【正文】 在一個周期內(nèi)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。當正脈沖較寬時， 2on Tt ?，單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 13 則 ABU 的平均值為正，電動機正轉，當正脈沖較窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，2on Tt ? ，平均輸出電壓為零，則電動機停止。當封 鎖 P W M 輸 出分 析 ， 判 斷 故障 原 因顯 示 故 障等 待 系 統(tǒng) 復 位時， ? 為正，電動機正轉；當 12?? 時， ? 為負，電動機反轉；當 12?? 時， 0?? ，電動機停止。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點： 1）電流一定連續(xù)。 3）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 檢測回路 檢測回路利用光電編碼器將轉速直接轉換成數(shù)字 信號送入單片機進行處理 。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 ”；非接觸式的接受單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 14 敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位 移的大小。 本設計采用增量式光電編碼器來采樣轉速信號，如圖 36所示。這里以三相編碼器為例來介紹增量式編碼器的工作原理及其結構。當圓盤隨電機旋轉時，光敏元件接受的光增量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過整形后變成脈沖。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還提供相位相差 90176。將 A、B兩相脈沖中任何一相輸入計數(shù)器中，均可使計數(shù)器進行計數(shù)。 編碼盤的旋轉方向可以通過 D觸發(fā)器的輸出信號 Q來判斷。由于 A、 B兩相的脈沖相位相差 90176。觸發(fā)器總是在 B脈沖為高電平時觸發(fā)，這時 D觸發(fā)器的輸出端 Q輸出為高電平。則 D觸發(fā)器總是在 B脈沖為低電平時觸發(fā)，這時Q輸出端輸出為低電平，由此確定電機的轉動方向。為了在單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 15 較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測速，本設計使用每轉 1024線的光電編碼器作為轉速傳感器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機轉速有固定的比列關系，微機對該頻率信號采用 M/T法測速處理。原理如圖 37： 圖 37 M/T法測速原理 測速時間 Td由測速脈沖來同步，即由圖 37電路實現(xiàn) Td等于整 m1個脈沖周期。這樣， m2代表了 m1個測速脈沖周期的時間。因此， M/T 法測速能適用的轉速范圍比較大，是目前廣泛應用的一種測速方法。 的二路脈沖經(jīng)異或門二倍頻再送入 m1 的計數(shù)器。 CPU在忙于各項工作任務時，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響應按鍵操作，又要不過多占用 CPU的工作時間。如圖 12 所示。采用該芯片 ,可以大大簡化單片機控制系統(tǒng)的軟硬件設計 ,并且減輕 CPU的負擔。 能自動實現(xiàn)按鍵的 ―去抖 ‖和重鍵處理 。 能按 FIFO(先進先出 )方式實現(xiàn) 8 個鍵值的 緩沖 常規(guī)情況下 ,能同時管理 64 個物理鍵和 16 個八段數(shù)碼管。 A=0,為數(shù)據(jù) IRQ:中斷請求信號 SL0～ SL3: 矩陣掃描線 RL0～ RL7: 檢測輸入線 /BD: 顯示消隱信號 SHIFT: 擴展鍵位的換檔信號 ,帶上拉電阻 CTRL/STB: 控制鍵輸入 /選通信號輸入 ,帶上拉電阻 鍵盤設計 采用 4*4 式鍵盤，分數(shù)字部分和控制部分，如圖下表所示。 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 17 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 取消 確認 測速 停車 圖 38顯示器圖 輸入給定轉速時應注意的幾個問題：（ 1）轉速不足四位時，在前面加撥 0 湊夠四位；（ 2）轉速輸入錯誤時，按取消鍵，顯示器清空，重新輸入值；（ 3）轉速輸入完成后，按確認鍵。如上圖示。 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 18 8 2 7 9SL1+5VIRQC L KA0CSRDWRD 0 D 7C N T LS H I G TR E S E T1512141311109876543210R L 3RL2RL1RL0S L 0SL2S L 3A03B 0 3驅(qū)動器P0WRRDP 2 . 6A L EINT18 3 C 5 5 21KA T 8 9 S 5 1 圖 39顯示器 /鍵盤驅(qū)動電路 由于 8279 芯片有自動分時掃描功能，所以它可與 CPU同時工作，減輕 CPU的負擔，而且接口方便，顯示穩(wěn)定，程序簡 單，可靠性高。電路圖如圖 310： 圖 310 78系列的電源電路 78XX,XX 就代表它所輸出的電壓值，能降低電壓 45V 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 19 電子產(chǎn)品中常見到的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的 78系列和負電壓輸出的 79系列。 用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少 ,電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路。 有時在數(shù)字 78 或 79 后面還有一個 M或 L，如 78M12 或 79L24,用來區(qū)別輸出電流和封裝形式等，其中 78L 調(diào)系列的最大輸出電流為 100mA， 78M 系列最大輸出電流為 1A， 78 系列最大輸出電流為 。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定；并且在產(chǎn)生 PWM 脈沖的實現(xiàn)上比較方便。因此，首先必須明確定時器的定時初值與定時時間的關系。 N 隨著機型的不同而不同。 本設計中單片機采用 12MZ 的晶體振蕩器，故 N 為 6。 PWM 產(chǎn)生程序 include define uchar unsigned char uchar num。 void init() { TMOD=0x01。 TL0=(65536500)%256。 ET0=1。 } 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 21 void T0_timer() interrupt 1 { TH0=(65536500)/256。 num++。 while(1) { if(num==4) { PWM=~PWM。 } } } 系統(tǒng)程序設計 主程序及系統(tǒng)初始化模塊 主程序 ——完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示、與上位計算機和其他外設通信等功能，如圖 41。 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 22 主程序系統(tǒng)初始化鍵處理刷新顯示系統(tǒng)初始化設定定時器、 PW M 、數(shù)字測速工作方式參數(shù)及變量初始化設定 I/O 、通信接口及顯示、鍵盤工作方式返回數(shù)據(jù)通信有鍵按下嗎？YN 圖 41 主程序流程圖 圖 42 初始化子程序 主程序主要完成鍵盤 /顯示芯片 827內(nèi)部定時 /計 數(shù)器 T0、 T1 測速和變量的初始化。 中斷 程序設計 外部中斷 0 模塊設計 外部中斷 0 是故障中斷，優(yōu)先級最高。響應中斷后封鎖 PWM 輸出，使電機停轉。當鍵盤有輸入值時， 8279 向 CPU申請中斷。 內(nèi)部定時器 T0溢出中斷設計 轉速測定為 M/T 式編碼盤測速，要通過測取給定時間內(nèi)的編碼盤輸出的脈沖數(shù)。 T0 定時 50ms，單片機的時鐘頻率為 12MHz，機器周期為 1us， 中斷子程序模塊 中斷服務子程序完成實時性強的功能，如故障保護、 PWM生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字 PID調(diào)節(jié)等 ,中斷服務子程序由相應的中斷源提出申請， CPU實時響應。兩種中斷服務中，故障保護中斷優(yōu)先級別最高，轉速調(diào)節(jié)中斷級別次之。按鍵操作由終端導入，靜態(tài)顯示方式。 PID控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè) 控制的主要技術之一。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD控制。 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡提速 N 轉 是 否 停止記數(shù) 讀計數(shù)器值 求出此時電機速度值 重裝記數(shù)初值 開始記數(shù) 返回 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 26 稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error） 。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 自動 控制 系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。 數(shù)字 PID 控制器流程圖 數(shù)字 PID 控 制算法可以分為位置式 PID 和增量式 PID 控制算法。因此一般不用位置式 PID。 2k1kkk CeBeAeu ???? 式中 ???????? ??? TTTT1KA DI (45) 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 27 B= ?????? ?? TT21K D TTKC DP? (46) 由式看出，如果計算機采用恒定的采樣周期 T,一旦確定了 ABC 只要使用前三次測量值的偏差，就可以由式求出控制增量。本次系統(tǒng)仿真采用 前 一種方法。 1．直流電機的傳遞函數(shù) 額定勵磁下他勵直流電機的等效電路如圖 52所示： 圖 52直流電動機等效電路 規(guī)定正方向如圖所示。 2GD —— 電力拖動系統(tǒng)折算到電動機軸上的飛輪慣量（ N. 2m ）。 在零初始條件下，將上面的等式兩邊進行拉式變換，得 電壓與電流之間的傳遞函數(shù)： ()( ) ( )Id sUdo s E s? ＝ 1/1L RTS? （ 54） 電流與電動勢間的傳遞函數(shù)： ()( ) ( )dLEsId s I s? ＝ RTmS （ 55） 根據(jù)上面兩式并考慮 n＝ E／ Ce 即可得到額定勵磁下直流電動機得動態(tài)結構圖如圖53所示： 單片機控制直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真 31 圖 53 額定勵磁下直流電動機得動態(tài)結構圖 前面的轉速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)總由靜差是因為電壓放大器為比例放大器，如果選用比例積分調(diào)節(jié)器（即 PID 調(diào)節(jié)器）， PID 調(diào)節(jié)器的輸出由兩個分量組成，一個是比例分量 KpUin ，一個是積分分量 Kp Uindt? ? ，它能隨時間 對輸入信號的不斷積累，當突加 Uin 時，相當于放大倍數(shù)為 Kp 的比例調(diào)節(jié)器，當 Uin 不為零時，積分作用將不斷作用下去，輸出積累上升，直到限幅最大值；一旦 Uin＝ 0，輸出保持在此時的數(shù)值上，穩(wěn)態(tài)時 PID 調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)是它本身的開環(huán)放大倍數(shù)，極大的開環(huán)放大倍數(shù)使系統(tǒng)基本無靜差。 電機 Matlab 仿真 本次設計選用 直流電動機的額定參數(shù) 直流電動機的額定參數(shù) PN=、UN=220V、 IN=10A、 nN=1480 r/min， Ks= Ce=。 選取電動機各參數(shù)分別為 Ra=， La=， Ka=， Kb=， f=，Ja=分別以電動機電樞電壓 ua(t)和負載力矩 Md(t)為輸入變量，以電動機的轉動速度為輸出變量，在 MATLAB 中建立電動機的數(shù)學模型。La=。 Kb=。Ja=。 G2=tf(1,[Ja f])。 dcm=feedback(dcm,Kb,1,1)。 Transfer function from input 1 to output: 10 s^2 + 11 s + 11 Transfer function from input 2 to output: 50 s + 50