【正文】 ........... 20 PWM 實(shí)現(xiàn)方式 ..................................... 20 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 .................................... 20 PWM 產(chǎn)生程序 ............................................. 20 4 .2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) ...................................... 21 主程序及系統(tǒng)初始化模塊 .................................... 21 中斷程序設(shè)計(jì) ............................................. 22 中斷子程序模塊 ........................................... 23 鍵盤(pán) /顯示模塊設(shè)計(jì) .................................. 23 數(shù)字 PID 控制器 ..................................... 25 PID 控制器原理 ........................................ 25 數(shù)字 PID 控制器流程圖 .................................. 26 5 系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 ................................. 29 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置 ......................... 29 電機(jī) Matlab 仿真 .................................. 31 結(jié)束語(yǔ) ............................................. 34 致謝 .............................................. 35 參考文獻(xiàn) ........................................... 36 附錄 .............................................. 37 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 V 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 摘 要 本文主要研究了利用 AT89S52 單片機(jī)控制 PWM信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。此外，本文中還采用了芯片 IR2110 作為直流電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的驅(qū)動(dòng)模塊，并且把它與延時(shí)電路相結(jié)合完成了在主電路中對(duì)直流電機(jī)的控制。 本系統(tǒng)中使用了 光電編碼器 對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量 ，并且 作為反饋值輸入到單片機(jī)進(jìn)行 PID 運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)速度的控制 。從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得 許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較 高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。因此， 調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn) 直流電動(dòng)機(jī)在冶金、礦山、化工、交通、機(jī)械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得 到廣泛的應(yīng)用。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線(xiàn)路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，改變了世界，也改變了人類(lèi)的生活。 目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 2 機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。直流它具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ,調(diào)速平滑、方便 ,調(diào)速范圍廣 。需要能滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，從而對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，這時(shí)通過(guò) PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)線(xiàn)圈中流過(guò)電流時(shí)，線(xiàn)圈受 到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)模型見(jiàn)圖 11。但是對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式： n=U/Cc? TR內(nèi) /CrCc? (11) 其中： U— 電壓； R內(nèi) — 勵(lì)磁繞組本身的電阻； ? — 每極磁通 (Wb) Cc— 電勢(shì)常數(shù)； Cr— 轉(zhuǎn)矩常量 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類(lèi)：勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控法。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制 (PWM)應(yīng)用更為廣泛。 系統(tǒng)方案 與分析 本文主要研究了利用 AT89S52 單片機(jī)，通過(guò) PWM 方式來(lái)改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。利用 光電編碼器 測(cè)得電機(jī)速度， 把電 壓信號(hào)反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行PID 運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。 PWM 是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的 “ 占空比 ” 來(lái)改變平均電壓的大小 ，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)以 AT89S52 單片機(jī)為核心，通過(guò)單片機(jī)控制， C 語(yǔ)言 編程實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的平滑調(diào)速。本文所研究的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。而軟件部分，是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)，加以采 集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)控制器所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動(dòng)對(duì)電機(jī)速度的有效控制 。 下式是占空比計(jì)算公式： 式中 t1 表示一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管導(dǎo) 通的時(shí)間， T表示一個(gè)周期的時(shí)間。由 上式 可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值 為D maxV =V *D ， 因此 改變 占空比 D 就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是 PWM 調(diào)速原理。 PWM 調(diào)速方法 在 PWM 調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)。 （ 2）調(diào)寬調(diào)頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 1). ( 2 1TtD ?單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 6 單 片 機(jī)控制器 驅(qū)動(dòng)電路 直流電機(jī) 光電編碼器 r 被控量 y 給定 量 + 速度反饋 PWM矩形波 前 2 種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此應(yīng)用較少。 定頻調(diào)寬法 是利用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的接通或斷開(kāi)，并通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此， PWM 又被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 方案二：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入 中斷后，將有一定的誤差。 同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。 如圖 22，通過(guò)單片機(jī)控制器產(chǎn)生 PWM 矩形波， PWM 矩形波經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的放大對(duì)直流電機(jī) 進(jìn)行 PWM 控制，由速度傳感器對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，并將測(cè)得的速度反饋到輸入端即讓反饋信號(hào)與給定量進(jìn)行比較。 圖 22 直流電機(jī) PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 7 3 硬件部分 單片機(jī)的選型： AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常 規(guī)編程器。 與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器； 1000 次擦寫(xiě)周期；全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz；三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 32 個(gè)可編程 I/O 口線(xiàn)；三個(gè)16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器；八個(gè)中斷源；全雙工 UART 串行通道；低功耗空閑和掉電模式；掉電后中斷可喚醒；看門(mén)狗定時(shí)器；雙數(shù)據(jù)指針；掉電標(biāo)識(shí)符。這些中斷每個(gè)中斷源都可以通過(guò)置位或清除特 殊寄存器 IE 中的相關(guān)中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無(wú)效。 AT89S52 內(nèi)部具有看門(mén)狗定時(shí)器及 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器?？删幊淌侵杆鼈兊墓ぷ鞣绞接芍噶顏?lái)設(shè)置，或者當(dāng)計(jì)數(shù)器用，或者當(dāng)定時(shí)器用，并且記數(shù)（定時(shí)）的范圍也可以由指令來(lái)設(shè)置。 驅(qū)動(dòng)電路 功率放大驅(qū)動(dòng)芯片有多種，其中較 常用的芯片有 IR2110 和 EXB841，但由于IR2110 具有雙通道驅(qū)動(dòng)特性，且電路簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格相對(duì) EXB841 便宜，具有較高的性?xún)r(jià)比，且對(duì)于直流電機(jī)調(diào)速使用起來(lái)更加簡(jiǎn)便，因此該驅(qū)動(dòng)電路采用了IR2110 集成芯片，使得該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。它把驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET或 IGBT所需的絕大部分功能集成在一個(gè)高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點(diǎn)在于，將輸入邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，工作電壓比較高，可以達(dá)到 600V，其內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，成本低、易于調(diào)試。與此同時(shí)， IR2110的研制成功并且投入應(yīng)用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。 IR2110 的引腳圖以及功能 HOUBUsNcV c cC O MNCV SSLINSDH INV DDNCLO 圖 32 IR2110 管腳圖 IR2110 采用 HVIC 和閂鎖抗干擾 CMOS 工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達(dá) 500V， du/dt=177。 IR2110 采用 CMOS 施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。兩路匹配傳輸導(dǎo)通延時(shí)為 120ns，關(guān)斷延時(shí)為 94ns。 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 10 P W M 1 P W M 2VbHOVsLOH INL INSDC O MVb HO Vs LOH IN L IN SDC O MIR 2 1 1 0R9 R 1 0R 1 1 R 1 2VD 10VD 11IR 2 1 1 0C4 C5P W M 1 P W M 2U g1U g2 U g3 U g4V s s V s s 圖 33 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 元器件的選擇比較、選型 本設(shè)計(jì)采用 IGBT， IGBT 作為大功率的電路驅(qū)動(dòng)器件，具有以下 優(yōu)點(diǎn)： （ 1） IGBT在正常工作時(shí)，導(dǎo)通電阻較低，增大了器件的電流容量。（ 3）較寬的低摻雜漂移區(qū)（ n區(qū)）能夠承受很高的電壓，因而可以實(shí)現(xiàn)高耐壓的器件。（ 5）與 MOSFET 一樣， IGBT 具有很大的輸入電阻和較小的輸入電容，則驅(qū)動(dòng)功率低，開(kāi)關(guān)速度高。但這本設(shè)計(jì)中 IGBT 仍然是本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的最理想器件。 （ 2） IGBT 導(dǎo)通時(shí)承受的峰值電流 : Iirm= AI 1 ??? （ 32） 額定電電壓按 220V 供電電壓、額定功率 10kVA 容量算。 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 11 H 橋雙極性主電路 從上面的原理可以看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓的前提是低壓側(cè)必須有開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導(dǎo)通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。我們可以采取雙 PWM信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)以及它的速度。 在 HIN為高電平期間， VT VT 4導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加正向的工作電壓。此時(shí)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。其具體的操作步驟如下： 電源經(jīng) VT 3至電動(dòng)機(jī)的負(fù)極經(jīng)過(guò)整個(gè)直流電機(jī)后再通過(guò) VT 2到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。 因此電樞上的工 作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機(jī)械慣性的緣故，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來(lái)決定的。 HIN信號(hào)的占空比為 D=t1/T。 D在 0—1之間變化，因此 λ在177。如果我們聯(lián)系改變 λ，那么便可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向的無(wú)級(jí)調(diào)速。 MGM O T O R D CV T 1V T 2VD1VD2V T 3V T 4VD3VD4U g1U g2U g3U g4Us 圖 34 橋式可逆 PWM變換器電路 雙極式控制可逆 PWM 變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖 8 所示。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0 ontt?? 時(shí)，晶體管 1VT 、 4VT 飽和導(dǎo)通而 3VT 、 2VT 截止，這時(shí) AB sUU? 。 ABU