寬調(diào)速要求，采用直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 鍵盤(pán)的選擇 在本設(shè)計(jì)中鍵盤(pán)的功能主要是為了實(shí)現(xiàn)參數(shù) 的設(shè)定，鍵盤(pán)設(shè)計(jì)方案有以下幾種。 方案一：采用集成鍵盤(pán)處理芯片。集成鍵盤(pán)處理芯片種類(lèi)較多，例如 827 HD7279等，這種集成處理芯片具有判斷鍵盤(pán)按下、鍵盤(pán)譯碼等功能，應(yīng)用方便，而且可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立式鍵盤(pán)連接和矩陣式鍵盤(pán)連接方式以組成多位鍵盤(pán)。但是這種集成鍵盤(pán)處理芯片價(jià)格較高，硬件開(kāi)銷(xiāo)較大。 方案二：采用獨(dú)立式鍵盤(pán)直接與單片機(jī)進(jìn)行連接。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于少數(shù)量的鍵盤(pán)來(lái)說(shuō)比較適合。 在基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向和速度的控制，同時(shí)為了特殊情況下對(duì)電機(jī)急停 。 因此該設(shè)計(jì)中按鍵控制模塊包括 六 個(gè)按鍵， 實(shí)物圖中由上到下 依次為 啟動(dòng)， 正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速和急停按鍵。 綜合以上兩種方案，在本設(shè)計(jì)中采用方案二。 液晶顯示器的選擇 在本設(shè)計(jì)中，液晶顯示主要實(shí)現(xiàn)顯示設(shè)定的參數(shù)和直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 方案一：采用點(diǎn)陣式液晶顯示器。由于這種顯示器由點(diǎn)陣組成，所以能夠顯示較完整的漢字。通常情況下，如果按照 8*8 的點(diǎn)陣方式顯示，可以顯示一般的漢字，如果按照 16*16 的點(diǎn)陣方式顯示，可以實(shí)現(xiàn)較繁鎖漢字的顯示。但是這種點(diǎn)陣式顯示器價(jià)格比較昂貴。 方案二：采用字符型 LCD1602 液晶顯示器。這種顯示器是由 5*8 的字 符構(gòu)成，可以顯示出所有的 ASCII 碼和簡(jiǎn)單的漢字。這種顯示器與單片機(jī)的連接簡(jiǎn)單，控制命令較少，比較容易實(shí)現(xiàn)。 綜合以上兩種方案，在本設(shè)計(jì)中采用方案二。 測(cè)速模塊的選擇 由于直流電動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行反饋控制，所以要應(yīng)用傳感器對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)。 目前通常采用的測(cè)速方法有光電 編碼盤(pán)測(cè)速法、紅外對(duì)管測(cè)速法、霍爾元件測(cè)速法等測(cè)速方法 。 方案一 : 用 光電 旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行檢測(cè)。 它 是通過(guò)測(cè) 量 出 的 轉(zhuǎn)速信號(hào)頻率或周期 來(lái)間接計(jì)算出直流 電機(jī)轉(zhuǎn)速的一種無(wú)接觸測(cè)速 法 。 將 光電碼盤(pán)裝在 電機(jī)的 轉(zhuǎn)子端軸上， 當(dāng)直流 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 起來(lái)后 ，光 電碼盤(pán)也跟 隨 著一起轉(zhuǎn)動(dòng)， 此時(shí) 有一個(gè)固定 的 光源照射在碼盤(pán)上， 然后便 利用光敏元件來(lái) 接收 光 信號(hào) ，接收到光的次數(shù)就是碼盤(pán)的編碼數(shù)。若編碼數(shù)為 l，測(cè)量時(shí)間為 t，測(cè)量到的脈沖數(shù)為 N， 則轉(zhuǎn)速 n=(N/t*1)*60。這種測(cè)速方法精確度高因此一般用于需要測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)角的場(chǎng)合。 方案 二 ：用一個(gè)單極性的霍爾開(kāi)關(guān)元件作為檢測(cè)元件。 這種方法是 在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上裝一個(gè)圓盤(pán)，圓盤(pán)上裝若干對(duì)小磁鋼，小磁鋼越