【正文】 碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機(jī)對該頻率信號(hào)采用M/T法測速處理。 M/T法測速原理M/T法測速原理是在對光電編碼器輸出的測速脈沖數(shù)m1進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)，對時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)m2也進(jìn)行計(jì)數(shù)。 測速時(shí)間Td由測速脈沖來同步，即由圖412硬件電路實(shí)現(xiàn)Td等于整m1個(gè)脈沖周期。設(shè)從圖410上a點(diǎn)開始，計(jì)數(shù)器分別對ml和m2計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)，預(yù)計(jì)的測速時(shí)間Tc到，微機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)指令，但因?yàn)門c不一定恰好等于整數(shù)個(gè)編碼起輸出脈沖周期，所以計(jì)數(shù)器仍對時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，自到c點(diǎn)時(shí)，可以利用下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖上升沿(即c點(diǎn))觸發(fā)數(shù)字測速硬件電路使時(shí)間計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這樣，m2就代表了m1個(gè)測速脈沖周期的時(shí)間。設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為f0，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出P個(gè)脈沖，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為:在本系統(tǒng)中，由于選用f0=2MHz, P=1024= ，所以轉(zhuǎn)速計(jì)算公式有:為了在低速測量時(shí)能使測速器在相當(dāng)短的Td時(shí)間內(nèi)任能包含較多個(gè)測速脈沖的高精度測速值，除了盡可能選擇較大P值的光電編碼器外，還可以利用光電編碼器輸出的相位上互差90的兩路矩形脈沖信號(hào)經(jīng)過4信頻電路后再送入計(jì)數(shù)器。這樣，轉(zhuǎn)速n的計(jì)算式應(yīng)改為: 數(shù)字測速硬件電路 數(shù)字測速硬件電路如圖412所示。途中8253的0號(hào)、1號(hào)計(jì)數(shù)器分別對ml和m2進(jìn)行計(jì)數(shù)，D觸發(fā)器F1用來使m2的計(jì)數(shù)與測速脈沖計(jì)數(shù)同步，由于8253為下降沿計(jì)數(shù)，故使用反向器G,啟動(dòng)測速和停止測速信號(hào)有89C52單片機(jī)的軟件向P1. 2口輸出，P1. 3口用于測速電路軟件輸出復(fù)位脈沖信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)ml和m2同步計(jì)數(shù)，8253的0號(hào)和1號(hào)計(jì)數(shù)器使用方式2工作。上電初始化進(jìn)入這種方式后，可用GATE電平對計(jì)數(shù)過程進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)89C52單片機(jī)在圖411上s點(diǎn)時(shí)刻向P1. 2口輸出高電平，發(fā)出啟動(dòng)測速信號(hào)，即置GATE0為高電平，0號(hào)測速脈沖計(jì)數(shù)器立即從初始值開始計(jì)數(shù)直至在圖411上b點(diǎn)時(shí)刻向P1. 2口輸出低電平，即發(fā)出停止測速信號(hào)，迫使計(jì)數(shù)過程停止。這樣從測速啟動(dòng)點(diǎn)s到停止點(diǎn)b時(shí)間間隔內(nèi)，GATE0為高電平，則輸入8253 CLK端口的測速脈沖計(jì)數(shù)值即為m1。在圖412中，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的GATE1與D觸發(fā)器輸出的Q端相接。當(dāng)P1. 2口輸出高電平開始測速后，要等隨后的第一個(gè)輸入測速脈沖上升沿進(jìn)入D觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖CP端，Q才變?yōu)楦唠娖?，此?MHZ時(shí)鐘脈沖開始計(jì)數(shù)，相當(dāng)于圖411中a點(diǎn)時(shí)刻。同樣當(dāng)P1. 2口輸出低電平停止測速，時(shí)鐘脈沖要等到圖中c點(diǎn)才停止計(jì)數(shù)，此時(shí)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值m}剛好是整m,個(gè)測速脈沖的時(shí)間間隔。8279是一種通用的可編程鍵盤/顯示器接口芯片。它能接收和識(shí)別來自鍵盤陣列的輸入數(shù)據(jù)并完成預(yù)處理，還能顯示數(shù)據(jù)和對數(shù)碼顯示器進(jìn)行自動(dòng)掃描控制。是實(shí)現(xiàn)CPU與鍵盤、LED數(shù)碼顯示器之間進(jìn)行信息交換的一種專用接口芯片。8279與MCS51單片機(jī)的接口非常簡單，因而在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 8279的接口方法如圖413所示。圖中，89C52外接88鍵盤，16位顯示器。8279的數(shù)據(jù)總線接89C52的PO口。8279鍵盤部分提供具有而鍵鎖定或N鍵巡回方式的64鍵鍵盤矩陣。,SL0~SL2通過外接38譯碼器(74LS138)來選擇行。列值由RL0~RL7進(jìn)入8279，這8條返回線的信號(hào)經(jīng)8279緩沖鎖存。如果某鍵按下，該鍵在陣列中的地址，以及換檔鍵(SHIFT）和控制鍵（CNTL）的狀態(tài)送入8279的FIFO的RAM中。FIFO的RAM最多可存放8個(gè)字符。當(dāng)檢測到某鍵按下時(shí)，8279的中斷請求變?yōu)楦唠娖?。同時(shí)IFO狀態(tài)字改變以反映存放在FIFO中的字符數(shù)。 A0~A3和B0~B3為段控輸出(高電平有效)，外接驅(qū)動(dòng)器后連至LED各段。對于7段LED來說，A3為最高位，B0為最低位。SL0~SL3為位控輸出，經(jīng)譯碼器驅(qū)動(dòng)后，連至LED可控制16位顯示器，其掃描速度則由內(nèi)部定時(shí)器決定。 為了便于操作和符合人們的習(xí)慣，8279采用傳感器陣列式工作方式，作為鍵盤和撥盤的輸入接口。改系統(tǒng)選用2x8陣列，各鍵的功能設(shè)置如下: 0號(hào)鍵:空鍵；1號(hào)鍵:確定鍵；2號(hào)鍵:顯示切換鍵；3~7號(hào)鍵:加速設(shè)定鍵；8號(hào)鍵:停車鍵；11~15號(hào)鍵:減速設(shè)定鍵；其他為備用鍵。顯示器是8位LED數(shù)碼管，它包括1位狀態(tài)符號(hào)顯示和4位數(shù)據(jù)顯示，都采用動(dòng)態(tài)顯示方式。由于8279接口芯片在初始化后就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對傳感器陣列進(jìn)行掃描和刷新顯示，所以89C52微機(jī)既能及時(shí)地從傳感器陣列接受控制命令和各種數(shù)據(jù)，及時(shí)地對調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速值進(jìn)行處理，又不會(huì)因?yàn)檫@些功能而加重微機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)。為了節(jié)省中斷源和充分利用執(zhí)行同步脈沖中斷服務(wù)程序執(zhí)行的間隙時(shí)間，此處89C52單片機(jī)可改用查詢方式讀取8279傳感器陣列的狀態(tài)信息。節(jié)省下來INT1中斷源可用作后面將介紹的“改進(jìn)的雙通道M/T法數(shù)字測速”讀計(jì)數(shù)值中斷。讀8279傳感器陣列狀態(tài)信息由由中斷方式改為查詢方式后，8279的中斷請求信號(hào)端子IRQ是懸空的如果此時(shí)狀態(tài)信息發(fā)生變化，它就得不到清除中斷的硬件信號(hào)。為防止新的狀態(tài)信息進(jìn)不了8279狀態(tài)寄存器，可采取軟件方法清除中斷，只要每讀完一次傳感器陣列狀態(tài)，89C52單片機(jī)向8279寫一次清除中斷的控制字，就能保證所后的新狀態(tài)信息能進(jìn)入8279狀態(tài)寄存器，當(dāng)89C52下一次查詢時(shí)就能讀入最新狀態(tài)信息。在晶體管功率放大和電源電路中，脈沖寬度調(diào)制器(Pulse Width Modulate)以其功耗低、效率高得到了越來越廣泛的應(yīng)用。模擬電路構(gòu)成的PWM調(diào)制器通常由三角波(或鋸齒波)發(fā)生器和比較器組成，這種電路適用于控制信號(hào)為模擬信號(hào)的場合。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)控制正逐步取代傳統(tǒng)的模擬控制，后期生產(chǎn)的用于控制的單片微型計(jì)算機(jī)如80C552往往在片內(nèi)集成有PWM調(diào)制器，而早期的微機(jī)如我國己廣泛使用的8051系列則無此功能。如采用上述的模擬PWM調(diào)制器，則需要通過D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，才能與這種調(diào)制器相接，不但不方便，而且一般還需要進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。本人根據(jù)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字式PWM調(diào)制器，可以直接與計(jì)算機(jī)輸出口連接，電路簡單，制作容易，成本低廉，無需調(diào)整，非常適合微機(jī)控制場合。該P(yáng)WM調(diào)制器上作頻率可達(dá)100KHZ,可零輸出和滿載輸出。當(dāng)輸入8位2進(jìn)制代碼d時(shí)，應(yīng)產(chǎn)生的PWM信號(hào)如圖415 Q所示，一個(gè)PWM的脈沖周期為256個(gè)時(shí)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(jìn)制代碼，幾乎難以用一般簡單觸發(fā)器或555一類的時(shí)基振蕩電路實(shí)現(xiàn)。所以考慮用數(shù)字電路如圖4一14:計(jì)數(shù)器(或定時(shí)器)、觸發(fā)器和少量輔助電路實(shí)現(xiàn)。輸入一個(gè)比PWM頻率高256子音的基準(zhǔn)脈沖cp，對cp記數(shù)，計(jì)d個(gè)脈沖，在d個(gè)cp周期內(nèi)輸出高電平，接著計(jì)(256d)個(gè)脈沖，輸出(256d) cp周期的低電平。計(jì)數(shù)器為8位可預(yù)置加/減計(jì)數(shù)器，在輸出為高電平時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，計(jì)d個(gè)脈沖后，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為0,輸出借位信號(hào)co, co使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并同時(shí)使計(jì)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(jì)數(shù)器在觸發(fā)器控制下，作加計(jì)數(shù)，在計(jì)(256d)個(gè)后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為255,輸出co進(jìn)位信號(hào)，co信號(hào)促使觸發(fā)器電平再次轉(zhuǎn)變?yōu)楦撸⑹褂?jì)數(shù)再次置為d，從而進(jìn)行下一輪的計(jì)數(shù)，電路實(shí)現(xiàn)具體如圖416: 8位計(jì)數(shù)器由2個(gè)4位雙向可預(yù)置計(jì)數(shù)74191級(jí)聯(lián)而成，低位co信號(hào)輸?shù)礁呶坏腸p信號(hào)端，即為異步接法。高位的co信號(hào)為電路總co信號(hào)接到計(jì)數(shù)器的置數(shù)端LD, co信號(hào)反相后即為觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，觸發(fā)器用一個(gè)D觸發(fā)器7474, D端與/Q端相接(構(gòu)成T觸發(fā)器)，Q端即PWM信號(hào)正輸出Q,即為PWM互補(bǔ)輸出Q, Q端與計(jì)數(shù)器的加/減計(jì)數(shù)器的控制端U相聯(lián)，控制計(jì)數(shù)器的加減計(jì)數(shù)。PWM調(diào)制器的原理如圖416所示?，F(xiàn)在對全數(shù)字PWM調(diào)制器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真接線如圖417所示，輸入十進(jìn)制64(即二進(jìn)制01000000),輸入信號(hào)脈沖如圖418所示。這是PWM調(diào)制器輸出仿真PWM信號(hào)如圖419所示，其正波形正好是一個(gè)周期的四分之一，與實(shí)際相符。當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)減速或停車時(shí)，貯存在電機(jī)和負(fù)載傳動(dòng)部分的動(dòng)能將變成電能，并通過PWM變換器回饋給直流電源。一般直流電源由不可控的整流器供電，不可能回饋電能，只好對濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。如果要讓電容器全部吸收回饋能量，將需要很大的電容量，或者迫使泵升電壓很高而損壞元器件。在不希一望使用大量電容器(在容量為幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)中，電容至少要幾千微法)從而大大增加調(diào)速裝置的體積和重量時(shí)，可以采用由分流電阻Rpar,和開關(guān)管VTpar,組成的泵升電壓限制電路，如圖4一20所示。當(dāng)濾波電容C的端電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許值時(shí)，VTpar導(dǎo)通，接入分流電路，把回饋能量的一部分消耗在分流電阻中。對于更大的功率的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在分流電路中接入逆變器，把一部分能量回饋到電網(wǎng)中去，電路如圖4一21所示。 本章較為詳細(xì)地介紹了用89C52單片微機(jī)作主控器，脈寬調(diào)制觸發(fā)與轉(zhuǎn)速測控都實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)，它采用了高分辨率數(shù)字觸發(fā)器、高精度數(shù)字測速裝置和高性能的數(shù)字脈寬調(diào)制器，電流與轉(zhuǎn)速反饋控制環(huán)的控制器都由微機(jī)來實(shí)現(xiàn)，它按PI控制規(guī)律完成數(shù)字化的控制運(yùn)算。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎，具有獨(dú)創(chuàng)性，使用元器件集成程度高，是一個(gè)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)都高于常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)的新型全數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)。為了不使系統(tǒng)受到電網(wǎng)的電壓波動(dòng)和頻率波動(dòng)的影響和隔離從電源線進(jìn)入的傳導(dǎo)型干擾，在電路中實(shí)行了光隔離。為了使脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)減速或停車時(shí)，貯存在電機(jī)和負(fù)載傳動(dòng)部分能量產(chǎn)生的“泵升電壓”使系統(tǒng)不能正常上作或損壞元器件，設(shè)計(jì)了泵升電壓限制電路，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。第五章 調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)為了使微機(jī)控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)控制和管理，除了要設(shè)計(jì)合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。因此，用匯編或其他高級(jí)語言編寫電機(jī)微機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分重要的內(nèi)容。本系統(tǒng)用89C52單片機(jī)代替了直流電動(dòng)機(jī)雙環(huán)調(diào)速裝置中的電流和轉(zhuǎn)速控制器。整個(gè)控制程序由主程序、外中斷服務(wù)程序、PI運(yùn)算程序及各種輔助程序組成，程序總長小于4K字節(jié)，運(yùn)行一遍的時(shí)間小于3. 33ms 。(1) 實(shí)時(shí)性 電機(jī)控制都是快速的實(shí)時(shí)控制，所以它的軟件是實(shí)時(shí)性控制軟件。所謂實(shí)時(shí)性是指微機(jī)在一定的時(shí)間限制內(nèi)，完成一系列的軟件處理過程，例如對電機(jī)的被控參數(shù)(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、電流、電壓等)的反饋信號(hào)進(jìn)行采樣、計(jì)算、邏輯判斷。按規(guī)定的控制算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，輸出各種控制信號(hào)，以及對突然出現(xiàn)的故障報(bào)警和處理等。上述各種處理，若超出一定的時(shí)間，就失去了意義。對于一些復(fù)雜的控制過程，為了滿足實(shí)時(shí)性的要求，往往要對控制軟件的每條指令精打細(xì)算，必要時(shí)甚至只好適當(dāng)犧牲控制精度，以簡化的控制算法換取系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。(2) 可靠性 軟件的可靠性是指在軟件運(yùn)行過程中避免發(fā)生故障的能力，以及一旦發(fā)生故障后的解脫和排除故障的能力。因此，為了提高軟件的可靠性，軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮電機(jī)在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的一切非正常情況，如超速、超載等超限運(yùn)行。而且若系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，如傳感器損壞而無信號(hào)輸入，微機(jī)的硬件線路損壞而無控制信號(hào)輸出等情況，或按錯(cuò)按鍵、輸入錯(cuò)誤參數(shù)等誤操作，或發(fā)生程序運(yùn)行時(shí)受外界嚴(yán)干擾而“走飛“等情況，也應(yīng) 有一定的對策，不應(yīng)給裝置造成嚴(yán)重的損失。(3) 易修改性 一個(gè)好的完整的控制軟件，都不是一次設(shè)計(jì)和調(diào)試完成的。常常是邊設(shè)計(jì)邊調(diào)試，經(jīng)過逐次修改和不斷完善，最終才滿足所要求的功能和特性。因此軟件在一開始總體設(shè)計(jì)時(shí)，必須要有良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以有利于提高軟件在反復(fù)調(diào)試、修改和補(bǔ)充過程中的效率，且保證最終完成的軟件仍具有簡潔明了的結(jié)構(gòu)。實(shí)際的應(yīng)用程序一般都有一個(gè)主程序(包括若干功能模塊)，若干個(gè)子程序(每個(gè)中斷程序一般作為一個(gè)功能模塊，也可以包括多個(gè)功能模塊)，以及若干個(gè)子程序，共計(jì)三大部分構(gòu)成。按照任務(wù)的定義，每個(gè)功能模塊都能完成某一明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)具體的某個(gè)功能，如測量、計(jì)算、顯示、打印、鍵盤掃描、輸出控制等。程序設(shè)計(jì)的第一步是設(shè)計(jì)總體(邏輯功能)流程圖，如圖41所示?？傮w流程圖主要反映所設(shè)計(jì)程序的思路，給出主程序、中斷程序和子程序的框架結(jié)構(gòu)、任務(wù)按排。其具有以下優(yōu)點(diǎn):具有標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)集:能夠比較自觀的描述程序的結(jié)構(gòu)，使得一個(gè)大而復(fù)雜的程序，也比較容易讀懂:能強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵的判斷點(diǎn)與計(jì)算機(jī)語言沒有直接聯(lián)系?？傮w流程圖不僅反映了軟件設(shè)計(jì)者的邏輯思路是否合理，也決定了該程序能否實(shí)時(shí)、正確和可靠地完成控制任務(wù)。因此，總體流程圖地設(shè)計(jì)是程序設(shè)計(jì)地關(guān)鍵部分。從程序總體結(jié)構(gòu)來看，對主程序、中斷程序和子程序進(jìn)行分上。將軟件按實(shí)時(shí)性要求的高低把整個(gè)軟件分為兩大類:一類是執(zhí)行軟件，它的實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)算法的效率，而且與硬件配合有關(guān)(如外中斷申請，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的外啟動(dòng)，A/D或D/A轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)等)。例如本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定時(shí)系統(tǒng)、采樣測量、控制運(yùn)算、控制輸出等執(zhí)行程序，通常要和硬件中的中斷觸發(fā)電路配合。這些執(zhí)行軟件，常常就構(gòu)成了響應(yīng)的中斷服務(wù)及其調(diào)用的子程序。另一類是監(jiān)控(管理)軟件，它起組織調(diào)度的作用專門用于諧調(diào)各執(zhí)行模塊與操作者的關(guān)系，這類程序?qū)?shí)時(shí)性要求不高，主要考慮總體諧調(diào)，要求邏輯嚴(yán)密，而且要盡量使操作者使用方便。監(jiān)控程序常常有稱之為后臺(tái)程序，一般就是指軟件中的主程序及其調(diào)用的子程序，如系統(tǒng)上電初始化程序、鍵盤掃描程序、顯示程序，打印程序，也包括不必與硬件時(shí)序配合的短小執(zhí)行程序，執(zhí)行軟件(前臺(tái))和監(jiān)控(后臺(tái))軟件之間一般通過中斷和中斷返回的形式進(jìn)行切換。 用C語言來編寫代碼具有較強(qiáng)得可讀性，較高的效率和更好的可移植性。在微機(jī)系統(tǒng)中，對芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、RAM和I/0端口采用統(tǒng)一編址進(jìn)行識(shí)別。每個(gè)特殊功能寄存器、RAM以及I/0端口都有唯一得地址。為便于理解，C語言源程序中將單片機(jī)中得特