【導讀】技術已應用到各個領域。在各類機電系統(tǒng)中,由于直流電機具有良好的啟動、制動和。圍寬和損耗低的特點。而利用計算機數(shù)字控制也成了直流調(diào)速的一種手段,數(shù)字控制。通信和故障診斷等模擬系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)，并且。對PWM信號的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對PWM信號占空比進行調(diào)節(jié)，此外，本文中還采用了芯片IR2110. 輸入到單片機進行PI運算，從而實現(xiàn)了對直流電機速度的控制。詳細介紹了PI運算程序，初始化程序等的編寫思路和具體的程序實現(xiàn)。

　　

【正文】 回路。此時直流電機正轉。 在 HIN為低電平期間， LIN端輸入高電平， Q Q3導通，在直流電機上加反向工作電壓。其具體的操作步驟如下： 當 IC1的 LO為高電平而 HO為低電平的時候， Q2導通且 Q1截止。此時 Q2的漏極近乎于零電平， Vcc通過 D1向 C1充電，為 Q1的又一次導通作準備。同理可知， IC2 23 的 HO為高電平而 LO為低電平， Q3導通且 Q4截止， Q3的漏極近 乎于零電平，此時 Vcc通過 D2向 C3充電，為 Q4的又一次導通作準備。 電源經(jīng) Q3至電動機的負極經(jīng)過整個直流電機后再通過 Q2到達零電位，完成整個的回路。此時，直流電機反轉。 因此電樞上的工作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉向和轉速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。 設 PWM波的周期為 T， HIN為高電平的時間為 t1，這里忽略死區(qū)時間，那么 LIN為高電平的時間就為 Tt1。 HIN信號的占空比為 D=t1/T。設電源電壓為 V，那么電樞電壓的平均值為： Vout= [ t1 ( T t1 ) ] V / T = ( 2 t1 – T ) V / T = ( 2D – 1 )V (41) 定義負載電壓系數(shù)為 λ， λ= Vout / V, 那么 λ= 2D – 1 ；當 T為常數(shù)時，改變 HIN為高電平的時間 t1，也就改變了占空比 D，從而達到了改變 Vout的目的。 D在 0—1之間變化，因此 λ在177。 1之間變化。如果我們聯(lián)系改變 λ，那么便可以實現(xiàn)電機正向的無級調(diào)速。電機驅動電路如圖 410所示。 當 λ=， Vout=0,此時電機的轉速為 0； 當 λ1時， Vout為正，電機正轉； 當 λ=1時， Vout=V,電機正轉全速運行。 24 圖 410 電機驅動電路 高精度數(shù)字測速電路 光電編碼盤 光電編碼盤是將測得的角位移轉換成為相應的電脈沖信號輸出的數(shù)字傳感器，本設計采用增量式光電編碼器來采樣轉速信號。增量式編碼器是專門了用來測量轉動角位移的累計量。這里以三相編碼器為例來介紹增量式編碼器的工作原理及其結構。 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，在圓盤兩側安放發(fā)光元件和光敏元件。當圓盤隨電機旋轉時，光敏元件接受的光增量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過整形后變成脈沖。碼盤上有向標志，每轉一圈 z 相輸出一個脈沖。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還提供相位相差 90176。 的兩路脈沖信號。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，每轉一圈復位一次計數(shù)器。 編碼盤的旋轉方向可以通過 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。 ，當電機正轉時， 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。當電機反轉時， 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，由此確定電機的轉動方向。 25 轉速檢測的精度和快速性對電機調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能影響極大。為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測速，本設計使用每轉 1024 線的光電編碼器作為轉速傳感器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機轉速有固定的比列 關系，微機對該頻率信號采用 M/T 法測速處理 [11]。 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 進行計數(shù)的同時對時鐘脈沖的個數(shù) m2也進行計數(shù)，原理如圖 411 所示 。 圖 411 M/T 法測速原理圖 測速時間 Td 由測速脈沖來同步，即由硬件電路實現(xiàn) Td 等于整 m1 個脈沖周期，設從圖上 a 點開始，計數(shù)一器分別對 m1和 m2計數(shù)，到達 b 點，預計的測速時間 Tc一到，微機發(fā)出停止計數(shù)指令，但因為 Tc 不一定恰好等于整數(shù)個編碼器輸出脈沖周期，所以計數(shù)器仍對時鐘脈沖汁數(shù) ，直到 c 點時，可以利用下一個轉速脈沖 (即 c 點 )觸發(fā)數(shù)字測速硬件電路使時間計數(shù)器停止計數(shù)。這樣， m2就代表了整個 m1測速脈沖周期的時間。 26 5 系統(tǒng)軟件設計 主程序 本設計的單片機控制程序采用 51 匯編語言編寫，在編寫的過程中，盡量向結構化、模塊化的方向編寫，整個程序的清單見附錄 A。本章將對該直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的程序做具體分析。首先分析主程序的流程，其程序流程圖如圖 51 所示。 圖 51 主程序流程圖 如上圖顯示，本設計的主程序設計比較簡單。程序首先是給 AT89C51 送取一個占空比為 50%的數(shù)據(jù)。（當然可送其它占空比數(shù)據(jù)，這里是為了更好的展示，根據(jù)不同系統(tǒng)的需要，其值可變）。跟著對數(shù)據(jù)和中斷進行初始化：對控制電機的選通信號與方向信號的引腳置 0（通電時電機不啟動，直到按下啟動鍵后再啟動，啟動后的轉向是正轉）；對顯示子程序中用到的數(shù)據(jù)寄存單元及測速子程序中用到的時間 27 寄存器、速度數(shù)據(jù)寄存器 清零；設定 T0 的工作方式及定時時間，開中斷，并讓 T0開始工作。接著就按順序循環(huán)調(diào)用測速子程序、顯示子程序和鍵盤掃描子程序 [12]。 鍵盤掃描子程序 在第二章的方案選擇中，我們已經(jīng)確定了使用獨立式鍵盤。其獨立式鍵盤由四個按鍵組成，分別控制電機的啟動、制動，正轉、反轉，加速和減速。其程序流程圖如圖 52。 圖 52 鍵盤子程序的流程圖 組成鍵盤的按鍵有觸點式和非觸點式兩種，單片機中應用的一般是由機械觸點構成的。在下圖中，當開關 S 未被按下時， 輸入為高電平， S 閉合后， 輸入為低電平。由 于按鍵是機械觸點，當機械觸點斷開、閉合時，會有抖動動， 輸入端的波形如圖 53 所示。這種抖動對于人來說是感覺不到的，但對計算機來說，則是完全可以感應到的，因為計算機處理的速度是在微秒級，而機械抖動的時間至少是毫秒級，對計算機而言，這已是一個漫長的時間了。 28 圖 53 鍵盤按下時的抖動現(xiàn)象 所以在鍵盤的應用中，一定要解決抖動問題。通常去抖動的方法有兩種：硬件方法和軟件方法。單片機中常用軟件法，在本設計中也是應用軟件法。軟件法其實很簡單，就是在單片機獲得 口為低的信息后，不是立即認定 S1 已被按下 ，而是延時 10 毫秒或更長一些時間后再次檢測 口，如果仍為低，說明 S 的確按下了，這實際上是避開了按鍵按下時的抖動時間。而在檢測到按鍵釋放后（ 為高）再延時 510 個毫秒，消除后沿的抖動，然后再對鍵值處理。不過一般情況下，我們通常不對按鍵釋放的后沿進行處理，而且不對按鍵釋放的后沿進行處理也可以滿足本設計的要求 [13]。 PWM 信號發(fā)生程序 本設計中，直接應用 AT89C51 用軟件的方法模擬輸出 PWM 信號，其程序流程圖如圖 54 所示 。 相對應用硬件實現(xiàn) PWM 信號，用軟件實現(xiàn)具有成本低，限制少， 實現(xiàn)便捷等優(yōu)點。但是實現(xiàn)高性能的軟件 PWM，也不是容易的事情。軟件 PWM 的最大難題是死區(qū)的大小，就是 PWM 的最少分辨時間；其次是程序的效率問題。用軟件實現(xiàn) PWM信號，常用兩種方法：一種是用定時器控制 PWM 輸出，此種方法死區(qū)時間最少占 5個指令周期，分辨率比較低。第二種是應用指令延時實現(xiàn) PWM 的輸出，此種方法的分辨率可以達到一個指令周期，但是程序較為復雜，而且占用機時比較多。理論上，把這兩種方法結合起來，根據(jù)不同的占空比，采用相應合適的方式可以比較好的解決死區(qū)與效率的問題。 圖 54 就的用延時的方法實現(xiàn) PWM 波 形輸出的流程圖。在本設計中，應用單片機每 50 個機器周期為 PWM 波形的基本周期（ AT89S51 采用 12MHz的晶體，即 PWM波形的周期為 100uS，其頻率為 10KHz），采用定頻調(diào)寬的方法。定時器 T0 確定 PWM波的頻率， T1 確定高電平的時間，這樣改變 T1 的初值就可以改變占空比。詳細程序見看附錄。 29 圖 54 產(chǎn)生 PWM 信號的流程圖 測速子程序 測速是本系統(tǒng)的附加的功能，通過對速度的測量并顯示出數(shù)值來，能讓人直觀地看出調(diào)速的結果和性能。實現(xiàn)測速功能的程序流程圖如圖 55。 對于小型電動機速度的測量 ，比較常用的采用脈沖發(fā)生器來檢測速度。通常可以使用以下兩種方法： (1) M 法：在一定時間間隔 T 內(nèi)，對脈沖發(fā)生器的輸出脈沖計數(shù)，從而得到與轉速成正比的脈沖測量值 m。 (2) T 法：通過測量脈沖發(fā)生器的脈沖周期來計算電動機轉速的一種測量方法，脈沖周期的測量是借助頻率已經(jīng)確定的始終脈沖計數(shù)間接獲得。 一般情況下， M 法適用于中高速的檢測，速度越高誤差就越小，測量的數(shù)據(jù)就越精確，相反速度越低，誤差就越大； T 法適用于低速的檢測。在實際應用中，還有一種集以上兩種方法的優(yōu)點與一體的測速方法 M/T 法。在 本設計中，對轉速的測量精度沒有很高的要求，而且轉速較多的工作于中高速部分，所以選用 M 法測速。 在圖 55 測速功能的程序流程圖中可以看到，利用單片機進行速度的轉速測量比較簡單。轉速的檢測，實際上是應用了兩個中斷服務子程序， T0 中斷和 INT0 中斷。在圖 55 中可見， INT0 中斷執(zhí)行的功能十分簡單，就是外部每輸入一個脈沖， R0 寄存器就加 1。 30 T0 中斷的作用就是給定一個時間間隔 T，在 T 內(nèi)應用 INT0 中斷對外部脈沖進行計數(shù)，時間到就送出 R0 的數(shù)值，并對其清零。由圖 55 可知，設計應用了兩塊小磁鋼，所以電機每轉一圈，就 會產(chǎn)生兩個脈沖，因此我們只需要定時 就可以得到電機 1S 的轉速了。程序中的測速子程序，就是對轉速數(shù)據(jù)進行 BCD 碼的轉換并且顯示 [14]。 圖 55 測速功能的程序流程圖 顯示子程序 本設計用了四位共陽數(shù)碼管和七段譯碼器作為顯示電路外圍器件，其詳細的硬件論述請看第四章的 LED 顯示的硬件電路部分。這樣要與硬件電路匹配就要求軟件的輸出必須要是 BCD 碼，并且要采用動態(tài)顯示方式。圖 56 是顯示子程序的流程圖。 在 LED 的硬件圖中可以看到，單片機的 P2 口作為顯示部分的數(shù)據(jù)輸出口與控制輸出口。其中 P2 口的低四位作為 BCD 碼的輸出口，在 LED 的硬件圖中可以看到，單片機的 P2 口作為顯示部分的數(shù)據(jù)輸出口與控制輸出口。其中 P2 口的低四位作為 31 BCD 碼的輸出口， P2 口的高四位分別控制四位 LED（ LED LED LED3 和 LED4）。在流程圖中可見，程序先把個位數(shù)據(jù)存儲單元的 BCD 碼送到 P2 口的低四位，在對 置 1 選通 LED1，這樣 LED1 就顯示個位的數(shù)據(jù)了，再延時 1mS；接著再把十位數(shù)據(jù)存儲單元的 BCD 碼送到 P2 口的低四位，在對 置 1 選通 LED2，這樣 LED2就顯示個位的數(shù)據(jù)了，再延時 1mS；然后把百 位數(shù)據(jù)存儲單元的 BCD 碼送到 P2 口的低四位，在對 置 1 選通 LED3，這樣 LED3 就顯示個位的數(shù)據(jù)了，再延時 1mS；最后把千位數(shù)據(jù)存儲單元的 BCD 碼送到 P2 口的低四位，在對 置 1 選通 LED3，這樣 LED4 就顯示個位的數(shù)據(jù)了，再延時 1mS 后返回。其中，軟件不可能顯示到轉速的千位數(shù)，因為我們只以一個寄存器儲存轉速數(shù)據(jù)，所以本軟件最大的檢測轉速值是 255 轉每秒。 LED 的千位是正反轉的標志位，當電機正轉的時候不顯示（ BCD碼為 1111），當電機反轉的時候顯示為“三”型（ BCD 碼為 1101） [15]。 圖 56 顯示子程序的流程圖 32 結 論 本文設計的基于 8051 的直流電動機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)充分利用了單片機豐富的片內(nèi)資源，以及高效的運算處理能力。系統(tǒng)的軟件設計結構合理功能完善，基本實現(xiàn)了對系統(tǒng)的轉速電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)由驅動電路將單片機輸出的數(shù)字信號轉化成 PWM 波形的功能。 通過各種方案的討論及嘗試，再經(jīng)過多次的整體軟硬件結合調(diào)試，不斷地對系統(tǒng)進行優(yōu)化。同時對電動機控制不是一個簡單的電子控制問題，它涉及很多方面的知識。相信單片機在今后的自動控制領域中將有更廣闊的應用前景。相信 該系統(tǒng) 能成功 運 用于 直流電機轉速系統(tǒng)的實時監(jiān)控，簡化控制邏輯系統(tǒng)， 而且 成本低廉、功能完整、抗干擾性能好。 能 成功應用于直流電機轉速調(diào)節(jié)、監(jiān)控、保護場合，并且監(jiān)控 界面友好，使用方便。能夠對直流電機實行實時監(jiān)控，不僅大大改善了高速運行時的穩(wěn)定性，而且還實現(xiàn)了保護功能。 33 致 謝 在這次畢業(yè)設計中，要特別感謝汪媛老師給予的耐心細致的指導，對于在設計過程中所遇到的許多具體問題，她