直流電機PWM控制實現(xiàn)打印.doc

1、直流電機PWM控制實現(xiàn)摘 要本文介紹了一種基于單片機控制的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)以89C51單片機為核心，以小型直流電機為控制對象,實現(xiàn)雙閉環(huán)PI控制。系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速顯示、轉(zhuǎn)速檢測、電流檢測、PWM脈寬信號產(chǎn)生電路以及直流電機驅(qū)動電路。從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，給出了該系統(tǒng)的詳細設計思路、軟硬件設計、電路結(jié)構(gòu)和采用PI控制算法的控制程序流程。在芯片選擇方面，以89C51為控制核心，分別采用了AD574電流模/數(shù)轉(zhuǎn)換、8253轉(zhuǎn)速M/T法測量、8279轉(zhuǎn)速設定/顯示、DAC1208/TL494PWM波形產(chǎn)生、LDM18200電機驅(qū)動等芯片

2、與一些外圍電路。該系統(tǒng)具有較好的控制精度,可以在中小功率直流電動機上廣泛應用。關(guān)鍵詞 單片機；直流電機；調(diào)速系統(tǒng)；PWM；雙閉環(huán)控制AbstractA kind of PWM direct current motor speeding control system by this paper is introduced based on Single-Chip Computer control。In this system, taking the single- chip computer89C51 as the core part and the small-type of DC motor

3、 as the control object。a double closed-loop PI control is implemented。This system consists of rotation setting，display and detection, current sensing, PWM pulse signals generator circuit and the DC drive circuit。Beginning with the theory of the DC timing system,this article has built up the maths mo

4、del of the reversible DC-PWM timing system with a dualconverter and dual-closedloop，Given the details of the system design， software and hardware design， circuit structure and control algorithms using the PI process control proce dures. In the chip selection, to 89C51 for the control of the core,By

5、using the AD574 current A/D converter, 8253 Speed M/T measurement, 8279 speed settings/Show, DAC1208/TL494PWM waveform generator， LDM18200 motor drive， such as chips and some external circuit.The system has better control accuracy， in small and medium-sized power on the wider use of DC motor.個人收集整理，

6、勿做商業(yè)用途文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡Key words single-chip computer；DC motor； adjustment speed system；PWM；double closedloop control目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第1章 緒論11.1 序言11.2 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況1第2章 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的理論研究22.1 直流電動機的調(diào)速方案22.2 直流電機PWM調(diào)速原理22。3 雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理42。3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成42.3.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性52.3.3 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能6第3章

7、雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計93。1 單片機的選擇103。2 電流檢測電路133.2。2 AD574的工作原理143。2。3 AD574與89C51單片機的接口電路143.3轉(zhuǎn)速測量電路153.3.1 M/T法測速原理153。3.2 轉(zhuǎn)速測量硬件電路173.4 轉(zhuǎn)速設定/顯示電路173。4。1 8279可編程鍵盤、顯示接口芯片173.4.2 鍵盤/顯示接口電路193。5 PWM調(diào)制信號產(chǎn)生電路203.5.1 DAC1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能203.5.2 專用PWM集成電路芯片TL494213。5.3 TL494電路實現(xiàn)223。6 直流電機PWM驅(qū)動電路233.6.1 LMD1820

8、0驅(qū)動電路原理243。6。2 專用直流電動機驅(qū)動芯片LMD1820026第4章 雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計284.1 軟件的結(jié)構(gòu)設計284。2 主程序設計304.3 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的算法及軟件實現(xiàn)31全文總結(jié)35致 謝36參考文獻37附 錄38第1章 緒論1.1 序言在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，使得越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速。對可調(diào)速的電氣傳動系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級

9、快速起制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求，至今在金屬切削機床、造紙機等需要高性能可控電力拖動的領域仍有廣泛的應用，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地應用于自動控制要求較高的各種生產(chǎn)部門，是截止到目前為止調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況五十多年來，直流電氣傳動經(jīng)歷了重大的變革。首先,實現(xiàn)了整流器件的更新?lián)Q代，從50年代使用已久的直流發(fā)電機電動機組（簡稱GM系統(tǒng))及水銀整流裝置，到60年代的晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱VM系統(tǒng))，使得變流技術(shù)產(chǎn)生了根本的變革。再到脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation）變換器的產(chǎn)生，不僅在經(jīng)濟性和可靠性上有所提

10、高,而且在技術(shù)性能上也顯示了很大的優(yōu)越性，使電氣傳動完成了一次大的飛躍。80年代隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，832位單片機相繼出現(xiàn)并應用于控制系統(tǒng),控制電路已實現(xiàn)高集成化，小型化,高可靠性及低成本.由于系統(tǒng)的調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，所以，在對調(diào)速性能要求較高的場合，一般都采用直流電氣傳動。技術(shù)迅速發(fā)展,走向成熟化、完善化、系統(tǒng)化、標準化，在可逆、寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領域中一直居于壟斷地位.第2章 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的理論研究2.1 直流電動機的調(diào)速方案直流電動機轉(zhuǎn)速n的表達式為：n= (2-1）式（21)中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，為每極磁通量,K為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)

11、。由（2-1）式可知，直流電機轉(zhuǎn)速n的控制方法有三種：(1）改變電樞電路電阻R在電動機電樞外串電阻進行調(diào)速，只能有級調(diào)速，平滑性差、機械特性軟、效率低。(2)改變電機主磁通只能減弱磁通，使電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法,動態(tài)響應較慢，雖能無級平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍??；（3)調(diào)節(jié)電樞電壓U，改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速,屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應快,適用于要求大范圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)；2。2 直流電機PWM調(diào)速原理變電壓調(diào)速要有可調(diào)的直流電源.根據(jù)供電電源的種類分兩種情況1：一是采用可控硅變流裝置，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)的直流電.二是采用直流斬波器，將交流電通過整流提供直流電源，實現(xiàn)脈沖調(diào)壓調(diào)

12、速.隨著電力電子全控器件的成熟,采用全控電力晶體管IGBT、MOSFET等全控式電力電子器件組成的直流脈寬調(diào)制（PWM）型的調(diào)速系統(tǒng)近年來已發(fā)展成熟，用途越來越廣。大多數(shù)直流電機的驅(qū)動采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速.圖2。1是利用開關(guān)管對直流電動機進行PWM調(diào)速控制的原理圖。當開關(guān)管的柵極輸入高電平時,開關(guān)管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓。秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截止,電動機電樞兩端電壓為0。秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復前面的過程。這樣，對應著輸入的電平高低,直流電動機電樞繞組兩端的

13、電壓波形如圖2.2所示。直流電機圖2.1 PWM調(diào)速控制原理圖tT0t0 圖2。2 輸入輸出電壓波形圖 電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值為：= = = （22)其中，稱為占空比，= 。占空比表示了在一個周期T里開關(guān)管導通的時間與周期的比值。的變化范圍為0 1。由式(2-2）可知，當電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。在PWM調(diào)速中,占空比是一個重要參數(shù).改變的方法有三種：（1）定寬調(diào)頻法：這種方法是保持不變，只改變，這樣使周期T（或頻率)也隨之改變.(2）調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持不變，而改變，

14、這樣使周期T（或頻率)也隨之改變。（3）定頻調(diào)寬法:這種方法是使周期T（或頻率)保持不變。而同時改變和。PWM控制信號的產(chǎn)生方法有4種2：(1）分立電子元件組成的PWM信號發(fā)生器 (2)軟件模擬法利用單片機的一個I/O引腳，通過軟件對該引腳不斷地輸出高低電平來實現(xiàn)PWM波輸出. (3)專用PWM集成電路 (4）單片機的PWM口后2種方法是目前獲得PWM信號的主流方法，本系統(tǒng)采用方法（3)產(chǎn)生PWM脈沖信號。2.3 雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理2.3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，如

15、圖2.3所示3。 +En_+_ASRACRR圖2。3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2。3.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,繪出了它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2。3所示。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征.一般存在兩種狀況，飽和：輸出達到限幅值;不飽和：輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是為零。實際上,在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的.因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況4。（一）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時,兩個調(diào)節(jié)器都

16、不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此=由第一個關(guān)系式可得:n= = (2-3)從而得到圖2.4靜特性的A段。與此同時，由于ASR不飽和， ，從上述第二個關(guān)系式可知：。這就是說，A段靜特性從0（理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到=,而一般都是大于額定電流的.這就是靜特性的運行段.（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值， 轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時= = (24）其中，最大電流是設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度.式（24)所描述的靜特性是圖2。4中的A-B段。這樣的下垂特性只適合于n的情

17、況。因為如果n,則，ASR將退出飽和狀態(tài)。 2.3。3 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能考慮到雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，可繪出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋,電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電流顯露出來。Bn 0A圖2。4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性E+n圖2.5 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在這里，先從電流環(huán)入手，首先設計好電流調(diào)節(jié)器,然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器. 流調(diào)節(jié)器的設計由雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可看出外環(huán)通過反電動勢E對內(nèi)環(huán)產(chǎn)生影響，但是由于實際系統(tǒng)中處于外環(huán)的系統(tǒng)機電時間常數(shù)比內(nèi)環(huán)的時間常數(shù)大得多

18、,機構(gòu)經(jīng)ACR對內(nèi)環(huán)效+ACR圖2。6 電流環(huán)的動態(tài)簡化結(jié)構(gòu)圖正后其輸出量 的動態(tài)過程變化很快，而反電動勢E的變化過程E(t)相對來說是緩慢的。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用,在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似地認為E基本不變。因此在設計電流環(huán)時可以簡化計算略去反電動勢E對內(nèi)環(huán)的影響，將電流閉環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)簡化為單位負反饋形式并將脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時間T與電流反饋濾波時間兩個小的時間常數(shù)所對應的兩個小慣性合并為一個小慣性時間環(huán)節(jié)，即 =T+，于是得到如圖2。6的電流簡化動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。電流環(huán)即可設計成典型I型系統(tǒng)也可設計成典型II型系統(tǒng)。在一般情況下，當控制對象的兩個時間常

19、數(shù)之比 時，典型I系統(tǒng)的抗擾恢復時間還是可以接受的，因此，效正成典型I型系統(tǒng),顯然采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:= （2-5）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和,為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，取=。按二階最佳系統(tǒng)效正，在一般情況下,希望超調(diào)量%5%時，查表得阻尼比=0.707, =0.5，因此= (26)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計由自動控制基本理論推導可得，電流環(huán)不論是典型I型或是典型II型化,在一定的近似條件下都可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)，寫成通式為：=若典型I型化且=0。707， =0.5,則a=2。若典型II型化h=5,m=0。1，則a=5/6。由上式畫出轉(zhuǎn)速閉環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，將它簡化為單位負反

20、饋形式并將兩個小慣性合并為一個小慣性，即將轉(zhuǎn)速給定及轉(zhuǎn)速反饋的濾波時間常數(shù)與電流環(huán)等效時間常數(shù)a 合并為轉(zhuǎn)速環(huán)小慣性時間常數(shù) 。由于要求轉(zhuǎn)速對負載擾動無靜差，則在ASR中必須含有積分環(huán)節(jié)，取ASR為PI調(diào)節(jié)器，因此轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設計。若只考慮給定信號的作用則得到簡化的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示,這里有 =+a (2-7)n（s）+圖2。7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閉環(huán)等效動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可見，上圖已具備典型II型系統(tǒng)的標準形式，ASR調(diào)節(jié)器的參數(shù)按以下各式計算即可= = (28）= （2-9）= (2-10)第3章 雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的硬件設計本系統(tǒng)采用8位單片機89C51作主控制器，輔以脈

21、寬調(diào)制(PWM)器和電機驅(qū)動器等環(huán)節(jié)實現(xiàn)單片機控制電動機雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)，原理框圖如圖3。1所示,其內(nèi)環(huán)是電流反饋及控制環(huán)，外環(huán)是電動機轉(zhuǎn)速反饋及控制環(huán)，內(nèi)環(huán)和外環(huán)的調(diào)節(jié)都是由89C51單片機軟件完成數(shù)字PI控制規(guī)律的運算。轉(zhuǎn)速輸出設定轉(zhuǎn)速負載擾動單片機控制器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI1電流調(diào)節(jié)器PI2DAC1208數(shù)模轉(zhuǎn)換TL494PWM信號產(chǎn)生LMD18200電機驅(qū)動直流電動機AD574電流反饋8253轉(zhuǎn)速反饋測量8279轉(zhuǎn)速設定/顯示圖3。1 單片機控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖由圖3。1可知，系統(tǒng)中設置的轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器,不是將它們的輸出加在一起象單環(huán)系統(tǒng)那樣共同作為PWM調(diào)制器的

22、控制電壓，而是將兩個調(diào)節(jié)器實行串級連接。 下面將對系統(tǒng)中各個硬件的功能和工作原理作簡要介紹。3。1 單片機的選擇在詳細的系統(tǒng)分析、實用性、經(jīng)濟性分析的基礎上，選用了MCS-51系列的89C51單片機5，其主要特點是：l 一個8位CPU;l 128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器,4K字節(jié)ROM程序存儲器；l 21個特殊功能寄存器；l 4個8位并行I/O口，其中、為地址/數(shù)據(jù)線,可尋址64KB ROM和64 KB RAM；l 一個可編程全雙工串行口；l 具有5個中斷源,可編程兩個優(yōu)先級，嵌套中斷結(jié)構(gòu)；l 兩個16位定時器/計數(shù)器；l 一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。89C51單片機功能引腳如圖3。2所示. 圖3.

23、2 89C51單片機功能引腳其各引腳功能如下：1.電源引腳Vcc和Vss(1）Vcc：電源端，接+5V電源.（2)Vss：接地端（GND）.2。外接晶體引腳XTAL1和XTAL2(1）XTAL1：片內(nèi)振蕩電路的輸入端，是外接晶體的一端。(2）XTAL2:片內(nèi)振蕩電路的輸出端，是外接晶體的另一端.3?？刂菩盘栆_RST、ALE、和(1）RST/Vpd：RST是復位信號輸入端，高電平有效,在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。RST引腳的第二功能是備用電源Vpd的輸入端。當主電源Vcc發(fā)生故障，降低到規(guī)定值時,此引腳可接備用供電，由Vpd向內(nèi)部RAM提供備用供電，以保持片內(nèi)RAM中

24、的數(shù)據(jù)。（2）ALE/:地址鎖存允許信號端. （3):片外程序存儲器讀選通信號輸出端。（4)/Vpp：片內(nèi)、片外程序存儲器選擇端/編程電壓輸入端。在Flash存儲器編程期間,使用該引腳的第二功能，用于提供編程電壓。4.輸入/輸出（I/O)引腳（1)P0口（P0.0P0。7）：P0口的第一功能是作為通用的I/O口，用來輸入/輸出數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)有鎖存功能。P0口的第二功能是當CPU訪問片外存儲器時，分時提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。(2）P1口（P1。0P1。7)：P1口一般作為通用的I/O口使用，用于傳送用戶的輸入/輸出數(shù)據(jù). P1口的第二功能是在對片內(nèi)ROM編程或校驗時輸入片內(nèi)ROM的低

25、8位地址。（3）P2口（P2。0P2。7）：P2口的第一功能是當不擴展片外存儲器時,作為通用I/O口.第二功能是當89C51擴展片外存儲器時，與P0口配合，輸出片外存儲器的高8位地址，共同形成16位片外地址總線。（4)P3口（P3.0P3.7）：P3口除了作通用的I/O口外,作為控制用的第二功能如表3.1所示.表3。1 P3口的第二功能P3口引腳第二功能P3。0RXD（串行數(shù)據(jù)輸入口）P3。1TXD(串行數(shù)據(jù)輸出口)P3.2（外部中斷0輸入）P3。3(外部中斷1輸入)P3.4T0（定時器/計數(shù)器0外部輸入）P3。5T1（定時器/計數(shù)器1外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出）P3。7

26、(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出)3.2 電流檢測電路目前，電流檢測分為直流檢測和交流檢測兩種方法。本系統(tǒng)采用AD574芯片進行電流檢測,利用一個低阻值大功率電阻與直流電機串聯(lián),將該電阻兩端的電壓作為電流檢測的輸入信號,再將檢測到的電流信號作為電流環(huán)的反饋信號，參與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制.AD574芯片是一種有28個引腳雙列直插式的芯片，其功能管腳如圖3。3所示。 圖3。3 AD574芯片功能管腳圖各主要管腳功能如下：:芯片選擇線。=0，芯片被選中。CE：控制時鐘輸入端.R/:功能選擇。R/低電平時，啟動轉(zhuǎn)換;R/高電平時讀出。當=0、CE=1，R/=0時，啟動A/D進行轉(zhuǎn)換。當=0、CE=1，R/=1時

27、，允許數(shù)碼讀出。:控制轉(zhuǎn)換時間。線通常接計算機地址總線的最低位。進行轉(zhuǎn)換時，若為低電平，完成12位轉(zhuǎn)換；為高電平，則進行8位轉(zhuǎn)換。在讀數(shù)據(jù)時,位低電平，高8位數(shù)據(jù)有效；為高電平，低四位數(shù)據(jù)有效。12/：決定數(shù)據(jù)輸出格式。12/接低電平時，數(shù)據(jù)輸出由兩個8位字節(jié)構(gòu)成。12/接高電平時，數(shù)據(jù)輸出由一個12位字節(jié)構(gòu)成。STS：狀態(tài)輸出信號。3.2.2 AD574的工作原理AD574其內(nèi)部控制邏輯是用來發(fā)出轉(zhuǎn)換啟動/停止信號，時鐘信號和復位SAR信號，并且控制轉(zhuǎn)換過程,這個控制邏輯受外部5個信號控制，當AD574控制部分接到開始轉(zhuǎn)換命令時，它將使時鐘有效，并使SAR復位為零，一旦轉(zhuǎn)換周期一開始，便不再

28、被重新啟動，此時內(nèi)部輸出緩沖器沒有數(shù)據(jù)輸出6。AD574邏輯控制真值表如表3.2所示。表3。2 AD574邏輯控制真值表CER/12/工作狀態(tài)0禁止1禁止1000啟動12位轉(zhuǎn)換1001啟動8位轉(zhuǎn)換101接1腳（+5V）12位并行輸出有效101接15腳（0V）0高8位并行輸出有效101接15腳（0V）1低4位并行輸出有效表中0為低電平,1為高電平,為任意狀態(tài)其工作過程：當=0、CE=1，R/=0時，轉(zhuǎn)換開始，當=0、CE=1,R/=1時，允許讀出數(shù)據(jù).在轉(zhuǎn)換開始時,R/應由高電平轉(zhuǎn)換為低電平.轉(zhuǎn)換結(jié)束后R/應為高電平以便讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果.3.2。3 AD574與89C51單片機的接口電路+5V89C

29、51如圖3。4所示, AD574的片選端接鎖存器的Q7端, A0端接鎖存器的Q1端, R/接鎖存器的Q0端，89C51的和經(jīng)與非門與AD574的CE端相接， AD574進行12位數(shù)字轉(zhuǎn)換，12/接地表示89C51要分兩次從AD574讀出A/D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量。BIP的接法表示10VIN或20VIN被設定為雙極性電壓輸入7. 圖3.4 AD574和89C51單片機接口電路圖3。3轉(zhuǎn)速測量電路轉(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.為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速性，本設計使用每轉(zhuǎn)1024線的光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，單片

30、機對該頻率信號采用M/T法測速處理。3.3.1 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)進行計數(shù)的同時，對時鐘脈沖的個數(shù)也進行計數(shù). 測速時間由測速脈沖來同步，即由圖3。7硬件電路實現(xiàn)等于整個脈沖周期。設從圖3.5上a點開始，計數(shù)器分別對和計數(shù)，到達b點，預計的測速時間到，微機發(fā)出停止計數(shù)指令，但因為不一定恰好等于整數(shù)個編碼器輸出脈沖周期，所以計數(shù)器仍對時鐘脈沖計數(shù)，直到c點時,可以利用下一個轉(zhuǎn)速脈沖上升沿（即c點）觸發(fā)數(shù)字TdTccbatm2Sm1時鐘脈沖測速脈沖發(fā)生器脈沖GATE0GATE1圖3。5 M/T測速原理圖測速硬件電路使時間計數(shù)器停止計數(shù)。這樣，就代表了個

31、測速脈沖周期的時間。設時鐘脈沖頻率為，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出P個脈沖，則電動機轉(zhuǎn)速的計算公式為:n = = = r/min在本系統(tǒng)中，由于選用2MHz，P1024，所以轉(zhuǎn)速計算公式有： n= =117188 r/min 3。3。2 轉(zhuǎn)速測量硬件電路 M/T法轉(zhuǎn)速測量硬件電路如圖3.7所示。途中8253的0號、1號計數(shù)器分別對和進行計數(shù)，D觸發(fā)器用來使的計數(shù)與測速脈沖計數(shù)同步,由于8253為下降沿計數(shù),故使用反向器G，啟動測速和停止測速信號由89C51單片機的軟件向P1。2口輸出，P1.3口用于測速電路軟件輸出復位脈沖信號。為實現(xiàn)和同步計數(shù)，8253的0號和1號計數(shù)器使用方式2工作.上電初始化進入這

32、種方式后，可用GATE電平對計數(shù)過程進行監(jiān)控.當89C51單片機在圖3。5上s點時測速脈沖發(fā)生器脈沖F11D0D789C51 CLK0D0 GATE0CLK1D7 GATE1CPQ D 時鐘脈沖2MHzP1.3復位脈沖P1.2啟動停止測速信號 圖3。7 M/T法轉(zhuǎn)速測量硬件電路刻向P1.2口輸出高電平，發(fā)出啟動測速信號,即置為高電平,0號測速脈沖計數(shù)器立即從初始值開始計數(shù)直至在圖3。5上b點時刻向P1。2口輸出低電平.這樣從測速啟動點s到停止點b時間間隔內(nèi)，為高電平,則輸入8253端口的測速脈沖計數(shù)值即為。3。4 轉(zhuǎn)速設定/顯示電路3.4。1 8279可編程鍵盤、顯示接口芯片8279芯片有40

33、條引腳，由單一5V供電。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。各引腳的功能見表3.2所示：表3.2 8279各引腳功能引腳符號引腳號引腳名稱與功能VCC40電源的+5V端VSS20電源的0V端RESET9復位信號輸入端10讀信號輸入端11寫信號輸入端21系統(tǒng)地址總線最低位輸入端22片選端CLR3時鐘輸入端IRQ4中斷請求信號輸出端1912雙向數(shù)據(jù)總線，在CPU與8279間傳送命令、狀態(tài)與數(shù)據(jù)-3532掃描輸

34、出端，對鍵盤/傳感器矩陣和顯示器進行掃描-85、2、1、39、38鍵盤/傳感器矩陣的信息輸入端SHIFT36換擋輸入端，使鍵盤上每鍵有上、下兩檔不同的功能。傳感器方式和選通方式時，該信號無效。CNTL/STB37控制/選通輸入端，高電平有效。鍵盤工作方式時,時控制端；選通輸入方式時,是選通端；傳感器方式時，該信號無效.OUTA3OUTA02427A組顯示信息輸出端。與B組顯示信息輸出端一樣，都是16*4顯示寄存器的輸出端。兩組可獨立使用，也可合并使用。OUTB3OUTB02831B組顯示信息輸出端23顯示消隱輸出端,低電平有效.消隱命令時，或顯示信息切換時,使顯示消隱（不亮） 3。4。2 鍵盤

35、/顯示接口電路 8279芯片與89C51單片機的硬件接口電路如圖3.8所示。該系統(tǒng)選用2×8鍵盤和8位顯示器,工作于8位顯示和鍵盤輸入工作方式，均為編碼掃描，其組成可分為三個部分：圖3.8 8279與89C51的硬件接口1.顯示接口：由8個7段LED顯示器組成。經(jīng)74LS138（1）譯碼掃描控制位選口,顯示字符的段選碼由8279芯片的兩個4位輸出口、同步輸出實現(xiàn)，并且經(jīng)74LS06非門輪流驅(qū)動7段LED顯示器.消隱顯示信號輸出線與74LS138(1） 的使能端相連,當顯示轉(zhuǎn)換時，輸出低電平關(guān)閉74LS138(1),從而達到顯示消隱的目的。2。鍵盤接口：鍵盤中的復位鍵不用掃描，其余16

36、個鍵排成2行8列的矩陣。通過“改參鍵"進入轉(zhuǎn)速調(diào)整程序，利用“左移/右移鍵"選擇需要改變數(shù)值的數(shù)碼管位置，“09”為10個數(shù)字鍵,通過“確定鍵”完成轉(zhuǎn)速設定，其他鍵為備用鍵。8279工作于鍵盤輸入方式，8根列掃描線由經(jīng)74LS138(2)譯碼獲得,2根行信號線由、引入。由于8279的輸入線內(nèi)部有上拉電阻，當無鍵按下時均為高電平，而當有鍵按下時則被鍵盤上的按鍵拉成低電平，該鍵的行、列號信息被讀入FIFO RAM緩沖器中。同時8279的中斷請求信號IRQ為高電平，可向CPU申請中斷，讀取鍵值代碼。3.8279與89C51的接口:在圖3。8硬件連線中，單片機89C51的P2。7腳

37、經(jīng)反相器接片選信號，8279的端用于控制讀寫命令/狀態(tài)和數(shù)據(jù)，與地址鎖存器74LS373輸出的最低位地址線相連, 8279的CNTL、SHIFT引腳接地，89C51的P2.5腳、P2。6腳接地。3。5 PWM調(diào)制信號產(chǎn)生電路在晶體管功率放大和電源電路中,脈沖寬度調(diào)制器（Pulse Width Modulate)以其功耗低、效率高得到了越來越廣泛的應用。本系統(tǒng)采用專用PWM集成電路芯片TL494，通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓量,供TL494電壓驅(qū)動.3.5.1 DAC1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能DAC1208系列芯片內(nèi)部由兩個鎖存器、一個寄存器、一個D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成8。內(nèi)

38、部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.9所示.芯片中DI0DI11為數(shù)字量輸入，Rfb為反饋電阻輸入，VREF為參考電壓,Vcc為+5V電源。DAC1208為12位數(shù)模轉(zhuǎn)換，采用二級緩沖（即二級鎖存）工作方式，內(nèi)部有: 高8位與低4位鎖存器(一級鎖存),12位DAC寄存器，12位乘法DAC轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換計算公式：Vout=VREF * Din/2e12。其中： VREF為參考電壓；Din為輸入二進制數(shù)字量的十進制數(shù)值，如001110010101B=917D；2e12=4096。AGND為模擬量地,DGND為數(shù)字地,即接地。 圖3.9 DAC1208內(nèi)部框圖 : 為字節(jié)順序控制信號，高電平（二進制數(shù)信號為1）時開啟高8

39、位與低4位鎖存器,低電平(二進制數(shù)字信號位0)時只開啟低4位，數(shù)字量輸入時必須先送高8位，再送低4位，不然會出錯。 與：兩者相結(jié)合（接在一起）為一級鎖存控制，低電平有效，即輸入鎖存器接受數(shù)字信號,高電平時鎖存。與：結(jié)合二級鎖存控制,低電平有效,即將數(shù)字信號從輸入鎖存器送到DAC寄存器,再送到DAC轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換,高電平鎖存。Iout1為轉(zhuǎn)換電流輸出1,Iout2為轉(zhuǎn)換電流輸出2。兩者關(guān)于某常數(shù)互補，即Iout1+Iout2=常數(shù)。3.5.2 專用PWM集成電路芯片TL494TL494是美國德州儀器公司的產(chǎn)品，原本是為開關(guān)電源設計的一種性能優(yōu)良的脈寬調(diào)制控制電路。該芯片具有能夠任意調(diào)節(jié)死區(qū)時間、

40、驅(qū)動能力強、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。TL494的結(jié)構(gòu)框圖如圖3。11所示9,包括兩個誤差放大器、片內(nèi)可調(diào)鋸齒波振蕩器、死區(qū)時間控制比較器、PWM比較器、觸發(fā)器、5V基準電壓以及輸出控制電路(兩個晶體管Ql和Q2）。5、6腳外接振蕩電阻TR和振蕩電容CT,它們決定了振蕩器的工作頻率,頻率范圍為1kHz3O0kHz,振蕩器的輸出被分別送到死區(qū)時間控制比較器和PWM比較器的反相輸入端，需進行脈沖調(diào)寬的電壓被送到PWM比較器的同相輸入端，通過PWM比較器進行比較，在PWM比較器的輸出端得到一串具有一定寬度的矩形脈沖，當脈沖調(diào)寬電壓變化時，TL494輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變開關(guān)管的導通時間，達到調(diào)節(jié)、

41、穩(wěn)定輸出電壓的目的。脈沖調(diào)寬電壓可由3腳直接送入的電壓來控制，也可分別從兩個誤差放大器的輸入端送入，通過比較、放大，經(jīng)隔離二極管后輸出到PWM比較器的正相輸入端。PWM比較器的輸出電壓與死區(qū)時間控制比較器的輸出電壓同時被送到與門的輸入端，與門的輸出脈沖經(jīng)D觸發(fā)器分頻后被分別送到兩個與非門去控制功率放大晶體管的開關(guān)工作狀態(tài)，在輸出方式控制端13的控制下，TL494的輸出三極管可接成共發(fā)射極及射極跟隨器兩種方式，當該端為高電平時輸出方式為雙端推挽輸出，當該端為低電平時輸出方式為單端輸出，在推挽輸出方式時，就可以在晶體管的輸出端9、10腳得到相位差180度的兩路驅(qū)動脈沖;而在單端方式時，其兩路驅(qū)動脈

42、沖為同頻同相,若將兩路輸出并聯(lián)就可以增大其輸出電流。另外，TL494的基準電源輸出端14腳可以向外提供5V參考電源。文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡圖3.11 TL494的結(jié)構(gòu)框圖3。5.3 TL494電路實現(xiàn)本系統(tǒng)所設計的TL494應用電路圖如圖3.12所示，下面介紹其功能實現(xiàn)過程:首先通過電阻R3和可調(diào)電阻R7得到給定電壓Vg，Vg經(jīng)R5、C3低通濾波之后輸入到TL494誤差放大器1的正端，再通過DAC1208輸出的電壓Vo，經(jīng)R2、Cl濾波后輸入TL494誤差放大器1的負端，經(jīng)誤差放大器1后得到兩者的誤差Ve，由TL494的工作原理知，此誤差Ve對應一定占空比

43、的PWM輸出信號，當輸入電壓改變時，Vo的變化引起Ve的變化，進而使TL494輸出信號的占空比也發(fā)生變化。由TL494的內(nèi)部框圖知,兩個誤差放大器之間由隔離二極管連接,為了使系統(tǒng)正常工作，需要封閉誤差放大器2的輸出,如圖3.12所示，將誤差放大器2的正端接地，而將其負端接+5V，這樣，誤差放大器2的輸出便為負，從而封鎖了其輸出;電阻R4、R6及電容C2構(gòu)成了誤差放大器的負反饋環(huán)節(jié)；電阻R9和電容C7用來實現(xiàn)軟啟動功能,可有效地避免電機啟動過程中的電流過沖。電容C4和電阻R10用來控制振蕩器的振蕩頻率。圖3.12 TL494電路實現(xiàn)圖3.6 直流電機PWM驅(qū)動電路直流電機常要求工作在正反轉(zhuǎn)的場合

44、，這就需要使用可逆PWM電機驅(qū)動.可逆PWM系統(tǒng)分為雙極性驅(qū)動和單極性驅(qū)動，本系統(tǒng)采用LMD18200雙極性驅(qū)動可逆PWM系統(tǒng)。3。6。1 LMD18200驅(qū)動電路原理雙極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性驅(qū)動電路有兩種，一種稱為T型，它由2個開關(guān)管組成，采用正負電源，相當于2個不可逆系統(tǒng)的組合，由于形狀像倒放的“T”字，所以稱為T型.另一種稱為H型,其形狀像“H” 字。圖3。13是H型雙極可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)。它由4個開關(guān)管和4個續(xù)流二極管組成，單電源供電。4個開關(guān)管分成兩組，、為一組,、為另一組.同一組的開關(guān)管同步導通或關(guān)斷，不同組的開關(guān)管的導通與關(guān)斷正好相

45、反。在每個PWM周期里，當控制信號高電平時，開關(guān)管、導通，此時為低電平,因此、截止，電驅(qū)繞組承受從A到B的正向電壓；當控制信號 低電平時,開關(guān)管、截止，此時為高電平，因此、導通,電驅(qū)繞組承受從B到A的 412 3 圖3。13 H型雙極性驅(qū)動PWM系統(tǒng)原理反向電壓，這就是所謂的 “雙極”.由于在一個PWM周期里電驅(qū)電壓經(jīng)歷了正反兩次變化，因此其平均電壓為：= = = （31）由式31可見，雙極性可逆PWM驅(qū)動時，電驅(qū)繞組所受的平均電壓取決于占空比大小.當=0時,= -,電動機反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大;當=1時，= ，電動機正轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速最大；當=1/2時，= 0，電動機不轉(zhuǎn)。下面討論電機電樞繞組的電流.電樞

46、繞組中的電流波形如圖3.14所示,分以下3種情況。假設在每個PWM周期的0區(qū)間、導通,、截止，電動機在較大負載情況下正轉(zhuǎn)工作，電樞繞組中電流的方向是從A到B，如圖3.13中的虛線1。在每個PWM周期的區(qū)間，、導通,、截止,雖然電樞繞組加反向電壓，但由于繞組的負載電流較大,電流的方向仍然不變，只不過電流的波動較大.電流波形如圖3.14(a)所示。當電動機在較大負載情況下反轉(zhuǎn)工作時，情形正好與正轉(zhuǎn)時相反。電流波形如圖3.14(b)所示.當電動機在輕載下工作時，負載使電樞電流很小，電流波形基本上圍繞橫軸上下波動，電流的方向也在不斷地變化，如圖3。14（c)所示。在每個PWM周期的0區(qū)間,、截止。開始

47、時，由于自感電動勢的作用，電樞中的電流維持原流向-從B到A，電流線路如圖3.13虛線4，經(jīng)二極管、到電源，電動機處于再生制動狀態(tài)。由于二極管的、鉗位作用，此時、不能導通.當電流衰減到零后,在電源電壓的作用下.、開始導通。電流經(jīng)、形成回路，如圖3.13中虛線1。這時電樞電流的方向從A到B，電動機處于電動狀態(tài)。在每個PWM周期的區(qū)間，、截止。電樞電流在自感電動勢的作用下繼續(xù)從A到B，其電流流向如圖3。13中的虛線2，電動機仍處于電動狀態(tài)。當電流衰減為零后，、開始導通，電流線路如圖3.13中的虛線3，電動機處于反接制動狀態(tài).所以,在輕載下工作時,電動機的工作狀態(tài)呈電動和制動交替變化。 t1t2I00

48、0tttIt0(a)正轉(zhuǎn)(b)反轉(zhuǎn) 4 1 2 3I0t0t(c) 輕載圖3。14 H型雙極可逆PWM電流波形3。6.2 專用直流電動機驅(qū)動芯片LMD18200 LMD18200是美國國家半導體公司生產(chǎn)的用于電機驅(qū)動的功率集成芯片,其功能如下:（1）額定電流3A , 峰值電流6A，電源電壓55V；（2）額定輸出電流2A，輸出電壓30V；(3)可通過輸入的PWM信號實現(xiàn)PWM控制;(4)可通過輸入的方向控制信號實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制；（5)可以接受TTL或CMOS以及它們兼容的輸入控制信號；（6）可以實現(xiàn)直流電動機的雙極性和單極性控制；LMD18200的原理圖如圖3.15所示。過熱檢測輸出 泵電容1 輸出

49、1 電源 輸出2 泵電容PWM 5使能 4轉(zhuǎn)向 3關(guān)斷1110006219充電泵驅(qū)動過熱過流欠壓檢測輸入邏輯充電泵驅(qū)動電流檢測87電流檢測輸出 地圖3。15 LMD18200原理圖LMD18200PWM4N255 6 2 3 1 114 10+5V+55V圖3。15 LMD18200接口電路第4章 雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計為了使單片機控制系統(tǒng)各種硬件設備能夠正常運行,有效實現(xiàn)各個控制環(huán)節(jié)的實時控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。因此，用匯編或其他高級語言編寫電動機單片機實時控制系統(tǒng)的應用程序，是整個系統(tǒng)設計中十分重要的內(nèi)容.本系統(tǒng)用89C51單片機代替了直