【正文】 機器周期以上的高電平將使單片機復位。P3口除作為一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，： P3口第二功能 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） （外中斷0） （外中斷1） T0（定時/計數(shù)器器0外部輸入） T1（定時/計數(shù)器器1外部輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3 口還接收一些用于閃爍存儲器編程和程序校驗的控制信號。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖故可驅(qū)動4個TTL電路。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口線上的內(nèi)容在整個運行期間不變。因為內(nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P2口：P2口是一個內(nèi)部帶有上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL電路。因為內(nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。P1口：P1口一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL電路。P0口還能夠在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復用，并在這時激活內(nèi)部的上拉電阻。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅(qū)動8個TTL電路。掉電方式保存隨機存取數(shù)據(jù)存儲器中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一個復位。另外，AT89C51還可以進行0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件的節(jié)電模式。片內(nèi)含有8位中央處理器和閃爍存儲單元，有較強的功能的AT89C51單片機能夠被應用到控制領(lǐng)域中。第3章 硬件設(shè)計 控制器 控制器的選擇本設(shè)計選用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機，AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機帶有4K字節(jié)的可反復擦寫的程序存儲器（PENROM）。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖本控制系統(tǒng)的核心是數(shù)字控制器，選用 Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51，與其它電路連接組成控制系統(tǒng)。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖本設(shè)計為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，二者之間實行嵌套聯(lián)接。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖比較以上三種控制系統(tǒng)，由于GM系統(tǒng)缺點，本設(shè)計不考慮第一種控制系統(tǒng)。功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道童損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗不大，因而裝置效率較高。低速性能好，調(diào)速范圍寬，可達1：10000左右。這種控制系統(tǒng)較前兩種控制系統(tǒng)有很多優(yōu)點，主電路線路簡單，需要的功率器件少。 PWM系統(tǒng)此系統(tǒng)用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。但是VM系統(tǒng)也有缺點，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用晶閘管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。 VM系統(tǒng)晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)(簡稱VM系統(tǒng)，又稱靜止的WardLeonard系統(tǒng))，VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱GM系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱WardLeonard系統(tǒng)。所以直流調(diào)速系統(tǒng)也在不斷的發(fā)展，到現(xiàn)在為止有三種主要的控制系統(tǒng)GM系統(tǒng)、VM系統(tǒng)和PWM系統(tǒng)。由于各種不同的生產(chǎn)機械運動規(guī)律不一樣，對傳動裝置性能的要求也不一樣。 本課題的設(shè)計要達到的目標是以AT89C51單片機為核心以小型直流電機為控制對象，實現(xiàn)雙閉環(huán)PI控制，通過改變?nèi)嚯娐分锌煽毓璧囊葡蛴|發(fā)脈沖來改變整流電路，進而實現(xiàn)調(diào)速的目的。由于微機具有較佳的性能價格比，所以微機在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應用。采用微機控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作維護方便，電機穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平。數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為最新控制水平的傳動方式更顯示了強大優(yōu)勢。從80 年代中后期起，世界各大電氣公司都在競相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動裝置，直流調(diào)速已發(fā)展到一個很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。交流電機不論是異步電機還是同步電機，結(jié)構(gòu)都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運行時，它們的速度不能方便而經(jīng)濟地調(diào)節(jié)。通過微機控制，可使電機的性能有很大的提高。在各種機床設(shè)備及生產(chǎn)流水線中，現(xiàn)在已普 遍采用帶微機的可編程控制器，按一定的規(guī)律控制各類電機的動作。因此就有可能比較普遍地應用微機來控制電 機，完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機的性能更符合使用要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機，使電機出現(xiàn)新的面貌。微機出現(xiàn)于20 世紀70 年代，隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的 迅速發(fā)展，微機的性能越來越高，價格越來越便宜。20世紀70年代以來，利用單片機作為控制器開始在電機控制系統(tǒng)中被廣泛使用，如AT89C51等。正是這些技術(shù)的進步使電動機控制技術(shù)在近二十多年內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化。每一代的電力電子元件也未停頓，多年來其結(jié)構(gòu)、工藝不斷改進，性能有了飛速提高，在不同應用領(lǐng)域它們在互相競爭，新的應用不斷出現(xiàn)。 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀電力電子技術(shù)是電機控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器，電力電機技術(shù)的迅猛 發(fā)展，促使了電機控制技術(shù)水平有了突破性的提高。而且通過系統(tǒng)總線全數(shù)字化控制系統(tǒng)，能與管理計算機、過程計算機、遠程電控裝置進行交換，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化分級控制。由于微機以數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強。 早期直流傳動的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。由于直流電氣傳動技術(shù)的研究和應用已達到比較成熟的地步，應用相當普遍，尤其是全數(shù)字直流系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性。以上技術(shù)的應用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。目前，通過對電動機的控制，將電能轉(zhuǎn)換為機械能進而控制工作機械按給定的運動規(guī)律運行且使之滿足特定要求的新型電氣傳動自動化技術(shù)已廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。眾所周知，與交流調(diào)速系統(tǒng)相比，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，變流裝置控制簡單，長期以來在調(diào)速傳動中占統(tǒng)治地位。電動機設(shè)計方案 題目背景和意義電氣傳動技術(shù)以電動機控制為控制對象，以微電子裝置為核心，以電力電子 功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論指導下組成電氣傳動控制系統(tǒng)。因電 機種類的不同分為直流電動機傳動(簡稱直流傳動)、交流電動機傳動(簡稱交流傳動)、步進電機傳動(簡稱步進傳動)、伺服電動機傳動(簡稱伺服傳動)等等。在要求調(diào)速性能較高的場合，一般都采用直流電氣傳動。三十多年來，直流電機傳動經(jīng)歷了重大的變革。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中仍然難以替代。所以，今后一個階段在調(diào)速要求較高的場合，如軋鋼廠、海上鉆井平臺等，直流調(diào)速仍然處于主要地位。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，直流傳動系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用微機，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度和可靠性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。所以，直流傳動控制采用微機實現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進入一個嶄新的階段。從20世紀60年代第一代電力電子器件晶閘管(SCR)發(fā)明至今，已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器 件GTR、GTO、MOSFET，第三代復合場控器件IGBT、MCT等，如今正蓬勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品功率集成電路(PIC)。同時電機控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動控制技術(shù)和微機應用技術(shù)的最新發(fā)展成就。早期直流傳動的控制器由模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。在單片機控制系統(tǒng)中，單片機作為系統(tǒng)控制的核心，主要用來完成一些算法，同時還要處理一些輸入/輸出、顯示任務等，單片機的使用使電動機控制系統(tǒng)的性能得到了很大提高。此外，電力電子的發(fā)展，使得大功率電子器件的性能迅速提高。比較簡單的電機微機控制，只要用微機控制繼電器或電子開 關(guān)元件使電路開通或關(guān)斷就可以了。對于復雜的 電機控制，則要用微機控制電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機按給定的指令準確工作。傳統(tǒng)的直流電機和交流電機各有優(yōu)缺點，直流電機調(diào)速性能好，但帶有機械換向器，有機械磨損及換向火花等問題。電機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方法之一。特別是采用了微機及其他先進技術(shù)， 使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強大的抗干擾能力，在國內(nèi)外得到廣泛的應用。 數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷推出，為工程應用提供了優(yōu)越的條件。直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，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。第2章 系統(tǒng)設(shè)計方案 概述本次畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容是用單片機做控制器，完成對直流電動機控制系統(tǒng)的自動控制，系統(tǒng)采用單片機與三相橋式全控整流電路配合的控制方法由單片機鍵盤輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定值，該數(shù)值與數(shù)字測速裝置采樣的轉(zhuǎn)速值進行比較，得到一個差值，再經(jīng)過轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)控制程序運算，得到整流電路中可控硅對應的觸發(fā)時刻，輸出可變整流電壓。 直流調(diào)速系統(tǒng)的選擇在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機械都不停的運動著，幾乎無處不使用電力傳動裝置。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)量，提高生產(chǎn)效率，越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與相應的自動化控制，并且對電力傳動裝置的拖動性能要求也越來越高。 GM系統(tǒng)此系統(tǒng)由原動機(柴油機、交流異步或同步電動機)拖動直流發(fā)電機G實現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動機M供電，調(diào)節(jié)G的勵磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速n。這種控制系統(tǒng)有很多缺點，包括設(shè)備多、體積大、費用高、效率低和運行有噪聲等。與GM系統(tǒng)相比較，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示較大的優(yōu)越性。在控制作用的快速性上，交流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。晶閘管對過電壓、過電流和高的dv/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。三種可控直流電源，VM系統(tǒng)在上世紀6070年代得到廣泛應用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。在要求快速響應的直流調(diào)速場合PWM變換電源具有不可替代的優(yōu)勢。開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少。若與快速響應的電機配合，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代VM系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。雖然VM系統(tǒng)比較PWM系統(tǒng)來說也有很多缺點，但是由于本畢業(yè)設(shè)計的方向是用于大容量系統(tǒng)，而且考慮到經(jīng)費的問題，所以本設(shè)計選擇VM系統(tǒng)作為主控制系統(tǒng)。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制觸發(fā)器。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由鍵盤電路實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的設(shè)定，顯示電路實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)控，測速發(fā)電機實現(xiàn)速度的檢測和反饋，電流傳感器實現(xiàn)電流的檢測和反饋，過零檢測實現(xiàn)零點電壓的檢測，報警電路實現(xiàn)異常報警，由三相全控整流電路與控制器相配和實現(xiàn)直流電動機的控制。和128字節(jié)的存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），這種器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丟失存儲技術(shù)生產(chǎn)，并且能夠與MCS51系列的單片機兼容。AT89C51提供以下的功能標準：4K字節(jié)閃爍存儲器，128字節(jié)隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，32個I/O口，2個16位定時/計數(shù)器，1個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，1個串行通信口，片內(nèi)震蕩器和時鐘電路。閑散方式停止中央處理器的工作，能夠允許隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、定時/計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 AT89C51引腳圖引腳說明如下：VCC：電源電壓 GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路雙向I/O口，即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。當“1”被寫入P0口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。P0口在閃爍編程時，P0口接收指令，在程序校驗時，輸出指令，需要接電阻。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。閃爍編程時和程序校驗時，P1口接收低8位地址。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。閃爍編程或校驗時，P2口接收高位地址和其它控制信號。對P3口寫如“1”時，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的P3口將用電阻輸出電流。RST：復位輸入。ALE/ ：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖時，閃爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。這個位置后只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被應用。：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器讀取