【正文】 ................... 20 定時器 /計數(shù)器 ................................... 20 PWM 產生程序 ............................................. 20 4 .2 系統(tǒng)程序設計 .................................... 21 主程序及系統(tǒng)初始化模塊 .................................... 21 中斷程序設計 ............................................. 22 中斷子程序模塊 ........................................... 23 /顯示模塊設計 ................................. 23 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)設置 ........................... 29 Matlab 仿真 ................................ 31 結束語 ............................................... 34 致謝 ................................................. 35 參考文獻 ............................................. 36 附錄 ................................................. 37 單片機控制直流電機 PWM 調速系統(tǒng)的設計與仿真 V 單片機控制直流電機 PWM 調速系統(tǒng)的設計與仿真 摘 要 本文主要研究了利用 AT89S52 單片機控制 PWM 信號從而實現(xiàn)對直流電機轉速進行控制的方法。此外，本文中還采用了芯片 IR2110 作為直流電機正轉調速功率放大電路的驅動模塊，并且把它與延時電路相結合完成了在主電路中對直流電機的控制。 本系統(tǒng)中使用了 光電編碼器 對直流電機的轉速進行測量 ，并且 作為反饋值輸入到單片機進行 PID 運算，從而實現(xiàn)了對直流電機速度的控制 。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。隨著單片機技術的日新月異，使得 許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。 在實際應用中，電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，一是要具有較 高的能量轉換效率；二是應能根據(jù)生產工藝的要求調整轉速。因此， 調速技術一直是研究的熱點 直流電動機在冶金、礦山、化工、交通、機械、紡織、航空等領域中已經(jīng)得 到廣泛的應用。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、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)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故?，F(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，改變了世界，也改變了人類的生活。 目前，直流電動機調速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向實用化，伴隨著電子技術的高度發(fā)展，促使直流電機調速逐步從模擬化向數(shù)字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電單片機控制直流電機 PWM 調速系統(tǒng)的設計與仿真 2 機調速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。直流它具有優(yōu)良的調速特性 ,調速平滑、方便 ,調速范圍廣 。需要能滿足生產過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，從而對直流電機的調速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調速，改變電樞電壓調速等技術已遠遠不能滿足要求，這時通過 PWM 方式控制直流電機調速的方法應運而生。當線圈中流過電流時，線圈受 到電磁力作用，從而產生旋轉。直流電機模型見圖 11。但是對直流電動機的轉速有以下公式： n=U/Cc? TR內 /CrCc? (11) 其中： U— 電壓； R內 — 勵磁繞組本身的電阻； ? — 每極磁通 (Wb) Cc— 電勢常數(shù)； Cr— 轉矩常量 直流電動機轉速的控制方法可分為兩類：勵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速的電樞電壓控法。在工業(yè)生產中廣泛使用其中脈寬調制 (PWM)應用更為廣泛。 系統(tǒng)方案 與分析 本文主要研究了利用 AT89S52 單片機，通過 PWM 方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。利用 光電編碼器 測得電機速度， 把電 壓信號反饋給單片機，在內部進行PID 運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機的調速控制。 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調整方法。通過改變直流電機電樞上電壓的 “ 占空比 ” 來改變平均電壓的大小 ，從而控制電動機的轉速。本系統(tǒng)以 AT89S52 單片機為核心，通過單片機控制， C 語言 編程實現(xiàn)對直流電機的平滑調速。本文所研究的直流電機調速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采 集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動對電機速度的有效控制 。 下式是占空比計算公式： 式中 t1 表示一個周期內開關管導 通的時間， T 表示一個周期的時間。由 上式 可知，當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，從而達到調速的目的，這就是 PWM 調速原理。 PWM 調速方法 在 PWM 調速時，占空比是一個重要參數(shù)。 （ 2）調寬調頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 1). ( 2 1TtD ?單片機控制直流電機 PWM 調速系統(tǒng)的設計與仿真 6 單片機控制器 驅動電路 直流電機 光電編碼器 r 被控量 y 給定 量 + 速度反饋 PWM 矩形波 前 2 種方法由于在調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此應用較少。 定頻調寬法 是利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速，因此， PWM 又被稱為“開關驅動裝置”。 方案二：采用軟件延時方式，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。 同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應特性。 如圖 22，通過單片機控制器產生 PWM 矩形波， PWM 矩形波經(jīng)過驅動電路的放大對直流電機 進行 PWM 控制，由速度傳感器對電機進行測速，并將測得的速度反饋到輸入端即讓反饋信號與給定量進行比較。 圖 22 直流電機 PWM 調速系統(tǒng)原理圖 單片機控制直流電機 PWM 調速系統(tǒng)的設計與仿真 7 3 硬件部分 單片機的選型： 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 存儲器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常 規(guī)編程器。 與 MCS51 單片機產品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器； 1000 次擦寫周期；全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz；三級加密程序存儲器； 32 個可編程 I/O 口線；三個16 位定時器 /計數(shù)器；八個中斷源；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；看門狗定時器；雙數(shù)據(jù)指針；掉電標識符。這些中斷每個中斷源都可以通過置位或清除特 殊寄存器 IE 中的相關中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無效。 AT89S52 內部具有看門狗定時器及 3 個 16 位可編程定時器 /計數(shù)器。可編程是指它們的工作方式由指令來設置，或者當計數(shù)器用，或者當定時器用，并且記數(shù)（定時）的范圍也可以由指令來設置。 驅動電路 功率放大驅動芯片有多種，其中較 常用的芯片有 IR2110 和 EXB841，但由于IR2110 具有雙通道驅動特性，且電路簡單，使用方便，價格相對 EXB841 便宜，具有較高的性價比，且對于直流電機調速使用起來更加簡便，因此該驅動電路采用了IR2110 集成芯片，使得該集成電路具有較強的驅動能力和保護功能。它把驅動高壓側和低壓側 MOSFET或 IGBT所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點在于，將輸入邏輯信號轉換成同相低阻輸出驅動信號，可以驅動同一橋臂的兩路輸出，驅動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，可以達到 600V，其內設欠壓封鎖，成本低、易于調試。與此同時， IR2110的研制成功并且投入應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，具有獨立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標準的 CMOS 輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達 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。兩路匹配傳輸導通延時為 120ns，關斷延時為 94ns。 單片機控制直流電機 PWM 調速系統(tǒng)的設計與仿真 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 驅動電路 元器件的選擇比較、選型 本設計采用 IGBT， IGBT 作為大功率的電路驅動器件，具有以下 優(yōu)點： （ 1） IGBT在正常工作時，導通電阻較低，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，則驅動功率低，開關速度高。但這本設計中 IGBT 仍然是本設計驅動的最理想器件。 （ 2） IGBT 導通時承受的峰值電流 : Iirm= AI 1 ??? （ 32） 額定電電壓按 220V 供電電壓、額定功率 10kVA 容量算。 單片機控制直流電機 PWM 調速系統(tǒng)的設計與仿真 11 H 橋雙極性主電路 從上面的原理可以看出，產生高壓側門極驅動電壓的前提是低壓側必須有開關的動作，在高壓側截止期間低壓側必須導通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。我們可以采取雙 PWM信號來控制直流電機的正轉以及它的速度。 在 HIN為高電平期間， VT VT 4導通，在直流電機上加正向的工作電壓。此時直流電機正轉。其具體的操作步驟如下： 電源經(jīng) VT 3至電動機的負極經(jīng)過整個直流電機后再通過 VT 2到達零電位，完成整個的回路。 因此電樞上的工 作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉向和轉速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。 HIN信號的占空比為 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，那么便可以實現(xiàn)電機正向的無級調速。 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 變換器的四個驅動電壓波形如圖 8 所示。在一個開關周期內，當 0 ontt?? 時，晶體管 1VT 、 4VT 飽和導通而 3VT 、 2VT 截止，這時 AB sUU? 。 ABU在一個周期內正負相間，這是雙極式 PWM 變換器的特征，其電壓、電流波形如圖 2所示。當正脈