【正文】 eed is faster, easier to control the fullcontrolled power devices MOSFET and IGBT bee mainstream, pulse width modulation technology showed a greater superiority: the main circuit line is simple, need to use the power ponents 。 以鍵盤作為輸入達到控制直流 電動機 的啟停、速度和方向， 電動機速度的測量， 在設計中， 依據(jù) 直流 電動機 的工作原理和數(shù)學模型 以及脈寬調制（ PWM）控制原理和 H 橋電路基本原理設計了驅動電路 ， 采用了 PWM 技術對 電動機 進行控制，通過對占空比的計算達到精確調速的目的 ，通過光電對管以及碼盤來測量電動 機的轉速，防止電動機堵轉而燒壞?，F(xiàn)在電動機的控制從簡單走向復雜，并逐漸成熟成為主流。 摘要 在如今的現(xiàn)實生活中，自動化控制系統(tǒng)已在各行各業(yè)得到廣泛的應用和發(fā)展，其中自動調速系統(tǒng)的應用則起著尤為重要的作用。雖然直流 電動機 不如交流電動機 那樣結構簡單、價格便宜、制造方便、容易維護，但是它具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛的范圍內平滑調速，所以直流調速系統(tǒng)至今仍是自動調速系統(tǒng)中的主要形式。隨著電力電子技術的發(fā)展，開關速度更快、控制更容易的全控型功率器件 MOSFET和 IGBT 成為主流，脈寬調制技術表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需要用的功率元件 少；開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少， 電動機 損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調速范圍寬；系統(tǒng)快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強； 本設計以 89C52 單片機為核心， 用 C 語言進行編程控制，采用單片機內部定時器產生可調的矩形波。測量的速度通過 4 位數(shù)碼管來顯示。 switching frequency, current continuous, harmonic, motor loss and fever are small。 rapid system response performance, dynamic immunity。 電氣傳動種類可分為直流電動機傳動 (簡稱直流傳動 )、交流電動機傳動 (簡稱交流傳動 )、步進 電動機 傳動 (簡稱步進傳動 )、伺服電動機傳動 (簡稱伺服傳動 )等等。目前，通過 微處理器（如單片機， DSP, FPGA） 對電動機的控制，高效的用 電 信號來控制電機實現(xiàn)電機的高效運行 ， 同 控制工作機械按 程序 給定的 要求 運行，新型 電動機發(fā)展日新月異， 滿足特定要求的 電機 自動化技術已廣泛應用于國民經濟的各個領域 [3]。直流調速技術不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在高精度的 電動機 傳動領域中仍然難以替代 [5]。隨著計算機控制技術的發(fā)展，直流傳動系統(tǒng)已經廣泛使用微機，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制 [6]。所以，全數(shù)字直流調速控制精度和可靠性比模擬直流調速系統(tǒng)大大提 高。由于直流 電動機 傳動技術的研究和應用已達到比較成熟的地步，應用相當普遍，尤其是數(shù)字直流系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調速系統(tǒng)的精度及可靠性。 一、 硬件電路設計 （一）硬件設計總體框圖 圖 11 硬件設計總框圖 系統(tǒng)主要采用 89C52 單片機為主控芯片， 單片機讀取按鍵值 ，然后控制電動機正轉，反轉，啟動，停止 ， 調速，以及速度的測量。 電源部分給單片機以及各電路供電，本系統(tǒng) 電動機 驅動部分和單片機等數(shù)字器件分開供電，單片機等數(shù)字器件用 +5V 電源， 電動機 用 + 電源。有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖 12 5V 供電電路 和 12V 供電電路 圖 13 直流穩(wěn)壓電源組成圖 供電電路采用的是直流線性穩(wěn)壓器組成。其中， 交流電經過變壓器變壓得到電壓 UAC,根據(jù)單相橋式整流電路的特性，我們可以計算出整流以后的電壓 UO， UO是整流電路的輸出端電壓瞬時 值在一個周期內的平均值，如圖 23 所示。即 1 2 0 .4 52 O A C A CD O OL L LU U UII R R R?? ? ? ?= 在未加濾波電容之前，整流二極管有半個周期處于導通狀態(tài)，二極管的導通角θ =? 。由于濾波后輸出平均電流增大，而二極管的導通角反而減小，所以流過二極管的瞬時電流很大。因此必須選用較大容量的整流二極管。 整流濾波后的直流電壓 UI接在輸入端和公共端之間，在輸出端為獲 得穩(wěn)定的輸出電壓 UOUT，必須加一個 7805 芯片進行穩(wěn)壓。上圖中電解電容的作用是改善負載的瞬態(tài)響應，瓷片電容主要是抵消因為長線傳輸引起的電感效應；為防止數(shù)字線路地與模擬線路地相互之間的干擾，在 PCB 走線時，必須對其進行分開走線。同時在 PCB 走線時，將數(shù)字地和模擬地分開走線，最后通過一個 0 歐電阻連在一起。 圖 15 PCB 地線布線規(guī)則 （三） 單片機最小系統(tǒng) 本系統(tǒng)的單片機采用的是 89C52 單片機，此單片機的最小系統(tǒng)如下圖所示。 本系統(tǒng)主要采用 STC 89C52RC 單片機 ， STC 89C52RC 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8KB 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。 STC 89C52RC 具有以下標準功能： ? 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM ? 32 位 I/O 口線 ? 看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器 /計數(shù)器 ? 一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口 ? 片內晶振及 時鐘電路 另外， STC 89C52RC 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式。掉電保護方式下， RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 公 共 地 地 數(shù)字線路接地 模擬線路接地 P2 口有兩個功能 (1)擴展外部存儲器時，當作地址總線使用 (2)做一般 I/O 口使用，其內部有上拉電阻； P3 口有兩個功能 除了作為 I/O 使用外（其內部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置，具體功能請參考我們后面的引腳說明。 晶振 結合單片機內部的電路，產生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快。 為確保微機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路的第一功能是上電復位， 復位電路通過電容加給 RST 端一個短暫 的高電平信號，此高電平信號隨著 Vcc 對電容的充電過程而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位，則程序計數(shù)器 PC 將得不到一個合適的初值，因此， CPU 可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。當電樞在外施電壓 Ua 作用下產生電流時，電流產生磁場，轉子收到逆時針方向的電磁轉矩作用而旋轉，從而產生如圖 18 所示的反電動勢 Ea，并與外部電源電壓相平衡，直到轉速 n 穩(wěn)定為止。電氣部分有電樞繞組和勵磁繞組，機械部分只有轉子運動機構 [10]。電樞繞組端電壓不能隨意變化，因為電源及電機繞組絕緣耐壓的限制，電 樞繞組端電壓一般不能超過額定電樞電壓，所以直流電機調壓調速是，電樞繞組的電壓大小只能在額定電樞電壓及其以下范圍內調節(jié)。當勵磁磁通額定不變時，調節(jié)電樞繞組電壓、轉子轉速與電磁轉速的機械特性如圖所示為一組平行線，所以電樞端電壓和轉速呈線性關系 [11]。因此電流調節(jié)器一般都可以采用間接方法設計，先按連續(xù)控制系 統(tǒng)設計，然后再將得到的調節(jié)器數(shù)字化 [12]。但轉速控制有時比較復雜，占用的機時較長， 因 而轉速的采樣頻率又不能很高。 電動機驅動電路采用 H 橋式驅動，圖中 用三極管組成 H 型平衡橋，驅動功率大，驅動能力強。 圖中兩個光電耦合器起隔離作用，因為電動機驅動電壓為12V，單片機的工作電壓為 5V，若三極管的基極直接與單片機相連，會燒壞單片機，所以必加一個光電耦合器，隔離兩邊的電壓，由于光電耦合器的傳輸速度最高可以達到 70KHz，所以光電耦合器可以滿足隔離的要求，同時也可滿足脈沖信號傳遞速度較快的要求。 當單片機給 口低電平時，光耦不導通，所以 Q10 的基極是低電平不導通，當單片機給 口 高電平時，光電耦合器導通，此時光電耦合器的右邊的電壓被拉高，三極管 Q10 導通， Q6 和 Q9 也導通，此時電動機正轉。因為它的形狀和字母H 非常相似，因此叫作“ H 橋驅動電路”。如圖所示， 電動機 驅動電路 H 橋式通常包括 4 個三極管和一個 電動機 。判斷不同三極管對的導通與否，然后判斷電流的流向，根據(jù)電流的流向控制 電動機 的轉向。例如，如圖 7 所示，如果 Q1 管和 Q4 管導同時通時，電流就從三極管 Q1 從左至右如黑線所示流過 電動機 ，這樣 電動機 就正轉了。 圖 111 H 橋控制 電動機 正轉 圖 9 所示為三極管 Q2 和 Q3 導通時電流的流向，電流將從右至左逆時針方向流過 電動機 。 圖 112 H 橋控制 電動機 反轉 PWM 調速原理 脈沖寬度調制（ PWM）是英文“ Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制。脈沖寬度調制是一種對模擬信號進行數(shù)字 脈沖 編碼的方法。 PWM 的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換。噪聲只有在強到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0 或將邏輯 0 改變?yōu)檫壿?1 時，也才能對數(shù)字信號產生影響 [14]。 當導通時 ， 直流供電被加到負載上， 當關 斷時 ， 供電被斷開的時候。多數(shù)負載無論是電感性負載還是電容性負載 都 需要的調制頻率高于 10Hz，通常調制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。其轉速 : Vr=(N/P)/T 電動機測速電路采用光電編碼盤和紅外光電對管組成，紅外光電對管其原理如下圖所示： 圖 114 光電碼盤編碼原理 通過電動機測速電路，單片機可以實時的判斷電動機電路是否正常工作，若測得電動機轉速過低或者為零 ，則證明電動機堵轉或者異常，此時單片機可以控制電動機停轉來保護電動機并發(fā)出報警，在數(shù)碼