【正文】 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： (21) 式中表示一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間，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，因此占空比如果變化的話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?，F(xiàn)在我們可以通過(guò)改變占空比來(lái)獲得不同的轉(zhuǎn)速，因?yàn)椤?PWM 調(diào)速方法調(diào)速原理如圖21所示。通常有3種方法改變占空比： (1)定寬調(diào)頻法：就是使的寬度保持不變，改變的寬度，此時(shí)周期（即頻率）也發(fā)生了變化，也就是所謂的寬度的大小不變，調(diào)整頻率的大??； (2)調(diào)寬調(diào)頻法：就是使的寬度保持不變，改變的寬度，此時(shí)的周期（即頻率）也發(fā)生了變化，也就是所謂的調(diào)整寬度的大小和調(diào)整頻率的大??； (3)定頻調(diào)寬法：就是使（即頻率）的寬度保持不變，改變的寬度，此時(shí)的寬度也會(huì)發(fā)生變化，也就是所謂的保持頻率不變，調(diào)整寬度的大小。因此，只要控制好脈沖的通電時(shí)間，就可以很容易實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)速。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。本設(shè)計(jì)采用單閉環(huán)系統(tǒng)，之所以會(huì)選擇閉環(huán)還沒(méi)采用開(kāi)環(huán)，原因在于閉環(huán)相對(duì)于開(kāi)環(huán)具有一些比較突出的一些優(yōu)點(diǎn)，閉環(huán)的主要特點(diǎn)在于存在反饋控制，反饋控制的作用表現(xiàn)為如果被控制量偏離給定值，這樣的偏差就會(huì)被反饋控制通過(guò)自己的修正作用去消除。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。從而達(dá)到對(duì)直流電機(jī)的較為精確的控制。它具有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。 AT89S52主要性能：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：0Hz33MHz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 32個(gè)可編程I/O口線 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 8個(gè)中斷源 全雙工UART串行通道 低功耗空閑和掉電模式 1掉電后中斷可喚醒 1看門狗定時(shí)器 1雙數(shù)據(jù)指針 1掉電標(biāo)識(shí)符 AT89S52引腳圖圖31 單片機(jī)引腳圖 AT89S52 有6個(gè)中斷源：兩個(gè)外部中斷（INT0 和INT1），三個(gè)定時(shí)中斷（定時(shí)器0、2）和一個(gè)串行中斷。IE還包括一個(gè)中斷允許總控制位EA，它能一次禁止所有中斷。16個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的16位，因此可以算出為它的最大計(jì)數(shù)模值。這種可編程是通過(guò)TMOD控制器來(lái)完成的。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，具有較高的性價(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。這個(gè)電路芯片的特點(diǎn)是成本低，偏值電壓高( 600V)，集成度高(可驅(qū)動(dòng)同一橋臂兩路) ，體積小(DIP14 )，響應(yīng)快( ton/tof= 120/94 ns)，而且驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng), 內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，易于調(diào)試,除此之外，它還擁有外部保護(hù)封鎖端口。只需一路10一20V電源，2片IR2110驅(qū)動(dòng)2個(gè)橋臂就能應(yīng)對(duì)4管構(gòu)成的全橋電路，這樣做的優(yōu)點(diǎn)很多，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了產(chǎn)品成本，大大減小了控制變壓器的體積和電源數(shù)目。50V/ns，當(dāng)條件為小于等于15V時(shí)，；10～20V的電壓范圍為輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，5～15V的電壓范圍就是它的邏輯電源電壓，存在電壓偏移的是邏輯電源，－5V～＋5V就是它的電壓偏移范圍。正是因?yàn)椴捎昧送仆焓津?qū)動(dòng)所以使得大于等于2A成為它的輸出峰值電流，如果1000pF就是它的負(fù)載時(shí)，那么25ns就是它的開(kāi)關(guān)時(shí)間?？梢猿惺芊聪螂娏鞯氖荌R2110的腳10，它最大能夠承受2A的反向電流。 (2)IGBT的輸出電流和跨導(dǎo)都大于相同尺寸的功率MOSFET。 (4)IGBT利用柵極可以關(guān)斷很大的漏極電流。雖然當(dāng)IGBT關(guān)斷（柵極電壓降為0）時(shí)，IGBT的漏極電流也就相應(yīng)地不能馬上關(guān)斷，即漏極電流波形有一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的拖尾——關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)（10～50ms），所以IGBT的工作頻率較低。 IGBT型號(hào)選擇：（1）IGBT承受的正反向峰值電壓： （31）　　，可選IGBT的電壓為900V。在計(jì)算出（或測(cè)出）最大電壓后，再留有20%~30%的裕量，選用的IGBT型號(hào)為三菱公司的CT60AM18F，其耐壓值為900V，最大峰值電流30A，完全滿足設(shè)計(jì)要求。因此在這個(gè)電路中，VTVT4或者VTVT3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的。 將IC1的HIN端與IC2的LIN端相連，而把IC1的LIN端與IC2的HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號(hào)恰好相反。其具體的操作步驟如下：電源經(jīng)VT1至電動(dòng)機(jī)的正極經(jīng)過(guò)整個(gè)直流電機(jī)后再通過(guò)VT4到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。在HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，VTVT3導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加反向工作電壓。此時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。設(shè)PWM波的周期為，HIN為高電平的時(shí)間為，這里忽略死區(qū)時(shí)間，那么LIN為高電平的時(shí)間就為。設(shè)電源電壓為V，那么電樞電壓的平均值為： (33) 定義負(fù)載電壓系數(shù)為， 那么；當(dāng)T為常數(shù)時(shí)，改變HIN為高電平的時(shí)間，也就改變了占空比，從而達(dá)到了改變的目的。1之間變化。當(dāng)時(shí)，,此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0；當(dāng)時(shí)，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，,電機(jī)正轉(zhuǎn)全速運(yùn)行。圖35 PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形 他們的關(guān)系是：。當(dāng)時(shí)，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時(shí)。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 (34)如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0～1相應(yīng)的。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，它并不等于零，從這里也可以看出電流也是交變的。雖然這個(gè)缺點(diǎn)無(wú)法避免，但是它的好處還是很明顯的，那就是高頻微震電流存在于電動(dòng)機(jī)停止時(shí)，正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)被有效的消除了，“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用因此而得名。 2）低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 4）電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 光電編碼器 編碼器是一種轉(zhuǎn)換裝置，它能把直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。編碼器如果按照讀出方式來(lái)分的話可以分為非接觸式和接觸式兩種。絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn)為一個(gè)確定的數(shù)字碼對(duì)應(yīng)每一個(gè)位置，因此它的示值與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)，而只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)。通過(guò)比較增量式和絕對(duì)式的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，我們可以確定本設(shè)計(jì)可以采用增量式光電編碼器來(lái)采樣轉(zhuǎn)速信號(hào)，如圖36所示。下面我們這里以三相編碼器為例來(lái)介紹增量式編碼器的結(jié)構(gòu)及其工作原理。一旦當(dāng)圓盤隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件輸出的脈沖是這樣形成的，光敏元件接受的光增量會(huì)隨透光線條同步變化，它輸出的波形經(jīng)過(guò)整形后便形成了脈沖。碼盤提供相位相差90176。復(fù)位計(jì)數(shù)器采用編碼盤輸出的z相脈沖，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。用D觸發(fā)器的輸出信號(hào)Q來(lái)判斷編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是這樣確定的，由于A、B兩相的脈沖相位相差90176。則D觸發(fā)器總是在B脈沖為低電平時(shí)觸發(fā)，這時(shí)Q輸出端輸出為低電平。觸發(fā)器總是在B脈沖為高電平時(shí)觸發(fā)，這時(shí)D觸發(fā)器的輸出端Q輸出為高電平。之所以要保證轉(zhuǎn)速檢測(cè)的快速性和精度，是因?yàn)檗D(zhuǎn)速檢測(cè)的快速性和精度對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能影響極大。原理如圖37：圖37 M/T法測(cè)速原理測(cè)速時(shí)間由測(cè)速脈沖來(lái)同步，即由圖37電路實(shí)現(xiàn)等于整個(gè)脈沖周期。這樣，代表了個(gè)測(cè)速脈沖周期的時(shí)間。因此，M/T法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍比較大，是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。的二路脈沖經(jīng)異或門二倍頻再送入的計(jì)數(shù)器。CPU在忙于各項(xiàng)工作任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。其原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又要不過(guò)多占用CPU的工作時(shí)間。如圖12所示。正是因?yàn)樗哂羞@兩種功能，它能減輕CPU的負(fù)擔(dān)，并且可以大大簡(jiǎn)化單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),所以本設(shè)計(jì)使用這個(gè)芯片。其引腳定義如下: DB0～DB7:雙向數(shù)據(jù)總線 RL0～RL7: 檢測(cè)輸入線 SL0～SL3: 矩陣掃描線 IRQ:中斷請(qǐng)求信號(hào) /RD、/WR:讀寫(xiě)選通信號(hào) /CS:片選信號(hào) /BD: 顯示消隱信號(hào) CLK:時(shí)鐘信號(hào) RESET:復(fù)位信號(hào) SHIFT: 擴(kuò)展鍵位的換檔信號(hào),帶上拉電阻 CTRL/STB: 控制鍵輸入/選通信號(hào)輸入,帶上拉電阻 A0:命令/狀態(tài)或數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)A=1,為寫(xiě)命令或讀狀態(tài)。數(shù)字部分用來(lái)輸入給定轉(zhuǎn)速，控制部分用來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行。 采用共陰極的發(fā)光二極管構(gòu)成可以顯示4位十進(jìn)制的顯示器，運(yùn)行中顯示當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速值。8279與單片機(jī)、鍵盤和顯示器的外圍總接線如圖39示。 電源電路采用78系列芯片產(chǎn)生+5V、+15V。從名字上可見(jiàn)，穩(wěn)壓用的三端IC集成電路都是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，引腳輸出只有三條，分別是接地端、輸出端和輸入端。三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓是由該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字表示的，如7909表示輸出電壓為負(fù)9V，7806表示輸出電壓為正6V。當(dāng)然，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用還有一些事項(xiàng)要稍加注意，比如針對(duì)大功率的條件下，必須在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器，小功率的話就不需考慮這個(gè)問(wèn)題了。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PWM實(shí)現(xiàn)方式 調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器是PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心，就定時(shí)器而言，選用不同的單片機(jī)，它定時(shí)器的特點(diǎn)一般都會(huì)不同，就算是相同型號(hào)的單片機(jī)，如果它選擇的定時(shí)器工作方式不同，或者選用的晶振不同，那么它定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也會(huì)不相同?，F(xiàn)在假如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為位，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為，那么定時(shí)時(shí)間與定時(shí)器初值的關(guān)系為： （41） 式中，個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)； 定時(shí)器定時(shí)初值。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常是由已選擇的具體的機(jī)型，然后給出它相應(yīng)的值。綜上所述，我們知道要想控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，我們需要控制占空比，而要達(dá)到控制占空比的目的，我們僅僅只需通過(guò)設(shè)定不同的定時(shí)初值來(lái)改變占空比就行了。sbit PWM=P1^0。 TH0=(65536500)/256。 EA=1。 TR0=1。 TL0=(65536500)%256。}void main(){ init()。 num=0。初始化子程序——主要是完成一些系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化和硬件器件工作方式的設(shè)定等工作，如圖42。 此程序共有2個(gè)中斷源：外部中斷0，用于電機(jī)故障處理；外部中斷1，用于鍵盤輸入處理。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)向CPU申請(qǐng)中斷。外部中斷1模塊設(shè)計(jì)外部中斷1是鍵盤輸入中斷，高優(yōu)先級(jí)。讀取鍵值，按其實(shí)際功能進(jìn)行操作。T0用來(lái)定時(shí)，T1用來(lái)計(jì)數(shù)，T0和T1均工作于方式1。 圖43 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序框圖 圖44故障保護(hù)中斷子程序框圖 當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平發(fā)生跳變時(shí)申請(qǐng)故障保護(hù)中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用定時(shí)中斷。 鍵盤/顯示模塊核心控制器件是8279，由軟件設(shè)置為8字符顯示，左端送入，編碼掃描鍵盤，雙鍵互鎖，內(nèi)部時(shí)鐘頻率設(shè)置為100KHz。選通個(gè)位?是否選通個(gè)位?是否選通個(gè)位?是否選通個(gè)位?是否顯示個(gè)位顯示十位顯示百位顯示千位返回延時(shí)延時(shí)延時(shí)分解速度值到顯示緩沖區(qū)延時(shí)顯示完畢?否是圖45 顯示子程序提速N轉(zhuǎn)是否停止記數(shù)讀計(jì)數(shù)器值求出此時(shí)電機(jī)速度值重裝記數(shù)初值開(kāi)始記數(shù)返回 圖46測(cè)速子程序 PID控制器原理 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。error）。積分（I）控制對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（SystemSteadystate為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變