【正文】 在rpm~3000rpm,轉速相對較高，因此采用定時法測速誤差較小。 ： 外部中斷1處理程序流程圖 轉速測量及數(shù)字濾波 轉速測量直流電機轉速的測量主要有兩種方法：定時法（M法）和間隔法（T法）。 重設參數(shù)程序 在本次設計中當電機運行時可以通過鍵盤重新設定運行參數(shù)，包括在維持電機轉速基本不變的情況下改變電機轉向，控制電機啟停以及重新設定轉速。T0H_L=(65536D)%256。} 其中flag1為反轉標志位因此對PWM波生成程序中的變量進行如下操作：T0L_L=(64536+D)%256。 }}由于本次設計中PID調(diào)節(jié)器的輸出只能確定電機正轉時的PWM占空比，為實現(xiàn)電機反轉必須對調(diào)節(jié)器輸出進行處理 D=500+uk。 P1_6=1。 } else{TL0=T0H_L。 P1_6=0。PWM波生成程序如下：void T0_timer() interrupt 1{if(P1_6==1) {TL0=T0L_L。（2）定時器法：利用定時器初值設定PWM波頻率，在中斷處理程序中確定高低電平的持續(xù)時間，此方法準確性較好。 PWM波生成程序 由于本系統(tǒng)需要控制電機的正轉和反轉，因此應該采用雙極性PWM波驅(qū)動電機，利用單片機生成PWM波有兩種方法。本設計中參數(shù)設定步驟為：設置轉速值，按下確定鍵后再設置轉速方向，然后啟動電機。(2)判斷哪個鍵按下若有鍵按下，則列線依次置低，然后讀取行線狀態(tài)，如果全為高電平，則按下的鍵不在此列；如果不全為高電平，則按鍵一定在此列，而且是在與低電平行線的交點上的那個鍵。當某鍵按下后，該行線的電平由被短接的列線電平?jīng)Q定。e2=e1。if(uk=50) uk=50。 uk=uk+duk。PID調(diào)節(jié)程序如下：e1=key_speedspeed。此表達式給出了全部控制量的大小，被稱為位置式PID控制算法，但是這種算法的工作量很大，在實際控制中多采用增量式算法，增量式PID表達式可由位置式算法推導得到即：=目前應用最廣泛的位置式與增量式的結合形成的數(shù)字遞推PID控制算法即。 數(shù)字PID控制算法在模擬控制系統(tǒng)中，PID控制器的控制規(guī)律為： 式中 Kp—比例系數(shù)；Ti—積分常數(shù)；—微分常數(shù)—系統(tǒng)初值；—系統(tǒng)輸出。在系統(tǒng)初始化程序中，主要進行LCD1602初始化串口工作方式、定時器工作方式和中斷觸發(fā)方式設置，并進行中斷優(yōu)先級設置，由于系統(tǒng)需要在不停車的情況下重新設定轉速，因此應當將外部中斷1設置為低優(yōu)先級。STC52單片機的內(nèi)部資源分配為：定時器T0工作于方式1，用于在P1^6和P1^7引腳輸出PWM波；若設定定時器工作于方式2，當定時器溢出時，定時器能夠自動重裝初值，從而減少計時誤差，可以采用定時器T1工作于方式2，進行串口通信；定時器T2工作于計數(shù)方式，可用于測定電機轉速；利用P0口向LCD1602寫入顯示內(nèi)容，P3^6和P3^7用于LCD1602的控制；利用P2口進行鍵盤掃描并利用外部中斷1進行參數(shù)的重新設定。首先介紹了電源電路的設計和主要器件的選型方法，然后比較了不同電機控制芯片的優(yōu)缺點，并且簡要介紹了電機驅(qū)動芯片L298N以及常見轉速測量方法的特點，最后介紹了鍵盤實現(xiàn)的功能和液晶屏的引腳功能和操作時序。對液晶屏的操作比較簡單，有4種基本讀寫操作， LCD1602的基本操作時序讀操作輸入RS=0,R/W=1,E=1輸出D0~D7為狀態(tài)字寫指令輸入RS=0,R/W=0,D0~D7=命令碼，E=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS=1,R/W=1,E=1輸出D0~D7為數(shù)據(jù)字寫數(shù)據(jù)輸入RS=1,R/W=0,D0~D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出無 由于液晶屏上電后并未開顯示，因此使用前需要先寫入一些命令字進行初始化設置，（地址格式：80H+地址碼），再利用寫數(shù)據(jù)時序?qū)懭胍@示的字符。另外當向LCD的RAM緩沖區(qū)的00H~0FH、40H~4FH地址稱為可顯示區(qū)域，在任意一處寫入數(shù)據(jù)時，LCD立即顯示。： LCD1602實物圖LCD1602的主要特性：具有字符發(fā)生器ROM，顯示16*2個字符；具有80B的數(shù)據(jù)顯示存儲器；工作電壓為5V。其中鍵盤中P2_6引腳還連接在單片機外部中斷INT1，用于產(chǎn)生中斷，在電機運行時進入中斷處理程序，重新設定電機運行參數(shù)。由于需要的按鍵較多，故采用4*4矩陣鍵盤，又因為需要在電機運行狀態(tài)時重新設定參數(shù)，而查詢式鍵盤必然會影響液晶顯示和電機正常運行，因此采用中斷式矩陣鍵盤，其中利用外部中斷1（INT1）引腳接受鍵盤產(chǎn)生的中斷信號。(2)電流檢測：本次設計采用在電機電樞回路串入小阻值電阻，然后利用A/D轉換芯片測量電阻壓降即可測量出電樞電流。方案三：采用霍爾開關，在電機轉軸固定磁鋼片，每當磁鋼片轉到與霍爾開關對應位置，利用霍爾效應改變霍爾開關輸出電平，即可測速，但是測速誤差比較大。 L298N引腳分布圖 轉速及電流檢測 (1)轉速檢測由以下三種方案：方案一：采用直流測速發(fā)電機，測速發(fā)電機是一種模擬測速裝置，能夠產(chǎn)生于電機轉速成正比的電信號，并且測速范圍比較寬，但是測速效果容易受到溫度、電樞反應的影響，使得發(fā)電機輸出的電壓與轉速之間并不是嚴格的線性關系。L298 可驅(qū)動2 個電動機，OUT1，OUT2 和OUT3，OUT4 之間可分別接電動機， INPUTINPUTINPUTINPUT4引腳接輸入控制電平，可直接與單片機相連，控制電機的正反轉。輸出電流可達2 A，可驅(qū)動電感性負載。L298N 可接受標準TTL 邏輯電平信號VSS，VSS 可接4．5～7 V 電壓?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。方案論證：本次設計以電機轉速控制為主，驅(qū)動部分為次要內(nèi)容，對于電機驅(qū)動主要以可靠性和穩(wěn)定性為主，鑒于兩種方案的特點，選擇利用方案二來設計驅(qū)動模塊。電機的驅(qū)動電路設計有兩種方案選擇：方案一：利用三極管、二極管等模擬器件搭建簡單的驅(qū)動電路，但是由于這些模擬器件容易產(chǎn)生溫度漂移，出現(xiàn)失真現(xiàn)象，而且焊接比較復雜，容易出錯。方案論證：本次設計輸出PWM波和電機測速各需要一個定時器，利用T1定時器實現(xiàn)串口通信，另外還有中斷式矩陣鍵盤和顯示模塊， STC89C52單片機足以滿足需求。該方案的優(yōu)點是功能模塊較多，處理能力強，運算速度快，易于實現(xiàn)PWM輸出，功耗低。缺點是芯片內(nèi)存較小，不宜開發(fā)功能較多，附帶大量程序的工程項目，定時/計數(shù)器等功能結構較少，I/O口也有限，硬件資源利用緊張。78系列穩(wěn)壓芯片引腳圖分布如下：圖32 78系列穩(wěn)壓芯片 控制芯片選擇目前市場上出現(xiàn)了多種電動機控制芯片如C8051單片機、STC系列單片機、德州儀器的混合信號處理器TMS320等。而其主要電氣特性：電壓調(diào)整率（16V≦Vi≦22V）：；負載調(diào)整率（5mA≦IO≦）：11mV；靜態(tài)電流：；短路電流（Vi =35V）：230mA；峰值電流：。引腳2：電源地端。 L7812芯片引腳及電氣特性：引腳1t：電壓輸入端。引腳3：電壓輸出端，典型值為5V。其輸入電壓范圍為7~35V。 穩(wěn)壓芯片兩端反并聯(lián)二極管對穩(wěn)壓器起到保護作用，防止輸入端短路時，電容C3所存儲的電荷通過穩(wěn)壓器放電而損壞器件。C2用來消除輸入端較長的接線的電感效應，以防止自激震蕩，還可抑制電源的高頻干擾。 整流橋二極管承受的最大反向電壓應參考變壓器二次側有效值，本次設計所選整流橋的所允許電流為1A。由于本次設計需要的電壓值不同，且穩(wěn)定性要求比較高，因此選擇方案二。 電源模塊本次設計中直流電機采用12V電壓供電，單片機和液晶屏采用5V電壓方案一：，這種方式成本低，結構簡單，便于攜帶，但是電壓不穩(wěn)定，而且容易造成污染。Matlab雖然圖形處理很強大，界面也更加美觀，但是該軟件安裝比較復雜，編寫控件的回調(diào)函數(shù)比較復雜，相比之下，VB更適合工程設計。一種為事件驅(qū)動方式，它相當于程序設計中的中斷方式，當串口產(chǎn)生事件時，MSComm控件會產(chǎn)生OnComm事件，并進行處理，該方法響應及時，可靠性高。方案二：作為一種專門的窗口程序設計語言，Visual Basic與Matlab GUI具有許多相似之處，設計也由兩部分組成，即窗口設計和程序編寫，VB也具有許多標準控件用于輔助設計，但是在VB中進行串口通信需要用到MSComm控件，該控件使得串口編程時非常方便。當串口上有監(jiān)視的事件發(fā)生時，便會調(diào)用回調(diào)函數(shù)進行處理，回調(diào)函數(shù)相當于中斷處理函數(shù)，這種方式效率較高，但是程序編寫比較復雜。另一種為異步讀操作，相當于中斷方式，實際上是采用事件驅(qū)動的方式讀取數(shù)據(jù)。設計界面時，選中相應的控件后需要編寫對應的回調(diào)函數(shù)callback（）即Matlab后臺執(zhí)行的程序，另外，為了與單片機通信，需要打開串口控件，利用serial（）函數(shù)打開相應的串口并設定串口波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)。雖然這種方式的可移植性比較好即在不同的Matlab版本中腳本程序都可運行，但是設計過程頗為費時，完全手工編寫代碼的效率比較低下。有兩種方案供選擇：第一種為采用Matlab GUIDE；第二種采用Visual Basic語言編程。鑒于三種調(diào)速系統(tǒng)的特點，雖然轉速、電流雙閉環(huán)結構實現(xiàn)比較復雜，但是其轉速控制性能最好，故本次設計采用雙閉環(huán)結構。綜上所述：雙閉環(huán)結構中，轉速調(diào)節(jié)器為主要導節(jié)器，其輸出限幅值決定了電流調(diào)節(jié)器的輸入，為實現(xiàn)轉速無靜差，轉速調(diào)節(jié)器多采用PI調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)結構除了具有轉速單閉環(huán)的優(yōu)點外，響應速度更快，主要是由于電機啟動時，轉速很低，轉速調(diào)節(jié)器的輸入比較大，使得轉速調(diào)節(jié)器飽和輸出，又因為在工程設計中，電流調(diào)節(jié)器主要以快速跟隨性為主，所以電流調(diào)節(jié)器一般不會飽和輸出，這樣在啟動階段，電機能以所允許的最大電樞電流啟動，減少啟動時間；另外雙閉環(huán)的抗擾動性能也比單閉環(huán)較好。： 轉速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾動性能，能夠有效地抑制一切被反饋通道所包圍的前向通道上的擾動，如負載擾動、交流電源電壓波動、電機勵磁變化、放大器輸出發(fā)生漂移，溫度上升所引起的電樞回路電阻增加等，但遵從給定作用的變化。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般采用轉速負反饋，引入轉速負反饋后，系統(tǒng)在同樣負載擾動下的轉速降落要比開環(huán)系統(tǒng)小得多，機械特性也比較硬，同時對于同樣的靜差率要求，其調(diào)速范圍提高許多。由關系式知調(diào)速范圍和靜差率之間相互制約，為了既要擴大調(diào)速范圍，又要降低靜差率，只能減少負載所引起的轉速降落，但是在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉速降落由電機參數(shù)所決定，因此開環(huán)系統(tǒng)無法實現(xiàn)該目標，而且開環(huán)系統(tǒng)抗擾動性能較差，因此在精度要求較高的場合多采用閉環(huán)控制。（3）加、減速：加速、減速應盡量快而平穩(wěn)。而對于調(diào)速系統(tǒng)轉速控制的要求包括：(1)調(diào)速：在系統(tǒng)所允許的最高轉速和最低轉速之間，有級或無級的調(diào)節(jié)轉速。綜合比較兩種調(diào)壓方案的優(yōu)缺點選擇電路相對簡單，調(diào)速性能較好的的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)。（2）如果采用雙極性控制，有可能使四個開關器件同時處于開關狀態(tài)，開關損耗增大，并且在切換時可能導致上下橋臂直通的事故，此時變換器的輸出電壓為，式中—PWM波高電平持續(xù)時間；T—PWM波周期；Us—直流電源電壓。與VM系統(tǒng)相比，低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，因而調(diào)速范圍寬，而且由于采用不可控整流電路，電網(wǎng)的功率因數(shù)比較高。利用脈寬調(diào)制的方法，把恒定的直流電源調(diào)制成頻率一定、寬度可調(diào)的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓，進而改變電機轉速。（2）晶閘管對過電壓、過電流都十分敏感，由于是通過對門極的移相觸發(fā)控制，在電機低速運行時，其導通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)變差。在V_M系統(tǒng)中，電流連續(xù)時，機械特性還比較硬；電流斷續(xù)時，機械特性比較軟，而且出現(xiàn)非線性特點，影響系統(tǒng)運行性能。該類電源主要用于晶閘管整流器—電動機調(diào)速系統(tǒng)即V_M系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用同步電路獲得與交流電源同步的正弦交流信號，以確定各元件的自然換向點和移向范圍，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，改變控制角α,進而改變可控整流器的平均輸出電壓，從而實現(xiàn)直流電機的平滑調(diào)速。： 直流電機調(diào)速方法調(diào)速方法具體實現(xiàn)方法調(diào)速特點控制電樞電壓改變電機電樞電壓，保持磁通恒定基速以下無級平滑調(diào)速，效率高，結構復雜，適合恒轉矩負載控制勵磁磁通調(diào)節(jié)勵磁電流，減弱勵磁磁通，保持電樞電壓恒定基速以上小范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速，適合于恒功率負載控制電樞回路電阻在電樞回路串接電阻基速以下有級調(diào)速，結構簡單但效率低下由于本次設計要求電機在一定的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，故選擇控制電樞電壓為最佳方案。通過光電編碼器進行測速，利用A/D轉換器進行電樞電流測量，將轉速測量值和電流測量值反饋到單片機形成閉環(huán)控制，并將設定參數(shù)和實際測量參數(shù)在液晶屏上顯示，最后通過單片機串口將參數(shù)傳送到上位機以圖形的形式顯示出來，并保存。本次設計采用直流電機作為控制對象，以AT89C52單片機作為控制核心，通過4*4矩陣鍵盤設定電機運行參數(shù)，矩陣鍵盤按鍵功能分布為：09數(shù)字鍵用于設定轉速，設定鍵和刪除鍵用于確定或刪除輸入的轉速值，正轉鍵和反轉鍵確定轉動方向，還有啟動鍵和停止鍵。第2章 系統(tǒng)總體設計本章首先介紹了此次設計的系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，然后根據(jù)直流電機轉速公式簡要介紹了常用的調(diào)速方法，之后分析了兩種不同的可控直流電源設計方法并介紹了不同結構的調(diào)速系統(tǒng)的特點，最后介紹了兩種上位機界面設計工具的特點。本設計的意義主要有：雖然目前針對交流電機發(fā)明了高性能調(diào)速技術，可以獲得和直流電機相似的高動態(tài)性能，交流電機的應用日趨廣泛，但直流電機具有非常優(yōu)秀的線性機械特性、較寬的調(diào)速范圍、較大的啟動轉矩，控制比較簡單，其研究成果比較成熟，可以作為學習交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎。(3)選擇合適的控制規(guī)律，并配置合適的控制器參數(shù)。本