【正文】 的PWM信號，一個PWM的脈沖周期為256個時鐘脈沖周期，則高電平寬度應(yīng)為d，低電平寬度應(yīng)為256d，即占空比為d/256*100%，考慮到輸入為8位2進制代碼，幾乎難以用一般簡單觸發(fā)器或555一類的時基振蕩電路實現(xiàn)。所以考慮用數(shù)字電路：計數(shù)器（或定時器）、觸發(fā)器和少量輔助電路實現(xiàn)。輸入一個比PWM頻率高256倍的基準(zhǔn)脈沖cp，對cp記數(shù)，計d個脈沖，在d個cp周期內(nèi)輸出高電平，接著計（256d）個脈沖，輸出（256d）cp周期的低電平。計數(shù)器為8位可預(yù)置加/減計數(shù)器，在輸出為高電平時進行減計數(shù)，計d個脈沖后，計數(shù)器計數(shù)值為0，輸出借位信號RCO\，使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并同時使計數(shù)器預(yù)置數(shù)值為d，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)后（即輸出為低電平），計數(shù)器在觸發(fā)器控制下，做加計數(shù)，在（256d）個后計數(shù)器計數(shù)值為255，輸出RCO\進位信號，RCO\信號促使觸發(fā)器電平再次轉(zhuǎn)變?yōu)楦撸⑹褂嫈?shù)再次置為d，從而進行下一輪的計數(shù)。8位計數(shù)器由2個4位雙向可預(yù)置計數(shù)74191級聯(lián)而成，低位RCO\信號輸?shù)礁呶坏腃LK信號端，即為異步接法。高位的RCO\信號為電路總RCO\信號接到計數(shù)器的置數(shù)端LOAD\，RCO\信號反相后即為觸發(fā)器的時鐘信號，通過一個D觸發(fā)器4013，Q端即PWM信號正輸出Q+，Q即為PWM互補輸出Q，然后4013的Q和Q\分別接兩個高速光耦TLP5211輸出。PWM信號產(chǎn)生電路如圖310所示。圖310 PWM信號產(chǎn)生電路 PWM信號驅(qū)動電路由于單靠光耦不能驅(qū)動IGBT工作，所以要選取專門的驅(qū)動芯片。本系統(tǒng)采用美國國際公司生成的芯片IR2110作為IGBT驅(qū)動芯片，該芯片具有體積小，集成度高，驅(qū)動能力強，成本低廉，易于調(diào)試，工作頻率最高可達500KHz等一系列優(yōu)點，廣泛用于大功率MOSFET和IGBT驅(qū)動電路中。IR2110內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸出保護。如上所述IR2110的特點，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設(shè)計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，即一組電源即可實現(xiàn)對上下端的控制。同時由于IR2110的輸出電壓為10V～20V，固可以直接用來驅(qū)動IGBT工作。本系統(tǒng)中IR2110采用+15V電壓供電，接地信號為功率地信號。兩個高速光耦TLP5211的輸出信號分別接IR2110的HIN和LIN端作為輸入信號。當(dāng)HIN 為高電平時，HO輸出正電壓信號，通過自舉電容C7將電壓加到Q2的柵極和發(fā)射極之間，C7通過芯片內(nèi)部的MOS管形成回路放電，這時C7就相當(dāng)于一個電壓源，從而使Q2導(dǎo)通。由于 LIN 與HIN 是一對互補輸入信號，所以此時LIN 為低電平，這時聚集在Q4柵極和發(fā)射極的電荷在芯片內(nèi)部通過電阻迅速對地放電，由于死區(qū)時間影響使Q2在Q4開通之前迅速關(guān)斷。當(dāng)HIN 為低電平時,聚集在Q2柵極和發(fā)射極之間的電荷在芯片內(nèi)部通過電阻迅速放電使Q2關(guān)斷。經(jīng)過短暫的死區(qū)時間LIN為高電平，VCC經(jīng)過內(nèi)部電阻和Q4的柵極和源極形成回路，使Q4開通。在此同時VCC經(jīng)自舉二極管，C8和Q4形成回路，對C8進行充電，迅速為C8補充能量。PWM驅(qū)動電路圖如圖311所示。圖311 PWM驅(qū)動電路圖 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的鍵盤與顯示電路本設(shè)計系統(tǒng)除了前面所述的幾個結(jié)構(gòu)外，還需要用到人機聯(lián)系部件去實現(xiàn)自動調(diào)速系統(tǒng)，鍵盤用來控制整個皮帶傳輸系統(tǒng)的開始和停止。顯示器要及時的顯示皮帶傳輸系統(tǒng)上的物料重量，同時，還要顯示上一級傳輸帶傳輸物料的速度。為實現(xiàn)以上擴展功能，本系統(tǒng)需要進行I/O擴展，以實現(xiàn)鍵盤與顯示電路的連接，組成一個方便操作的人機界面。 I/O口擴展電路本系統(tǒng)I/O擴展芯片采用8155H。8155H芯片是Intel公司生產(chǎn)的一種為單片機作為輸入/輸出及RAM擴充的外圍I/O接口芯片，共有40個管腳。芯片內(nèi)部包含一個256字節(jié)的RAM靜態(tài)存儲器，有兩個可編程的8位并行口PA和PB，一個可編程的6位并行口PC。8155H可以直接和單片機進行連接，不需要任何外加邏輯[17]。在電路連接中。，控制其選通工作。8155H與單片機的接口電路如圖312。圖312 8155H與單片機的接口電路 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的鍵盤電路設(shè)計鍵盤輸入是人機交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。操作者通過鍵盤向系統(tǒng)發(fā)送各種指令或置入必要的數(shù)據(jù)信息。因此鍵盤模塊設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。鍵盤是由若干個按鍵開關(guān)組成，鍵的多少根據(jù)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的用途而定。鍵盤由許多鍵組成，每一個鍵相當(dāng)于一個機械開關(guān)觸點，當(dāng)鍵按下時，觸點閉合，當(dāng)鍵松開時，觸點斷開。單片機接收到按鍵的觸點信號后作相應(yīng)的功能處理。因此，相對于單片機系統(tǒng)來說鍵盤接口信號是輸入信號。本系統(tǒng)鍵盤/顯示器芯片接口芯片采用8279，8279是Intel公司生產(chǎn)的通用可編程鍵盤/顯示接口芯片，利用8279芯片作為通用接口電路，一方面接受來自鍵盤的輸入數(shù)據(jù)并進行預(yù)處理，另一方面實現(xiàn)對顯示數(shù)據(jù)的管理和對數(shù)碼顯示器的控制，從而實現(xiàn)對鍵盤/顯示器的自動掃描，并識別鍵盤上閉合鍵的鍵號，不僅可以大大節(jié)省CPU對鍵盤/顯示器的操作時間，從而減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且顯示穩(wěn)定，程序簡單，不會出現(xiàn)誤操作，由于這些優(yōu)點，8279芯片日益被廣泛采用。8279最多可用來控制16位LED顯示器，當(dāng)顯示位數(shù)超過8位時，均需要設(shè)定為16位字符顯示。而且具有消除抖動的功能。對于鍵盤設(shè)計，本系統(tǒng)采用44行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成16個鍵的矩陣式鍵盤，其中按鍵的功能分別為0～9數(shù)字和“.”按鍵、“開始設(shè)定”、“確認(rèn)”、“DEL”、“AC/ON”“復(fù)位”。矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤。用I/O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。在按鍵數(shù)量較多時，可以節(jié)省I/O口線。矩陣鍵盤示意圖如圖313。圖313 鍵盤接線圖圖中鍵盤的行線接8279的RL0—RL3，8279選用外部譯碼方式，SL0—SL3經(jīng)74LS138譯碼輸出，連接鍵盤的列線。本系統(tǒng)中有10位LED顯示器，因顯示位數(shù)比較多，所以要用到4線16線譯碼器74LS154，SL0—SL3又由74LS154譯碼輸出，經(jīng)7407驅(qū)動后到顯示器LED的各個位的公共陰極。輸出線OUTB0—OUTBOUTA0—OUTA3作為一個8位段選碼數(shù)據(jù)輸出端口，控制LED顯示器每一位數(shù)碼管顯示的內(nèi)容，當(dāng)從一位LED數(shù)碼管向下一位切換時，由消隱輸出線BD輸出低電平，74LS154譯碼產(chǎn)生低電平，使74LS138輸出全為高電平。此時，在8位段數(shù)據(jù)輸出端口輸出下一個LED顯示位的顯示內(nèi)容。74LS138譯碼循環(huán)產(chǎn)生低電平，8位段數(shù)據(jù)輸出端口也依次把公共陰極為低電平位的顯示位中的顯示內(nèi)容分別顯示出來，當(dāng)這一過程很快顯示時，人們就會在幾個LED中看到了顯示出來的不同內(nèi)容。在連接32鍵以內(nèi)的簡單鍵盤時，CNTL、SHIFT輸入端可接地。74LS07芯片是8279作為LED數(shù)碼管顯示器的段選碼輸出端口的同相驅(qū)動芯片。鍵盤顯示電路接線圖如圖314。圖314 鍵盤顯示電路接線圖系統(tǒng)需要多種電源，單片機、D觸發(fā)器401AD080SN74191需要＋5V電源，AD620需要177。5V，電橋測量電路需要177。12V的線性電源，LA25ANP需要177。12V的電源。對于芯片IR2110，系統(tǒng)需要對功率地和其他接地信號進行隔離，其輸出+15V電源需要另行設(shè)計。穩(wěn)壓電源的設(shè)計，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流Io、輸出紋波電壓ΔU等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)，從而合理的選擇這些器件。穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、溫度系數(shù)及紋波電壓等。此次設(shè)計的穩(wěn)壓電源由電源變壓器、二極管整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四個部分組成，具體流程圖如圖315所示。圖315 穩(wěn)壓電源電路流程圖對于普通電源和接地信號，本系統(tǒng)采用7805，7905固定式三端穩(wěn)壓器可輸出177。5V,固定式三端穩(wěn)壓器7812和7912組裝電路可對稱輸出177。12v，固定式三端穩(wěn)壓器7815和7915組裝電路可對稱輸出177。15v。分別輸出可供芯片使用。電路簡單，容易實現(xiàn)，而且使用起來也比較方便。在設(shè)計電源的時候應(yīng)注意要加濾波電容，電源設(shè)計電路如圖316所示。圖316 電源電路原理圖對于IR2110使用的+15V電源以及各個功率地電源電路，設(shè)計原理圖如圖317所示。圖317 +15V電源和功率地電源電路第4章 配料系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計基于以上分析并搭建整個系統(tǒng)的硬件電路以后，本系統(tǒng)需要通過軟件編程使得系統(tǒng)的各個部分按照一定的方式自動運行，實現(xiàn)各個控制環(huán)節(jié)的實時控制和管理。所以，整個系統(tǒng)的軟件編程部分，是使本次設(shè)計實現(xiàn)自動控制的很重要的一個環(huán)節(jié)[18]。本設(shè)計用AT89C52單片機代替了直流電動機雙環(huán)調(diào)速裝置中的電流和轉(zhuǎn)速控制模擬調(diào)節(jié)器，同時還要檢測皮帶傳輸系統(tǒng)上的重量，并對上一級皮帶傳輸物料速度進行自動調(diào)節(jié)。整個控制程序由主程序、中斷服務(wù)程序、PI運算程序及一些輔助程序幾個部分組成。主程序流程圖如圖41所示。在主程序中，主要完成對各個可編程芯片進行初始化和鍵盤參數(shù)設(shè)置的處理。鍵盤參數(shù)設(shè)置的處理主程序中的重要部分，這部分程序設(shè)計采用程序的模塊化，有效的解決了復(fù)雜的多重分支問題。啟動功能鍵按下時，系統(tǒng)開始啟動采樣定時并進入實時控制階段，每次中斷返回時若有復(fù)位鍵和新的參數(shù)設(shè)置鍵按下則返回鍵處理程序。 主程序設(shè)計要點如下：用單片機控制電機啟動時，首先系統(tǒng)要進入初始化過程，使系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)；系統(tǒng)初始化后，按下鍵盤上的開始鍵，則系統(tǒng)開始運行；首先，通過鍵盤控制整個系統(tǒng)開始運行，然后單片機開始進行信號采集處理，將檢測到的重量、轉(zhuǎn)速、電流信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并輸送給單片機，然后通過數(shù)碼管將采集到的轉(zhuǎn)速、重量值顯示出來；本系統(tǒng)主要目的是根據(jù)皮帶傳輸系統(tǒng)上的物料重量來自動調(diào)節(jié)物料輸送速度，從而達到使皮帶傳輸系統(tǒng)上物料重量保持在一定的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)初始化流程如圖42，其中包括中斷始化、各存儲單元賦初值、鍵盤顯示器的各數(shù)據(jù)程序表賦常數(shù)、各種限定值裝入數(shù)據(jù)存儲器、設(shè)定堆棧指針、給主程序標(biāo)志寄存器送初始值、控制器設(shè)定初值等。圖41 主程序流程圖圖42 初始化流程圖 PI控制子程序設(shè)計為了安全起見并實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，系統(tǒng)對設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序或電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序進行到“轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)”或“電流調(diào)節(jié)”時，便進入PI控制子程序[19]。 PI調(diào)節(jié)器數(shù)學(xué)表達式為: 式中, u(t)為系統(tǒng)控制量。e(t)為系統(tǒng)的控制偏差。Kp 為比例系數(shù)Ti 為積分時間常數(shù)。其中比例系數(shù)Kp越大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高,但系統(tǒng)易產(chǎn)生超調(diào),甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。但如果Kp取值過小,會降低調(diào)節(jié)精度,使響應(yīng)速度緩慢,從而延長調(diào)節(jié)時間,使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。,系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快,但Ti過大,在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象,將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 PI調(diào)節(jié)流程圖如圖43所示。圖43 PI控制流程圖 中斷服務(wù)程序為了很好地實現(xiàn)系統(tǒng)對各個信號的采樣分析，本系統(tǒng)需要設(shè)置中斷服務(wù)子程序，及時的將信號反饋到單片機中，以便準(zhǔn)確的完成控制指標(biāo)[20]。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖44。圖44 中斷服務(wù)子程序流程圖第5章 配料系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中，在理論設(shè)計基礎(chǔ)上根據(jù)實際系統(tǒng)運行情況作參數(shù)的調(diào)整是系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試過程必不可少的一部分。原因在于系統(tǒng)的實際參數(shù)，往往與理論設(shè)計時所用的值有一定的誤差，而且系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)非線性因素影響會使系統(tǒng)在理論設(shè)計參數(shù)后并不能立即獲得理想的調(diào)速性能，因此需要通過調(diào)試過程才能獲得理想性能。傳統(tǒng)的調(diào)試方法不僅增加系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試強度而且不易產(chǎn)生預(yù)期結(jié)果。matlab/simulink仿真平臺是基于模型化圖形組態(tài)的動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，利用這種仿真工具可以不運行實際系統(tǒng)，只要在計算機上建立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對象的運行狀態(tài)及其隨時間變化的過程。通過對數(shù)字仿真模型的運行過程的觀察和設(shè)計，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特征，以此來估計和推斷實際系統(tǒng)的真實參數(shù)和真實性。而且可以非常方便地完成調(diào)試過程且能十分直觀地得到系統(tǒng)輸出波形。利用matlab/simulink仿真工具有效地對直流調(diào)速系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)試，可以非常直觀地觀察電動機電流和轉(zhuǎn)速響應(yīng)情況進行靜態(tài)和動態(tài)分析，是目前國際上廣泛流行的工程仿真技術(shù)。 本文利用 matlab仿真工具對直流調(diào)速系統(tǒng)進行仿真分析，通過仿真方法來調(diào)整理論設(shè)計所得的參數(shù)，找出系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)，仿真結(jié)果可以用來指導(dǎo)實際系統(tǒng)的設(shè)計[21]。 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型的構(gòu)建Matlab仿真結(jié)構(gòu)框圖中ASR、ACR采用PI模塊,其參數(shù)設(shè)置就根據(jù)第2章第五節(jié)計算所求得數(shù)值,輸出控制IGBT，其限幅均為[10, 10]。然后通過電流反饋和速度反饋構(gòu)成雙閉環(huán)電路[22]。仿真模型整體框圖如圖51所示。圖51 仿真模型整體框圖三相電源設(shè)置峰值電壓為220V,頻率為50 Hz,相位分別為0176。、240176。和120176。整流橋為系統(tǒng)默認(rèn)值。由于電動機輸出信號是角速度ω, 故把其轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速(n =60ω/2π=)。系統(tǒng)主要檢測電機的輸出轉(zhuǎn)速，在將角速度ω轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速n后，接一個顯示器用于顯示轉(zhuǎn)速波形。為了更好的看到電機運行情況，再接一個顯示器用來顯示電機中電流波形。 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析設(shè)置好仿真參數(shù)只好，點擊開始仿真按鈕，系統(tǒng)開始仿真。雙閉環(huán)系統(tǒng)輸出電流、轉(zhuǎn)速均接顯示器[23]。轉(zhuǎn)速信號波形圖如圖52所示。電流信號波形圖如圖53所示。圖52 轉(zhuǎn)速信號波形圖圖5