【正文】 D4D3D1D2C 102 0μ FC92 0μ F+ 5V+ 12 V+ 12 VR14 70R25KR45KR34 70R54 70M G 1P P P 電機驅(qū)動電路設(shè)計 驅(qū)動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的 I/O 口不能直接驅(qū)動電機，只有引入電機驅(qū)動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用L298N電機驅(qū)動芯片驅(qū)動電機， 該芯片是 由四個大功率晶體管組成 的 H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過 調(diào)整輸入脈沖的占空比 ，調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速 。 圖 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖 電源電路設(shè)計 電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。 湖南電子電 氣網(wǎng) 19 U7C20 .3 3 μ FC60 .3 3 μ FV in1GND2+ 5 V3U47 8 0 5V in1GND2+ 1 2 V3U37 8 1 2C30 .1 μ FC70 .1 μ F+ 5 v+ 1 2 v1234U6C82 0 μ FC53 3 0 0 μ FC42 0 μ FC13 3 0 0 μ F12J1~ 2 2 0 V3 單元電路設(shè)計 硬件 資源分配 本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見圖 所示。 根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。 方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機運行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。 根據(jù)上面兩種方案的論 述，由于本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，對軟件的運行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤進行設(shè)計。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需 m 根行線和 n 根列線就可組成 nm? 個按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合。但是由于獨立式鍵盤每個按鍵需要占用一根輸入口線，所以在按鍵數(shù)量較多時， I/O 口浪費大，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。 鍵盤模塊設(shè)計方案 在 電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中 ，系統(tǒng)需要按鍵 進行參數(shù)的 輸入 、工作方式的 設(shè)定 以及電機起停的控制，因此鍵盤在整個系統(tǒng)中是不可缺少的一部分， 考慮有 二 種方案： 方案一：采用獨立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實現(xiàn)簡單，并且各按鍵相互獨立，每個按鍵均有一 端接地，另一端接到輸入線上。 方案三：采用 1286 4LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件連接電路較上面兩種方案復(fù)雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。 但由于在此次設(shè)計中需要設(shè)定的參數(shù)種類多，而且有些需要進行漢字和字符的顯示，所以使用 LED 顯示器不能完成設(shè)計任務(wù)，不宜采用。 顯示模塊設(shè)計方案 在 電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中 ，系統(tǒng)需要 對參數(shù)、工作方式以及電機當前運行狀態(tài)的 顯示，因此在整個系統(tǒng)中必須設(shè)計一個顯示模塊， 考慮有 三 種方案： 方案 一 ：使用 七段 數(shù)碼管 （ LED） 顯示。該方案的實現(xiàn)原理是將測速發(fā)電機固定在 直流電機的軸上，當直流電機轉(zhuǎn)動時，帶動測速電機的軸一起轉(zhuǎn)動，因此測速發(fā)電機會產(chǎn)生大小隨直流電機轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動勢，因此精度比較高，但由于該方案的安裝比較復(fù)雜、成本也比較高，在本次設(shè)計沒有采用此方案。通過脈沖計數(shù)，對速度進行測量。 湖南電子電 氣網(wǎng) 17 方案二： 采用對射式光電傳感器。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成。 基于上述理論分析和實際情況，電機驅(qū)動模塊選用方案二。 方案二：采用 專用的電機驅(qū)動芯片，例如 L298N、 L297N 等電機驅(qū)動芯片，由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應(yīng)用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。 方案一：采用大功率晶體管組合電路構(gòu)成驅(qū)動電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易實現(xiàn)，但由于在驅(qū)動電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復(fù)雜、抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實際的生產(chǎn)實踐過程中可靠性是一個非常重要的方面。因此在本次設(shè)計選用方案二。 若采用 89C51 需要做 RAM， ROM 來擴展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多 。 它和 AT89S51一樣都 具有 軟件編程靈活、體積小、成本低 ,使用簡單等特點 ， 但 是它的頻率較低、運算速度 慢 ， RAM、 ROM 空間小等缺點。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 AT89S51 單片機算術(shù)運算功能強，軟件編 程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制 [4]。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給 FPGA， FPGA 通過程序設(shè)計控制 PWM 脈沖的占空比，但是由于本次設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。 方案一：采用 FPGA（現(xiàn)場可編輯門列陣） 作為系統(tǒng)的控制器， FPGA 可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能 [3]，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高 了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進行功能控制。 圖 系統(tǒng)方案框圖 控制器模塊設(shè)計方案 根據(jù)設(shè)計任務(wù)，控制器主要用于產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM脈沖，并對電機當前速度進行采集處理，根據(jù)算法得出當前所需輸出的占空比脈沖。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現(xiàn)人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。 根據(jù) PWM 控制的基本原理 可知， 一段時間內(nèi)加在慣性負載兩端的 PWM 脈沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效 ，那么如果在短時間 T 內(nèi)脈沖寬度為 0t ,幅值為 U，由圖 可求得此時間內(nèi)脈沖的等效直 流電壓為： 圖 PWM 脈沖 TUtU ?? 00 ，若令 Tt0?? ， ? 即為占空比，則上式可化為： UU ???0 (U 為脈沖幅值 ) （ ） 若 PWM 脈沖 為如圖 所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計算方法與上述相同，即 UT UtnT UntU ?????? ?000 （ ? 為矩形脈沖占空比） （ ） 圖 周期性 PWM 矩形 脈沖 湖南電子電 氣網(wǎng) 14 由式 可知， 要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值 U 和占空比 ? 來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設(shè)計中脈沖幅 值一般 是恒定的，所以通常通過控制占空比 ? 的大小實現(xiàn)等效直流電壓在 0～ U 之間任意調(diào)節(jié)，從而達到利用 PWM 控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的。 采用微機控制后 ， 整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化 ，并且 結(jié)構(gòu)簡單 、 可靠性高 、 操作維護方便 ,電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平 ， 靜動態(tài)各項指標均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。 目前 ， 在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制 技術(shù) 。正因為直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點 ， 并且隨著電力電子器件開關(guān)性能湖南電子電 氣網(wǎng) 13 U ( t )0tTt 0UU ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0的不斷提高 ， 直流脈寬調(diào)制 ( PWM) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點 ：由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高 ， 僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流 電流， 低速特性 好 、 穩(wěn)速精度高 、 調(diào)速范圍寬 。 所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速為主。 針對三種調(diào)速方法，都有各自的特點，也存在一定的缺陷。 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 直流電機的 PWM 控制技術(shù) 直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ， 調(diào)速平滑、方便 ， 調(diào)速范圍廣 ， 過載能力大 ，能承受頻繁的沖擊負載 ， 可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動 、 制動和反轉(zhuǎn) ； 能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求 ， 在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。如果周期性的施加上述脈沖，則響應(yīng) )(ti 也是周期性的。從波形可以看出，在 )(ti 的上升段，脈沖形狀不同時 )(ti 的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全相同。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的 RL電路上，設(shè)其電流 )(ti 為電路的輸出。 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 f ( t )0tf ( t )0tf ( t )0tf ( t )0t a bcd湖南電子電 氣網(wǎng) 12 abcda bii ( t )i ( t )e ( t )RL0圖 的電路是一個具體的例子。例如圖 中 a、 b、 c 所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖 的 a 為矩形脈沖，圖 的 b 為三角脈沖，圖 的 c 為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于 1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 PWM 控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。 PWM 脈沖控制技術(shù) PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。大慣量如：大烘房的溫度控制，一般 P 可在 10 以上 ,I 在 （ 10） 之間 ,D 在 1 左右。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過程滿意為止。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù) PK 和積分系數(shù) IK 為止。 控制度 控制規(guī)律 T PK IT DT PI KT K? KT PID KT K? KT KT PI KT K? KT PID KT K? KT KT PI KT K? KT PID KT K? KT KT PI KT K? KT PID KT K? KT KT 湖南電子電 氣網(wǎng) 11 ③ 積分系數(shù) IK 保持不變，改變比例系數(shù) PK ，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。 下 面以 PID 調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟： ① 讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù) IK =0，實際微分系數(shù) DK =0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù) PK ，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。 ④ 根據(jù)選定的控制度，查表 求得 T、 PK 、 IT 、 DT 的值 [1]。 控制度＝模擬])([])([0202????dttedtte DDC （ ） 實際應(yīng)用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理 湖南電子電 氣網(wǎng) 10 概念。 ③ 選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準，將 DDC 的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是： ① 選擇一個足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法。這種方法最大優(yōu)點就是整定參數(shù)時不依賴對象的數(shù)學模型，簡單易行。用理論計算法設(shè)計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。顯然，要同時滿足上述各項要求是很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。 數(shù)字 PID 位置型示意圖和數(shù)字 PID 增量型示意圖分別如圖 和 所示： 圖 數(shù)字 PID 位置型控制示意圖 湖南電子電 氣網(wǎng) 9 P I D增 量 算 法控 制 器 被 控 對 象r ( t )+e ( t ) uc ( t ) 圖 數(shù)字 PID 增量型控制示意圖 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過程的要求