【文章內(nèi)容簡介】 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，交流機(jī)組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。 但是 VM 系統(tǒng)也有缺點(diǎn)，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。晶閘管對過電壓、過電流和高的 dv/dt與 di/dt 都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。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 ”。 三種可控直流電源， VM 系統(tǒng)在上世紀(jì) 6070 年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。 PWM系統(tǒng) 此系統(tǒng)用恒定 直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。在要求快速響應(yīng)的直流調(diào)速場合 PWM 變換電源具有不可替代的優(yōu)勢。 這種控制系統(tǒng)較前兩種控制系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，主電路線路簡單，需要的功率器件少。開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少。低速性能好，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1：10000 左右。若與快速響應(yīng)的電機(jī)配 合，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道童損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗不大，因而裝置效率較高。 直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代 VM 系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 比較以上三種控制系統(tǒng)，由于 GM 系統(tǒng)缺點(diǎn)，本設(shè)計不考慮第一種控制系統(tǒng)。雖然 VM 系統(tǒng)比較 PWM 系統(tǒng)來說也有很多缺點(diǎn)，但是由于本畢業(yè)設(shè)計的方向是用于大容量系統(tǒng)，而且考慮到經(jīng)費(fèi)的問題，所以本設(shè)計選擇 VM 系統(tǒng)作為主控制系統(tǒng)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本 設(shè)計為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制觸發(fā) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)圖如圖 。 圖 系統(tǒng) 整體 結(jié)構(gòu)圖 本控制系統(tǒng)的核心是數(shù)字控制器，選用 Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89C51，與其它電路連接組成控制系統(tǒng)。由鍵盤電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的設(shè)定，顯 示電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時監(jiān)控，測速發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度的檢測和反饋，電流傳 感器實(shí)現(xiàn)電流的檢測和反饋，過零檢測實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)電壓的檢測，報警電路實(shí)現(xiàn)異常報警， 由 三相全控整流電路 與控制器 相配和實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)的控制。結(jié)構(gòu)圖如圖 。 圖 整體 結(jié)構(gòu)圖 速 度 調(diào)節(jié) 器電 流 調(diào)節(jié) 器x三 相 全控 整 流電 路直 流電 動機(jī)x電 流 傳 感 器測 速 發(fā) 電 機(jī)速 度給 定++觸發(fā)器n單 片 機(jī)鍵 盤 電 路顯 示 電 路過 零 檢 測觸 發(fā) 器A / DA / D測 速 發(fā) 電 機(jī)電 流 傳 感 器M三 相 全 控整 流 電 路報 警 電 路 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 3章 硬件設(shè)計 控制器 控制器的選擇 本設(shè)計選用 Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)， AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)帶有 4K 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的程序存儲器（ PENROM）。和 128字節(jié)的存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），這種器件采用 ATMEL 公司的高密度、不容易丟失存儲技術(shù)生產(chǎn)，并且能夠與 MCS51 系列的單片機(jī)兼容。片內(nèi)含有 8 位中央處理器和閃爍存儲單元，有較強(qiáng)的功能的 AT89C51 單片機(jī)能夠被應(yīng)用到控制領(lǐng)域中。 AT89C51 提供以下的功能標(biāo)準(zhǔn)： 4K字節(jié)閃爍存儲器， 128 字節(jié)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器， 32 個 I/O 口， 2 個 16 位定時 /計數(shù)器， 1 個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)， 1 個串行通信口，片內(nèi)震蕩器和時鐘電路。另外， AT89C51 還可以進(jìn)行 0HZ 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的節(jié)電模式。閑散方式停止中央處理器的工作，能夠允許隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器、定時 /計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一個復(fù)位。單片機(jī)引腳圖如圖 所示。 圖 AT89C51引腳圖 引腳說明如下： VCC：電源電壓 P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .5 /M O S I6P 1 .6 /M I S O7P 1 .7 /S C K8R E S E T9P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I N T 012P 3 .3 /I N T 113P 3 .4 /T 014P 3 .5 /T 115P 3 .6 /W R16P 3 .7 /R D17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 .021P 2 .122P 2 .223P 2 .324P 2 .425P 2 .526P 2 .627P 2 .728P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 0 .732P 0 .633P 0 .534P 0 .435P 0 .336P 0 .237P 0 .138P 0 .039V C C40A T 8 9 C 5 1U1A T 8 9 C 5 1 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 GND：地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口，即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅(qū)動 8 個 TTL電路。當(dāng) “1”被寫入 P0 口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。 P0 口還能夠在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，并在這時激活內(nèi)部的上拉電阻。 P0 口在閃爍編程時， P0口接收指令，在程序校驗(yàn)時，輸出指令，需要接電阻。 P1 口： P1 口一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4個 TTL 電路。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗(yàn)時， P1 口接收低 8 位地址。 P2 口： P2 口是一個內(nèi)部帶有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL 電路。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。因?yàn)閮?nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， 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)存儲器時， P2 口線上的內(nèi)容在整個運(yùn)行期 間不變。閃爍編程或校驗(yàn)時， P2 口接收高位地址和其它控制信號。 P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 口輸出緩沖故可驅(qū)動 4個 TTL 電路。對 P3 口寫如 “1”時，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用電阻輸出電流。 P3 口除作為一般的 I/O 口外，更重要的用途是它的第二功能，如表 所示： 表 P3口第二功能 P3 口還接收一些用于閃爍存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） I—N— T—0—（外中斷 0） I—N— T—1—（外中斷 1） T0（定時 /計數(shù)器器 0 外部輸入） T1（定時 /計數(shù)器器 1 外部輸入） W—— R——（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） R—— D——（外部數(shù)據(jù)存儲器 讀 選通） 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)震蕩器工作時， RET 引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/ P—R—O—G—：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE 輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 以時鐘震蕩頻率的 1/16 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖時，閃 爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對特殊寄存器區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置禁止 ALE 操作。這個位置后只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會被應(yīng)用。此外，這個引腳會微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 無效。 P—S—E—N—：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89C51 由外部程序存儲器讀取指令時，每個機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。 EA/VPP：外部訪問允許。欲使中央處理器 僅訪問外部程序存儲器， EA 端必須保持低電平。需要注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA端狀態(tài)。如 EA 端為高電平， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。閃爍存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電壓 VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓VPP。 XTAL1：震蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：震蕩器反相放大器的輸出端。 最小系統(tǒng)設(shè)計 AT89C51 可以采用片內(nèi)震蕩或者片外震蕩。 片內(nèi)震蕩：芯片中中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部震蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自然震蕩器。外接石英晶體及電容 C1， C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)震蕩電路。對外接電容 C1， C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響震蕩頻率的高低、震蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。用戶也可以采用外部時鐘。 片外震蕩：外部時鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個 2 分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要 求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。 本設(shè)計采用的是片內(nèi)震蕩， 復(fù)位電路采用簡單上電 自動復(fù)位 和手動復(fù)位電路，上電自動復(fù)位是 在上電瞬間，電壓 VCC 短時間內(nèi)從 0V上升到 5V，這一瞬間相當(dāng) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 于 交流電 ，電容相當(dāng)于導(dǎo)線， 5V的電壓全部加在 10K 電阻上，也就是說，這時 RESET的 電平 狀態(tài)為 高電平 。但是從上電 開始，電容自己就慢慢充電，其兩端電壓呈曲線上升，最終達(dá)到 5V，也就是說其正端電位為 5V，負(fù)端電位為 0V，其負(fù)端也就正好是 RESET，此時 RESET 為 低電平 ， 單片機(jī) 開始正常工作。手動復(fù)位 是 當(dāng)按鍵按下時，電容兩端構(gòu)成回路并放電，使 RST 端重新變?yōu)?高電平 ，按鍵抬起時電容又充電使 RST 變回 低電平 ，從而達(dá)到復(fù)位效果。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 如圖 。 圖 AT89C51最小系統(tǒng) 鍵盤電路 鍵盤電路分為獨(dú)立式按鍵和矩陣式按鍵。 獨(dú)立式按鍵是指直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一跟 I/O 口線，每根 I/O 口線的工作狀態(tài)不會影響其他 I/O 口線的工作狀態(tài)，這是一種最簡單易懂的按鍵結(jié)構(gòu)。獨(dú)立式按鍵雖然電路配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡單，但在每個按鍵必須占用一根 I/O 口線的情況下，在按鍵較多時， I/O 口線浪費(fèi)較大。故只在按鍵數(shù)量不多時采用這種按鍵電路。在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻保證了按鍵斷開時， I/O 口線有確定的高電平。 矩陣式按鍵也稱行列是按鍵， 矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，行線通過上拉電阻接到 +5V上。當(dāng)無鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有鍵按下時，行、列線將導(dǎo)通，此時，行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。這一點(diǎn)是識別矩陣按鍵是否被按下的關(guān)鍵。然而，矩陣鍵盤中的行線、列線和多個鍵相連，各按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平，各按鍵間將相互影響，C R Y 11 2 M H ZC13 0 P FC23