【正文】 為便于理解，C語言源程序中將單片機中得特殊功能寄。在微機系統(tǒng)中，對芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器、RAM和I/0端口采用統(tǒng)一編址進行識別。監(jiān)控程序常常有稱之為后臺程序，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序配合的短小執(zhí)行程序，執(zhí)行軟件(前臺)和監(jiān)控(后臺)軟件之間一般通過中斷和中斷返回的形式進行切換。這些執(zhí)行軟件，常常就構(gòu)成了響應的中斷服務及其調(diào)用的子程序。將軟件按實時性要求的高低把整個軟件分為兩大類:一類是執(zhí)行軟件，它的實時性比較強，強調(diào)算法的效率，而且與硬件配合有關(guān)(如外中斷申請，定時/計數(shù)器的外啟動，A/D或D/A轉(zhuǎn)換的啟動等)。因此，總體流程圖地設(shè)計是程序設(shè)計地關(guān)鍵部分。其具有以下優(yōu)點:具有標準的符號集:能夠比較自觀的描述程序的結(jié)構(gòu)，使得一個大而復雜的程序，也比較容易讀懂:能強調(diào)關(guān)鍵的判斷點與計算機語言沒有直接聯(lián)系。程序設(shè)計的第一步是設(shè)計總體(邏輯功能)流程圖，如圖41所示。實際的應用程序一般都有一個主程序(包括若干功能模塊)，若干個子程序(每個中斷程序一般作為一個功能模塊，也可以包括多個功能模塊)，以及若干個子程序，共計三大部分構(gòu)成。常常是邊設(shè)計邊調(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。而且若系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，如傳感器損壞而無信號輸入，微機的硬件線路損壞而無控制信號輸出等情況，或按錯按鍵、輸入錯誤參數(shù)等誤操作，或發(fā)生程序運行時受外界嚴干擾而“走飛“等情況，也應 有一定的對策，不應給裝置造成嚴重的損失。(2) 可靠性 軟件的可靠性是指在軟件運行過程中避免發(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。上述各種處理，若超出一定的時間，就失去了意義。所謂實時性是指微機在一定的時間限制內(nèi)，完成一系列的軟件處理過程，例如對電機的被控參數(shù)(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、電流、電壓等)的反饋信號進行采樣、計算、邏輯判斷。整個控制程序由主程序、外中斷服務程序、PI運算程序及各種輔助程序組成，程序總長小于4K字節(jié)，運行一遍的時間小于3. 33ms 。因此，用匯編或其他高級語言編寫電機微機實時控制系統(tǒng)的應用程序，是整個系統(tǒng)設(shè)計中十分重要的內(nèi)容。為了使脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機減速或停車時，貯存在電機和負載傳動部分能量產(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)計了泵升電壓限制電路，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎，具有獨創(chuàng)性，使用元器件集成程度高，是一個靜態(tài)與動態(tài)性能指標都高于常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)的新型全數(shù)字化調(diào)速系統(tǒng)。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。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，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。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”。這是PWM調(diào)制器輸出仿真PWM信號如圖419所示，其正波形正好是一個周期的四分之一，與實際相符?，F(xiàn)在對全數(shù)字PWM調(diào)制器進行仿真實驗。高位的co信號為電路總co信號接到計數(shù)器的置數(shù)端LD, co信號反相后即為觸發(fā)器的時鐘信號，觸發(fā)器用一個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信號正輸出Q,即為PWM互補輸出Q, Q端與計數(shù)器的加/減計數(shù)器的控制端U相聯(lián)，控制計數(shù)器的加減計數(shù)。輸入一個比PWM頻率高256子音的基準脈沖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。當輸入8位2進制代碼d時，應產(chǎn)生的PWM信號如圖415 Q所示，一個PWM的脈沖周期為256個時鐘脈沖周期，則高電平寬度應為d，低電平寬度應為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)。本人根據(jù)控制系統(tǒng)的特點，設(shè)計了一種數(shù)字式PWM調(diào)制器，可以直接與計算機輸出口連接，電路簡單，制作容易，成本低廉，無需調(diào)整，非常適合微機控制場合。當前，計算機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算機如80C552往往在片內(nèi)集成有PWM調(diào)制器，而早期的微機如我國己廣泛使用的8051系列則無此功能。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用。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的中斷請求信號端子IRQ是懸空的如果此時狀態(tài)信息發(fā)生變化，它就得不到清除中斷的硬件信號。為了節(jié)省中斷源和充分利用執(zhí)行同步脈沖中斷服務程序執(zhí)行的間隙時間，此處89C52單片機可改用查詢方式讀取8279傳感器陣列的狀態(tài)信息。顯示器是8位LED數(shù)碼管，它包括1位狀態(tài)符號顯示和4位數(shù)據(jù)顯示，都采用動態(tài)顯示方式。 為了便于操作和符合人們的習慣，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。對于7段LED來說，A3為最高位，B0為最低位。同時IFO狀態(tài)字改變以反映存放在FIFO中的字符數(shù)。FIFO的RAM最多可存放8個字符。列值由RL0~RL7進入8279，這8條返回線的信號經(jīng)8279緩沖鎖存。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。圖中，89C52外接88鍵盤，16位顯示器。8279與MCS51單片機的接口非常簡單，因而在微機應用系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。它能接收和識別來自鍵盤陣列的輸入數(shù)據(jù)并完成預處理，還能顯示數(shù)據(jù)和對數(shù)碼顯示器進行自動掃描控制。同樣當P1. 2口輸出低電平停止測速，時鐘脈沖要等到圖中c點才停止計數(shù)，此時時鐘的計數(shù)值m}剛好是整m,個測速脈沖的時間間隔。在圖412中，時鐘計數(shù)器的GATE1與D觸發(fā)器輸出的Q端相接。當89C52單片機在圖411上s點時刻向P1. 2口輸出高電平，發(fā)出啟動測速信號，即置GATE0為高電平，0號測速脈沖計數(shù)器立即從初始值開始計數(shù)直至在圖411上b點時刻向P1. 2口輸出低電平，即發(fā)出停止測速信號，迫使計數(shù)過程停止。為實現(xiàn)ml和m2同步計數(shù)，8253的0號和1號計數(shù)器使用方式2工作。這樣，轉(zhuǎn)速n的計算式應改為: 數(shù)字測速硬件電路 數(shù)字測速硬件電路如圖412所示。這樣，m2就代表了m1個測速脈沖周期的時間。 測速時間Td由測速脈沖來同步，即由圖412硬件電路實現(xiàn)Td等于整m1個脈沖周期。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(shè)計使用每轉(zhuǎn)1024線的光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機對該頻率信號采用M/T法測速處理。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4一5所示。ADC0809內(nèi)部設(shè)有時鐘電路，故CLK時鐘需外部輸入，fclk允許范圍500KHz~1MHz，典型值為640KHZ。帶8個模擬量輸入通道，有通道地址譯碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。OUTA0~OUTAOUTB0~OUTB3：顯示器刷新寄存器輸出，與掃描線同步。 RL0~RL7：回送線。 SL0~SL7：掃描線。, 為讀、寫信號線。A0：命令狀態(tài)或數(shù)據(jù)選擇線。 (5) FIFO(先進先出)寄存器和狀態(tài)電路。 (3)掃描計數(shù)器。主要山以下幾個部分組成: (1)I/0控制和數(shù)據(jù)緩沖器。8279與MCS51單片機的接口非常簡單，因而在單片機應用系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。它能接收和識別來自鍵盤陣列的輸入數(shù)據(jù)并完成預處理，還能顯示數(shù)據(jù)和對數(shù)碼顯示器件進行自動掃描控制。在單片機應用系統(tǒng)中，由,A0、A1給出16位地址碼。 控制寄存器用來寄存操作方式控制字，每個計數(shù)器都有一個單獨的控制寄存器，只能寫入不能讀出。 8253內(nèi)部具有3個獨立的16位定時/計數(shù)器，每個計數(shù)器有三根I/0線。 8253可編程定時器/計數(shù)器芯片 MCS51內(nèi)部只有兩個16位定時器/計數(shù)器，在數(shù)字測速電路中需要計數(shù)器，選用了一個可擴展8253芯片。.一個片內(nèi)振蕩器/計數(shù)器。.4個8位并行I/0口，其中p0、p1為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址64KB ROM和64 KB RAM。.128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器。（見附錄大圖）在詳細的系統(tǒng)分析、實用性、經(jīng)濟性分析的基礎(chǔ)上，選用了MCS51系列的89C52單片機，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4一3所示。整個系統(tǒng)的硬件原理如圖42所示。轉(zhuǎn)速的檢測采樣數(shù)字測速器，它是用微機讀取與電動機聯(lián)軸的光電編碼器輸出的脈沖數(shù)，經(jīng)微機計算后得出轉(zhuǎn)速值。在加上微機控制系統(tǒng)能采用高分辨率的數(shù)字觸發(fā)器和高精度數(shù)字測速裝置，可以更好的滿足高性能工業(yè)傳動的要求，因此普遍應用于對穩(wěn)速精度、速度分辨力和快速響應要求較高的傳動裝置。從動態(tài)響應過程看，突加設(shè)定轉(zhuǎn)速或啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快達到飽和，這時電流環(huán)不起作用，系統(tǒng)成為恒流系統(tǒng)，在大轉(zhuǎn)速偏差情況下實現(xiàn)了最短時間控制，直到轉(zhuǎn)速超調(diào)后，轉(zhuǎn)速PI才發(fā)揮作用，使轉(zhuǎn)速漸趨穩(wěn)定。從靜態(tài)特性上看，單獨的電流負反饋有使靜特性變軟的趨勢，但是還有轉(zhuǎn)速反饋環(huán)包在外面，當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，靜態(tài)特性上由電流負反饋產(chǎn)生的速度降落，完全被轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用消除了。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。 由圖41可知，系統(tǒng)中設(shè)置的轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，不是將它們的輸出加在一起象單環(huán)系統(tǒng)那樣共同作為PWM調(diào)制器的控制電壓，而是將兩個調(diào)節(jié)器實行串級連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM信號發(fā)生器的控制電壓。系統(tǒng)采用高分辨率數(shù)字觸發(fā)器和高精度數(shù)字測速裝置。在確定PWM變換器開關(guān)頻率時，除必須考慮電流的連續(xù)性和總損耗最小等因素以外，最好使開關(guān)頻率比調(diào)速系統(tǒng)的最高工作頻率高出十倍左右，使PWM變換器的延遲時間T對系統(tǒng)動特性的影響可以忽略。從快速起動系統(tǒng)的要求出發(fā)，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)。在靜特性上，轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)作用保證了系統(tǒng)無靜差，電流環(huán)的作用使系統(tǒng)具有較理想的挖土機下垂特性。電流反饋環(huán)使得系統(tǒng)的抗干擾能力增強，作用在電流環(huán)前向通道上的一切擾動作用，如電網(wǎng)電壓擾動等，受到電流環(huán)的及時調(diào)節(jié)所抑制，使轉(zhuǎn)速不受或少受擾動的影響。由于電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用使系統(tǒng)的起、制動過渡過程中電流的波形接近于理想的最佳過渡波形。調(diào)整限幅值的大小或調(diào)整電流反饋系數(shù)就可方便地改變最大電流lam 。 本章小結(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器串級連接，轉(zhuǎn)速反饋環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。從PWM變換器傳輸效率最高的角度上看，能使總損耗最小的開關(guān)頻率才是最佳開關(guān)頻率。因此，從這些方面來看，PWM變換器的開關(guān)頻率越高越好。 最佳開關(guān)頻率 由前面的分析表明，PWM變換器的開關(guān)頻率越高，則電樞的脈動越小，而且也容易連續(xù)，從而能提高調(diào)速系統(tǒng)低速運行的平穩(wěn)性。由于在電機拖動系統(tǒng)中，負載除電阻和電感外，還有電動勢，動態(tài)損耗沒有變化。對于一般情況下，大多都是帶續(xù)流二極管的電阻一電感負載，在這種情況下電流Ic的增大和減小都是在Uc=Us的條件下進行的。因此動態(tài)損耗主要是ts和tf兩段時間內(nèi)的開關(guān)損耗。開通過程主要是集電極電流的上升時間tr,關(guān)斷過程包括存貯時間ts和下降時間tf飽和導通時，管壓降只有0. 7V,截至時，漏電流只有幾毫安，損耗都很小，應此動態(tài)損耗是開關(guān)工作時的主要損耗。若截至驅(qū)動電流Ib2是理想脈沖電流，則晶體管退出飽和區(qū)后關(guān)斷時集電極電流的下降過程為初始條件是t=0時，Ic(0)≈Ics，代入上式得當t=tf時，Ic≈，代入上式，得到下降時間為如果增大k2，則下降時間減小，如果電流Ib2不是階躍變化的，則下降時間增大。如果增大K1，則存貯時間ts也增加:若增大K2，則導致ts減小。在存貯時間內(nèi)，由于基區(qū)存有少數(shù)載流子，發(fā)射結(jié)仍處于正偏置，晶體管的工作點一直位于飽和區(qū)，Ic沒有明顯的減少。圖317 純電阻負載時晶體管的開關(guān)過程時間曲線從基極電壓變負開始，到電流Ic哀減到零，晶體管完全截至的時間稱作晶體管的關(guān)斷時間toff。當t=tr時，Ic接近它的飽和值Ics，以后不會再有明顯的增加。開通時間包括延遲時間td和上升時間tr,即ton = td+tr。、開關(guān)損耗和最佳開關(guān)頻率晶體管開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，具有其內(nèi)部電荷的建立和符合過程，即使是純電阻負載電路，也需要一定的時間，圖317是典型的晶體管開關(guān)過程波形。則，當整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截至頻率滿足下式時 (3一49)可將滯后環(huán)節(jié)近似看成一階慣性環(huán)節(jié)。根據(jù)其工作原理，當控制電壓Uc改變時，PWM變換器的輸出電壓要到下一個周期方能改變。則為最大值時ρ=，此時角轉(zhuǎn)速的最大脈動量為例如，當Tm= 5Oms, Tl= 4ms, f = 2000Hz,即T=，可見，當開關(guān)頻率足夠高時，轉(zhuǎn)速脈動量很小。把它們分別代入式(3一42)和式(3一43 ),得將上兩式相減，得角速度得脈動量把式(3一42)代入式(3一46)，并考慮到，則式中 電動機的最高理想空載角轉(zhuǎn)速； 機電時間常數(shù)式(347)表明，當電樞電流近似看成線性變化時，角轉(zhuǎn)速的脈動量正比于最高理想空載角轉(zhuǎn)速ω0s，反比與系統(tǒng)的時間常數(shù)Tm和Tl，而且還正比于開關(guān)周期的平方(或反比于開關(guān)頻率的平方)。因此積分常數(shù)Cl , C2相等，而且等于每一段ω得初始值和終了值，這樣，式(342)和式(343)所描述得ω變化波形如圖316所示。此外，由于己把電流看成是按線性變化的，則idminId=,idmaxId=,將這些關(guān)系代入式(3一38)和式(3一39 ),得積分后，得角轉(zhuǎn)速表達式在準穩(wěn)態(tài)下，轉(zhuǎn)速也是周期性變化得，因此ω1 ，