【文章內(nèi)容簡介】 1)β CeTm/2hα RT∑ n=6 /( 2 5 1 )= 轉(zhuǎn)速環(huán)采樣角頻率 ： Wsn=10W= 電流環(huán)采樣時間 ： Tn=1/(Wsn/2pi)= 第四節(jié) PWM 信號發(fā)生電路設計 PWM 的基本原理 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，改變負載兩端的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。 PWM 可以應用在許多方面，比如：電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。 在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機 的轉(zhuǎn)速。也正因為如此， PWM 又被稱為“開關驅(qū)動裝置”。 如下圖所示： 圖 PWM 原理波形 設電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設占空比為 D= t1 / T，則電機的平均速度為 Va = Vmax * D，其中 Va指的是電機的平均速度； Vmax 是指電機在全通電時的最大速度； D = t1 / T 是指占空比。 基于單片機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 15 由上面的公式可見，當我們改變占空比 D = t1 / T 時，就可以得到不同的電機平均速度 Vd，從而達到調(diào)速的目的。嚴格來說，平均速度 Vd 與占空比 D 并非嚴格的線性關系，但是在一般的應 用中，我們可以將其近似地看成是線性關系。 PWM 信號發(fā)生電路設計 圖 PWM 信號發(fā)生電路 PWM 波可以由具有 PWM 輸出的單片機通過編程來得以產(chǎn)生，也可以采用 PWM專用芯片來實現(xiàn)。當 PWM 波的頻率太高時，它對直流電機驅(qū)動的功率管要求太高，而當它的頻率太低時，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實際應用中，當 PWM 波的頻率在 18KHz 左右時，效果最好。在本系統(tǒng)內(nèi)，采用了兩片 4 位數(shù)值比較器 4585和一片 12 位串行計數(shù)器 4040 組成了 PWM 信號發(fā)生電路。 兩片 數(shù)值比較器 4585，即圖上 U U3 的 A組接 12 位串行 4040 計數(shù)輸出端Q2— Q9，而 U U3 的 B組接到單片機的 P1端口。只要改變 P1端口的輸出值，那么就可以使得 PWM 信號的占空比發(fā)生變化，從而進行調(diào)速控制。 12 位串行計數(shù)器 4040 的計數(shù)輸入端 CLK 接到單片機 C51 晶振的振蕩輸出XTAL2。計數(shù)器 4040 每來 8 個脈沖，其輸出 Q2— Q9 加 1，當計數(shù)值小于或者等于單片機 P1端口輸出值 X時，圖中 U2的（ AB）輸出端保持為低電平，而當計數(shù)值大于單片機 P1 端口輸出值 X時，圖中 U2 的（ AB）輸出端為高電平。隨著計數(shù)值的增加， Q2— Q9 由全“ 1”變?yōu)槿?0”時，圖中 U2 的（ AB）輸出端又變?yōu)榈碗娖?，這樣就在 U2的（ AB）端得到了 PWM 的信號，它的占空比為（ 255 X / 255） *100%，那么只要改變 X 的數(shù)值，就可以相應的改變 PWM 信號的占空比，從而進行直流電機的轉(zhuǎn)速控制。 使用這個方法時，單片機只需要根據(jù)調(diào)整量輸出 X 的值，而 PWM信號由三片通用數(shù)字電路生成，這樣可以使得軟件大大簡化，同時也有利于單片機系統(tǒng)的正常工作。由于單片機上電復位時 P1 端口輸出全為“ 1”，使用數(shù)值比較器 4585的 B 組與 P1端口相連，升 速時 P0 端口輸出 X 按一定規(guī)律減少，而降速時按一定基于單片機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 16 規(guī)律增大。 PWM 發(fā)生電路主要芯片的工作原理 1．芯片 4585 （ 1）芯片 4585 的用途： 對于 A和 B兩組 4 位并行數(shù)值進行比較，來判斷它們之間的大小是否相等。 （ 2）芯片 4585 的功能表： 輸入 輸出 比較 級取 A B3 A B2 A B1 A0、 B0 AB A=B AB AB A=B AB A3B3 * * * * * 1 0 0 1 A3=B3 A2B2 * * * * 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1B1 * * * 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0B0 * * 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0=B0 0 0 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0=B0 0 1 0 0 1 0 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0B0 1 0 0 1 0 0 A3=B3 A2=B2 A1B1 * * * * 1 0 0 A3=B3 A2B2 * * * * * 1 0 0 A3B3 * * * * * * 1 0 0 （ 3）芯片 4585 的引腳圖： 圖 4585 的引腳圖 2．芯片 4040 基于單片機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 17 芯片 4040 是一個 12位的二進制串行計數(shù)器，所有計數(shù)器位為主從觸發(fā)器，計數(shù)器在時鐘下降沿進行計數(shù)。當 CR 為高電平時，它對計數(shù)器進行清零，由于在時鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，故對脈沖上升和下降時間沒有限制，所有的輸入和輸出均經(jīng)過緩沖。 芯片 4040 提供了 16引線多層陶瓷雙列直插、熔封陶瓷雙列直插、塑料雙列直插以及陶瓷片狀載體等 4 種封裝形式。 （ 1）芯片 4040 的極限值： 電源電壓范圍： — 18V 輸入電壓范圍： — VDD+ 輸入電流范圍：177。 10mA 貯存溫度范圍： 65176。 C— 150176。 C （ 2）芯片 4040 引出端功能符號： CP: 時鐘輸入端 CR：清除端 Q0— Q11：計數(shù)脈沖輸出端 VDD: 正電源 VSS: 地端 （ 3）芯片 4040 功能表： 輸入 輸出 CP CR ↑ ↓ * L L H 保持 計數(shù) 所有輸出端均為 L （ 4）芯片 4040 的引腳圖： 圖 4040 的引腳圖 第五節(jié) 功率驅(qū)動模塊 及光耦隔離 設計 功率驅(qū)動模塊 電路中驅(qū)動采用的是 IR2112S 芯片， IR2112S 芯片是 IR 公司專為驅(qū)動功率開關管而設計的，是一種高電壓高速的功率 MOSFET 和 IGBT 驅(qū)動器，它有兩基于單片機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 18 個獨立的高端和低端輸出通道，一個芯片可以驅(qū)動兩個 MOSFET 管或 IGBT 管。輸出的浮置通道可用來驅(qū)動高端接于 600V(最大 )的 N 溝道電力 MOSFET 或IGBT。 圖 為 SOIC 封裝的 IR2112S 的引腳排列。 圖 IR2112S 的引腳排列 IR2112S 具有的特點是 ： (1)浮置通道具有自舉電路，工作電壓可達 600V，抗 dv/dt 干擾； (2)驅(qū)動電壓為 10V以上； (3)禁止直通邏輯 (一個橋的上下臂不能直通 )； (4)兩個傳輸通道延時相同； (5)高端輸出與 HIN 輸入相位相同，低端輸出與 /LIN 相位相同（如圖 ）。 圖 IR2112S 的控制邏輯 光電耦合隔離 光藕起到隔離和電平轉(zhuǎn)換的作用，因為單片機輸出的是 TTL 電平 (0～ 5V)，而驅(qū)動部分采用的是 IR2112S，它的電源要求是 3V～ 20V，光耦部分電路中采用了 5V電源，其輸入電平在 0～ 5V 之間。在此選用高速光耦 6N136 芯片。因為6N136 的絕緣電壓是 2500V(最小值 )， 具有可 兼容的 TTL 電路 。邏輯低電平和邏輯高電平的傳輸延遲時間都是 s(帶寬 2MHz)， 供電電壓是－ ～ 15V，其耐壓和速度都符合電路的要求。 圖 6N136 芯片引腳圖 基于單片機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 19 第六節(jié) A/D 轉(zhuǎn)化及芯片選擇 芯片 ADC0809 介紹 ADC0809 是 8 位、逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，具有地址鎖存控制的 8 路模擬開關，應用單一的 +5V 電源，其模擬量輸入電壓的范圍為 0V+5V，其對應的數(shù)字量輸出為 00HFFH，轉(zhuǎn)換時間為 100μ s，無須調(diào)零或者調(diào)整滿量程。 ADC0809 的引腳及其功能 ADC0809 有 28 個引腳，其中 IN0IN7接 8 路模擬量輸入。 ALE 是地址鎖存允許， ?REFV 、 ?REFV 接基準電源，在精度要求不太高的情況下，供電電源就可以作為基準電源。 START 是芯片的啟動引腳，其上脈沖的下降沿起動一次新的 A/D轉(zhuǎn)換。 EOC 是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，可以用于向單片機申請中斷或者供單片機查詢。OE 是輸出允許端。 CLK 是時鐘端。 DB0DB7是數(shù)字量的輸出。 ADDA、 ADDB、ADDC 接地址線用以選定 8 路輸入中的一路， 詳見下圖。 ADDC ADDB ADDA 選通輸入通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 基于單片機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 20 圖 ADC0809 引腳圖及功能表 第七節(jié) 測速環(huán)節(jié)設計 轉(zhuǎn)速的測量使用編碼盤。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器在數(shù)字測速中常用作為轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件。由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。本系統(tǒng)選用 M 法測速。 旋轉(zhuǎn)編碼器的原理及選擇 電編碼器來采樣轉(zhuǎn)速信號。增量式編碼器是專門用來測量轉(zhuǎn)動角位移的累計量。 圖 增量式光電編碼盤結(jié)構(gòu)及信號輸出 這里以三相編碼器為例介紹增量式編碼器的工作原理及其結(jié)構(gòu)。增量式光電編碼器 在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條 。 在圓盤兩側(cè)放發(fā)光元件和光敏元件。當圓盤 隨電機 旋轉(zhuǎn)時，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過整形后變?yōu)槊}沖 。 碼盤上有相標志，每轉(zhuǎn)一圈 Z 相 輸出一個脈沖。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 90186。的兩路脈沖信號，如圖 所 示 。 轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向信號處理：將 A、 B 兩相脈沖中任何一相輸入計數(shù)器中均可使計數(shù)器進行計數(shù)。編碼盤輸出的 Z 相脈沖用于復位計數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復位一次計數(shù)器；編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向可以通過 D 觸發(fā)器的輸出信號 Q 來判斷。整形后的 A、B 兩相輸出信號分別接到 D 觸發(fā)器的時鐘端和 D 輸入端， D 觸發(fā)器的 CLK 端在A 相脈沖的上升沿觸發(fā)。由于 A、 B 兩相的脈沖相位相差 90176。，當電機正轉(zhuǎn)時（假設 B 相脈沖超前時為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)）， B 相脈沖超前 A 相脈沖 90176。，觸發(fā)器總是在 B 脈沖為高電平時觸發(fā)，這時 D 觸發(fā)器的輸出端 Q 輸出為高電平。如圖 所示。當電 機反轉(zhuǎn)時， A 相脈沖超前 B 相脈沖 90176。，則 D 觸發(fā)器總是在 B 脈沖為低電平時觸發(fā)，這時 Q 輸出端輸出為低電平。由此確定電機的轉(zhuǎn)動方向。 基于單片機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 21 圖 電機運轉(zhuǎn)方向判別 1． M 法測速的實現(xiàn) 在系統(tǒng)中，使用單片機的 T/C0 和 T/C1 分別記數(shù)高頻時鐘脈沖個數(shù) 2M 和同時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù) 1M 。由于 T/C0 還要給 8279 給定時鐘信號，因此工作于計數(shù)器方式，時鐘信號為單片機時鐘的 1/2 分頻即 4MHZ，定時器 初值設為 80H。 T/C0 溢出中斷后，記錄 T/C1 的數(shù)值 1M ，并將單片機 PB0 清零，延時 5 個時鐘之后，置位 PB0 口后重新開始記數(shù)，再次溢出中斷時：如果測速容許，再次記錄 T/C1 的數(shù)值 1M ，否則將單片機 PB0 清零，延時之后置位 PB0口，重新記數(shù)。這樣循環(huán)， T/C0 完成了記數(shù)高頻時鐘脈沖個數(shù) 2M 和 8279 脈沖信號的輸出。那么，電動機的轉(zhuǎn)速為： 10260 Mfn pM? 式中，高頻時鐘頻率 0f =4 610 HZ； 旋轉(zhuǎn)編碼器的光柵數(shù) P=1024； 2M =64. 第八節(jié) 鍵盤顯示 單元 按鍵控制與 LED 顯示單元完成 系統(tǒng)參數(shù) （占空比和轉(zhuǎn)速）的實時顯示，以及通過鍵盤輸入系統(tǒng)的給定（占空比）。本系統(tǒng)中通過 8279 芯片來擴展鍵盤和顯示接口。 INTEL8