【正文】 能夠?qū)χ绷麟姍C(jī)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅大大改善了高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，而且還實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。相信 該系統(tǒng) 能成功 運(yùn) 用于 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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。同時(shí)對電動(dòng)機(jī)控制不是一個(gè)簡單的電子控制問題，它涉及很多方面的知識(shí)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理功能完善，基本實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)由驅(qū)動(dòng)電路將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成 PWM 波形的功能。 LED 的千位是正反轉(zhuǎn)的標(biāo)志位，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)的時(shí)候不顯示（ BCD碼為 1111），當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候顯示為“三”型（ BCD 碼為 1101） [15]。在流程圖中可見，程序先把個(gè)位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí) 1mS；接著再把十位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí) 1mS；然后把百 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí) 1mS；最后把千位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)位的數(shù)據(jù)了，再延時(shí) 1mS 后返回。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(jī)的 P2 口作為顯示部分的數(shù)據(jù)輸出口與控制輸出口。圖 56 是顯示子程序的流程圖。 圖 55 測速功能的程序流程圖 顯示子程序 本設(shè)計(jì)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(xì)的硬件論述請看第四章的 LED 顯示的硬件電路部分。由圖 55 可知，設(shè)計(jì)應(yīng)用了兩塊小磁鋼，所以電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，就 會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，因此我們只需要定時(shí) 就可以得到電機(jī) 1S 的轉(zhuǎn)速了。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(gè)脈沖， R0 寄存器就加 1。 在圖 55 測速功能的程序流程圖中可以看到，利用單片機(jī)進(jìn)行速度的轉(zhuǎn)速測量比較簡單。在實(shí)際應(yīng)用中，還有一種集以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)與一體的測速方法 M/T 法。 (2) T 法：通過測量脈沖發(fā)生器的脈沖周期來計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)間接獲得。 對于小型電動(dòng)機(jī)速度的測量 ，比較常用的采用脈沖發(fā)生器來檢測速度。 29 圖 54 產(chǎn)生 PWM 信號(hào)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(jié)果和性能。定時(shí)器 T0 確定 PWM波的頻率， T1 確定高電平的時(shí)間，這樣改變 T1 的初值就可以改變占空比。 圖 54 就的用延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn) PWM 波 形輸出的流程圖。第二種是應(yīng)用指令延時(shí)實(shí)現(xiàn) PWM 的輸出，此種方法的分辨率可以達(dá)到一個(gè)指令周期，但是程序較為復(fù)雜，而且占用機(jī)時(shí)比較多。軟件 PWM 的最大難題是死區(qū)的大小，就是 PWM 的最少分辨時(shí)間；其次是程序的效率問題。 相對應(yīng)用硬件實(shí)現(xiàn) PWM 信號(hào)，用軟件實(shí)現(xiàn)具有成本低，限制少， 實(shí)現(xiàn)便捷等優(yōu)點(diǎn)。不過一般情況下，我們通常不對按鍵釋放的后沿進(jìn)行處理，而且不對按鍵釋放的后沿進(jìn)行處理也可以滿足本設(shè)計(jì)的要求 [13]。軟件法其實(shí)很簡單，就是在單片機(jī)獲得 口為低的信息后，不是立即認(rèn)定 S1 已被按下 ，而是延時(shí) 10 毫秒或更長一些時(shí)間后再次檢測 口，如果仍為低，說明 S 的確按下了，這實(shí)際上是避開了按鍵按下時(shí)的抖動(dòng)時(shí)間。通常去抖動(dòng)的方法有兩種：硬件方法和軟件方法。這種抖動(dòng)對于人來說是感覺不到的，但對計(jì)算機(jī)來說，則是完全可以感應(yīng)到的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的速度是在微秒級(jí)，而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí)，對計(jì)算機(jī)而言，這已是一個(gè)漫長的時(shí)間了。在下圖中，當(dāng)開關(guān) S 未被按下時(shí)， 輸入為高電平， S 閉合后， 輸入為低電平。其程序流程圖如圖 52。 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(dú)立式鍵盤。跟著對數(shù)據(jù)和中斷進(jìn)行初始化：對控制電機(jī)的選通信號(hào)與方向信號(hào)的引腳置 0（通電時(shí)電機(jī)不啟動(dòng)，直到按下啟動(dòng)鍵后再啟動(dòng)，啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)向是正轉(zhuǎn)）；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(shí)間 27 寄存器、速度數(shù)據(jù)寄存器 清零；設(shè)定 T0 的工作方式及定時(shí)時(shí)間，開中斷，并讓 T0開始工作。程序首先是給 AT89C51 送取一個(gè)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。 26 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序 本設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制程序采用 51 匯編語言編寫，在編寫的過程中，盡量向結(jié)構(gòu)化、模塊化的方向編寫，整個(gè)程序的清單見附錄 A。 圖 411 M/T 法測速原理圖 測速時(shí)間 Td 由測速脈沖來同步，即由硬件電路實(shí)現(xiàn) Td 等于整 m1 個(gè)脈沖周期，設(shè)從圖上 a 點(diǎn)開始，計(jì)數(shù)一器分別對 m1和 m2計(jì)數(shù)，到達(dá) b 點(diǎn)，預(yù)計(jì)的測速時(shí)間 Tc一到，微機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)指令，但因?yàn)?Tc 不一定恰好等于整數(shù)個(gè)編碼器輸出脈沖周期，所以計(jì)數(shù)器仍對時(shí)鐘脈沖汁數(shù) ，直到 c 點(diǎn)時(shí)，可以利用下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖 (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)。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(jì)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(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 [11]。 ，則 D 觸發(fā)器總是在B 脈沖為低電平時(shí)觸發(fā)，這時(shí) Q 輸出端輸出為低電平，由此確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 ，觸發(fā)器總是在 B 脈沖為高電平時(shí)觸發(fā)，這時(shí) D 觸發(fā)器的輸出端Q 輸出為高電平。由于 A、 B 兩相的脈沖相位相差 90176。 編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向可以通過 D 觸發(fā)器的輸出信號(hào) Q 來判斷。將 A、 B 兩相脈沖中任何一相輸入計(jì)數(shù)器中，均可使計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還提供相位相差 90176。當(dāng)圓盤隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，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。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(jié)構(gòu)。 24 圖 410 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電脈沖信號(hào)輸出的數(shù)字傳感器，本設(shè)計(jì)采用增量式光電編碼器來采樣轉(zhuǎn)速信號(hào)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖 410所示。 1之間變化。設(shè)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(fù)載電壓系數(shù)為 λ， λ= Vout / V, 那么 λ= 2D – 1 ；當(dāng) T為常數(shù)時(shí)，改變 HIN為高電平的時(shí)間 t1，也就改變了占空比 D，從而達(dá)到了改變 Vout的目的。 設(shè) PWM波的周期為 T， HIN為高電平的時(shí)間為 t1，這里忽略死區(qū)時(shí)間，那么 LIN為高電平的時(shí)間就為 Tt1。此時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。同理可知， IC2 23 的 HO為高電平而 LO為低電平， Q3導(dǎo)通且 Q4截止， Q3的漏極近 乎于零電平，此時(shí) Vcc通過 D2向 C3充電，為 Q4的又一次導(dǎo)通作準(zhǔn)備。其具體的操作步驟如下： 當(dāng) IC1的 LO為高電平而 HO為低電平的時(shí)候， Q2導(dǎo)通且 Q1截止。此時(shí)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理，此時(shí) IC2的 HO為低電平而 LO為高電平， Q3截止， C3上的電壓經(jīng)過 VB、 IC內(nèi)部電路和 HO端加在 Q4的柵極上，從而使得 Q4導(dǎo)通。 在 HIN為高電平期間， Q Q4導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加正向的工作電壓。我們可以采取雙 PWM信號(hào)來控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)以及它的速度。 22 P W M 1 P W M 2VbHOVsLOH INL INSDC O MVb HO Vs LOH IN L IN SDC O MIR 2 1 1 0R9 R 1 0R 1 1 R 1 2VD 10VD 11IR 2 1 1 0C4 C5P W M 1 P W M 2U g1U g2 U g3 U g4V s s V s s 圖 49 IGBT驅(qū)動(dòng)電路 PWM 控制 H 橋 雙極性主電路 從上面的原理可以看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門極驅(qū)動(dòng)電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(guān)的動(dòng)作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導(dǎo)通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。兩路匹配傳輸導(dǎo)通延時(shí)為 120ns，關(guān)斷延時(shí)為 94ns。 IR2110 采用 CMOS 施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。 HOUBUsNcV c cC O MNCV SSL INSDH INV DDNCLO 圖 48 IR2110管腳圖 IR2110 采用 HVIC 和閂鎖抗干擾 CMOS 工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達(dá) 500V， du/dt=177。 引腳 13（ Vss）：芯片工作參考地端，使用中，直接與供電電源地端相連，所有去耦電容的一端應(yīng)接該端，同時(shí)與引腳 2直接相連。應(yīng)用中，接用戶脈沖形成部分的對應(yīng)兩路輸出，對此兩個(gè)信號(hào)的限制為 Vcc+，這里 Vss 與 Vcc分別為連接到 IR2110的引腳 13（ Vss）與引腳 9（ VDD）端的電壓值。 引腳 9（ VDD）：芯片輸入級(jí)工作電源端，使用中，接用戶為該芯片工作提供的高性能電源，為抗干擾，該端應(yīng)通過一高性能去耦網(wǎng)絡(luò)接地，該端可與引腳 3（ Vcc）使用同一電源 ，也可以分開使用兩個(gè)獨(dú)立的電源。 引腳 5（ Vs）：上通道 MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出參考地端，使用中，與主電路中上下通道被驅(qū)動(dòng) MOSFET的源極相通。 引腳 2（ COM）：下通道 MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出參考地端，使用中，與引腳 13（ Vss）直接相連，同時(shí)接主電路橋臂下通道 MOSFET的源極。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，與其他驅(qū)動(dòng)電路相比，它在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū)動(dòng)變壓器和電容的數(shù)目，使得 MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)大為簡化，而且它可以 實(shí)現(xiàn)對 MOSFET和 IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，還具有快速完整的保護(hù)功能。 芯片 IR2110 性能及特點(diǎn) IR2110是美國國際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路以及無閂鎖 CMOS技術(shù)，于 1990年前后開發(fā)并且投放市場的， IR2110是一種 雙通道高壓、高速的功率 20 器件柵極驅(qū)動(dòng)的單片式集成驅(qū)動(dòng)器。每一通道的轉(zhuǎn)換需 66～ 73 個(gè)脈沖，大約 100～ 110 μs。啟動(dòng)信號(hào)為脈沖啟動(dòng)形式。 19 圖 47 顯示器 /鍵盤驅(qū)動(dòng)電路 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 ADC0809 是 8 位逐次逼近性 A/D 轉(zhuǎn)換器。 8279 芯片有 40 條引腳，由單一＋ 5V 供電。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芯片。 18 圖 46 8253 邏輯結(jié)構(gòu)圖 8279 可編程鍵盤、顯示接口芯片 8279 是一種通用的可編程鍵盤 /顯示器接口芯片。 8253 與單片機(jī)的接口控制邏輯簡單 ,D0D7 為雙向、三態(tài)數(shù)據(jù)線，是單片機(jī)與 8253 之間的數(shù)據(jù)傳輸線， RD、 WR 為數(shù)據(jù)讀、 寫控制線， A0、 A1 是地址選擇線，CS 是片選線。 8253內(nèi)部具有 3 個(gè)獨(dú)立的 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器有三根 I/O 線； CLK 為時(shí)鐘輸入線，為計(jì)數(shù)脈沖輸入端； OUT 為計(jì)數(shù)器輸出端，當(dāng)計(jì)數(shù)器減為零時(shí) OUT 輸出相應(yīng)信號(hào)； GATE 為門控信號(hào)，用于啟動(dòng)或禁止計(jì)數(shù)器操作。 鍵盤 AT89C51單片機(jī) 數(shù)碼顯示 D/A0832 轉(zhuǎn)換 電動(dòng)機(jī) 17 主要芯片選擇 單片機(jī)的選擇 在詳細(xì)的系統(tǒng)分析、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)上，選用 了 MCS51 系列的AT89C51 單片機(jī)，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示： 圖 45 AT89C51 結(jié)構(gòu)框圖 8253 可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器芯片 MCS－ 51 內(nèi)部只有兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，在數(shù)字測速電路中需要計(jì)數(shù)器，選用 了一個(gè)可擴(kuò)展 8253 芯片。方案三在可操作性與實(shí)時(shí)性方面都都結(jié)合了本專業(yè)特點(diǎn)，從控制理論與控制技術(shù)出發(fā)，充分發(fā)揮與應(yīng)用本學(xué)科特點(diǎn)。方案二不能及時(shí)的從電動(dòng)機(jī)那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而是直接從程序哪兒調(diào)用相應(yīng)的數(shù)值給數(shù)碼顯示。 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定、 128*8 位內(nèi)部 RAM、 32 可編程 I/O 線、兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 5個(gè)中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和 電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路，電路框圖如圖 44 所示。 具有 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ,可擦除的的只讀存儲(chǔ)器 (PEROM), AT