【正文】 在此，對自動化與電氣工程學院的各 位教師表示我最崇高的敬意！ 。老師及學長 對工作認真負責的作風和嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度給我留下了深刻的印象，并將使我終生受益。并且對論文中的我所不清楚的難點問題都細心解答。 Instruments (ICEMI’2020) 20200816 南京工業(yè)大學學士學位論文 35 致謝 本論文是在導師 ,學長 的悉心指導下完成的， 他們 對我的學習和工作嚴格要求，并耐心地教導 。 Xiaobin Liu and Na Lin EE Dept. DualPWM FourQuadrant Control System of Induction Motor Based on DSP[C]. Proceedings of 2020 International Conference on Management Science and Engineering (MSE 2020) (Volume 1). 202010 17 [37]. Xiaodong Zhang Bingshu Wang Yongjun。 在此次設計中存在的不足和失誤還有待改進，對于實現(xiàn)軟硬件搭配的多種可行性分析我沒有太多的去思考，對于測速部分的算法也需要進一步學習跟改進。數(shù)字測速不僅精度高，而且安全穩(wěn)定、維護方便。 圖 電機反轉加速 調試結果分析 本設計采用采用了 AT89S51單片機，該系統(tǒng)實現(xiàn)了用軟件產(chǎn)生 PWM信號并通過單片機對 L298 的信號傳輸達到對小型直流電動機進行啟動、制動、正轉、反轉、加速、減速的控制。 按下減速鍵，直流電機有圖 正向減速運行結果。總結這次軟件調試，讓我認識到了做軟件調試的基本方法與流程： （ 1）認真檢查源代碼，看是否有文字或語法錯誤 （ 2）逐段子程序進行設計，找出錯誤出現(xiàn)的部分，重點排查 （ 3）找到合適的方法 ，仔細檢查程序，分步調試直到運行成功 仿真圖形 初始狀態(tài)，直流電機有如圖示 運行效果 ，按下急停鍵，直流電機有圖 19的停止運行結果。經(jīng)過多天的努力探索，也經(jīng)過老師的指導，大部分問題都已經(jīng)解決，就是程序還是不能實現(xiàn)應該實現(xiàn)的功能，這讓我很著急。當電路設計完成之后，為了減少在電路板上調試時的難度，保證電路設計的正確性，將 Keil c51 編譯生成的 *.HEX 文件載入 Proteus 軟件，實現(xiàn)電路仿真 [30]。以虛代實、以軟代硬，就建立一個完善的虛擬實驗室。 Proteus 提供了大量的元件庫，有 RAM、ROM、鍵盤、馬達、 LED、 LCD、 AD/DA、部分 SPI 器件、部分 IIC 器件，編譯方面支持 Keil 和 MPLAB 等編譯器。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。此外， Proteus 還提供圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來。 Proteus 軟件是一種低投資的電子設計自動化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達 30 多個元件庫。其中 uVision2 集成開發(fā)環(huán)境中的 工程 (project)是由源文件、開發(fā)工具選項以及編程說明三部分組成的 。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 南京工業(yè)大學學士學位論文 29 圖 56 顯示子程序的流程圖 Display subprogram flow diagram第六章 系統(tǒng)調試與分析 30 第六章 系統(tǒng)調試與分析 調試軟件介紹 KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全 Windows界面。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。其中 P2口的低四位作為 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 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。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。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。 T0 中斷的作用就是給定一個時間間隔 T，在 T 內應用 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。 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。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。通?？梢允褂靡韵聝煞N方法： ，在一定時間間隔 T內，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。 實現(xiàn)測速功能的程序流程圖如圖 55。詳細程序請看附錄。 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），采用定頻調寬的方法。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。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。但是實現(xiàn)高性能的軟件 PWM，也不是容易的事情。 PWM 信號發(fā)生程序 本設計中，直接應用 AT89S51 用軟件的方法模擬輸出 PWM 信號，其程序流程圖如圖 54。而在檢測到按鍵釋放后（ ）再延時 510個毫秒，消除后沿的抖動，然后再對鍵值處理。單片機中常用軟件法，在本設計中也是應用軟件法。 圖 53 鍵盤按下時的抖動現(xiàn)象 Shaking phenomenon of press key 所以在鍵盤的應用中，一定要解決抖動問題。 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。 圖 52 鍵盤子程序的流程圖 南京工業(yè)大學學士學位論文 25 Key board subprogram flow diagram 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。 鍵盤掃描子程序 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。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。程序首先是給 AT89S51 送取一個占空比為 50%的數(shù)據(jù)。 首先分析主程序的流程，其程序流程圖如圖 51 所示。 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。 南京工業(yè)大學學士學位論文 23 第 五 章 軟件系統(tǒng)的設計 本章將在硬件電路的基礎上對軟件編程進行設 計。 由于 LED 正常的工作電壓為 左右， 圖 410 LED 與單片機接口的硬件圖 Hardware chart of LED connecting MCU 如果直接給 LED 選通端接 5V 電壓， LED 可能會燒毀，所以先接兩個壓降為 的普通二極管進行降壓后再送到三極管的集電極。設計中我采用了通過控制三極 管來選通 LED 的方法。 第四章 硬件系統(tǒng)的設計 22 由 圖 4可以看到，單片機 、 、 和 作為 BCD 碼的輸出口，分別與 74LS47 的 A、 B、 C 和 D 引腳相接。 圖 48 CS3020 的功能框圖 The function block diagram of CS3020 南京工業(yè)大學學士學位論文 21 圖 49 CS3020 的輸出特性 The output characteristics of CS3020 LED 顯示的硬件電路 本系統(tǒng)使用四位共陽數(shù)碼管顯示直流電動機的轉速，為了節(jié)省 I/O 口，我們使用 74LS47 來把四位的 BCD 碼轉換成七段 LED 顯示，所以在單片機中輸出轉速的數(shù)值要用 BCD 表示，會詳細在下一章的軟件部分講到。外磁場由 OPB 降至 RPB 時，輸出 OV 由低電平反向， RPB 被稱為釋放點。對于開關型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的 S極接近傳感器的端面所形成的 B值為正值。即可在 3腳輸出脈沖電信號。 其功能是把磁信號轉換成電信號 ， 圖 48 和圖 49 是 霍爾 元件 CS3020 的功能圖及輸出特性。 參見圖 47。在電機的轉葉上貼上兩片小磁鋼，那么電機每轉一圈，霍爾傳感器輸出兩個脈沖。 圖 47 測速顯示部分硬件原理框圖 Hardware schematic diagram of velocity measurement and display part 霍爾元件測速 對轉速的檢測有很多傳感器可以應用，如光學編碼器，霍爾元件和霍爾接近開關等。下面我們分別分析一下測速部分和顯示部分的硬件連接。在本設計中，選用了阻值 ? 額定功率 5W 的電阻保證電機可正常工作。第二， L298 允許的電流和功率的 限制。對 R10 進行選擇，以下幾個因素是必須考慮的。 運 轉 狀態(tài) 下， 電機 制動； 停止狀態(tài)下，電機不工南京工業(yè)大學學士學位論文 19 作。 運 轉 狀態(tài) 下， 電機 制動。 Ven 為電壓比較器輸出端信號 表 46 L298 對直流電機控制的邏輯真值表 logical truth table of Automation motor control by L298 輸入 輸出 Ven=H Ven=H Ven=L Ven=L PWM 無輸出 C=H； D=L C=L； D=H C=※； D=※ C=※； D=※ Ven=※； C=※； D=※ 運轉狀態(tài)下，正轉。 L298 的邏輯控制 L298的邏輯控制見如下表 71。這時電機反轉，并且同樣可以根據(jù) PWM 控制信號變化方向進行調速 控制。這時電機正轉，并且可以根據(jù) PWM控制信號變化方向進行調速控制；當 DIRECTION 輸入為低電平時，可以見到 3AV 與 3BV 一直導通，其對應下臂橋 4AV 與 4BV 一直截止。在ENABLE輸入為 PWM波的情況下，當 DIRECTION輸入為高電平時，可以見到 1AV 與1BV 一直導通，其對應下臂橋 2AV 與 2BV 一直截止。見下圖 34。為了增強 L298的驅動能力 ,本調速控制系統(tǒng)對 L298的兩路驅動進行了 并聯(lián)使用 ,最大驅動能力可以達到 3A。當檢測電阻兩端的電壓大于限流電壓時 ,比較器的反相端的電壓大于同相端的電壓 ,輸出端輸出低電平 ,從而把 L298 的 EnA和 EnB 使能端拉低 ,L298 停止工作。調節(jié)電位計的參考電壓能調節(jié) L298 的限流電壓。比較器 LM393 主要起到了限制過流和保護 L298 的作用。單片機的 PWM輸出引腳 L298的 EnA和EnB 引腳 ,它控制著電機轉速大小 。雙極性工作方式是指在一個 PWM 周期內電機電樞兩端的電壓呈正負變化。 L298有單極性、雙極性 2種工作方式。其電路圖如下圖 43。 AT89S51 的 引腳用作 PWM 波的輸出口。 第四章 硬件系統(tǒng)的設計 16 PWM 波形發(fā)生原理 PWM 波形的產(chǎn)生是由 AT89S51 用軟件編程實現(xiàn)的，所以這部分的硬件比較少，主要是保證 AT89S51正常 工作的最少模式就可以了。由于 C4本身的電解比大，對高頻交流成分的濾波效果比較差，所以為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在 C4旁邊并聯(lián)一個高頻濾波性能良好的小電容 C5。 圖 42 雙路輸出的直流穩(wěn)壓電源