【正文】 流改變方向時(shí)，線圈的方向也將改變，因此通過改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。 圖11 直流電動(dòng)機(jī)電路模型 不同勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小但低速時(shí)受到磁場(chǎng)飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。電樞控制是在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來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又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。文章中采用了通過編程實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的發(fā)生，然后通過IR2110來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速簡(jiǎn)介：?jiǎn)纹瑱C(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。本系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并通過單片機(jī)控制速度的變化。硬件部分是前提，是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖驅(qū)動(dòng)電路 AT89S52單片機(jī)（速度的測(cè)量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）LED顯示PWM 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋鍵盤控制 圖12 直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖2 PWM脈寬調(diào)制原理 PWM調(diào)速原理PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術(shù)。占空比D表示了在一個(gè)周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值，變化范圍為0≤D≤1。如圖所示： 圖21 PWM信號(hào)的占空比根據(jù)上圖，如果電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為，占空比為D=/T，則電機(jī)的平均速度為：，可見只要改變占空比D，就可以得到不同的電機(jī)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。以下是三種可改變占空比的方法： （1）定寬調(diào)頻法:保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 （3）定頻調(diào)寬法：保持周期（或頻率）不變，同時(shí)改變、。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用第3種方法。 PWM 實(shí)現(xiàn)方式方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè)us。故采用方案一。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。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。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52主要功能擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash晶片內(nèi)部具時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）為 8KB內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）為 256字節(jié)32 個(gè)可編程I/O 口線8 個(gè)中斷向量源三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器全雙工UART串行通道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位是指他們都是由16個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，故最大計(jì)數(shù)模值為。這種控制功能是通過定時(shí)器方式控制器TMOD來完成的。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。 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?！　。?）IGBT導(dǎo)通時(shí)承受的峰值電流: Iirm= （32） 額定電電壓按220V供電電壓、額定功率10kVA容量算?！? 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)門極驅(qū)動(dòng)電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(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)過整個(gè)直流電機(jī)后再通過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?chǔ)?，那么便可以?shí)現(xiàn)電機(jī)正向的無級(jí)調(diào)速。 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)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。當(dāng)時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。這個(gè)交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動(dòng)機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1）電流一定連續(xù)。3）電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。檢測(cè)回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”。 按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩種。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過程無關(guān)。增量式編碼器是專門了用來測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的累計(jì)量。圖36 編碼器原理圖增量式光電編碼器在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè)安放發(fā)光元件和光敏元件。碼盤上有向標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈z相輸出一個(gè)脈沖。的兩路脈沖信號(hào)。編碼盤輸出的z相脈沖用于復(fù)位計(jì)數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。整形后的A、B兩相輸出信號(hào)分別接到D觸發(fā)器的時(shí)鐘端和D輸入端，D觸發(fā)器的CLK端在A相脈沖的上升沿觸發(fā)。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，B相脈沖超前A相脈沖90176。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，A相脈沖超前B相脈沖90176。 轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能影響極大。 M/T法測(cè)速原理 M/T法測(cè)速原理是在對(duì)光電編碼器輸出的測(cè)速脈沖數(shù)m1進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)對(duì)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)m2也進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)從圖37上a點(diǎn)開始，計(jì)數(shù)器分別對(duì)m1和m2計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)，預(yù)計(jì)的測(cè)速時(shí)間Tc到，微機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，但因?yàn)門c不一定恰好等于整數(shù)個(gè)編碼輸出脈沖周期，所以計(jì)數(shù)器仍對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，直到c點(diǎn)時(shí)，可以利用下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖上升沿（即c點(diǎn)）觸發(fā)數(shù)字測(cè)速硬件電路使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為f0，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出p個(gè)脈沖，則電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為： n=(60*m1*f0)/(z*m2) (35)由于M/T法的計(jì)數(shù)值M1和M2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于M法測(cè)速，最低速時(shí)，M1=1，自動(dòng)進(jìn)入T法測(cè)速。希望在低速獲得高精度測(cè)速值，于是利用光碼盤A，B兩相輸出在相位上互差90176。這時(shí)，轉(zhuǎn)速計(jì)算公式修改為： （36） 鍵盤及顯示電路鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳誦命令等功能，鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。Intel公司的8279是鍵盤/顯示模塊的核心控制器。它是一種實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入和段式數(shù)碼顯示控制的專用智能芯片。簡(jiǎn)單地說,它有以下一些功能: 與微處理器接口簡(jiǎn)單。 能以中斷或查詢兩種方式工作。其引腳定義如下: DB0～DB7:雙向數(shù)據(jù)總線/RD、/WR:讀寫選通信號(hào) /CS:片選信號(hào) RESET:復(fù)位信號(hào) CLK:時(shí)鐘信號(hào) A0:命令/狀態(tài)或數(shù)據(jù)識(shí)別信號(hào)A=1,為寫命令或讀狀態(tài)。數(shù)字部分用來輸入給定轉(zhuǎn)速，控制部分用來控制電機(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。故名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。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)器由于PWM信號(hào)軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作方式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為f，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器為N位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為： （41） 式中，TW—定時(shí)器定時(shí)初值；N—一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時(shí)初值TW，從而改變占空比，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。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——完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等，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用來定時(shí)，T1用來計(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