【文章內(nèi)容簡介】 驅(qū)動器，減少了噪音和功率損耗的特點(diǎn)。因此， MC68HC12 具有低功耗、低電壓、低噪音等優(yōu)點(diǎn)。 [5] MC68HC12 內(nèi)部有靈活的模塊設(shè)計功能，因?yàn)槠鋬?nèi)部 有為低功耗而設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)總線接口 —— Lite 模塊總線（ LMB），它將 CPU12 與專用外圍模塊相連接。 LMB與基于 MC68HC1 MC68300和 MPC500系列的內(nèi)部模塊總線 IMB（ Intermodule Bus）相類似、能利用現(xiàn)有的外圍模塊開發(fā)出新的 MC68HC12 系列產(chǎn)品。 片內(nèi)集成 256KB 的閃速存儲器（ FLASH）。 FLASH 的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、集成密度大、成本低。系統(tǒng)掉電后， FLASH 中的內(nèi)容仍能可靠保持不變。 應(yīng)用鎖相環(huán)技術(shù)提高了系統(tǒng)的電磁兼容性。可在外接幾十千赫的外部晶振情況下，通過軟件編程產(chǎn)生幾 MHz 的系統(tǒng)時鐘，從而降低了對外輻射干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 簡單的背景開發(fā)模式（ BDM）使得開發(fā)成本進(jìn)一步降低，也使得現(xiàn)場開發(fā)和系統(tǒng)升級變得比較方便。 此外，雖然擁有 16 位總線結(jié)構(gòu)，但 MC9S12 的外部總線可根據(jù)不同的系統(tǒng)需求工作在 8位和 16 位兩種模式，因而能夠極大地適應(yīng)不同價位的系統(tǒng)需求。 數(shù)字信號處理器（ DSP） 數(shù) 字信號處理 器 （ Digital Signal Processing, DSP）是指為得到滿足人們需要的信號形式而對數(shù)字化的信號進(jìn)行處理的數(shù)學(xué)原理、方法和手段。數(shù)字信號處理已廣泛應(yīng)用于包括通訊、航天、醫(yī)療、能源、地質(zhì)、建筑等諸多領(lǐng)域。數(shù)字信號處理器（ Digital Signal Processor, DSPs）是指一類具有專門為完成數(shù)字信號處理任務(wù)而優(yōu)化設(shè)計的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、硬件和軟件資源的單片可編程處理器件。數(shù)字信號處理器是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理任務(wù)的一個重要而有效的手段。特別是隨著通信和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理器件得到了空前的發(fā)展和應(yīng)用?，F(xiàn)在，掌握和熟練應(yīng)用數(shù)字信號處理器件已 經(jīng)成為相關(guān)行業(yè)高級技術(shù)人才的一項重要技能。 [6] 世界上第一顆 DSP 芯片誕生于 1978 年。目前，世界上主要的半導(dǎo)體廠商基本都有基于 DSP 的產(chǎn)品發(fā)布。 本論文采用的控制芯片選型 綜合考慮開發(fā)難度和應(yīng)用前景，我這次畢業(yè)設(shè)計采用的是 MC9S12DG128B，摩托羅拉 16 位單片機(jī)，它 的主頻 達(dá)到了 25MHz，同時片上還集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，片內(nèi)擁有 256KB 的 FLASH EEPROM、 12KB的 RAM、 4KB 的 EEPROM。 其指令執(zhí)行速度和 RAM 大小足以執(zhí)行比較復(fù)雜的數(shù)字 PID 程序，并支持各種算 法。 數(shù)字 PID 簡介 PID 控制原理 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 23 所示 圖 23 PID控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r（ t）與實(shí)際輸出構(gòu)成控制偏差： ( ) ( ) ( )e t r t c t? （ 21） 將此偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）通過 線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為： 0()1 ( )( ) [ ( ) 1 / ]t DT d e te t d t dtU t Kp e t T ??? ? （ 22） 式中， Kp 為比例系數(shù)， T1為積分時間常數(shù)， TD為微分時間常數(shù)。 在 PID 控制中，比例項用于糾正偏差，積分項用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分項用于減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。 PID 控制器的性能就決定于 Kp、T1和 TD這 3個系數(shù)。如何選用這 3個系數(shù) 是 PID控制的核心。 數(shù)字 PID 控制算法選擇 設(shè)計和調(diào)整數(shù)字 PID 控制器的任務(wù)就是根據(jù)被控對象和系統(tǒng)要求，選擇合適的 PID 模型，將其進(jìn)行離散化處理，編出計算機(jī)程序由微處理器實(shí)現(xiàn)，最后確定Kp、 TI、 TD、和 T， T為采樣周期。微處理器控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此，必須對 PID 模型進(jìn)行離散化處理。 [7] 用矩形方法數(shù)值積分代替式（ 22）中的積分項，對式（ 22）中的導(dǎo)數(shù)項用后向差分逼近，經(jīng)推理可得到基本 PID 控制的位置式算法： 1 0( ) ( ) ) [ ( ) ( 1 ) ]k DjU k K p E k K E j K E k E k?? ? ? ? ?? （ （ 23） 式中 k—— 采樣序號， k＝ 0， 1， 2，?? U（ k） —— 第 k次采樣時刻輸出值 被控對象 比例環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié) 給定 e(t) r(t) u(t) f(t) E（ k） —— 第 k次采樣時輸入的偏差值 E（ k－ 1） —— 第（ k－ 1）次采樣時刻輸入的偏差值 KI—— 積分系數(shù)， KI＝ KpT／ TI KD—— 微分?jǐn)?shù)系， KD＝ KpTD／ TI 在數(shù)字控制系統(tǒng)中， PID 控制規(guī)律是用程序來實(shí)現(xiàn)的，因而具有更大的靈活性。由于基本 PID 控制中引入了積分環(huán)節(jié)，其目的主要是為了消除靜差，提高精度。但在柴油機(jī)調(diào)速過程中，突加突減負(fù)載時，會引起轉(zhuǎn)速的較大波動，導(dǎo)致短時間內(nèi)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大偏差，通過 PID積分運(yùn)算積累，超調(diào)量過大，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組輸出電能的品質(zhì)。為避免 PID 控制中積分項引起的超調(diào)，提高其調(diào)節(jié)品質(zhì)，可采用積分分離法對基本 PID 控制進(jìn)行改進(jìn)，簡稱變速積分 PID。[8]變積分控制算法流程圖如圖 24所示： 圖 24 變積分 PID控制算法流 程圖 為避免 PID 控制中積分項引起的超調(diào)，提高其調(diào)節(jié)品質(zhì)，可采用積分分離法對基本 PID 控制進(jìn)行改進(jìn)，簡稱變速積分 PID。變速積分 PID 的基本思路是設(shè)法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應(yīng)，偏差越大，積分越慢；反之，則越快。 為此，設(shè)置一個函數(shù) f[E(k)],它是 E（ k）的函數(shù)： ()1[ ( ) ] [ ( ) ] ( ) ( )0 ( ) ( )E k Bf E k A B E k B E k B AE k B A???? ? ? ? ? ??? ??? 式中， A、 B為積分區(qū)間。 變速積分 PID 算法為： 0( ) ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ]( ) ( ) [ ( ) ] ( )P I I DkiIjU k K E k K U k K E k E kU k E j f E k E k??? ? ? ? ???? 式中， U1（ k）為第 k次采樣時刻 PID 運(yùn)算的積分部分輸出值。 采用變速積分 PID 控制，系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：用比例消除大偏差，用積分消除小偏差，可完全消除積分飽和現(xiàn)象；各參數(shù)容易整定，易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，而且對 A、 B 兩參數(shù)不要求十分精確；超調(diào)量大大減小，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，適應(yīng)性較強(qiáng)。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 直流伺服電機(jī)驅(qū)動電路的實(shí)現(xiàn) IR2110 驅(qū)動電路概述 本系統(tǒng)采用了 IR2110 作為驅(qū)動芯片，其電路圖如下： 圖 31 驅(qū)動電路原理圖 驅(qū)動電路芯 IR2110 簡介 1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) IR2110 采用 HVIC 和閂鎖抗干擾 CMOS 制造工藝， DIP14 腳封裝。具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá) 500V，dv/dt=177。50V/ns ， 15V 下靜態(tài)功耗僅 116mW；輸出的電源端（腳 3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍 10～ 20V；邏輯電源電壓范圍（腳 9） 5～ 15V，可方便地與 TTL， CMOS 電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有 177。5V 的偏移量；工作頻率高，可達(dá) 500kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為 120ns 和 94ns；圖騰柱輸出峰值電流為 2A。 IR2110 的內(nèi)部功能框圖如圖 32 所示。由三個部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護(hù)。如上所述 IR2110 的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計帶來許多方便。 尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計，可以大大減少驅(qū) 動的外圍電路。 圖 32 IR2110 的內(nèi)部功能框圖 2 高壓側(cè)懸浮驅(qū)動的自舉原理 所謂的自舉升壓原理就是，在輸入端 IN輸入一個方波信號，利用電容 Cboot將 A 點(diǎn)電壓抬升至高于 VDD 的電平，這樣就可以在 B端輸出一個與輸入信號反相，且高電平高于 VDD 的方波信號。具體工作原理如下。 當(dāng) VIN 為高電平時， NMOS 管 N1導(dǎo)通， PMOS 管 P1 截止， C 點(diǎn)電位為低電平。同時 N2 導(dǎo)通， P2 的柵極電位為低電平，則 P2 導(dǎo)通。這就使得此時 A 點(diǎn)電位約為 VDD，電容 Cboot兩端電壓 UC≈ VDD。由于 N3 導(dǎo)通， P4截止，所以 B 點(diǎn)的電位為低電平。這段時間稱為預(yù)充電周期。 當(dāng) VIN 變?yōu)榈碗娖綍r， NMOS 管 N1 截止， PMOS 管 P1 導(dǎo)通， C 點(diǎn)電位為高電平，約為 VDD。同時 N N3 截止， P3 導(dǎo)通。這使得 P2 的柵極電位升高， P2 截止。此時 A點(diǎn)電位等于 C點(diǎn)電位加上電容 Cboot 兩端電壓，約為 2VDD。而且 P4導(dǎo)通，因此 B 點(diǎn)輸出高電平，且高于 VDD。這段時間稱為自舉升壓周期。 [10] IR2110 用于驅(qū)動半橋的電路如圖 33 所示。圖中 C VD1 分別為自舉電容和二極管， C2 為 VCC 的濾波電容。假定在 S1 關(guān)斷期間 C1 已充到足夠的電壓（ VC1≈VCC ）。當(dāng) HIN 為高電平時 VM1 開通， VM2 關(guān)斷， VC1 加到 S1的門極和發(fā)射極之間， C1 通過 VM1， Rg1 和 S1門極柵極電容 Cgc1 放電， Cgc1 被充電。此時VC1 可等效為一個電壓源。當(dāng) HIN 為低電平時， VM2 開通， VM1 斷開， S1柵電荷 圖 33 IR2110半橋驅(qū)動電路 經(jīng) Rg VM2迅速釋放， S1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時間（ td）之后， LIN為高電平，S2開通， VCC 經(jīng) VD1， S2給 C1充電，迅速為 C1補(bǔ)充能量。如此循環(huán)反復(fù) 。 [9] 驅(qū)動電路輸入波形的產(chǎn)生 盡管 MC9S12 有 8個獨(dú)立的 PWM輸出口，但為了盡可能有效地利用單片機(jī)的系統(tǒng)資源，本系統(tǒng)只用一個 PWM 口控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且使用 PB 的低四位來控制電機(jī)電機(jī)的四種狀態(tài)（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、滑行、剎車），邏輯電路圖如下圖所示： 圖 34 PWM控制信號邏輯電路 PWM 信號與 PB 的低四位相與得出四路可控的同相 PWM 波。 當(dāng) PB=0000 1001B 時，經(jīng)過 IR2110 驅(qū)動后的信號是： 圖 35 電機(jī)正轉(zhuǎn)時，橋式電路四個場效應(yīng)管的輸入波形圖 這時 H 橋驅(qū)動器的 Q1 和 Q4 一起間歇導(dǎo)通，電機(jī)將正轉(zhuǎn)。 數(shù)碼管顯示 模塊 的實(shí)現(xiàn) 為了更加直觀地觀察出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，本系統(tǒng)設(shè)計了一個數(shù)碼管顯示電路用來顯示電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。本論文使用的數(shù)碼管采用共陰四位數(shù)碼管，這樣可以 盡可能少的占用單片機(jī)的 I/O 口。但采用了共陰的數(shù)碼管，單片機(jī)的 I/O口驅(qū)動能力有限，無法直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，所以擴(kuò)展了一塊 8位 雙向 3態(tài)緩沖電路 74LS245，用于增大 I/O 的電流驅(qū)動能力。在程序中，首先用 7445 選通 1號數(shù)碼管，輸入出相應(yīng)的數(shù)字，再選通 2號數(shù)碼管，輸出相應(yīng)的數(shù)字，依次類推，一直把四號數(shù)碼管的信號輸出出來，這是一種動態(tài)掃描的輸出方法。 [11] 圖 36 數(shù)碼管顯示模塊電路圖 動態(tài)掃描是利用人眼的視覺暫留原理，只要掃描頻率不小于 24Hz，人眼就感覺不到顯示器的閃爍。本系統(tǒng)由顯示子程序程序 LEDOUT()。輸出一個 50Hz 的掃描頻率。實(shí)驗(yàn) 表明，這個系統(tǒng)的效果另人滿意，通過簡單的軟件編程就可以使該顯示模塊清晰地顯示出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。相應(yīng)的輸出子程序算法如下： 第一步：將所要顯示的四位數(shù)的千位、百位、十位、個位，分解出來，以便分別顯示 ，在下面程序中 number 是要顯示的數(shù)字： led_a=number/1000。 //求千位，放在 led_a 里 led_b=number/100led_a*10。 //求百位，放在 led_b 里 led_c=number/10led_a*100led_b*10。 //求十位，放在 led_c 里 led_d=numberled_a*1000led_b*100led_c*10。 //求個位，放在 led_d 里 第二步：定義一個數(shù)組 num[10]把所要顯示的十個數(shù)字的編碼放在里面： int num[10]={0X3F,0X30,0XA7,0X8F,0X99,0X9E,0XBE,0X0B,0XBF,0X9F}。 /*數(shù)碼管對應(yīng)的 10個數(shù)