自動(dòng)門控制裝置伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、 自動(dòng)門控制裝置伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)摘要近年來(lái)，自動(dòng)門己廣泛應(yīng)用于銀行、酒店大型商場(chǎng)等場(chǎng)合。在國(guó)外，自動(dòng)門的發(fā)展已相對(duì)成熟，在國(guó)內(nèi)從事自動(dòng)門行業(yè)的單位不在少數(shù)，但大多都是作為國(guó)外自動(dòng)門代理商身份亮相，國(guó)內(nèi)在自動(dòng)門的自主研發(fā)上還處于初級(jí)階段。 直流伺服系統(tǒng)在許多系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，而目前國(guó)內(nèi)外的水平也有一定差距。由于永磁直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的高精度、響應(yīng)迅速以及大范圍的速度伺服與位置伺服控制，因此永磁直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究已成為直流伺服系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。作為自動(dòng)門控制裝置伺服系統(tǒng)的一部分,軟件設(shè)計(jì)是在硬件的基礎(chǔ)上構(gòu)建出系統(tǒng)的主要流程圖.本文主要圍繞自動(dòng)門伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，并附帶介紹了硬件方面

2、的問(wèn)題。全文主要分為三個(gè)部分，主要內(nèi)容如下：1、簡(jiǎn)要描述了直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分析了電機(jī)的機(jī)械特性，并在此基礎(chǔ)上大概介紹了PWM控制原理。2、為了更詳細(xì)的在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上，使用AT89C52單片機(jī)處理芯片，并輔以的專用直流伺服控制芯片HIP4080AIP組成直流伺服系統(tǒng)并詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括控制電源部分、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路，能耗和保護(hù)電路部分。3、詳細(xì)介紹了自動(dòng)門的功能以及實(shí)現(xiàn)這些功能的軟件設(shè)計(jì)。包括單片機(jī)內(nèi)部資源分配，數(shù)據(jù)的規(guī)格化處理；給出程序流程圖和部分詳細(xì)的子程序。關(guān)鍵詞永磁直流電機(jī)；AT89C52；PWM控制系統(tǒng)Automatic door control unit ser

3、vo system software designAbstract In recent years, automatic doors have been widely applied in banks, hotels and other major shopping malls occasions. At abroad the development of automatic doors have been relatively mature, the domestic industry in the automatic doors of a few units, but most are a

4、utomatic doors as a foreign agent identity Appearance, automatic doors in the domestic independent research and development is still at an early stage Along with the unceasing development of modernized industry，the servo system is widespread in many systems application day by day .The higher perform

5、ance of the servo system is required .Permanent Magnet DC motor Servo system can achieve the performances of high accuracy, fast response, large-scale speed and position servo control , therefore the research on Permanent Magnet DC motor Servo system turn into the most important one in the study of

6、DC motor servo system Therefore permanent magnet DC motor control system of DC servo system has become one of the focuses of research. As the automatic door control device servo system as part of the software design is in hardware to build on the basis of the main flow chart. The paper will research

7、 the Software Design of Servo System, including three parts:1. Describe the maths model and control theory of Permanent Magnet DC motor, then it introduce the methods of timing and control system of PWM (pules width modulation).2. In this part ,it first describe the application otential and the basi

8、c component of the auto-door control system, and describe the hard ware designs it introduces the basic function and features of AT89C52 and HIP4080AIP , and the harewares , including control department; driving circuit; power-costing Circuit and protection part . It also design digital feed-back ci

9、rcuit.3. This paper describes realization software of the servo system detaily. Including: the design of the regulator , the control , the control strategy and the realization ; implement of roter initialization position to AT89C52 , and so on. In the whole process of software designing , the contro

10、l of power is the key and difficulties. Keywords Permanent Magnet DC motor ; AT89C52 ; PWM control system不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印43 / 48文檔可自由編輯打印目錄摘要Abstract第1章 緒論11.1 自動(dòng)門控制系統(tǒng)概述11.2 課題研究的目的和意義11.3 課題研究的內(nèi)容2第2章 直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)32.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)控制基礎(chǔ)32.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程32.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法42.2 直流伺服電機(jī)的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)42.2.1 PWM調(diào)速系統(tǒng)介紹

11、42.2.2 H型雙極模式PWM系統(tǒng)52.2.3 型單極模式PWM系統(tǒng)52.3 速度反饋單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)62.4 本章小結(jié)7第3章 伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)介紹83.1 硬件設(shè)計(jì)總體架構(gòu)83.2 控制電路設(shè)計(jì)93.2.1 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)93.2.2 AT89C52單片機(jī)概述103.3 存儲(chǔ)器接口方法113.4 單片機(jī)外圍電路123.5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)153.6 控制電源設(shè)計(jì)163.7 保護(hù)與制動(dòng)電路173.8 光電隔離電路203.9 速度反饋電路203.10 本章小結(jié)21第4章 伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)224.1 編程思想總結(jié)和展望224.2 門寬自學(xué)習(xí)功能234.3 EEPROM的讀寫244.4 門

12、的運(yùn)動(dòng)過(guò)程254.5 電機(jī)的控制過(guò)程264.6 電機(jī)保護(hù)程序274.7 軟件調(diào)試274.8 本章小結(jié)28結(jié)論29致謝31參考文獻(xiàn)32附錄33千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 自動(dòng)門控制系統(tǒng)概述用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)最初用于船舶的自動(dòng)駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來(lái)

13、逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動(dòng)車床、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等伺服技術(shù)是跟蹤與定位控制技術(shù)，是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分，它廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等自動(dòng)化裝備中。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個(gè)行業(yè)對(duì)電伺服系統(tǒng)的需求日益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相努力的目標(biāo)，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。伺服系統(tǒng)的發(fā)展與伺服電動(dòng)機(jī)的發(fā)展緊密相聯(lián)。直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種結(jié)構(gòu)式。隨著磁性材料的發(fā)展，利用稀土材料（鋁鎳鉆、銣鐵硼合金）制作的永磁式電動(dòng)機(jī)其性能超過(guò)了電磁式伺服電動(dòng)機(jī)。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和提高，用單片機(jī)控制

14、的自動(dòng)門也迅速發(fā)展。它是許多賓館、超市、百貨大樓等現(xiàn)代建筑所必備的。自動(dòng)門不僅僅可以美化出入口環(huán)境，還具有節(jié)能（空調(diào)）、防塵、隔噪音等功能。自動(dòng)門工程在整個(gè)建筑投資中的比例雖然很小，但在建筑的日常使用和管理中卻占有很重要的地位，是建筑智能化水平的重要指標(biāo)。因此，自動(dòng)門在國(guó)內(nèi)外有很大的市場(chǎng)需求。世界上制造自動(dòng)門的公司很多，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的產(chǎn)品有德國(guó)的BLASL、瑞士的TORMAX、意大利的PA、荷蘭的 BOONEDAM、日本的NA等等。歐美國(guó)家的產(chǎn)品功能繁多，性能可靠，其中以德國(guó)的產(chǎn)品性能最好，但這些產(chǎn)品價(jià)格偏高，操作復(fù)雜。鑒于以上情況，我們決定研制直流電機(jī)自動(dòng)門控制系統(tǒng)。系統(tǒng)要求既要功能全面，能滿足

15、中國(guó)用戶的要求，又要使用戶操作方便，更改設(shè)置方便，并且運(yùn)行可靠，具有完整的自保護(hù)系統(tǒng)和故障診斷功能。我主要負(fù)責(zé)自動(dòng)門控制中的軟件部分，文章主要闡述了軟件控制中的編程思想和流程。1.2 課題研究的目的和意義直流伺服控制技術(shù)廣泛應(yīng)用在軍工、精密機(jī)床和機(jī)器人等工業(yè)部門。脈寬調(diào)制方式的直流調(diào)速系統(tǒng)可以使調(diào)速范圍達(dá)到萬(wàn)倍以上，并具有優(yōu)良的性能。隨著電力電子技術(shù)、集成電路和計(jì)算機(jī)及微電子技術(shù)的日益發(fā)展，國(guó)際上已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)全新一代技術(shù)產(chǎn)品的時(shí)代。近年來(lái)，我國(guó)在電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的研究己取得可喜的進(jìn)展，可是距離國(guó)外技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家還有一段距離。而且，隨著各個(gè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)伺服系統(tǒng)的要求也日益嚴(yán)格，不同的應(yīng)用環(huán)境

16、對(duì)伺服系統(tǒng)的性能要求也不盡相同，對(duì)伺服系統(tǒng)又提出了許多特殊的要求：高速、高精度、高可靠性和較強(qiáng)的抗干擾能力1。本課題的主要研究任務(wù)是針對(duì)自動(dòng)門伺服驅(qū)動(dòng)控制器，設(shè)計(jì)出一種基于單片機(jī)控制策略的直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁直流電機(jī)的控制。1.3 課題研究的內(nèi)容本文分四個(gè)章節(jié)系統(tǒng)地闡述了所從事的課題研究工作，各章內(nèi)容安排如下：（l）第一章緒論主要闡述了直流伺服系統(tǒng)的概況、發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)研究狀況以及本課題要研究的目的和需要解決的問(wèn)題。(2) 第二章簡(jiǎn)要描述了永磁直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、機(jī)械特性以及調(diào)速方法、PWM控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性

17、。(3) 第三章是關(guān)于系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，概括的論述了直流伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作。包括硬件設(shè)計(jì)總體架構(gòu)、單片機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電源以及保護(hù)等各單元的設(shè)計(jì)。(4) 第四章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn)，包括單片機(jī)初始化，控制信號(hào)程序，中斷服務(wù)程序，并給出相應(yīng)程序流程圖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁直流電機(jī)進(jìn)行控制。在文章最后總結(jié)了本文所做的工作，并對(duì)下一步工作進(jìn)行了展望。作為直流伺服系統(tǒng)發(fā)展的一種重要趨勢(shì)，永磁直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的研究愈益受到人們的重視。第2章 直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)2.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)控制基礎(chǔ)2.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程直流伺服電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁

18、式和電磁式兩種結(jié)構(gòu)型式。隨著磁性材料的發(fā)展，利用稀土材料制作的永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)其性能超過(guò)了電磁式伺服電動(dòng)機(jī)，目前已經(jīng)被廣泛的使用于機(jī)床電力進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及高精度伺服系統(tǒng)中。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的控制基礎(chǔ)是建立在直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性之上的。機(jī)械特性就是在電樞電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路電阻都為常數(shù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系。機(jī)械特性是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行機(jī)械性能的具體表現(xiàn)，反映系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能?？捎棉D(zhuǎn)速特性方程式代替機(jī)械特性方程式。圖2-1永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的等效結(jié)構(gòu)圈在直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組加上直流電壓，電樞繞組中就有電流流過(guò)，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)

19、矩，電磁轉(zhuǎn)矩的大小為： (2-1)式中, TM一電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；KT一轉(zhuǎn)矩系數(shù)，單位為N·m/A；ia一電樞電流，單位為A。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小為： (2-2)式中 eg一反電動(dòng)勢(shì)，單位為V；Ke一電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，單位為V·min/rn一轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min。由圖2一1可知，直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式為： (2-3) 式中ua一電樞電壓（V）Ra一電樞回路總電阻（）由電壓平衡方程和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式，就可得到直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性方程式為： (2-4)2.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有些機(jī)械裝置要求工作轉(zhuǎn)

20、速可以變化，例如刨床進(jìn)刀刨削時(shí)，運(yùn)行速度要慢；退刀時(shí)速度要快。又如電車進(jìn)站時(shí)，速度要慢；正常行駛時(shí)速度要快，等等，這就要求電動(dòng)機(jī)能夠調(diào)速。所謂調(diào)速就是自動(dòng)的或人為地改變和控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械變速的要求。對(duì)于調(diào)速的基本要求包括三個(gè)方面：l）調(diào)速范圍，通常以最大轉(zhuǎn)速nmax對(duì)最小轉(zhuǎn)速nmin的比值來(lái)表示，稱為調(diào)速比；2）調(diào)速的平滑性，如果在調(diào)速范圍內(nèi)，能在任意轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，稱為無(wú)級(jí)調(diào)速，否則稱為有機(jī)調(diào)速；3）經(jīng)濟(jì)性，包括設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用的高低，調(diào)速方法是否簡(jiǎn)單，運(yùn)行是否可靠。從圖2-1及公式（2-4）可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種2：（l）改變電樞電壓調(diào)速。保持磁通不變，改變電動(dòng)

21、機(jī)的電樞電壓ua。該調(diào)速方法可以實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大范圍平滑調(diào)速，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方案。（2）弱磁調(diào)速。保持電樞電壓不變，改變勵(lì)磁磁通。弱磁調(diào)速對(duì)普通電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍很小，不能超過(guò)2倍，一般只在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速時(shí)才采用此方案，而且往往與調(diào)壓調(diào)速方法配合使用。（3）改變串接于電樞回路中的附加電阻。對(duì)于普通系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，可在電樞回路串電阻調(diào)速，理想空載轉(zhuǎn)速不變，特性曲線斜率增加，電樞電阻越大，特性越軟，因此不能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，而且調(diào)速過(guò)程中能量損耗特別大。2.2 直流伺服電機(jī)的脈沖調(diào)寬調(diào)速系統(tǒng)2.2.1 PWM調(diào)速系統(tǒng)介紹調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法。為了獲

22、得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子元件的可控性，利用脈寬調(diào)制技術(shù)，將整流后的恒壓直流電源，轉(zhuǎn)換成幅值不變、頻率不變，但是脈沖寬度（持續(xù)時(shí)間）可調(diào)的高頻矩形波，給伺服電機(jī)的電樞回路供電，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓平滑調(diào)速，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)改變脈沖寬度的方法來(lái)改變電樞回路的平均電壓，達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的3。PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)：（l）開(kāi)關(guān)頻率高：其頻率可至2KHZ，比機(jī)械部件固有頻率高很多，可以避開(kāi)機(jī)械部分的共振點(diǎn)，不至于引起共振。（2）紋波系數(shù)低：即電流的有效值與平均值之比低，一般為1.005一1.01，幾乎接近1。電樞回路的電抗，就足以將脈沖濾平，接近于純直流。這樣，以電流有效值計(jì)算的電機(jī)的發(fā)

23、熱量很小。（3）頻帶較寬：即系統(tǒng)能夠響應(yīng)的頻率范圍較寬，因此，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性好，有良好的線性，尤其是接近于零點(diǎn)時(shí)線性度好。（4）可在高峰值電流下工作：晶體管可以承受比較大的峰值電流，但必須限制在額定電流的兩倍以內(nèi)，這樣可以保護(hù)永磁電機(jī)不至于退磁，延長(zhǎng)電機(jī)電刷的壽命，減少電機(jī)發(fā)熱。2.2.2 H型雙極模式PWM系統(tǒng) H型雙極模式PWM的功率轉(zhuǎn)換電路如圖2-2所示。 它由四個(gè)大功率晶體管和四個(gè)續(xù)流二極管組成。四個(gè)大功率管分為兩組，v1和v4一組，v2和v3一組。同一組中的兩個(gè)晶體同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，兩組晶體管之間是交替地輪流導(dǎo)通和截止的。亦即基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ub1= Ub4，Ub2=Ub3=Ub1。由

24、于允許電流方向，所以雙極模式工作時(shí)電樞電流始終是連續(xù)的4。 H型雙極模式PWM功率轉(zhuǎn)換電路只需要單一電源供電，晶體管的耐壓相對(duì)要求較低，缺點(diǎn)是電樞電壓懸浮，不便于引出反饋。高壓伺服電動(dòng)機(jī)普遍采用H型電路。圖2-2H型雙極模式PWM功率轉(zhuǎn)換電路2.2.3 型單極模式PWM系統(tǒng)圖2-3 H型單極模式PWM功率轉(zhuǎn)換電路圖2-4 H型單極性驅(qū)動(dòng)器波形 單極性驅(qū)動(dòng)方式是指在一個(gè)PWM周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞只承受單極性的電壓，圖2-3是單極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，Ub1-Ub4是四個(gè)晶體管的控制電壓。從圖2-4中可以看出開(kāi)關(guān)管V1、V4并不時(shí)時(shí)導(dǎo)通，時(shí)間t從零到t1，Ub1與Ub4同為高電平，VI、V4導(dǎo)通，此

25、時(shí)，Ub2，Ub3為低電平，V2、V3截至。從t1到t2，Ub1與Ub3同為高電平，但此時(shí)V3不能直接導(dǎo)通，電樞電壓通過(guò)VD3和V1續(xù)流，從而使V3承受反向的集電極一發(fā)射極電壓。從t2到t3，Ub1與Ub4同為高電平，V1還導(dǎo)通，V4又導(dǎo)通，電樞電壓為正；從t3到t4，Ub2與Ub4同為高電平，但V2不能導(dǎo)通，電樞反電動(dòng)勢(shì)使VD2導(dǎo)通，電流流經(jīng)V4和VD2，電流下降。一個(gè)周期內(nèi)，電流兩次上升，兩次下降。在每一個(gè)周期內(nèi)有四個(gè)脈沖。2.3 速度反饋單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) 電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)，靜差率和調(diào)速范圍很難滿足生產(chǎn)機(jī)械和控制系統(tǒng)的要求，為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，必須減小靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落。按反饋控制原理組成

26、轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)就是減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落的有效途徑。轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋是調(diào)速系統(tǒng)的基本反饋形式。根據(jù)反饋控制理論，采用負(fù)反饋控制可以有效地改善系統(tǒng)的控制性能。在電機(jī)的閉環(huán)控制中，調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器。常規(guī)的模擬PI控制系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)圖2-5。該系統(tǒng)由模擬PI調(diào)節(jié)器和被控對(duì)象組成5。圖中，r(t)是給定值，y(t)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t) e(t)=r(t)-y(t) (2-5) e(t)作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，u(t)作為Pl調(diào)節(jié)器的輸出和被控對(duì)象的輸入。所以模擬PI控制器的控制規(guī)律為： (2-6)式中，Kp為比例系數(shù)，T1為積分常數(shù)。圖2-5 PI控制系統(tǒng)原理圖比

27、例調(diào)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間作出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)，比例系數(shù)越大，控制越強(qiáng)，但過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分調(diào)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差。但它也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。2.4 本章小結(jié)本章從永磁直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型入手，系統(tǒng)地論述了永磁直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性，介紹了直流電機(jī)調(diào)速的方法，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了PWM調(diào)速系統(tǒng)原理和閉環(huán)控制的性能和組成，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。第3章 伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)介紹單片機(jī)又稱為微控制器，或稱為嵌入式微控制器。單片機(jī)依靠其高的可靠性能和極高的性價(jià)比，在自動(dòng)門

28、控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。下面詳細(xì)介紹自動(dòng)門控制裝置的硬件設(shè)計(jì)。3.1 硬件設(shè)計(jì)總體架構(gòu) 自動(dòng)門控制系統(tǒng)的功能，開(kāi)關(guān)按鍵按下，自動(dòng)門打開(kāi)；開(kāi)門傳感器檢測(cè)到開(kāi)門信號(hào)，自動(dòng)門打開(kāi)：防夾傳感器檢測(cè)到信號(hào)，自動(dòng)門打開(kāi)。根據(jù)自動(dòng)門的工作過(guò)程，可以得出自動(dòng)門的狀態(tài)。 無(wú)物體靠近門時(shí)，如果門處于開(kāi)啟狀態(tài)，延時(shí)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間以后以最佳速度曲線關(guān)閉門；如果門處于關(guān)閉狀態(tài)，維持此狀態(tài)。有物體靠近門時(shí)，控制器根據(jù)門的位置狀態(tài)，獲取相應(yīng)的作用信號(hào)，決定門的動(dòng)作： 1.門處于關(guān)閉狀態(tài)，控制器應(yīng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)以最佳速度曲線打開(kāi)門。 2.門處于半開(kāi)狀態(tài)，控制器應(yīng)根據(jù)門當(dāng)前所在的位置，以適當(dāng)?shù)乃俣闰?qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)開(kāi)門。 3.門處于開(kāi)啟

29、狀態(tài)，控制器使門保持開(kāi)啟狀態(tài)。 正常開(kāi)門關(guān)門過(guò)程中，我們把電機(jī)運(yùn)動(dòng)都分成四個(gè)階段：加速、高速勻速、減速、低速保持。電機(jī)首先從0初速度加速，直至最高速度V，維持一段距離，就開(kāi)始減速，最后以超低速運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)，以盡量減少門對(duì)門框或?qū)α硪簧乳T的撞擊。67相應(yīng)的開(kāi)門速度曲線如圖3-1所示。圖3-1自動(dòng)門的開(kāi)關(guān)門速度曲線 開(kāi)門時(shí)：OA為低電壓起動(dòng)段，AB為低速運(yùn)行段，BC為升壓加速開(kāi)門段，CD為快速開(kāi)門段，DE為降壓減速段，EF為低速運(yùn)行段，F(xiàn)G為關(guān)電停車段。 關(guān)門時(shí)：GF為低電壓起動(dòng)段，F(xiàn)E為低速運(yùn)行段，ED為升壓加速關(guān)門段，DC為快速關(guān)門段，CB為降壓減速段，BA為低速運(yùn)行段，AO為關(guān)電停車段。 控制

30、系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制電路及其外圍器件、電源部分、驅(qū)動(dòng)電路部分組成。系統(tǒng)框圖如圖3-2。 開(kāi)關(guān)按鍵：檢測(cè)開(kāi)門信號(hào)電路。 紅外信號(hào)：檢測(cè)紅外信號(hào)電路。 控制器部分：主要是單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路：擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)功率以驅(qū)動(dòng)270W的直流電機(jī)。 反饋電路：光電編碼器，形成閉環(huán)控制電路。圖3-2 系統(tǒng)原理框圖3.2 控制電路設(shè)計(jì)3.2.1 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 自單片機(jī)誕生至今，單片機(jī)技術(shù)己經(jīng)走過(guò)了20多年的發(fā)展歷程?？v觀20多年來(lái)單片機(jī)發(fā)展歷程可以看出，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展以微處理器（MPU）技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動(dòng)，表現(xiàn)出較微處理器更具個(gè)性的發(fā)展趨勢(shì)。 目前，單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功率消耗、

31、外部電壓等級(jí)以及制造工藝上都有了很大的技術(shù)進(jìn)步，表現(xiàn)出如下幾大趨勢(shì)：1:可靠性及應(yīng)用水平越來(lái)越高和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的走向。2:所集成的部件越來(lái)越多。NS（美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體）公司的單片機(jī)已把語(yǔ)音、圖象等部件也集成到單片機(jī)中，也就是說(shuō)，單片機(jī)的意義只是在于單片集成電路，而不在于其功能了，如果從功能上它可以講是萬(wàn)用機(jī)。原因是其內(nèi)部己集成上各種應(yīng)用電路。3:電壓功耗越來(lái)越低。允許使用的電源電壓范圍也越來(lái)越寬。4:低噪聲，速度快，最高達(dá)100MHz，可靠性高。為提高單片機(jī)抗干擾能力，降低噪聲，降低時(shí)鐘頻率而不犧牲運(yùn)算速度是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展之追求。5:模擬電路結(jié)合越來(lái)越多。 單片機(jī)應(yīng)用的意義不僅限于它的

32、廣闊的范圍以及帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的意義在于，單片機(jī)的應(yīng)用從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在已用單片機(jī)通過(guò)軟件的方法實(shí)現(xiàn)了，是對(duì)傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。隨著單片機(jī)應(yīng)用的推廣和普及，微機(jī)控制技術(shù)必將不斷發(fā)展，日益完善。更加充實(shí)8。3.2.2 AT89C52單片機(jī)概述 ATMEL公司是美國(guó)20世紀(jì)80年代中期成立并發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體公司。該公司的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于推出Flash存儲(chǔ)器技術(shù)和高質(zhì)量、高可靠性的生產(chǎn)技術(shù)，它率先將獨(dú)特的Flash存儲(chǔ)技術(shù)注入于單片機(jī)產(chǎn)品中。其推出的AT89系列單片機(jī)，在世界電子技術(shù)行業(yè)中引起了極大的反響，在

33、國(guó)內(nèi)也受到廣大用戶歡迎9。AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能。cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256k byte隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，32個(gè)可編程I/O口線、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器、低功耗空閑和掉電模式、片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu）和Flash存儲(chǔ)單元10。 引腳功能說(shuō)明：Vcc：電源電壓GND：地 P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口

34、用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口P0寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。 在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在FLASH編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)要求外接上拉電阻。 P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸 收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。做輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 P2口：P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電

35、阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。做輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。：程序存儲(chǔ)允許（）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲(chǔ)器取

36、指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)兩次信號(hào)。ALE/：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。 對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。（）/Vpp：外部訪問(wèn)允許。欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H一FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。須注意的是，如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA

37、端狀態(tài)。 如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上編程允許電源Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器的/內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器輸出端11。3.3 存儲(chǔ)器接口方法 門機(jī)控制系統(tǒng)需要將門寬參數(shù)長(zhǎng)期可靠保存，即使重新加電工作，也能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。早期普遍采用的是電池維持RAM供電以實(shí)現(xiàn)整機(jī)掉電后的數(shù)據(jù)保存。但這樣做會(huì)由于電池本身的原因。如電池的使用壽命相對(duì)較短及某些惡劣環(huán)境高濕高溫等）導(dǎo)致電池失效，而引起數(shù)據(jù)丟失的情況出現(xiàn)。同時(shí)電池體積相對(duì)較大，會(huì)嚴(yán)重限制某些電子產(chǎn)品的微型化設(shè)計(jì)。目前非易失性的數(shù)據(jù)保存方法多

38、采用EEPROM。但EEPROM也有其弱點(diǎn)，一是擦次數(shù)有限（多為10萬(wàn)次），二是定入速率慢，這樣就限制了其在許多需要頻繁更新數(shù)據(jù)且需高速傳輸數(shù)據(jù)場(chǎng)合中的應(yīng)用。 要滿足上述參數(shù)設(shè)置和保存的要求，系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)保存于電可擦除存儲(chǔ)器EEPROM中，EEPROM采用Xicor公司的X24C44存儲(chǔ)器。X2C44是Xicor公司開(kāi)發(fā)的一種設(shè)計(jì)思想獨(dú)特的非易失性存儲(chǔ)器。這種器件將RAM和EEPROM制作在同一塊芯片上。RAM存儲(chǔ)陣列的各個(gè)bit與EEPROM存儲(chǔ)陣列的各個(gè)bit一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)軟件指令或外部輸入能夠使數(shù)據(jù)在兩個(gè)存儲(chǔ)陣列之間相互傳送。其中的RAM存儲(chǔ)陣列正常工作時(shí)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與外部芯片的隨機(jī)存取功能

39、，X24C44是一個(gè)8腳EEPROM芯片，內(nèi)部共有32字節(jié)存儲(chǔ)空間，其內(nèi)容通過(guò)三線串行接CI讀寫，寫入的內(nèi)容可保存十年，且可重寫十萬(wàn)次以上。由于X24C44讀寫接口僅用三個(gè)引腳：時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出，存儲(chǔ)空間足以滿足本系統(tǒng)參數(shù)的容量要求，因而使用相當(dāng)方便。單片機(jī)與EEPROM的硬件接線如圖3-3所示。其中，引腳1為CS，是X24C44芯片的片選信號(hào)，為高電平有效；引腳2為CK，是芯片的時(shí)鐘同步信號(hào)；引腳3為D1，是向芯片輸入數(shù)據(jù)的信號(hào)線；D0是芯片輸出數(shù)據(jù)的信號(hào)線。其操作過(guò)程可分為讀出和寫入的操作過(guò)程：首先，在時(shí)鐘信號(hào)的同步下，單片機(jī)按串行位向芯片的Dl信號(hào)線發(fā)送操作命令和地址；然后，X2

40、4C44芯片按相應(yīng)的命令進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)輸出到D0信號(hào)線，在時(shí)鐘信號(hào)的同步下，單片機(jī)可按位讀入數(shù)據(jù)。圖3-3 單片機(jī)與EEPROM的接口電路3.4 單片機(jī)外圍電路 1.時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互時(shí)間關(guān)系。 在AT89系列單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2?？梢岳脝纹瑱C(jī)內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘，只要在XTAL1和XTAL2兩個(gè)引腳跨接晶體振蕩器和電容，就構(gòu)成了

41、一個(gè)完整的振蕩信號(hào)發(fā)生器。 2.復(fù)位電路。AT89C52單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要復(fù)位，使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開(kāi)始工作，因此要求系統(tǒng)的復(fù)位電路必須能夠準(zhǔn)確、可靠地工作。復(fù)位電路有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式，在本設(shè)計(jì)中采用具有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種功能的復(fù)位電路，電路圖如圖3-4所示：AT89C52單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)部的施密特觸發(fā)器中。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)高電平并且維持2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期），則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。因此要想保證單片機(jī)能夠可靠的復(fù)位，在應(yīng)用系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，就要使

42、RST引腳保持10ns以上的高電平，使AT89C52能循環(huán)到復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位后，也就是RST從高電平變成低電平后，AT89C52單片機(jī)就從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序12。圖3-4 復(fù)位電路復(fù)位以后AT89C52單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)見(jiàn)表3-1。表3-1單片機(jī)復(fù)位狀態(tài)表專用寄存器復(fù)位狀態(tài)專用寄存器復(fù)位狀態(tài) PC000HTMOD00H ACC00HTCON00H B00HTH000H PSW00HTL000H SP07HTH100HDPTR000HTL100HP0-P3FFHSCON00HIPXXX0 000BSBUFXXXX XXXXBIE0XX0 00OBPCON0XXX 000B復(fù)位以后，P

43、0口P3口輸出為高電平，且使這些準(zhǔn)雙向口皆處于輸入狀態(tài)；串行口SBUF內(nèi)為不定值，堆棧指針SP的值為07H，同時(shí)將程序計(jì)數(shù)器PC和其它特殊功能寄存器清0。但是，復(fù)位并不影響單片機(jī)內(nèi)部的RAM狀態(tài)。3.紅外感應(yīng)電路。根據(jù)傳感器應(yīng)用場(chǎng)合不同，感應(yīng)的距離范圍不同，可從幾毫米到幾米。對(duì)于自動(dòng)門開(kāi)關(guān)傳感器，反射距離設(shè)定在幾十厘米左右，因此探測(cè)的傳感器選用FS-359F反射紅外傳感器，048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。紅外傳感器的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)。在使用約40mA的發(fā)射電流，沒(méi)有強(qiáng)烈日光干擾探測(cè)距離能達(dá)20cm，基本滿足探測(cè)距離要求。紅外傳感器的電

44、路有多種形式，在這里為了安裝調(diào)試方便，我們采用了如圖3-5的電路形式：圖3-5 紅外傳感器連接圖圖中紅外傳感器1作為開(kāi)門信號(hào)檢測(cè)器件，當(dāng)檢測(cè)到有物體時(shí)，給單片機(jī)開(kāi)門信號(hào)；紅外傳感器2作為在關(guān)門過(guò)程中，檢測(cè)是否有物體靠近。如果有信號(hào)，停止關(guān)門過(guò)程，重新打開(kāi)。4.開(kāi)關(guān)按鍵電路。門開(kāi)關(guān)按鍵選用一般的按鍵開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能。A.優(yōu)先開(kāi)門按鍵：當(dāng)觸點(diǎn)1閉合時(shí)，優(yōu)先開(kāi)門信號(hào)有效。此信號(hào)有效時(shí)，即使關(guān)門信號(hào)有效也將控制門打開(kāi)；若正在關(guān)門，則反開(kāi)門至最大并保持在該位置。B.快關(guān)門按鍵：當(dāng)觸點(diǎn)2閉合時(shí)，快關(guān)門信號(hào)有效。此信號(hào)有效時(shí)，除優(yōu)先開(kāi)門信號(hào)有效外，不管其它信號(hào)是否有效，都將控制門機(jī)以最快速度關(guān)門。D.慢關(guān)

45、門按鍵：當(dāng)觸點(diǎn)3閉合時(shí)，慢關(guān)門信號(hào)有效。此信號(hào)有效時(shí)，將不受光電檢測(cè)結(jié)果影響，控制門機(jī)慢速關(guān)閉。電路接線圖見(jiàn)圖3-6。圖3-6 開(kāi)關(guān)按鈕檢測(cè)電路3.5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)一:大功率開(kāi)關(guān)管:常用的大功率可控開(kāi)關(guān)管主要有大功率雙極型晶體管（GTR）、大功率電力效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。功率MOSFET器件是一種單極性的電壓控制器件，不但有自關(guān)斷能力，而且有驅(qū)動(dòng)功率小、工作速度高、無(wú)二次擊穿問(wèn)題、安全區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)。根據(jù)載流子的性質(zhì)可以將功率管MOSFET器件分為兩類，一類是N溝道類型；另一種是P溝道類型。為了提高功率MOSFET器件的耐壓和電流容量，采用垂直導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)制作功

46、率MOSFET器件，稱為VMOSFET：VMOSFET的結(jié)構(gòu)使得器件實(shí)現(xiàn)了下述三項(xiàng)突破：1、垂直安裝漏極，實(shí)現(xiàn)了垂直導(dǎo)電。這樣不僅使硅片的面積得到充分的利用，基本實(shí)現(xiàn)了垂直傳導(dǎo)漏源電流，而且有效降低了導(dǎo)通電阻，為獲得較大的電流容量提供了前提保證。2、設(shè)置高電阻率的N型漂移區(qū)以幫助提高器件的耐壓性能，而且降低了結(jié)電容，并且使溝道長(zhǎng)度穩(wěn)定。3、采用兩次擴(kuò)散技術(shù)代替光刻工藝實(shí)現(xiàn)高精度短溝道的制造，根據(jù)目前的水平，獲得1-2µm的溝道長(zhǎng)度是可行的。短溝道能夠降低柵極下端二氧化硅層的柵溝本征電容和溝道電阻，從而提高器件的工作頻率和開(kāi)關(guān)速度，并使輸出特性具有良好的線性。本設(shè)計(jì)采用的功率MOSFE

47、T開(kāi)關(guān)管為IR公司出品的IRF 530，該款器件的耐壓為100V，電流容量為17A，具有工作頻率高、驅(qū)動(dòng)容易的特點(diǎn)。二.驅(qū)動(dòng)芯片介紹:現(xiàn)在的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路往往要求體積小、重量輕、效率高、易操作，通常在苛刻的環(huán)境條件下，尤其在軍工產(chǎn)品中，設(shè)計(jì)者非常希望盡可能地減少器件數(shù)量。HIP4080A以其自身的高集成度和完善功能成為組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的理想選擇方案。HIP4080A是高頻H橋驅(qū)動(dòng)控制電路家族H4080A中的一員，大部分設(shè)計(jì)都采用它的全橋布局技術(shù)，在繞線電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、功放、電源逆變器驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和功放能夠有效利用H4080A內(nèi)置比較器，HIP4080A是目前許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方

48、式中一種較先進(jìn)驅(qū)動(dòng)模式。三.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可以使MOSFET工作在比較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間、減小開(kāi)關(guān)功耗、提高功率轉(zhuǎn)換電路的運(yùn)行效率。MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)方式主要有變壓器驅(qū)動(dòng)法、直接驅(qū)動(dòng)法和光禍隔離驅(qū)動(dòng)法。變壓器驅(qū)動(dòng)法有利于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離、驅(qū)動(dòng)功率損耗很小，但限制了使用頻率，不利于PWM信號(hào)的傳輸。直接驅(qū)動(dòng)法適用于小容量的不加保護(hù)的MOSFET的場(chǎng)合。光禍隔離驅(qū)動(dòng)法對(duì)光禍的要求較高，要求光禍速度快，絕緣耐壓高于電源電壓，共模抑制比大。3.6 控制電源設(shè)計(jì)電源模塊的穩(wěn)定可靠性是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的重要保證，它的不穩(wěn)定直接影響整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)法正常工作甚至燒毀整個(gè)系統(tǒng)。本設(shè)

49、計(jì)所需要的直流電源是小功率電源，將頻率50HZ、電壓220V的三相交流電轉(zhuǎn)換成幅值穩(wěn)定的直流電壓。單相直流電經(jīng)過(guò)變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電源電壓。設(shè)計(jì)中所要用到的電源有：?jiǎn)纹瑱C(jī)、7404、7408、FS-359F，X24C44等芯片供電電壓5V；光電耦合器中的光敏三極管集電極上拉電阻的給定電壓5V；HIP4080AIP的供電電壓12V；直流電機(jī)的電樞供電電壓42V。因此，電源設(shè)計(jì)的任務(wù)就是得到兩個(gè)+5V，一個(gè)12V和一個(gè)+42V電壓。 輸入電壓為220V/5OHZ，考慮安全因素，在整流濾波之前添加一個(gè)開(kāi)關(guān)和保險(xiǎn)絲。由于市電電壓經(jīng)常不穩(wěn)定，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)不可靠因素，

50、為此，在電源兩端并接磁片電容和阻頻電容，這個(gè)可以減少電壓波動(dòng)的影響。然后在整個(gè)電路中串接一個(gè)遏流圈，不僅可以做低通濾波器，可以濾除輸入電壓中的高頻部分，而且還可以起限制電流的作用，當(dāng)電流過(guò)高時(shí)，遏流圈會(huì)燒毀。然后再串接一個(gè)熱敏電阻，它的作用是，當(dāng)電流增大時(shí)，電阻的阻值迅速增大，以限制電流的增大，然后再并接一個(gè)壓敏電阻，它對(duì)后面的電路起著分流的作用，當(dāng)電壓增大時(shí)，它的電阻反而減少，從而分去的電流增大，使工作電流減少。如圖3-7。圖3-7電源部分電路圖整流電路采用不可控整流橋整流，電路完全由不可控二極管組成，其直流整流輸出電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的；穩(wěn)壓電路采用集成化的三端穩(wěn)壓管7812

51、和7805芯片穩(wěn)壓，分別穩(wěn)壓輸出+12V和+5V的穩(wěn)定電壓；7812和7805的輸入端所加的電容，其作用是抵消輸入線較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng)，以防止電路產(chǎn)生自激振蕩，其容量較小，一般小于1µF，這里取0.1µF；7805輸出端所加的電容，其作用是消除輸出電壓中高頻噪聲，可取小于1µF，也可取幾微法甚至幾十微法的電容。3.7 保護(hù)與制動(dòng)電路控制板上的硬件保護(hù)電路主要包括過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)以及過(guò)壓保護(hù)電路，溫度監(jiān)測(cè)電路。1.能耗制動(dòng)電路:由于主回路采用二極管整流橋產(chǎn)生直流電源，不可能將制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，因此采用能耗制動(dòng)方式?？梢杂靡粋€(gè)與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)連接的電阻，調(diào)

52、整電機(jī)的制動(dòng)特性。電阻中流過(guò)的電流最大值應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流。當(dāng)改變電阻的大小時(shí)，電阻越小，制動(dòng)電流越大，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，從電源切斷到電動(dòng)機(jī)停止所用的時(shí)間也就越短。圖3-8的能耗制動(dòng)電路。當(dāng)泵升電壓達(dá)到一定值時(shí)，由單片機(jī)從P2.7口輸出高電平信號(hào)觸發(fā)Q1導(dǎo)通，使電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量消耗在制動(dòng)電阻R1上。圖3-8電機(jī)能耗制動(dòng)電路2.過(guò)壓欠壓保護(hù)電路介紹:對(duì)于過(guò)壓與欠壓保護(hù)，都是通過(guò)檢測(cè)直流母線電壓，送單片機(jī)做判限處理，若電壓高于或低于直流母線電壓限值，則單片機(jī)停止PWM輸出同時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。其原理如圖3-9所示。當(dāng)母線電壓正常時(shí)，經(jīng)電壓采樣后，Udc大于基準(zhǔn)電壓值Uin，并經(jīng)比較器和三極管Q2

53、輸出低電平信號(hào)，繼電器線圈吸合，觸點(diǎn)閉合把熱敏電阻短接，主回路工作正常。當(dāng)主回路發(fā)生欠壓時(shí)，通過(guò)對(duì)母線電壓采樣后，Udc小于基準(zhǔn)電壓值Uin，經(jīng)比較器和三極管Q2后輸出高電平信號(hào)使繼電器線圈不吸合，觸點(diǎn)斷開(kāi)，使主回路的電流流經(jīng)熱敏電阻，在短時(shí)間內(nèi)把主回路斷開(kāi)，主回路不工作并向單片機(jī)發(fā)送高電平過(guò)壓報(bào)警信號(hào)停止PWM輸出，從而起到欠壓保護(hù)作用。當(dāng)主回路發(fā)生過(guò)壓時(shí)，其原理與上述類似。圖3-9 過(guò)壓檢側(cè)電路 3.溫度監(jiān)測(cè)電路： 在功率驅(qū)動(dòng)部分設(shè)置了溫度監(jiān)測(cè)電路監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電路的工作溫度。溫度監(jiān)測(cè)電路主要包括一片溫度傳感器和電壓比較器，電路如圖3-10所示。溫度傳感器LM45C，其封裝為SOT-23，輸出電

54、壓線性正比于環(huán)境溫度（攝氏度）。LM45C無(wú)需任何外部校準(zhǔn)或修正元器件就可以在一20到100全工作范圍內(nèi)達(dá)到士3的精度，在室溫下其精度為士20。它可以使用單電源供電，供電電壓從4V到10伏，而消耗的電流僅為120µA，因而其發(fā)熱量非常小，在靜止的空氣中自身造成的溫升不超過(guò)0.2。其輸出線性因子為10mv/，即LM45C的輸出電壓為Vo=10mv/Xt，其中t為環(huán)境溫度。LM45C的輸出接到比較器LM2903的反相輸入端，與一個(gè)固定參考電壓相比較。環(huán)境溫度較低時(shí)，傳感器輸出電壓也較低，小于參考電壓，比較器輸出為高電平，反之，當(dāng)溫度升高到一定程度，傳感器輸出電壓高于參考電壓由電阻R18和

55、R19分壓得到，VREF=VCC·R19/(R18+R19)=5X10/66=0.76V，對(duì)應(yīng)的溫圖3-10溫度監(jiān)測(cè)電路度傳感器溫度為76。也就是說(shuō)當(dāng)傳感器周圍的環(huán)境溫度超過(guò)76將會(huì)采取保護(hù)措施，保障系統(tǒng)的安全。為了保證參考電壓的準(zhǔn)確，分壓電阻R18和R19采用精度為1%的高精度電阻。4電源監(jiān)測(cè)電路：電源是門機(jī)控制系統(tǒng)正常工作的重要保障，除了要產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的電源外，還要監(jiān)視電源電壓，防止電壓過(guò)高或者過(guò)低。本門機(jī)控制系統(tǒng)中需要兩個(gè)電源監(jiān)視電路：一要監(jiān)視MOSFET的供電電源，二要監(jiān)視數(shù)字電路的電源，前者通過(guò)取采樣電壓輸入到AT89C52芯片的A/D轉(zhuǎn)換口來(lái)監(jiān)視，還需要軟件的支持。后者采

56、用如圖3-11為專用電源監(jiān)視電路。 圖3-11 5V電壓檢測(cè)電路MAX809L是一種專用于微處理器監(jiān)視電源的芯片，它具有很好的可靠性和很高的性價(jià)比。當(dāng)Vcc的電壓低于門限電壓時(shí)，MAX809L輸出一個(gè)復(fù)位信號(hào)到AT89C52的復(fù)位引腳RESET，使系統(tǒng)復(fù)位。MAX809L的門限電壓為4.63V。這樣可以監(jiān)視電源，當(dāng)電源電壓過(guò)低時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，保存現(xiàn)場(chǎng)的一些重要參數(shù)，如開(kāi)、關(guān)門位置，門寬，開(kāi)、關(guān)門速度等參數(shù)，以備電源恢復(fù)正常時(shí)使用，同時(shí)也可以防止系統(tǒng)突然調(diào)電對(duì)系統(tǒng)造成的損害。3.8 光電隔離電路 設(shè)計(jì)中，由于電機(jī)的控制信號(hào)直接由單片機(jī)產(chǎn)生，而直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路直接引入42V的電壓，而且電機(jī)的電樞電流脈動(dòng)很大、電機(jī)起動(dòng)沖擊電流很大，如果電路發(fā)生問(wèn)題，電流會(huì)直接流入單片機(jī)，對(duì)單片機(jī)造成損害，所以所有的控制信號(hào)必須由光