【正文】 ............................................................................................... 34 聲 明 ........................................................................................................................ 35 附 錄 ........................................................................................................................ 36 第 1頁 共 44頁 1 引言 課題背景及意義 直流電機(jī)由于具有優(yōu)良的調(diào)速性能，因此在很多需要用到變速的場合有很多的應(yīng)用。特別是現(xiàn)代能源缺乏，為了節(jié)能的要求出現(xiàn)了電動自行車，混合動力汽車太陽能汽車等，這些都以直流電機(jī)為發(fā)動機(jī)，這就需要有優(yōu)秀的調(diào)速方案。最常用的是調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，即改變電樞電壓， 這樣是控制性能最好，可近似達(dá)到線性調(diào)速和無極調(diào)速。直流 電機(jī)電樞調(diào)壓 調(diào)速的核心技術(shù)是脈寬調(diào)制 (Pulse Width Modulation)控制技術(shù)，該技術(shù)通常簡稱為 PWM 控制技術(shù) [1]。在直流調(diào)速方面 現(xiàn)代電力電子器件如 IGBT 等 已發(fā)展得很成熟，脈沖寬度調(diào)制 (PWM)直流調(diào)速系統(tǒng) 又 有著許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而具有相當(dāng)廣 闊的發(fā)展前景。直流電動機(jī)的PWM 控制可以用不同的控制方法來實(shí)現(xiàn)，采用集成 PWM 控制器，或者采用微機(jī)進(jìn)行控制，或者使用單片機(jī)控制等多種方法。 PWM 控制技術(shù)主要應(yīng)用在電力電子技術(shù)行業(yè) ， 具體講 ， 包括風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供 電等領(lǐng)域，由于其四象限變流的特點(diǎn)，可以反饋再生制動的能量，對于目前國家提出的節(jié)能減排具有積極意義。 (2)要驅(qū)動模塊按照要求驅(qū)動電機(jī)工作，則需要一個(gè)控制信號，這個(gè)控制信號就是 PWM 信號。 (3)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 由紅外對管 采樣 ，得到的轉(zhuǎn)速脈沖信號 送單片機(jī)處理后 由LED 數(shù)碼管 顯示 ，并且將這個(gè)信號作為速度控制的反饋 信號 。 (2)觸發(fā)脈沖采用單片機(jī)控制片外硬件產(chǎn)生，編寫控制 PWM 信號的 占空比的程序，這個(gè) 占空比大小 是可調(diào)的，設(shè)計(jì)為鍵盤輸入預(yù)設(shè) 轉(zhuǎn)速與當(dāng)前轉(zhuǎn)速相比較由軟件自動調(diào)節(jié) ，然后產(chǎn)生要求的觸發(fā)信號去控制電機(jī)按照我們要求的轉(zhuǎn)速工作。 本設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，轉(zhuǎn)速預(yù)置，速度顯示，速 度測量等基本功能。 直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 和其它參數(shù)的關(guān)系可用下式來表示： ??? C RIUneaNN (21) (21)式中： UN是 電樞電壓， IN是 電樞電流， Ra 是 電樞回路總電阻， Ce 是 電勢常數(shù)， Φ 是 勵磁磁通。 KCe ?? (23) (23)式中：當(dāng)電機(jī)型號確定后， CeΦ 為 常數(shù)，故式式 (21)改為 K RaIUn NN ?? (24) 在中小功率直流電機(jī)中，電樞回路電阻非常小，式 (24)中 INRa 項(xiàng)可省略不計(jì)，由此可見，當(dāng)改變電樞電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速 n 隨之改變 ，達(dá)到 直流電機(jī)的調(diào)速 的目的 。 直流 調(diào)速主要技術(shù) 介紹 直流斬波器介紹 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通斷時(shí)間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流－直流變換器 [2]。 第 3頁 共 44頁 直流斬波器的輸出電壓平均值可以通過改 變占空比，即通過改變開關(guān)器件導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間來調(diào)節(jié)，常用的改變輸出平均電壓的調(diào)制方法有以下三種： (1)脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation，簡稱 PWM)。 (2)脈沖頻率調(diào)制 (Pulse Frequency Modulation，簡稱 PFW)。 (3)兩點(diǎn)式控制。當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓高于某一最大值時(shí)，使開關(guān)器件關(guān)斷。 常用的電機(jī)驅(qū)動電路為橋式斬波器，可控制電機(jī)啟停、換向、調(diào)速等，一般使用的橋式斬波器為四象限運(yùn)行斬波器 [2]。小型直流電機(jī)的驅(qū)動已廣泛采用這種集成斬波芯片。 PWM 調(diào)速系統(tǒng) 的 優(yōu)點(diǎn) (1)采用全控型器件的 PWM 調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率高，一般在幾 kHz，因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 (3)PWM 控制提高了電動機(jī)的運(yùn)行效率 [3]。 (4)主電路所需的功率元件少，線路簡單，控制方便。 目前，受到器件容量的限制， PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過紅外光電對管對電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集和反饋 [3]，并與預(yù)置的轉(zhuǎn)速比較運(yùn)算，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)置轉(zhuǎn)速，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)調(diào)試系統(tǒng) [2][3]。 圖 調(diào)速系統(tǒng)框圖 PWM 產(chǎn)生方式 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓 ，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。 在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “接通 ”和 “斷開 ”時(shí)間的長短。也正因?yàn)槿绱耍?PWM 又被稱為 “ 開關(guān)驅(qū)動裝置 ” [3]。 由上面的公式 (32)可見，當(dāng)我們改變占空比 D 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 單片機(jī) 片內(nèi)軟件生成 PWM 信號 PWM 信號可以采用單片機(jī)定時(shí)中斷的方式軟件模擬產(chǎn)生，這樣實(shí)現(xiàn)比較容易，電路簡單，也可以節(jié)約硬件成本，也有一些單片機(jī)有了片內(nèi)的專用 PWM 模塊了 ， 但是這樣的單片機(jī)價(jià)格稍高。最主要的是在 PWM 調(diào)制頻率較高的時(shí)候，頻繁的中斷和定時(shí)操作，或造成單片機(jī)繁忙，響應(yīng)延遲，嚴(yán)重影響單片機(jī)的性能，達(dá)不到控制要求。這一調(diào)制信號由單片機(jī)發(fā)生后經(jīng)過DAC 芯片 D/A 轉(zhuǎn)換即可產(chǎn)生。與軟件產(chǎn)生 PWM 的方案相比不占用單片機(jī)片內(nèi)資源，可以在產(chǎn)生高速的PWM 信號 。上圖所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖， x(t)即為控制占空比的調(diào)制信號。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數(shù) A，否則輸出 0。 PWM 產(chǎn)生方案的確定 經(jīng)過以上兩種 PWM 產(chǎn)生方式的分析，聯(lián)系本系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速還要在測速和顯示中用到中斷定時(shí) 器等片內(nèi)資源，而且對 PWM 產(chǎn)生和轉(zhuǎn)速控制要求較高響應(yīng)速度。 電機(jī)驅(qū)動方式 常用的直流電機(jī)驅(qū)動方式有 H 橋驅(qū)動方式，在直流電機(jī)功率較小時(shí)也用三極管或場效應(yīng)管放大作放大器驅(qū)動。 第 7頁 共 44頁 圖 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動電路原理圖 另外現(xiàn)在市場上有很多專用的電機(jī)驅(qū)動芯片或模塊，使用簡單，簡化電路和降低電路的故障率。 其他芯片選擇 單片機(jī)采用常用的 AT89S52， MCS51 構(gòu)架，性能優(yōu)秀，價(jià)格便宜，下載器等這些維護(hù)設(shè)備及相應(yīng)的軟件都容易找到，兼容性也很好。 為了簡化電路在實(shí)驗(yàn)室有 177。 4 硬件電路設(shè)計(jì) 主要芯片介紹 L298N 的構(gòu)造及其功能介紹 L298N 是直流電機(jī)的專用驅(qū)動芯片，最高電壓可達(dá) 46V， 單路最高的 電流可達(dá) 2A。 第 8頁 共 44頁 圖 L298N 的內(nèi)部構(gòu)造框圖 L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。 L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號 VSS， VSS 可接 ～ 7 V 電壓。輸出電流可達(dá) A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。 L298 可驅(qū)動 2 個(gè)電動機(jī)， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī) 的方式，即 A 通道 。 ENA， ENB 接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn) ,本設(shè)計(jì)中 ENA 接 PWM 信號 。由表 ENA 為低電平時(shí)，輸入電平對電機(jī)控制起作用，當(dāng) ENA 為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。 AT89S52的結(jié)構(gòu)和功能介紹 AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解 決方案。此外， AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、 TQFP和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求 [4]。 TL494有 SO16和PDIP16兩種封裝 形式，以適應(yīng)不同場合的要求。 (2)片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè) (一個(gè)電阻和一個(gè)電容 )。 (4)內(nèi)止 5V 參考基準(zhǔn)電壓源。 第 11頁 共 44頁 (6)內(nèi)置功率晶體管可提供 500mA 的驅(qū)動能力。 圖 TL494引腳圖 TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié) [3]，其振蕩頻率如下： osc 11? (41) 圖 TL494脈沖控制波形圖 輸出脈沖的寬度是通過電容 CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號 第 12頁 共 44頁 為低電平時(shí)才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。參見圖 。5%的精確度 [3]。 TLC5615 的功能介紹 TLC5615 為美國德州儀器公司的產(chǎn)品，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓值的兩倍。 TLC5615 性能價(jià)格比高， 管腳少便于設(shè)計(jì)安裝， 目前在市場 上 很方便購買。 TLC5615 引腳說明 TLC5615 有小型和塑料 DIP 封裝， DIP 封裝的 TLC5615 芯片引腳排列如圖 所示。由時(shí)序圖可以看出，當(dāng)片選 CS 為低電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù) DIN 由時(shí)鐘 SCLK 同步輸入或輸出，而且最高有效位在前，低有效位在后。 當(dāng)片選 CS 為高電平時(shí)，串行輸入數(shù)據(jù) DIN 不能由時(shí)鐘同步送入移位寄存器；輸出數(shù)據(jù) DOUT 保持最近的數(shù)值不變而不進(jìn)入高阻狀態(tài)。這里， 為了減小 了使時(shí)鐘的內(nèi)部饋通，當(dāng)片選 CS 為高電平時(shí)，輸入時(shí)鐘 SCLK 應(yīng)當(dāng)為低電平 [5]。如不使用級聯(lián)方式， DIN 只需輸入 12 位數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中使用其單片非級聯(lián)方式已能滿足要求。它的使用范 圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。 圖 LM358引腳圖 LM311(高靈活性的電壓比較器 ) 能工作于 到 30V 的單個(gè)電源或 177。該設(shè)備的輸入可以是 與系統(tǒng)隔離的，而輸出則可以驅(qū)動以地 電位為 參考或以 VCC 為參考的，或以 VEE電源為參考的負(fù)載。 圖 LM311 的管腳圖 74595 功能介 紹 74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一個(gè)存儲器，三態(tài)輸出功能。數(shù)據(jù)在 SCHcp 的上升沿輸入，在 STcp 的上升沿進(jìn)入的存儲寄存器中去。移位寄存器有一個(gè)串行移位輸入 (Ds)，和一個(gè)串行輸出 (Q7’)， 和一個(gè) 第 15頁 共 44頁 異步的低電平復(fù)位，存儲寄存器有一個(gè)并行 8 位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能 OE 有效 時(shí) (為低電平 )，存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線 [6]。 表 74HC595 的引腳功能 Q0~7 是并行數(shù)據(jù)輸出口，即儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出口 Q739。 電源引腳加接地電容是為了濾波提高驅(qū)動電路的穩(wěn)定性。 第 16頁 共 44頁 圖 電機(jī)驅(qū)動電路 PWM 信號產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) 圖 PWM 信號產(chǎn)生電路 PWM 信號產(chǎn)生電路是本設(shè)計(jì)的核心部分，它要產(chǎn)生合適頻率的 PWM 信號，而且這個(gè) PWM 信號的占空比還要靈活可調(diào)。因此在此采用 TL494 和其外圍電路 在 5 腳 產(chǎn)生頻率固定的鋸齒波 [3]， TLC5615 串行 DAC 芯片將單片機(jī) 發(fā)送的 預(yù)置 轉(zhuǎn)速 數(shù)據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)占空比的 調(diào) 制信號，將這 個(gè)信號與鋸齒波 第 17頁 共 44頁 信號經(jīng)比較器 LM311 比較后得到占空比可調(diào)的 PWM 信號 ，為了起到前后級隔離，避免干擾，在 TLC5615 的輸出端和比較器 LM311 之間加了一個(gè) LM358A 組成的電壓跟隨器 。 TL431 為 DAC 芯片提供穩(wěn)定的參考電壓。經(jīng) A1 放大后的直流誤差電壓 Ue 加至比較器 A2 的反相輸入端，由固定頻率振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波信號 Usa 加至 A2 的同相輸入端。對于單管變換器， A2 輸出的 PWM 信號即可作為控制功率晶體管的開關(guān)信號，對于推挽或橋式等功率變換電路，則應(yīng)將 PWM 信號