【正文】 其對能量損耗較大，在實際應(yīng)用系統(tǒng)中一般不采用。 第三章 系統(tǒng)方案論證 11 按照兩個方案的理解，且對照論文的要求，最后決定選用第二種。但此種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 方案二：選用行列式鍵盤，它的特征是行線、列線一一對應(yīng)連輸入線、輸出線。按鍵的工作情況不影響其他按鍵上的輸入狀態(tài)。 根據(jù)本次設(shè)計的設(shè)計要求，顯示模塊選用方案一。 方案三：使用 12864LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動方法以及硬件連接電路跟上面兩種方案較復(fù)雜，顯示屏幕大、可進(jìn)行顯示漢字和字符。在本次論文設(shè)計中數(shù)碼管完全可以完成本次目標(biāo)。 顯示模塊設(shè)計方案 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)必須對工作方式、參數(shù)以及電機(jī)當(dāng)前運行狀態(tài)的顯示，因 此 在 整 個 系 統(tǒng) 中 就 需 要 設(shè) 計 一 個 顯 示 模 塊 ， 有 以下 三 種 考 慮 方 案 ： 方案一：使用七段數(shù)碼管（ LED）顯示。 本次設(shè)計 不需要在硬件電路設(shè)計花很多時間，就能將重心用在完成算法以及軟件設(shè)計構(gòu)思中，工作效果也能得到 保證，能在最短的時間中完成工作。因此此種方案不宜采用。本型號的單片機(jī)的具體的管腳圖如圖 32 所示： 圖 32 單片機(jī)引腳圖 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計方案 本文中最重要的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，所以電機(jī)驅(qū)動模塊不可或缺，考慮以下方法。 AT89S51 單片機(jī)是一款具備高性能，低電壓的 8 位單片機(jī)，由美國的 ATMEL 公司研發(fā)和生產(chǎn)。單片機(jī)的最小系統(tǒng)通常包括了時鐘電路以及復(fù)位電路，同時這些非常小的系統(tǒng)能夠保證單片機(jī)的 平常運行，是其運行所不可或缺構(gòu)成部分。同時，它儲存了 RAM 的信息，當(dāng)硬件復(fù)位之后才會繼續(xù)工作。在前一種方式里， RAM、串行口以及中斷系統(tǒng)和定時器等都不會因為 CPU工作的停止而中斷。 AT89S51 具有以下的主要性能： 1． 8KB 能改編程序的 Flash 存儲器； 2．全靜態(tài)工作： 024Hz； 3． 2568 字節(jié)內(nèi)部 RAM； 4． 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口； 5． 8 個中斷優(yōu)先級； 6． 3 個 16 位計數(shù)器； 7．可編程的串行通道； 8．以及片內(nèi)的時鐘振蕩器。這種技術(shù)的輸出引腳與指令系統(tǒng)都是相互兼容的。它可以承受一千次的擦寫，而且可以反復(fù)。 本次設(shè)計使用 51 系列單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，這種型號的單片機(jī)的優(yōu)勢包括：功耗較低，低電壓環(huán)境工作，屬于性能較高的 CMOS 八位類型。除此而外， Atmel 單片機(jī)的加密性能比其他單片機(jī)要優(yōu)越很多，并且 Atmel 的單片機(jī)是增強(qiáng)型的 51 單片機(jī)。因此本次設(shè)計選用方案二。而且它還擁有技術(shù)全面、功率損耗不高、所用本錢不高以及體積小等好處，在許多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛 [18]。其自由度大、算術(shù)運算功能比一般的強(qiáng)，能用多種語言所以軟件編程變通，還能 夠用軟件編程完成全部算法以及邏輯控制。將輸入模塊經(jīng)過參數(shù)輸入給 FPGA， FPGA 用程序設(shè)計來操控 PWM 脈沖的占空比，然而現(xiàn)在對數(shù)據(jù)處理所需要時間要求低， FPGA 的飛速完成的優(yōu)點不能完美表現(xiàn)出來，還因為集成度較高，讓經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)加重，又因為有大量芯片的引腳，導(dǎo)致實物硬件電路板布線加大難度，大大增加了電路設(shè)計以及焊接的時間。 方案一：首先系統(tǒng)控制器選用 FPGA，其中文名為現(xiàn)場可編輯門列陣， FPGA 能夠完成很多繁雜的邏輯功能，密度非常高，其把全部器件集成在一塊很細(xì)小芯片上，大大縮小了 8 體積，穩(wěn)定性也得到很大提高，還能使用 EDA 軟件仿 真、調(diào)試，便于實現(xiàn)功能控制。 表 55LCX 主要技術(shù)指標(biāo) 55LCX1 峰值堵轉(zhuǎn) 連續(xù)堵轉(zhuǎn) 最 大空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 N*m 電流 A 電壓 V 轉(zhuǎn)矩 N*m 電流 A 電壓 V 27 9 2021 控制器模塊設(shè)計方案 依照設(shè)計要求，控制器先作用于發(fā)出占空操控的 PWM 脈沖，然后要求直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，按照算法得到此刻所需輸出占空比脈沖。 圖 31 系統(tǒng)方案框圖 本系統(tǒng)控制對象是 55LCX 永磁式直流電機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)如表 。圖中核心部件為控制器模塊，鍵盤以及顯示器是拿作完成人機(jī)交互功能，把必須設(shè)置的參數(shù)以及狀態(tài)輸入到單片機(jī) 中是由鍵盤完成，最后用控制器投射到顯示器上。電機(jī)的平均速度： DVVD ?? max ，從這個公式中可以知道，調(diào)節(jié)占空比就能獲得任意的電機(jī)速度。實現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速控制?，F(xiàn)在因為科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展消除了學(xué)科之間的界線，綜合當(dāng)下控制技術(shù)， PWM 操控電機(jī)調(diào)速能力將越來越重要 [16]。開關(guān)驅(qū)動方式是能使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)時，通過用脈寬調(diào)制 PWM 來操控電動機(jī)電樞電壓，最終實現(xiàn)調(diào)速。 （ 3)） 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器也稱為直流斬波器，其的作用是使用功率開關(guān)器件關(guān)閉和斷開實現(xiàn)操控，控制通斷時間比例，將穩(wěn)定的直流電源電壓轉(zhuǎn)換成平均值可控制的直流電壓，也可叫做 DCDC 變換器。來調(diào)節(jié)整流電壓數(shù)值，最后能調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 （ 2） 20 世紀(jì) 40 年代，起先 是 用汞弧整流器 以及 閘流管構(gòu)成的靜止變流設(shè)備 替代 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，但 是 在后期馬上被更加 低成本以及 安全的晶閘管變流裝置所 替代 。 （ l） 可調(diào)直流電壓可由旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用直流電動機(jī)和交流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組獲得，簡稱GM，這是最開始使用的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。 本文便是操縱這類操控方法改變電壓占空比來達(dá)成對直流電機(jī)速度的操縱。 圖 22 直流電機(jī)的基本運行原理圖 直流電機(jī)的調(diào)速原理 眾所周知，對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式是 ??? K IRUn (21) 式中 ： U電樞端電壓 I電樞電流 R電樞電路總電阻 Φ每極磁通量 K與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 從上述關(guān)系可得 ，可以調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的辦法有 ： (1)控制電樞端 平均 電壓可以控制其直流電機(jī)轉(zhuǎn) 動 速 度 ，這種方式屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào) 速，因其靈敏度高，可以 應(yīng)用于 要求范圍 廣 無級平滑調(diào)速系統(tǒng) ； (2)因改變電機(jī)主磁通只可減弱磁通，讓電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬于恒功率調(diào)速方法，其動態(tài)響應(yīng)較慢，雖能在無級平滑調(diào)速，但其調(diào)速范圍小 ； (3)調(diào)節(jié)電樞電路電阻 R 大小在電動機(jī)電樞外串聯(lián)電阻進(jìn)行調(diào)速，只能在有級調(diào)速，還有其平滑性差、效率低、機(jī)械特性偏軟 [14]。即使外面第二章 直流電機(jī)的工作原理 5 加進(jìn)來的是直流電源，但因為換向片以及換電刷的功能影響，最后從線圈中流過來的電流還是交流的，所以其最終作用的轉(zhuǎn)矩的方向也是不會改變的。 此時可以由著名的左手定則來判斷導(dǎo)體 ab 以及 cd 遭受到電磁力影響方向，電磁力產(chǎn)生的力依舊使得轉(zhuǎn)子做逆時針轉(zhuǎn)動。 圖 21 直流電機(jī)物理模型圖 直流電機(jī)的基本工作原理 在上段話描述的直流電機(jī)中 ， 假如刪去原動機(jī)，再讓兩個電刷接通直流電源，像圖 22（ a）展現(xiàn)一樣，就會有直流電流由電刷 A 流進(jìn)去，途經(jīng)線圈 abcd，最后在電刷 B 流出來，再依照電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab 以及 cd 被電磁力所 干擾 ，可由左手定則 來 判斷其方向，兩段導(dǎo)體所受到的力構(gòu)成了一個轉(zhuǎn)矩，從而讓轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。安放裝置時，換向器一定要固定安放 在轉(zhuǎn)軸上面。向電樞鐵心上安放了 A 以及 X 兩條導(dǎo)體連結(jié)成的電樞線圈，線圈開頭以及末尾各自連結(jié)到兩個銅片上，這銅片叫做換向片。 (這里的 2 個小圓圈是為了簡明的示意該位置上的導(dǎo)體電勢或電流的方向 ) 圖 21 展現(xiàn) 的是兩極直流電機(jī)模型， 其 在不可以轉(zhuǎn)動裝置（定子）上安裝了兩個具有直流勵磁的靜止不動的主磁極 S 以及 N，在 其 可以轉(zhuǎn)動裝置（轉(zhuǎn)子）上安裝電樞鐵心。 4 第二章 直流電機(jī)的 工作 原理 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 模型 中，不可以轉(zhuǎn)動的裝置有磁鐵、電刷，磁鐵裝置也叫做主 磁極。 設(shè)計掉電存儲電路，當(dāng)系統(tǒng)掉電后可以把當(dāng)前的信息存儲在存儲器中。 本次設(shè)計的單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)完成的主要內(nèi)容如下： 設(shè)計單片機(jī)最小系統(tǒng)電路； 設(shè)計電機(jī)驅(qū)動電路； 設(shè)計 LED 顯示電路顯示轉(zhuǎn)速的等級； 設(shè)計鍵盤控制電路。 課題的主要內(nèi)容 根據(jù)直流電機(jī)調(diào)速的控制要求確認(rèn)整體的設(shè)計方案，完成單片機(jī)控制的 PWM 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 [11]。目前我國大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速設(shè)備還是依靠進(jìn)口。 我國關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要由：綜合性最優(yōu)控制，補(bǔ)償 PID 控制， PID 算法優(yōu)化 [10]。 我國從 20 世紀(jì) 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管電流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。例如，軍事和航空方面的雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，飛船光電池對太陽的跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，印刷機(jī)械，紡織機(jī)械和壓縮機(jī)；計算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的驅(qū)動器，繪圖儀，打印機(jī)，傳真機(jī)等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，錄像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)等 [8]。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。 從 20 實際 80 年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了遺忘的直流電機(jī)電動機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成了一次大的躍進(jìn)。第四， 1957 年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其他變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī) 電動機(jī)所不能比擬的。但 發(fā)電機(jī) 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大，維修困難。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便，價格低廉，但缺點是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。后來逐漸由 PWM 變流器所替代，明顯的擴(kuò)大了電機(jī)控制的調(diào)運范圍，提高了調(diào)速精度，改善了效率 [5]。到 70 和 80 年代才先后出現(xiàn)全控型功率器件 GTO 晶閘管和 GTR 晶閘管等 [4]。 在單向電機(jī)的電子驅(qū)動電路中，主要的器件是晶閘管，后來是用相位控制的雙向可控硅。 研究現(xiàn)狀 電力電子技術(shù)、功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展對電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展影響極大，它們是密切 2 相關(guān)、相互促進(jìn)的。 單片機(jī)的使用解決了這個問題的一部分，誤差大的問題可以讓許多完善的算法來搞定，還能降低硬件的復(fù)雜性。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，即使能完成生產(chǎn)，但其器械操作時很容易被其他因素干擾，其線路結(jié)構(gòu)也相對不簡單，操控效果也能被濕度，環(huán)境等條件影響。 選題的目的和意義 直流電動機(jī)調(diào)速應(yīng)用于實際中 很多地方 ， 家電 ， 工業(yè) 等，因為它能夠在一個 非常 大的范圍內(nèi)平滑調(diào)速。 而 電動機(jī)調(diào) 節(jié) 速 度系統(tǒng)采用微機(jī) 完成 數(shù)字化 操控 ， 這也 是電氣發(fā)展的 重要 方向之一。 伴隨著 科學(xué)的 快速 發(fā)展 ， 模擬 以及 數(shù)字電路 現(xiàn)在已經(jīng) 被大規(guī)模集成電路 替代 ， 而因為這就 讓 數(shù)字 調(diào)制技術(shù) 得到發(fā)展 。調(diào)節(jié)占空比就 能夠 控制電機(jī)的平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。脈寬調(diào)制， 也成為 當(dāng)今 應(yīng) 用最 常用 的 方式 。 剛開始 的控制系統(tǒng) 為 發(fā)電機(jī) — 電動機(jī)系統(tǒng)， 十分 的笨重。直流電機(jī) 擁有很好 的調(diào)速 特點 ， 其 調(diào)速平滑、 簡單 ，調(diào)速范圍 大 ， 可以抵抗多次 沖擊， 能夠完成 快速起動以及 反轉(zhuǎn)； 可以完成生活中生產(chǎn)的 要求，在 很多領(lǐng)域內(nèi) 得到 使用 [1]。Dc motor。 關(guān)鍵詞 ： PWM 調(diào)速系統(tǒng)；直流電機(jī)；單片機(jī) II Abatract In real life, the automated control system has achieved a wide range of applications and development in all walks of life, including DC motor speed control system plays a particularly important role. This paper studies the use of MCS51 series singlechip PWM control signal in order to achieve a method for controlling the rotational speed of a DC motor, which uses pulse width modulation technology, directly to the constant DC voltage modulated into a variable DC voltage magnitude to achieve DC smooth adjustment armature voltage across the DC PWM speed control system configuration. Relative to today39。 軟件編制采用模塊化的設(shè)計方式，主要包括主程序設(shè)計、 T0 中斷服務(wù) (采樣定時控制 )程序及數(shù)字控制算法程序的設(shè)計。通過單片機(jī)的 I/O 口輸出 PWM 信號來控制電機(jī)驅(qū)動芯片，對直流電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。硬件設(shè)計主要包括 :總體方案設(shè)計、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、驅(qū)動電