【文章內容簡介】 ，這樣可以提高控制系統(tǒng)的工作效率以及精確度 。其中，甲機用于 監(jiān)控電源電壓是否出現欠電壓過電壓過電流。乙機用于實現對電機的 PID控制，即 控制器產生 PWM 脈沖送到電機驅動電路中，經過放大后控制電機轉速，同時利用速度檢測模塊將當前轉速反饋到控制器中，控制器經過數字 PID 運算后改變 PWM 脈沖的占空比，實現電機轉速實時控制的目的。同時 乙機控制 1286 4LCD液晶顯示器，顯示出當前轉速。 電機驅動電路 驅動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的I/O口不能直接驅動電機，只有引入電機驅動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用 M57957L電機驅動芯片驅動電機 ， M57957L內部集成有可在輸入與輸出之間實現良好電氣隔離的光電隔離器，所以可對被驅動的 IGBT 模塊實現可靠的驅動。 M57957L可用來直接驅動 Vces=600V 系列的電流容量在 200A 以內的 IGBT 模塊及Vces=1200V 系列的電流容量在 100A 以內的 IGBT 模塊；而 M57958L可用來直接驅采用雙電源驅動技 術，輸入信號與 TTL 電平兼容，且采用單列直插式厚膜集成電路封裝。 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 12 M57957L 的結構 M57957L采用單列直插式標準 8腳厚膜集成電路封裝。其外形和引腳排列如圖 5所示，各引腳的名稱、功能及用法可參見表 1所列。 圖 5 M57957L 的引腳排列示圖 表 1 M57957L 引腳說明 引 腳號 符號 名稱或功能 用法 1 VIN－ 驅動脈沖輸入負端 使用中通過一反相器接用戶脈沖形成電路的輸出 2 VIN＋ 驅動脈沖輸入正端 使用中通過一電阻接用戶脈沖形成部分電源 5 GND 驅動脈沖輸出地端 接驅動脈沖輸出級電源地端，該端電位應與用戶脈沖形成部分完全隔離 6 VCC 驅動功放級正電源端 接用戶提供的驅動脈沖功放級正電源端 7 Vout 驅動脈沖輸出端 直接接被驅動 IGBT 柵極 8 VEE 驅動功放級負電源端 接用戶提供的驅動脈沖功放級負電源端 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 13 M57957L 的工作原 理 M57957L內部結構如圖 6所示，來自脈沖形成單元的驅動信號為高電平時光耦導通，接口電路把該信號整形后由功放級的兩級達林頓 NPN 晶體管放大后輸出，驅動功率 IGBT 模塊導通。在驅動信號為低電平時光耦截止，此時接口電路輸出亦為低電平，功放輸出級 PNP晶體管導通，給被驅動的功率 IGBT 柵 、 射極間施加以反向電壓，使被驅動功率 IGBT模塊恢復關斷狀態(tài)。 圖 6 M57957L 內部結構 顯示電路設計 根據設計要求要對系統(tǒng)各項參數和電機運行狀態(tài)進行顯示，因此在電路中加入顯示模塊是非常必要的。在系統(tǒng)運行過程中需要顯示的數據比較多，而且需要漢字顯示，在這里選用 12864 液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點陣液晶顯示器 ,主要由行驅動器 /列驅動器及 12864 全點陣液晶顯示器組成，可完成漢字 （ 1616 ）顯示和 圖形顯示共有 20 個引腳，其引腳名稱及引腳編號的對應關系如圖 7，引腳功能如表 2所示。 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 14 VSSVDDVORSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2/RSTVEEAK1234567891011121314151617181920 圖 7 12864LCD 引腳分布 表 2 12864 液晶顯示模塊引腳功能 引腳 符 號 引 腳 功 能 引腳 符 號 引 腳 功 能 1 VSS 電源地 15 CS1 CS1=1 芯片選擇左邊 64*64點 2 VDD 電源正 +5V 16 CS2 CS2=1 芯片選擇右邊 64*64點 3 VO 液晶顯示驅動電源 17 /RST 復位（低電平有效） 4 RS H： 數據輸入； L： 指令碼輸入 18 VEE LCD 驅動負電源 5 R/W H： 數據讀??； L： 數據寫入 19 A 背光電源（ +） 6 E 使能信號。 20 K 背光電源（ ） 714 DB0DB7 數據線 有些型號的模塊 1 20 腳為空腳 鍵盤電路設計 根據設計需求，本系統(tǒng)中使用了 44 鍵盤用以 實現 對 P、 I、 D三個參數和電機正反轉的設定，以及對電機啟動、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理圖如圖 8所示。圖中 L0～ L3 為 44 鍵盤的列信號， H0～ H3 為 44 鍵盤的行信號。在本系統(tǒng)中，用 ～ 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 15 0 1 2 34 5 6 78 9 正反轉 暫停繼續(xù) 啟動 停止 設置H0H1H2H3L0L1L2L3連接鍵盤的列信號 L0～ L3；用 ～ H0～H3。按照要求設計操作面板如圖 8所示： 圖 8 鍵盤模塊 鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運行時， 1286 4LCD 將顯示開機界面，若設置鍵顯示屏進入參數設置界面，此時按 4進入相應參數的設置的狀態(tài)，輸入相應的數字即可完成該參數的設置，待所有量設置完成后按正 /反控制鍵設置正反轉，最后按啟動鍵啟動系統(tǒng)，在運行過程中可按下相應鍵對電機進行暫停、繼續(xù)、停止運行的控制。 4 軟件設計 程序流程 主流程圖 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 16 開始初始化調用清屏子程序開始界面顯示設置鍵按下 ？調用清屏子程序設置界面顯示根據設置計算參數啟動鍵按下 ？調用清屏子程序電機運行狀態(tài)顯示PWM 脈沖輸出YNYN在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應設計任務的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運行過程 設計出主程序流程如圖 9所示。 圖 9 主 流程 圖 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 17 顯示程序流程 顯示模塊是實現人機對話的重要部分，在這里選用 1286 4LCD 顯示器可實現對漢字和字符的顯示，該顯示器的引腳功能在上面已經做了說明，下面介紹 1286 4LCD 的相關指令。 顯示子程序流程如圖10 所示 圖 10 顯示程序流程 鍵盤程序程序流程 鍵盤中斷程序是用來設在系統(tǒng)相應參數和控制系統(tǒng)進入相應的運行狀 態(tài)，其程序流程圖如圖 11所示。 初始化循環(huán)次數j ＝ 2 ?寫入數據字節(jié)數 i ＝ 16 ？設置顯示起始頁 、 起始列調用寫入數據子程序j = j + 1 。 i = 0i = i + 1RETIYNNY初始化循環(huán)次數j ＝ 2 ?寫入數據字節(jié)數 i ＝ 8 ？設置顯示起始頁 、 起始列調用寫入數據子程序j = j + 1 。 i = 0i = i + 1RETIYNNYa ) 寫入 16 * 16 漢字程序流程 b ) 寫入 8 * 16 數字第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 18 延時去抖動P 1 口低四位置 1讀 P 1 口低四位數據到 KEYLKEYL 、 KEYH相與為 KEYP 1 口高四位置 1讀 P 1 口高四位數據到 KEYHKEY = 0 XEE ?KEY = 0 XEB ?KEY = 0 XED ?KEY = 0 XE 7 ?KEY = 0 XDE ?KEY = 0 XDD ?KEY = 0 XDB ?KEY = 0 XD 7 ?KEY = 0 XBD ?KEY = 0 XBE ?KEY = 0 XBB ?KEY = 0 XB 7 ?KEY = 0 X 7 E ?KEY = 0 X 7 D ?KEY = 0 X 7 B ?KEY = 0 X 77 ?數字鍵 0數字鍵 1數字鍵 2數字鍵 3數字鍵 4數字鍵 5數字鍵 6數字鍵 7數字鍵 8數字鍵 9正 / 反功能鍵暫停功能鍵繼續(xù)功能鍵啟動功能鍵停止功能鍵設置功能鍵RETIYNNNNNNNNNNNNNNNNYYYYYYYYYYYYYYY 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 19 0)]2()1(2)([)()]1()([ unene neKneKneneK DIP ????? ????圖 11 鍵盤程序程序流程 算法實現 電機速度算法 測速發(fā)電機 輸出電動勢與轉速成比例的微特電機。測速發(fā)電機的繞組和磁路經精確設計，其輸出電動勢 E 和轉速 n 成線性關系，即 E=Kn,K是常數。改變旋轉方向時輸出電動勢的極性即相應改變。在被測機構與測速發(fā)電機同軸聯接時，只要檢測出輸出電動勢，就能獲得被測機構的轉速 。 PID 算法 本系統(tǒng)設計的核心算法為 PID 算法，它根據本次采樣的數據與設定值進行比較得出偏差)(ne ，對偏差進行 P、 I、 D運算最終利用運算結果控制 PWM 脈沖的占空比來實現對加在電機兩端電壓的調節(jié) [10]，進而控制電機轉速。其運算公式為： ?)(nu 因此要想實現 PID 控制在單片機就必須存在上述算法， 其程序流程如圖 12所示。 圖 12 算法流程 計算 e ( n )計算 KIe ( n )計算 KP ( e ( n ) e ( n 1 ))計算 KD ( e ( n ) 2 e ( n 1 )+ e ( n 2 ))計算 Δ u ( n )計算 Δ u ( n )＋ u ( n 1 )e ( n 1 ) → e ( n 2 )e ( n ) → e ( n 1 )u ( n ) → u ( n 1 )返回圖 4 . 1 PID 程序流程第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 20 小結 本課題的目的在于利用單片機實現 PID算法產生 PWM脈沖來控制電機轉速同時監(jiān)控電壓電流起到保護作用并且本設計控制靈活、可靠、精度高，可滿足測試的各項要求。 可以 對 小型工農業(yè) 的電機簡單控制實現小型化?？梢耘c上位機通訊實現復雜控制。驅動體積小，功耗小，采用標準器件方便更換升級。 到目前為止通過對控制器模塊、電機驅動模塊、 LCD 顯示模塊、鍵盤模塊、數字 PID 算法、電壓電流監(jiān)控等進行了比較深入的研究。完成了硬件電路的系統(tǒng)設計，軟件方面利用 C語言進行編程，增強了程序的可移植性和靈活性。 通過此次設計，掌握了 驅動電路的相關設計及 數字 PID算法的使用及編程方法，學習了如何進行系統(tǒng)設計及相關技巧，為今后的工作和學習奠定了堅實的基礎。 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 21 參考文獻 [1] 孫傳友 . 測控系統(tǒng)原理與設計 [M] .北京：北京航空航天大學出版社 , 20xx [2] 王兆安 .電力電子技術（第四版） . 北京：機械工業(yè)出版社 , 20xx [3] 李廣弟 .單片機基礎（第三版 ） .北京：北京航空航天大學出版社 ,20xx [4] 楊渝欽 .控制電機 . 北京：機械工業(yè)出版社 ， 20xx [5] 童詩白 .模擬電子技術 （第四版） .北京：高等教育出版社， 20xx [6] 閻石 .數字電子技術（第五版） .北京：高等教育出版社， 20xx [7] 王勇驥 .自動控制原理 （第二版） .北京：化學工業(yè)出版社， 20xx [8] 李宏 .M57957L/M57958L IGBT 厚膜驅動器集成電路 手冊 .電子發(fā)燒友論壇 .20xx [9] STC12C5A60S2 系列單片機器件手冊 . 電子發(fā)燒友論壇 .20xx [10] 錦昌電子 .12864LCD 數 據 手 冊 [DB/OL]. 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學生課外學術科技作品競賽 22 附錄