【正文】 硬件設(shè)計(jì)過程中，基本采用了理論設(shè)計(jì)時(shí)所選用的元件，只是在進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，原計(jì)劃采用通過檢測(cè)電樞電壓來間接檢測(cè)轉(zhuǎn)速，但考慮到缺少電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，無法得到電動(dòng)機(jī)電樞電壓與轉(zhuǎn)速的數(shù)量關(guān)系且該方法在進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速時(shí)存在誤差，最后改用A44E進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)，即簡(jiǎn)化了電路，也不存在前一方法中產(chǎn)生的誤差，同時(shí)也簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。 （5）、內(nèi)部過流、短路保護(hù)。 （3）、失穩(wěn)電壓：2V。主要性能： （1）、輸出電壓：5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。該電路完成AC 220V到DC 12V的轉(zhuǎn)換，作為電動(dòng)機(jī)的供電電壓。（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1），定時(shí)器每50ms定時(shí)中斷一次，計(jì)數(shù)器計(jì)入每50ms電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)次數(shù)，通過計(jì)算得出每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)并顯示。硬件電路圖如38所示。另一方法是將小磁鋼粘在霍爾開關(guān)背面,一起靠近轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪,由于齒輪的凹與凸,使霍爾開關(guān)的磁感應(yīng)強(qiáng)度呈明顯變化,霍爾開關(guān)同樣輸出脈沖,這樣當(dāng)脈沖輸入頻率測(cè)量?jī)x,即可達(dá)到相應(yīng)的測(cè)量與控制目的。計(jì)數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速的測(cè)量。常見的霍爾開關(guān)有UGN310,抗干擾能力強(qiáng),因而應(yīng)用廣泛。集成霍爾開關(guān)：當(dāng)霍爾器件所在位置的磁場(chǎng)尚未達(dá)到工作點(diǎn)之前 ,器件以高電平輸出,當(dāng)磁場(chǎng)增強(qiáng)到工作點(diǎn) B時(shí),霍爾片輸出的電壓 U 經(jīng)差分放大器放大后,送至施密特觸發(fā)器,使之翻轉(zhuǎn)導(dǎo)通,從而使門電路輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?稱此為“開”狀態(tài)。集成霍爾傳感器一般可分為三種:集成線性霍爾傳感器（也稱位置傳感器） 、集成霍爾開關(guān)和集成霍爾鎖存器 。 集成霍爾傳感器主要由霍爾片和放大器組 ,根據(jù)不同應(yīng)用的需要,有的還加溫度補(bǔ)償電路、穩(wěn)壓電源或施密特觸發(fā)器及開關(guān)電路等,加了不同附加器件后其應(yīng)用和特性各不相同。如:位移傳感、速度傳感、角度傳感、電流感應(yīng)、直流電機(jī)、汽車點(diǎn)火和自動(dòng)控制等。 根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的霍爾傳感器不僅可以用于磁場(chǎng)的測(cè)量,大量的還是以磁場(chǎng)為工作媒體,將物體的多種運(yùn)動(dòng)參量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?，因而在自?dòng)控制、各種物理量的測(cè)量中得到了大量的應(yīng)用。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中按下升速、降速或反轉(zhuǎn)鍵則能進(jìn)行對(duì)電動(dòng)機(jī)升、降速及反轉(zhuǎn)的控制。程序上使用外部中斷0、1（INT0、INT1）及鍵值掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的控制。六個(gè)按鍵通過四個(gè)與門后與外部中斷0、1口相連，則只要有按鍵按下，就會(huì)觸發(fā)外部中斷0、1。 按鍵控制電路 硬件電路如圖336所示。圖34 H型PWM變換電路（主電路） LED顯示電路LED顯示電路由一個(gè)共陽(yáng)極四位一體的LED實(shí)現(xiàn)，硬件電路如圖35所示。兩個(gè)輸入端均可輸入PWM0、PWM1兩個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)的電樞電壓。由圖可知，該電路有兩個(gè)輸入端，當(dāng)任一端輸入高電壓而另一端輸入低電壓時(shí)，高電壓一邊的BC184導(dǎo)通使得與之相連的TIP3TIP31分別處于導(dǎo)通、截止的狀態(tài)，而低電壓一邊的BC184截止使得與之相連的TIP3TIP31分別處于截止、導(dǎo)通的狀態(tài)，此時(shí)形成一個(gè)回路，電動(dòng)機(jī)電樞繞組承受電壓。 圖32 C8051F020數(shù)字交叉開關(guān) 圖33 單片機(jī)各端口連接圖 主電路為H型PWM變換電路，硬件電路如圖34所示。因此改變占空比是通過向PCA0CPHn寫入一個(gè)8位數(shù)來完成的。8位PWM方式的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要CPU的干預(yù)就可以輸出一個(gè)固定占空比的波形。 使用可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列獲得8位PWM信號(hào) 當(dāng)PCA 捕捉/比較模塊配置為8位PWM方式時(shí)，出現(xiàn)在CEXn的波形周期等于256個(gè)PCA時(shí)鐘周期，該信號(hào)的低電平時(shí)間等于在模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn的低字節(jié)中所存儲(chǔ)的8位數(shù)字，在主PCA計(jì)數(shù)器PCA0L的低字節(jié)發(fā)生溢出時(shí)，模塊的比較寄存器的高字節(jié)被拷貝到模塊的比較寄存器的低字節(jié)中（PCA0CPLn=PCA0CPHn），通過更新PCA0CPHn就能改變占空比，拷貝過程保證在輸出端不產(chǎn)生毛刺。可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號(hào)配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這是一個(gè)大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到P0、PP2和P3的端口I/O引腳，如圖21所示。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止，這為低功耗應(yīng)用提供了進(jìn)一步節(jié)電的能力。這些端口I/O的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051相似，但有一些改進(jìn)。（3）、可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)：C8051F020具有標(biāo)準(zhǔn)8051的端口（0、2和3）。PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時(shí)鐘輸入可以通過數(shù)字交叉開關(guān)連到MCU的端口I/O引腳。時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)鐘可以是下面的六個(gè)時(shí)鐘源之一：系統(tǒng)時(shí)鐘/1系統(tǒng)時(shí)鐘/定時(shí)器0溢出、外部時(shí)鐘輸入（ECI）、系統(tǒng)時(shí)鐘和外部振蕩源/8。（2）、可變成計(jì)數(shù)器陣列：除了5個(gè)16位的通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器之外，C8051F020 MCU系列還有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）。在調(diào)試時(shí)所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都正常工作。Silicon Labs的調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、堆棧指示器和單步執(zhí)行。 下面介紹的是實(shí)驗(yàn)中主要使用到的C8051F020的功能： （1）、JTAG調(diào)試和邊界掃描：C8051F020具有片內(nèi)JTAG邊界掃描和調(diào)試電路，通過4腳JTAG接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓。FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。以下為其主要特性： （1）、高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS） （2）、全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） （3）、真正12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān) （4）、真正8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān) （5）、兩個(gè)12位DAC,具有可編程的FLASH存儲(chǔ)器 （6）、64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器 （7）、4352字節(jié)的片內(nèi)RAM （8）、可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口 （9）、硬件實(shí)現(xiàn)的SPI\SMBus、和兩個(gè)UART串行接口 （10）、5個(gè)通用的16位定時(shí)器 （11）、具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列 （12）、片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器 具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F020是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。 第三章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體方案及框圖 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括：C8051F020單片機(jī)、由霍爾元件A44E構(gòu)成的轉(zhuǎn)速檢測(cè)及反饋電路、LED顯示電路、功能鍵控制電路、H型PWM變換電路。式210表明：計(jì)算本次的控制量只需上次的控制量和上次與本次的偏差量即可。將式27按如下原則離散化： （1）、微分方程中的導(dǎo)數(shù)直接用差分項(xiàng)代替； （2）、積分用積分的求和式代替； （3）、時(shí)間t編程離散量kT，T為采樣周期，kT為第k個(gè)采樣周期的時(shí)刻。+轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PI晶閘管裝置直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋圖26 數(shù)字式轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：，其中，為積分時(shí)間常數(shù)，為比例系數(shù)。 數(shù)字式轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)原理 該系統(tǒng)原理框圖如圖26 所示，轉(zhuǎn)速反饋控制環(huán)的調(diào)節(jié)是利用單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的PI調(diào)節(jié)。需要指出，“無靜差”是理論上的，因?yàn)楸壤e分調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時(shí)電容器C兩端電壓不變，相當(dāng)于開路，運(yùn)算放大器的放大系數(shù)理論上為無窮大，才能達(dá)到輸入偏差電壓為0，輸出電壓為任意所需值?？傊?，采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，只要不變，轉(zhuǎn)速n的數(shù)值也保持不變，與負(fù)載的大小無關(guān)；但是在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，任何擾動(dòng)都會(huì)引起動(dòng)態(tài)速度變化。積分部分在調(diào)節(jié)過程的后期起主要作用，而且依靠它最后消除轉(zhuǎn)速偏差。 另外，采用比例積分控制的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，只是在穩(wěn)態(tài)時(shí)無差，動(dòng)態(tài)還是有差的。 ++_A圖25 帶調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （1）、當(dāng)采用比例調(diào)節(jié)器時(shí)，得式25： （2）、當(dāng)采用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為 得到負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速度偏差為： 式26突加負(fù)載使，利用拉氏變換的終值定理可以求出負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差為： 因此，比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng)。圖25為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求計(jì)算出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)性能可能較差，或根本達(dá)不到穩(wěn)態(tài)，也就談不上是否滿足穩(wěn)態(tài)要求。但在實(shí)驗(yàn)過程中考慮到電流量不容易檢測(cè)并反饋，鑒于實(shí)驗(yàn)人員能力有限而將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)。（4）、利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅特性，可自然實(shí)現(xiàn)“電流截止特性”。（2）、在電流內(nèi)環(huán)前向通道中的各種擾動(dòng)量，都會(huì)被有效抑制。因此，工程中為改善轉(zhuǎn)速單閉環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)性能而加入電流環(huán)，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。（1）、響應(yīng)速度慢由于電氣的時(shí)間常數(shù)一般較大，使得Rn(s)的調(diào)節(jié)作用要經(jīng)過的延時(shí)才能產(chǎn)生相應(yīng)的電樞電流Id(電磁轉(zhuǎn)矩Te)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速偏差，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的速度受到限制。因?yàn)閷?shí)際轉(zhuǎn)速變化引起的反饋電壓的變化與其他因素（如測(cè)速機(jī)勵(lì)磁變化、換向紋波、安裝不良造成的轉(zhuǎn)子和定子間的偏心）引起的反饋電壓的變化，反饋控制也是區(qū)分不出來的。此外，閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于檢測(cè)裝置本身的誤差也是無法克服的。如果給定電源發(fā)生了不應(yīng)有的波動(dòng)，則輸出轉(zhuǎn)速也要跟著發(fā)生變化，反饋控制系統(tǒng)無法區(qū)分是正常的調(diào)節(jié)給定電壓還是給定電源的變化。這一性質(zhì)是閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)最突出的特征。除了負(fù)載擾動(dòng)所引起的穩(wěn)態(tài)速降之外，還有許多因素會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。（2）、具有較強(qiáng)的抗干擾性能 反饋閉環(huán)系統(tǒng)具有很好的抗擾性能，對(duì)于作用在被負(fù)反饋所包圍的前向通道上的一切擾動(dòng)都能有效地抑制。K越大，穩(wěn)態(tài)速降越小，但當(dāng)放大器只是比例放大器時(shí)，只有當(dāng)K=∞才能使=0，顯然不可能實(shí)現(xiàn)，因此，穩(wěn)態(tài)速降只能減少而不可能消除。 （1）、具有比例放大器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的。圖24 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)框圖由圖24，按照梅森公式可以直接寫出轉(zhuǎn)速給定電壓Un*和負(fù)載擾動(dòng)電流IL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式如下： 式22 其中,閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為： 式23開環(huán)系統(tǒng)的負(fù)載速降為： 式24由式22閉環(huán)時(shí)的負(fù)載速降為： 式25上式表明采用速度閉環(huán)控制后，其負(fù)載速降減小了（1+Kol）倍，使得閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性比開環(huán)時(shí)硬得多；因而，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多，可以大大增加閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍。調(diào)節(jié)器被控對(duì)象擾動(dòng)量檢測(cè)裝置輸出量反饋量偏差輸入量+ －圖23 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖