【正文】 差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。靜特性是圖中的 AB 段， 它是垂直的特性 。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用 。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 34 所示。 圖 34 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 起動過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 *nU 由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于圖 35。 12 圖 35 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形 第 I 階段（ 1~0 t ）是電流上升階段 。當 dLd II ? 后，電機開始起動，由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 nnn UUU ??? * 的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持 限幅值 *imU ，強迫電流 dI 迅速上升。在這一階段中， ASR 很快進入并保持飽和狀態(tài)，而 ACR 不飽和。與此同時，電機的反電動勢 E 也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說， E 是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動， 0dU 和 cU 也必須基本上按線性增長，才能保持 dI 恒定。 第Ⅲ階段（ 2t 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR 輸入偏差電壓變負，開始退出飽和狀態(tài)， *iU 和 dI 很快下降。直到 dI = dLI 時，轉(zhuǎn)矩 Le TT? ，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才到達峰值（ 3tt? 時）。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好， 13 也會有一段振蕩過程。 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 (1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 \ ① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓 *nU 變 化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 ③ 其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。 ② 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 ④ 當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置（ TA）對電流環(huán)進行檢測，轉(zhuǎn)速環(huán)則是采用了光電碼盤進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。 數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 根據(jù)系統(tǒng)原理我們設(shè)計了數(shù)字控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖 42 所示，系統(tǒng)的特點：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機控制；全數(shù)字電路，實現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測；采用數(shù)字 PI 算法。 主電路：三相交流電源經(jīng)不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流 PWM 變換器得到可 調(diào)的直流電壓，給直流電動機供電。電壓、電流和溫度檢測由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機；轉(zhuǎn)速檢測用數(shù)字測速（光電碼盤）。這也是采用微機控制的優(yōu)勢所在 [8]。根據(jù)其輸入電壓的減小，其轉(zhuǎn)動速度也相應(yīng)的減小。 方案二：以單片機 AT89C51 為中心通過 D/A 轉(zhuǎn)換器 ,將單片機數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而起到控制電動機的轉(zhuǎn)速問題。 16 圖 43 電路組成 框圖 方案三 ：采用 AT89C51 單片機進行控制。采用 AT89C51 進行控制比較簡單 、易控制、可靠性高、抗干擾能力強、精度高且體積大大減小。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器 。 AT89C51 單片機為很多嵌入式控制 系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 。 接 口 電 路鍵 盤顯 示 器P W M 控 制 驅(qū) 動 電 路單 片 機 電 動 機光 電 編 碼 器 圖 44 電路組成 框圖 方案分析：方案一只能以減小所給電壓值而能使電動機的轉(zhuǎn)速有相應(yīng)的減小，此方案操作性差且不安全。所以，此處的電路 在速度的顯示上失去了其真實性。所以，設(shè)計采用 方案三 [9]。其邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示。 控制寄存器用來寄存操作方式控制字，每個計數(shù)器都有一個單獨的控制寄存器，只能寫入不能讀出。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，由 CS、 A0、 A1 給出 16 位地址碼。它能接收和識別來自鍵盤陣列的輸入數(shù)據(jù)并完成預處理，還能顯示數(shù)據(jù)和對數(shù)碼顯示器件進行自動掃描控制。 8279 與MCS－ 51 單片機的接口非常簡單，因而在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。主要由以下幾個部分組成： （ 1） I/O 控制和數(shù)據(jù)緩沖器； （ 2） 控制和定時寄存器及定時控制部分； （ 3） 掃描計數(shù)器； （ 4） 回送緩沖器與鍵盤去抖動控制電路； （ 5） FIFO(先進先出 )寄存器和狀態(tài)電路； （ 6） 顯示器地址寄存器和顯示 RAM。帶 8 個模擬量輸入通道，有通道地址譯 碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器。 ADC0809 內(nèi)部設(shè)有時鐘電路，故 CLK 時鐘需外部輸入，允許范圍 500KHz～ 1MHz， 典型值 640KHZ。 驅(qū)動電路 該驅(qū)動電路采用了 IR2110集成芯片，該集成電路具有較強的驅(qū)動能力和保護功能。它把驅(qū)動高壓側(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，它的特點在于，將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動信號，可以驅(qū)動同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動能力強，響應(yīng)速度快，工作電壓比較高，可以達到 600V，其內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，成本低、易于調(diào)試。與此同時， 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 引腳 1（ LO）與引腳 7（ HO）：對應(yīng)引腳 12以及引腳 10的兩路驅(qū)動信號輸出端，使用中，分別通過一電阻接主電路中下上通道 MOSFET的柵極。 引腳 3（ Vcc）：直接 接用戶提供的輸出極電源正極，并且通過一個較高品質(zhì)的電容接引腳 2。 與引腳 6（ VB）：通過一陰極連接到該端陽極連接到引腳 3的高反壓快恢復二極管，與用戶提供的輸出極電源相連，對 Vcc的參數(shù)要求為大于或等于 —，而小于或等于 +20V。 引腳 10（ HIN）與引腳 12（ LIN）：驅(qū)動逆變橋中同橋臂上下兩個功率 MOS器件的驅(qū)動脈沖信號輸入端。 21 引腳 11（ SD）：保護信號輸入端，當該引腳為高電平時， IR2110的輸出信號全部被封鎖，其對應(yīng)的輸出端恒為低電平，而當該端接低電平時，則 IR2110的輸出跟隨引腳 10與 12而變化。引腳 引腳 1引腳 4：為空引腳 。50V/ns，在 15V 下的靜態(tài)功耗僅有 ；輸出的柵極驅(qū)動電壓范圍為 10～ 20V，邏輯電源電壓范圍為 5～ 15V，邏輯電源地電壓偏移范 圍為－ 5V～＋ 5V。推挽式驅(qū)動輸出峰值電流 ≥2A，負載為 1000pF 時，開關(guān)時間典型值為 25ns。 IR2110 的腳 10 可以承受 2A 的反向電流 [10]。因此在這個電路中， Q Q4或者 Q Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導通的。 將 IC1的 HIN端與 IC2的 LIN端相連，而把 IC1的 LIN端與 IC2的 HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號恰好相反。其具體的操作步驟如下： 當 IC1的 LO為低電平而 HO為高電平的時候， Q2截止， C1上的電壓經(jīng)過 VB、 IC內(nèi)部電路和 HO端加在 Q1的柵極上，從而使得 Q1導通。 電源經(jīng) Q1至電動機的正極經(jīng)過整個直流電機后再通過 Q4到達零電位，完成整個的回路。 在 HIN為低電平期間， LIN端輸入高電平， Q Q3導通，在直流電機上加反向工作電壓。此時 Q2的漏極近乎于零電平， Vcc通過 D1向 C1充電，為 Q1的又一次導通作準備。 電源經(jīng) Q3至電動機的負極經(jīng)過整個直流電機后再通過 Q2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(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(diào)速。 當 λ=， Vout=0,此時電機的轉(zhuǎn)速為 0； 當 λ1時， Vout為正，電機正轉(zhuǎn)； 當 λ=1時， Vout=V,電機正轉(zhuǎn)全速運行。增量式編碼器是專門了用來測量轉(zhuǎn)動角位移的累計量。 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。碼盤上有向標志，每轉(zhuǎn)一圈 z 相輸出一個脈沖。 的兩路脈沖信號。編碼盤輸出的 z 相脈沖用于復位計數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復位一次計數(shù)器。整形后的 A、 B 兩相輸出信號分別接到 D 觸發(fā)器的時鐘端和 D 輸入端， D 觸發(fā)器的 CLK 端在 A 相脈沖的上升沿觸發(fā)。 ，當電機正轉(zhuǎn)時， B 相脈沖超前 A 相脈沖 90176。當電機反轉(zhuǎn)時， A 相脈沖超前 B 相脈沖 90176。 25 轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性對電機調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能影響極大。 M/T 法測速原理 M/T 法測速原理是在對光電編碼器輸出的測速脈沖數(shù) m1 進行計數(shù)的同時對時鐘脈沖的個數(shù) m2也進行計數(shù)，原理如圖 411 所示 。這樣， m2就代表了整個 m1測速脈沖周期的時間。本章將對該直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的程序做具體分析。 圖 51 主程序流程圖 如上圖顯示，本設(shè)計的主程序設(shè)計比較簡單。（當然可送其它占空比數(shù)據(jù)，這里是為了更好的展示，根據(jù)不同系統(tǒng)的需要，其值可變）。接著就按順序循環(huán)調(diào)用測速子程序、顯示子程序和鍵盤掃描子程序 [12]。其獨立式鍵盤由四個按鍵組成，分別控制電機的啟動、制動，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，加速和減速。 圖 52 鍵盤子程序的流程圖 組成鍵盤的按鍵有觸點式和非觸點式兩種，單片機中應(yīng)用的一般是由機械觸點構(gòu)成的。由 于按鍵是機械觸點，當機械觸點斷開、閉合時，會有抖動動， 輸入端的波形如圖 53 所示。 28 圖 53 鍵盤按下時的抖動現(xiàn)象 所以在鍵盤的應(yīng)用中，一定要解決抖動問題。單片機中常用軟件法，在本設(shè)計中也是應(yīng)用軟件法。而在檢測到按鍵釋放后（ 為高）再延時 510 個毫秒，消除后沿的抖動，然后再對鍵值處理。 PWM 信號發(fā)生程序 本設(shè)計中，直接應(yīng)用 AT89C51 用軟件的方法模擬輸出 PWM 信號，其程序流程圖如圖 54 所示 。但是實現(xiàn)高性能的軟件 PWM，也不是容易的事情。用軟件實現(xiàn) PWM信號，常用兩種方法：一種是用定時器控制 PWM 輸出，此種方法死區(qū)時間最少占 5個指令周期，分辨率比較低。理論上，把這兩種方法結(jié)合起來，根據(jù)不同的占空比，采用相應(yīng)合適的方式可以比較好的解決死區(qū)與效率的問題。在本設(shè)計中，應(yīng)用單片機每 50 個機器周期為 PWM 波形的基本周期（ AT89S51 采用 12MHz的晶體，即 PWM波形的周期為 100uS，其頻率為 10KHz），采用定頻調(diào)寬的方法。詳細程序見看附錄。實現(xiàn)測速功能的程序流程圖如圖 55。通?？梢允褂靡韵聝煞N方法： (1) M 法：在一定時間間隔 T 內(nèi)，對脈沖發(fā)生器的輸出脈沖計數(shù)，從而得到與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖測量值 m。 一般情況下， M 法適用于中高速的檢測，速度越高誤差就越小，測量的數(shù)據(jù)就越精確，相反速度越低，誤差就越大； T 法適用于低速的檢測。在 本設(shè)計中，對轉(zhuǎn)速的測量精度沒有很高的要求，而且轉(zhuǎn)速較多的工作于中高速部分，所以選用 M 法測速。轉(zhuǎn)速的檢測，實際上是應(yīng)用了兩個中斷服務(wù)子程序， T0 中斷和 INT0 中斷。 30 T0 中斷的作用就是給定一個時間間隔 T，在 T 內(nèi)應(yīng)用 INT0 中斷對外部脈沖進行計數(shù)，時間到就送出 R0 的數(shù)值，并對其清零。程序中的測速子程序，就是對轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行 BCD 碼的轉(zhuǎn)換并且顯示 [14]。這樣要與硬件電路匹配就要求軟件的輸出必須要是 BCD 碼，并且要采用動態(tài)顯示方式。 在 LED 的硬件圖中可以看到，單片機的 P2 口作為顯示部分的數(shù)據(jù)輸出口與控制輸出口。其中 P2 口的低四位作為 31 BCD 碼的輸出口， P2 口的高四位分別控制四位 LED（ LED LED LED3 和 LED4）。其中，軟件不可能顯示到轉(zhuǎn)速的千位數(shù)，因為我們只以一個寄存器儲存轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，所以本軟件最大的檢測轉(zhuǎn)速值是 255 轉(zhuǎn)每秒。 圖 56 顯示子程序的流程圖 32 結(jié) 論 本文設(shè)計的基于 8051 的直流電動機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)充分利用了單片機豐富的片內(nèi)資源，以及高效的運算處理能力。 通過各種方案的討論及嘗試，再經(jīng)過多次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，不斷地對系統(tǒng)進行優(yōu)化。相信單片機在今后的自動控制領(lǐng)域中將有更廣闊的應(yīng)用前景。 能 成功應(yīng)用于直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、監(jiān)控、保護場合，并且監(jiān)控 界面友好，使用方便。 33 致 謝 在這次畢業(yè)設(shè)計中，要特別感謝汪媛老師給予的耐心細致的指導，對于在設(shè)計過程中所遇到的許多具體問題，她均