【正文】 . 20 3． 4 行列式鍵盤輸入模塊 ........................................................................................................ 20 3． 4． 1 行列式鍵盤輸入模塊的設(shè)計思想 .......................................................................... 20 3． 4． 2 行列式鍵盤輸入模塊的程序 流程圖 ...................................................................... 21 3． 5 PWM 調(diào)速方法設(shè)計 .......................................................................................................... 21 3． 5． 1 對 PWM 控制的介紹 ............................................................................................. 21 3． 5． 2 PWM 脈沖的產(chǎn)生 .................................................................................................. 24 3． 5． 3 PWM 脈沖產(chǎn)生模塊的程序流程圖 ......................................................................... 25 V 4 總結(jié)與展望 ................................................................................................................................... 25 參考文獻 ......................................................................................................................................... 26 致謝 ...................................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。而對生產(chǎn)而言，電機調(diào)速是人們一直在研究的課題。其中，對直流電機轉(zhuǎn)速的控制方法 可分為兩類：勵磁控制與電樞電壓控制。這類方法，控制功率?。?轉(zhuǎn)速較低時 ，收到磁飽和的限制；當轉(zhuǎn)速較高時，收到換向火花和換向器結(jié) 構(gòu)強度的限制；而且， 由于勵磁線圈存在較大電感，導(dǎo)致了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較差。電樞電壓控制方式也可分為兩種：一為調(diào)節(jié)電壓，二為 調(diào)節(jié)電流 。 然而單片機作為一種可編程控制器，已經(jīng) 得到成熟的應(yīng)用。單片機具有性能高、體積小、速度快、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟、應(yīng)用廣泛、高通用性等優(yōu)點。 由于 PWM 控制技術(shù)的控制簡單、靈活和較好的動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點，而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式。直到邁進上世紀 80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅猛發(fā)展， PWM 控制技術(shù)終于得到了真正的實現(xiàn)與應(yīng)用。 PWM 控制技術(shù)獲得了空前發(fā)展。 在如此多樣的 PWM控制技術(shù)中 SPWM 控制技術(shù)是其中最為成熟的控制方法，而本課題也將采用此種控制方法。它的控制手段、算法和方法 很多樣，作為最早發(fā)展起來的控制策略，模擬 PID 控制長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，并且在參數(shù)整定較方便，能夠滿足一般控制的要求。 隨著計算機技術(shù)和終能控制理論的逐步發(fā)展，以軟件實現(xiàn)的數(shù)字 PID 控制技術(shù)逐漸發(fā)展起來。 本課題 設(shè)計是以 51 系列單片機為控制核心，產(chǎn)生占空比由數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 2 脈沖信號實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。人機界面采用 128? 64LCD顯示器顯示電機當前的參數(shù)、 正反轉(zhuǎn)狀態(tài)、轉(zhuǎn)速以及 運行時間 ，通過 4? 4 鍵盤實現(xiàn)：數(shù)字PID 參數(shù)設(shè)置、電機正反轉(zhuǎn)、加速、減速、啟動、停止。 1 調(diào)速 系統(tǒng)總體設(shè)計 1． 1 系統(tǒng)總體 設(shè)計 說明 本文 設(shè)計了 一個直流電機的調(diào)速控制系統(tǒng)，以單片機為控制核心產(chǎn)生 PWM 信號對直流電機的供電電源進行控制從而達到調(diào)速目的。 其中總體設(shè)計中設(shè)計如下模塊： PWM 產(chǎn)生及控制、功率放大及驅(qū)動電路、電機測速、閉環(huán)速度反饋電路、 PID 控制器、速度顯示、鍵盤控制 、保護性電路。因為單片機的硬件結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)都是按工業(yè)控制的要求設(shè)計制作的，常用作于工業(yè)的檢測、控制裝置中，因此也稱作微控制器（ MicroController）或嵌入式控制器（ EmbeddedController）。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括：中央處理器、只讀存儲器、隨機存取存儲器 、并行輸入 /輸出口、定時 /計時器、中斷系統(tǒng)。它的性能特點有： 1內(nèi)部程序存儲器： 4KB； 3內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器： 128KB； 3外部 程序存儲器：可擴展到 64KB； 4外部數(shù)據(jù)存儲器：可擴展到 64KB； 5輸入 /輸出口線： 32 根（ 4個端口，每個端口 8根）； 6定時 /計數(shù)器： 2 個 16 位可編程的定時 /計數(shù)器； 7串行口：全雙工， 2根； 8寄存器區(qū)：在內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的 128B中劃出一部分作為寄存器區(qū)，分為 4個區(qū)，每個區(qū) 8個通用寄存器； 9中斷源： 5 個中斷源， 2個優(yōu)先級； 10 堆棧：最深 128B； 11布爾 4 處理器：就是處理器，對某些單元的某位做單獨處理； 12指令系統(tǒng)（系統(tǒng)時鐘為 12MHz時）：大部分指令執(zhí)行時間為 1us，少部分指令執(zhí)行時間為 2us，只有乘、除指令的執(zhí)行時間為 4us。 圖 MCS51單片 機的引腳圖 5 2． 1． 2 單片機 在 電機控制 方面的應(yīng)用 從 20 世紀 80 年代起，微處理器、單片機得到了飛速發(fā)展，其運行速度增快、運算精度增高、處理能力加強、功能更加多樣、結(jié)構(gòu)更加簡單、可靠性也得到提高，已有足夠的能力 完成具有強實時性的電動機控制要求。到了 20 世紀 90 年代，單片機技術(shù)得到進一步發(fā)展，出現(xiàn)了 32位的單片機，它強大的功能已經(jīng)能使單片機全數(shù)字控制的交流調(diào)速系統(tǒng)性能和精度優(yōu)于模擬控制，功能更加完善，具有很強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，使電動機傳 動系統(tǒng)成為工廠自動化系統(tǒng)中的一級執(zhí)行機構(gòu)。工業(yè)先進 的國家所應(yīng)用的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)已 經(jīng)基本實現(xiàn)數(shù)字化。從計算機輸出地信號主要為：交流裝置功率半導(dǎo)體元器件的觸發(fā)信號，用于控制輸出電壓、 電流的頻率、幅值和相位信號，電機系統(tǒng)的運行和故障狀態(tài)指示信號，及上位機或系統(tǒng)的 通信信號等。 電動機系統(tǒng)采用單片機控制具有的優(yōu)越性：容易獲得高精度的穩(wěn)態(tài)調(diào)整性能，可獲得優(yōu)化的控制質(zhì)量，能方便靈活地實現(xiàn)多種控制策略，提高系統(tǒng)工作的可靠性。 2． 2 電機驅(qū)動電路設(shè)計 2． 2． 1 驅(qū)動電路原理介紹 在直流電機驅(qū)動方面，普遍應(yīng)用 H橋電路來實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速 ，如圖 31。 若想要讓電機運行，需要導(dǎo)通對角的兩個三極管， Q1 與 Q4或 Q2與 Q3。 此時，電流以從左往右的方向流過電機，從而使電機按順時針方向運轉(zhuǎn)。此時，電流以從右往左的方向流過電機 ，從而使電機按 逆 時針方向運轉(zhuǎn)。 L298N 是一款由 SGS 公司生產(chǎn)的直流電機控制芯片。以L298N 構(gòu)造組成的 PWM 功率放大器的工作形式為單級可逆模式， 2個 H橋的下側(cè)橋晶體管發(fā)射極連接 在一起。 L298 可驅(qū) 動 2個電機， OUT OUT2 和 OUT OUT4 之間分別接 2個電動機。 圖 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 L298引腳圖 8 2． 2． 3 調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計及分析 本調(diào)速系 統(tǒng)的驅(qū)動電路設(shè)計如圖 。當 IN1 端為 PWM 信號，而 IN2 端為低電平時，電機正轉(zhuǎn)；當 IN2 端為 PWM 信號，而 IN1 端為低電平時，電機反轉(zhuǎn) 。 當電機正常運行同時，瞬間導(dǎo)通另一組 晶體管 ，將使電機快 9 速停止。 2． 3 電機轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計 2． 3． 1 速度采集的原理及方法 本調(diào)速 系統(tǒng)中由于要將電機 當前 采樣的速度與上次采樣的速度進行 比較， 計算出 偏差 ，然后 進行 PID 運算，因此速度采集電路 在 整個系統(tǒng) 中是 不可缺少的。這是由三篇霍爾金屬板組成的器件，當磁鐵正面朝向金屬板時，便產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，金屬板會產(chǎn)生橫向?qū)ǖ默F(xiàn)象。 方法二：測速發(fā)電機。 方法三 ：光電編碼器。其工作原理將在下文詳述。測速發(fā)電機雖然采樣精度較高，但是其實際的安裝電路較復(fù)雜，而且成本也是三者中最高的，所以也不予采用。 光電編碼器由光柵盤和光電檢測裝置組成。光電碼盤與電機同軸， 當電機運轉(zhuǎn)時，光柵盤與電機一起轉(zhuǎn)動，經(jīng)發(fā)光二極管等電子器件組成的檢測裝置檢測的脈沖信號。而且，編碼盤還可提供相位相差 /2? 的兩路脈沖信號來判斷旋轉(zhuǎn)方向。 目前在顯示模塊主要有以下三種方式： 方法一 ： LED 數(shù)碼管 顯示器 。 通過控制輸入顯示器的段碼信號來控制顯示器。 方法二： 液晶顯示器 LCD。 將上訴兩種方法進行比較， LED 數(shù)碼管顯示器雖然在控制方面較為簡單，但 是占用的資源較多，且無法顯示本課題所需的信息量，所以方法一不予采用。 LCD 顯示模塊存在多種不同的型號與規(guī)格， 對于不同的規(guī)格和型號的液晶顯示器而言，它們的控制方法是一樣的。 128? 64LCD共有 20個引腳，其引腳分布如圖 ，其引腳功能如表 所示 11 圖 128? 64LCD液晶顯示器模塊引腳 圖 引腳 符 號 引 腳 功 能 引腳 符 號 引 腳 功 能 1 VSS 電源地 15 CS1 CS1=1 芯片選擇左邊 64*64 點 2 VDD 電源正 +5V 16 CS2 CS2=1 芯片選擇右邊 64*64 點 3 VO 液晶顯示驅(qū)動電源 17 /RST 復(fù)位（低電平有效） 4 RS H： 數(shù)據(jù)輸入； L： 指令碼輸入 18 VEE LCD 驅(qū)動負電源 5 R/W H： 數(shù)據(jù)讀?。? L： 數(shù)據(jù)寫入 19 A 背光電源（ +） 6 E 使能信號。 圖 128? 64LCD液晶顯示器模塊 電路圖 2． 5 鍵盤輸入模塊設(shè)計 2． 5． 1 鍵盤輸入模塊的原理與方法 由于本直流電機調(diào)速系統(tǒng)要求通過按鍵形式對直流電機進行相應(yīng)控制，包括：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止、啟動以及 PID 控制器的參數(shù)設(shè)定。 目前在鍵盤輸入模塊主要有以下兩種方法： 方法一：獨立式鍵盤。其 優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便 ，缺點是所占用端口資源較多。 行列式鍵盤由行線跟列線組成。其優(yōu)點是在鍵盤較多的情況下，占用的 I/O 口資源較少，缺點是相對于獨立式鍵盤而言，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。若采用獨立式鍵盤勢必占 13 用大量的 I/O 口資源，所以方法一不予以采用。 2． 5． 2 鍵盤輸入模塊 電路設(shè)計 本調(diào)速系 統(tǒng)的 顯示模塊 電路設(shè)計如圖 。 速度閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)可以對直流電機的調(diào)速范圍以及調(diào)速的精度進 行提高。在本直流電機速度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，速度控制器的輸出信號，作為脈寬調(diào)制器的控制信號， 經(jīng)過傳感器處理后，形成速度反饋信號， 反饋信號直接送到電子數(shù)字計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中去 。我們需要通過數(shù)值逼近的方法來 PID 控制規(guī)律的實現(xiàn)。 PID控制器的 原理框圖如圖 示。 比例控制的作用是對于當前的偏差信號 ()et 進行放大或者衰減后作為輸出的控制信號 。但對于存在慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)， pK 過大時會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，甚至會導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖 比例（ p）控制階躍響應(yīng) 15 積分控制的作用是將系統(tǒng)從零開始到當前的偏差信號進行積累。其缺點是積 分控制不能及時克服擾動的影響。微分控制作用正比于偏差信號 ()et 的變化率，其特點是只對偏差 ()et 變化的速度起反應(yīng) ，對于固定不變的偏差，不會產(chǎn)生微分作用輸出。 值得注意的是，微分控制不能獨立存在，一般情況下， 都要配合比例控制存在 ,實現(xiàn) PD 控制。通過最優(yōu)控制理論可以證明， PID 控制能夠滿足非常多工業(yè)控制對象的控制要求。 本課題的直流電機調(diào)速系統(tǒng)采用的核心算法是增量式 PID 算法，它是根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù) 與設(shè)定值進行比較，求出誤差 ()et ，然后通過 P、 I、 D用算，一步步逼近設(shè)定值，最終輸出運算結(jié)果來控制 PWM脈沖的占空比來調(diào)節(jié)直流電機兩端的電壓值，從而達到控制點自己轉(zhuǎn)速的作用。 3． 2 數(shù)字測速模塊 3． 2． 1 數(shù)字測速模塊的設(shè)計思想與算法 單片機接收從 光電編碼器的脈沖，然后進行數(shù)字運算，計算出當前電機轉(zhuǎn)速，最后將轉(zhuǎn)速值傳送給 LCD 顯示與 PID控制模塊。每當編碼器旋轉(zhuǎn)一周記為一個脈沖，由脈沖觸發(fā)外部中斷，累計 外部中斷的 次數(shù) ， 除以編碼盤上的總開口數(shù)， 便可得到編碼器旋轉(zhuǎn)地圈數(shù)。 轉(zhuǎn)速計算公式： nv Nt? ? ( / )rs 18 60nv Nt??? ( / min)r