PIC的直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論文

1、題目基于PIC18F458的直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師張鐘鉍學(xué)生姓名專 業(yè)班級(jí)2012級(jí)電子系日期2013年6月摘要：本文是一套基于pic單片機(jī)的直流電機(jī)控制器，作為其配套的試驗(yàn)裝置。根據(jù)系統(tǒng)的要求完成了整體方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)選型，針對(duì)所的控制方案對(duì)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)論述。硬件部分先作了整體設(shè)計(jì)，然后介紹了以PIC16F458單片機(jī)為核心的硬件構(gòu)成， 對(duì)鍵盤(pán)電路、測(cè)量電路、顯示電路等作了詳細(xì)闡述；軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思想，編制了各個(gè)模塊的流程圖。論述了軟件的設(shè)計(jì)思想和方法；實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、啟動(dòng)、停止、加速、減速和顯示 等功能。利用PIC系列芯片進(jìn)行低成

2、本直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、滿足更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要。針對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重的特點(diǎn)，從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行抗干擾的綜合考慮，并利用多種軟件和硬件技術(shù)來(lái)提高和改善系統(tǒng)的抗干擾能力，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。1緒論1.1引言當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。為了滿足運(yùn)行、生產(chǎn)、工藝的要求往往需要對(duì)另一類設(shè)備如風(fēng)機(jī)、水泵等進(jìn)行控制：為了減少運(yùn)行損耗，節(jié)約電能也需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由控制部分、功率部分和電動(dòng)機(jī)三大要素組成一個(gè)有機(jī)

3、整體。各部分之間的不同組合，可構(gòu)成多種多樣的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。三十多年來(lái)，首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性 能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系 列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代1.2直流電機(jī)基本調(diào)速方法直流電動(dòng)機(jī)分為有換向器和無(wú)換向器兩大類。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流 電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種

4、方法簡(jiǎn)單易行，設(shè) 備制造方便，價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是效率低，機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。 該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場(chǎng)合。 近年來(lái)，隨著電力電子的迅速發(fā)展， 有晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以取代了發(fā)電機(jī) -電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性 能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電力電子技術(shù)中的IGBT等大功率器件的發(fā)展取代 晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為a-IaRaCE（1）式Ua 電樞供電電壓（V）Ia -電樞電流（A）-勵(lì)磁磁通（Wb ） R -電樞回路總電阻（門(mén)）C e -電勢(shì)系數(shù)，Ce =空，p為電磁對(duì)數(shù)，a為

5、電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。60a由式1可以看出，式中Ua Ra 三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量， 就可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法：（1）改變電樞回路總電阻 Ra （2）改變電樞供電電壓Ua （3）改變勵(lì)磁磁通-o（4）采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法本設(shè)計(jì)采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法其方法就是相當(dāng)于直流電電壓降低，功率及轉(zhuǎn)速降低。脈寬調(diào)制（PWM ）是調(diào)整脈沖的寬度而不是頻率。即供電電壓是寬度可調(diào)的脈沖電壓，當(dāng)脈沖最寬時(shí)，相當(dāng)于直流電， 功率最大，轉(zhuǎn)速最高。脈沖寬度減脈沖頻率并沒(méi)有變。脈寬調(diào)制并不是直接調(diào)整電機(jī)的速 度，而是改變電

6、機(jī)的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉(zhuǎn)速就提高了。調(diào)速原理如圖所示。通過(guò)控制脈沖占空比來(lái)改變電機(jī)的電樞電壓。當(dāng)控制頻率與系統(tǒng) 的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，用的比較少，因此本系統(tǒng)用的是定頻調(diào)寬法。在脈沖 作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加。電機(jī)斷電時(shí)，轉(zhuǎn)速逐漸減小。只有按一定規(guī)律，改變 通電時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。脈沖信號(hào)tlT轉(zhuǎn)速VmaxVdVmin1.3 PWM調(diào)速方案的優(yōu)越性自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開(kāi)關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器一直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；國(guó)內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實(shí) 現(xiàn)可控整流來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用直流極式控制的橋

7、式PWM變換器與V-M系統(tǒng)相比在很多方面有較大的優(yōu)越性：1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2）開(kāi)關(guān)頻率咼，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1:20000左右。4）若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，貝U系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適中時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。6）直流電機(jī)采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于由以上優(yōu)點(diǎn)直流PWM系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能中。 已完全取代了 V-M系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控

8、制 下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截至負(fù)反饋。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線直流電機(jī)將電能Pei，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能Pmech。其中損耗可分為摩擦損耗和熱損耗。余下的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能幾Pmech，如圖2.1所示。因此電機(jī)的功率守恒可表述為：Fe Pm e c h Pj更詳細(xì)的敘述為:U Jn M R 1230000圏24更流電機(jī)陀量轉(zhuǎn)換圖在這能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，有兩個(gè)特性參數(shù)是至關(guān)重要的，他們是速度常數(shù)kn。和轉(zhuǎn)矩常數(shù)kM。速度常數(shù)是指速度n和線圈感應(yīng)電壓樹(shù)之間的關(guān)系，是指在忽略摩擦的情況下的每個(gè)單位電壓下的速度變化。U ind與速度是成正比的，公式如下n = kn * U

9、血轉(zhuǎn)矩常數(shù)所聯(lián)系的是機(jī)械轉(zhuǎn)矩M和電流1之間的關(guān)系，是指轉(zhuǎn)矩和有效電流之比。公式如下:M = kM * I速度常數(shù)kn。和轉(zhuǎn)矩常數(shù)kM有如下關(guān)系：,30000kn * kM =31,kM如果用轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)矩常數(shù)kM來(lái)表示電流，可得如下關(guān)系:兀kMn *M R *3 0 0 0 0考慮到kn。和kM之間的關(guān)系，我們可將上式進(jìn)一步化為二 kM*M上式便是直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電阻、轉(zhuǎn)矩常數(shù)和速度常數(shù)之間的關(guān)系。這里轉(zhuǎn)矩 單位是N.m;電流單位是A;速度單位是rpm;電壓?jiǎn)挝皇荲。直流電機(jī)可以運(yùn)行在額定范圍 內(nèi)的任何電壓下，速度一轉(zhuǎn)矩曲線表述的是在一恒定電壓U下電機(jī)的機(jī)械表現(xiàn)，該曲線可由兩點(diǎn)法給出：空載

10、轉(zhuǎn)速n。和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。如圖所示?？蛰d轉(zhuǎn)速與堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩將隨著給定電壓的改變而成線性關(guān)系。它相當(dāng)于速度一轉(zhuǎn)矩曲線在特性曲線上平移，如圖2.2所示?？蛰d轉(zhuǎn)速與電壓有如下關(guān)系：n0 kn * U速度一轉(zhuǎn)矩曲線走勢(shì)是由斜率來(lái)表述的， 與電壓無(wú)關(guān)要，它是一項(xiàng)體現(xiàn)電機(jī)性能的重參數(shù)，如下關(guān)系:nomH直流電機(jī)的速度與轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系可用下式表示：轉(zhuǎn)去EMn + -竺M2.2系統(tǒng)總體方案根據(jù)1.3節(jié)系統(tǒng)功能要求和技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如下圖所示圖2.3直流電機(jī)多速控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為控制核心，通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置各段運(yùn)行參數(shù)，也可通過(guò)電腦設(shè)置下載到單片機(jī)。單片機(jī)輸出二進(jìn)制控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路將對(duì)應(yīng)模擬電

11、壓送到直流伺服放大器的設(shè)定值輸入端。放大器根據(jù)輸入的模擬電壓而輸出對(duì)應(yīng)的電壓來(lái)控 制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)同軸的光電編碼器E輸出A、B兩路方波信號(hào)送到整形電路,；單片通過(guò)整形電路送到單片機(jī)用于測(cè)量轉(zhuǎn)速。不斷比較設(shè)定值和實(shí)際值，根據(jù)比較獲得的誤差 調(diào)節(jié)放大器的輸出電壓。顯示部分顯示各段設(shè)定的時(shí)間值、轉(zhuǎn)速值和測(cè)量的轉(zhuǎn)速值機(jī)主要完成參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)速測(cè)量、參數(shù)顯示和控制輸出等功能。2.3系統(tǒng)器件選型光電數(shù)字編碼器選型IR2111驅(qū)動(dòng)電路，該電路中，采用MOSFET和IGBT專用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2111對(duì)光電數(shù)字編碼器選用 maxon集團(tuán)的數(shù)字MR旋轉(zhuǎn)一周計(jì)數(shù)1024通道數(shù)3最咼工作頻率320HzVCC

12、SV輸出信號(hào)TTL兼容零位脈沖寬度（額疋）工作溫度范圍一 25C 85C編碼盤(pán)慣量士 5%900e2-1.7g cm放大器選用的芯片IRF530進(jìn)行柵極驅(qū)動(dòng)。IR2111內(nèi)置自舉工作單元，柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍寬，單通道施密斯 邏輯輸入，輸入與TTL和CMOS!平兼容，高端輸出與輸入相同，低端輸出經(jīng)死區(qū)時(shí)間調(diào) 整后與輸入反向，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂上的兩只功 MOSFETIR2111的懸浮自舉技術(shù)是指，不管功率開(kāi)關(guān)器件源極電壓多少，通過(guò)自舉電容和自舉二極管的工作，總能保證待驅(qū)動(dòng)功率器件正常工作。IR2111內(nèi)置的自舉工作工作單元本質(zhì)上是電荷泵電路，電荷泵電路的簡(jiǎn)單自舉原理介紹如下:Vin0DVinVin

13、+Vcccc圖4自舉原理如圖4所示，電容C的a端通過(guò)二極管D接Vcc，電容C的b端接幅值£的方波。當(dāng) b點(diǎn)點(diǎn)位為O時(shí)，D到通，Vcc開(kāi)始對(duì)電容C充電，直到節(jié)點(diǎn)a的電位達(dá)到 Vcc （假設(shè)二極 管D為理想二極管）；當(dāng)匕點(diǎn)電位上升至高電平 Vin時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔?，此時(shí) a點(diǎn)電位上升為Vin Vcc，所以，a點(diǎn)電壓就是一個(gè)方波，最大值是Vin Vcc，最小值是Vcc， 可見(jiàn)輸出端電壓平均值將高于Vcc，其波形就跟隨輸入波形的變化而變化，但始終維持一個(gè)穩(wěn)定的差值，實(shí)現(xiàn)自舉2.4單片機(jī)選型由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)控制，其中一個(gè)首要的工作就是選擇合適的單片機(jī)。目前國(guó)內(nèi)在使 用單片機(jī)作控制系統(tǒng)

14、的微處理器時(shí)多選擇 51系列或Motorola系列單片機(jī)，而本系統(tǒng)選用 的PIC系列單片機(jī)在多個(gè)方面較其它系列單片機(jī)更有優(yōu)越性。下面對(duì)PIC單片機(jī)作較詳細(xì)介紹。2.4.1 PIC單片機(jī)與其他單片機(jī)的比較當(dāng)今世界上涌現(xiàn)出各種各樣的單片機(jī)，以下分幾個(gè)方面通過(guò)與其它類型單片機(jī)的比較 來(lái)說(shuō)明它的優(yōu)越之處。圖26二種結(jié)構(gòu)比較(2) 指令單字節(jié)化因?yàn)閿?shù)據(jù)總線和指令總線是分離的，并且采用了不同的寬度，所以程序器ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的尋址空間(即地址編碼空間)是互相獨(dú)立的，而且存儲(chǔ)器度也不同。這樣設(shè) 計(jì)不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性，還能提高運(yùn)行速實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化。在此所說(shuō)的字 節(jié)，特指PIC單片機(jī)的指令

15、字節(jié)，是常說(shuō)的8位字節(jié)。另外，PIC微控制器的取指令和執(zhí) 行指令采用指令流水線結(jié)構(gòu)，當(dāng)一條指令被執(zhí)行時(shí)允一條指令同時(shí)被取出，使得在每個(gè)時(shí) 鐘周期內(nèi)可以獲得的最高效率。(3) 精簡(jiǎn)指令集(RISC)技術(shù)PIC系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)(就是該單片機(jī)所能識(shí)別的全部指令的集合，叫做指令系統(tǒng) 或者指令集)只有35條指令。PIC系列單片機(jī)不僅全部指令均為單字節(jié)指令，而且絕大多 數(shù)指令為單周期指令，以利于提高執(zhí)行速度。這給指令的學(xué)習(xí)、記憶、理解帶來(lái)很大的好 處，也給程序的編寫(xiě)、閱讀、調(diào)試、修改、交流都帶來(lái)極大的便利。而MC51單片機(jī)的指令系統(tǒng)共有In條指令，MC68HCOS片機(jī)的指令系統(tǒng)共有89條指令。(4)

16、尋址方式簡(jiǎn)單尋址方式就是尋找操作數(shù)的方法。PIC系列單片機(jī)只有4種尋址方式，容易掌握，而 MCA 51單片機(jī)則有7種尋址方式，68HC05單片機(jī)有6種尋址方式。(5) 代碼壓縮率高IKB的存儲(chǔ)器空間，對(duì)于PIC系列單片機(jī)則能夠存放的指令條數(shù)可達(dá) 1024條。對(duì)于像 MCS- 51這樣的單片機(jī)，大約只能存放 600條指令，而與幾種典型的單片機(jī)相比，PIC系 列單片機(jī)是一種最節(jié)省程序存儲(chǔ)器空間的單片機(jī)。(6) 尋址空間設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔PIC系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨(dú)立的尋址空間，而且前兩者 的地址安排不需要用戶操心，這會(huì)受到大家的歡迎。而MC68HC05口 MC68HC單片機(jī)的尋址空間

17、只有一個(gè)，編程時(shí)需要用戶對(duì)程序區(qū)、堆棧區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和1/0端口所占用的地址空間作精心安排，這樣給開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)上帶來(lái)很大的麻煩。外接電路簡(jiǎn)潔與MCS- 51系列及其它單片機(jī)相比，PIC單片機(jī)內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、1/0引腳上 拉電路、看門(mén)狗定時(shí)器，可以最大程度的減少和免用外接器件，以便實(shí)現(xiàn)“純單片”化， 這樣，不僅便于開(kāi)發(fā)，而且還可以節(jié)省電路板空間和制造成本。(8) 存儲(chǔ)器容量大PIC18F458系列單片機(jī)具有多達(dá)1536字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),多達(dá)256的EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另外還有多達(dá)SKxl4字節(jié)的可多次重復(fù)寫(xiě)入的閃速 FLASHg序存儲(chǔ)器。而MCS 一 51單片機(jī)只有4K字節(jié)的

18、EEPRQM128字節(jié)RAM以及64K的外部數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器空間， 無(wú)FLASH程序存儲(chǔ)器。(9) 定時(shí)器數(shù)目多、功能全PIC系列單片機(jī)具有3個(gè)定時(shí)器：帶有8位預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0帶有 預(yù)分頻器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR1并且在休眠期間外部晶振/時(shí)鐘可以工作；以及帶有 8位周期寄存器、預(yù)分頻器和后分頻器的 8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR3而MCS- 51只有兩個(gè) 16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。(10) 獨(dú)特具有的功能PIC系列單片機(jī)具有兩個(gè)捕獲、比較、脈寬調(diào)制模式、多通道 10位A/D轉(zhuǎn)換器、帶有 SPI和IZC的同步串行端口 SSP帶有9位地址檢測(cè)的同步異步接收發(fā)送器 USART 8位

19、寬 并行從屬端口、有節(jié)電鎖定復(fù)位的節(jié)電檢測(cè)電路等 ；而MCS- 51系列單片機(jī)沒(méi)有。2.4.2 PIC18F458單片機(jī)的其它優(yōu)點(diǎn)(1) CPU的性能特點(diǎn)它有16位指令，8位寬數(shù)據(jù)通道，高達(dá)2MB的程序存儲(chǔ)器，4kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高 達(dá)10MIPS的執(zhí)行速度。DC-40MHZ寸鐘輸入，4-IOMHz帶PLL鎖相環(huán)有源晶振/時(shí)鐘輸入； 帶優(yōu)先級(jí)的中斷和8 8單周期硬件乘法器。外圍功能模塊特性捕捉/比較/脈寬調(diào)制模塊；CCP引腳配置如下：捕捉輸入:16位，最大分辨率為6.25ns ； 比較單元：16位，最大分辨率為100ns；脈寬調(diào)制輸出：分辨率為1-10位；最高PWM頻 率：88位分辨率時(shí)為15

20、6kHz, 10位分辨率時(shí)為39kHz。增強(qiáng)型CCP模塊具有標(biāo)準(zhǔn)型CCP 模塊的所有特性，但它在先進(jìn)的電機(jī)控制時(shí)還有如下特性：1，2，4路的PWM輸出；可選擇PW啲極性；可編程的PWM死區(qū)時(shí)間。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1引言本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)主要從以下原則出發(fā)：(1) 硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合優(yōu)化硬件電路。(2) 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)。(3) 靈活的功能擴(kuò)展。3.2 H橋電路PWM控制電路直流電機(jī)驅(qū)中使用最廣泛的H型全橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖3.2橋工作原理當(dāng)開(kāi)關(guān)Qi與Q4閉合時(shí)，負(fù)載電流從電源由 A流向B。此時(shí)負(fù)載端A點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)是 正電位，電機(jī)兩端承受正向電壓。開(kāi)關(guān)Qi與Q4由控制邏輯來(lái)同步工作，

21、在開(kāi)關(guān)Qi與Q4閉 合期間，控制邏輯使另一對(duì)開(kāi)關(guān) Q2與Q3處于斷開(kāi)狀態(tài)。反之，當(dāng)開(kāi)關(guān) Q2與Q3閉合時(shí)， 開(kāi)關(guān)Qi與Q4斷開(kāi)，此時(shí)，負(fù)載電流從電源 U由B流向A,負(fù)載端B點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)是正電 位，電機(jī)兩端承受反向電壓。通過(guò)調(diào)節(jié) PWM&號(hào)的占空比就可以改變電機(jī)電樞兩端的平均 電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速或方向。當(dāng) PWM&號(hào)占空比:50100時(shí)，電樞兩端電壓平均 值為正，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng):：50100時(shí)，電樞兩端電壓平均值為負(fù)，電機(jī)平均值為負(fù)， 電機(jī)反轉(zhuǎn)；一5°100時(shí)，電機(jī)電樞電壓平均值為0，電機(jī)停轉(zhuǎn)，但此時(shí)電樞兩端電壓的順 時(shí)值并不為0,而是幅值接近電流電源電壓 U的

22、方波。與功率開(kāi)關(guān)并聯(lián)的二極管為快會(huì)恢復(fù)二極管，作為續(xù)流二極管使用。當(dāng)Qi、Q4的PWM信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶?，功率?Qi、Q4關(guān)斷而Q2、Q3飽和導(dǎo)通。電樞兩端所加電壓為-U， 此時(shí)，電樞電流方向不能立刻改變，必須通過(guò)二極管 VD2與VD3續(xù)流。同理，當(dāng)Q2、Q3 的PWM&號(hào)變?yōu)榈碗娖胶螅姍C(jī)通過(guò)二極管 VD,、VD4續(xù)流。3.2.2 H橋器件選擇本系統(tǒng)中，選擇功率MOSFE祚為開(kāi)關(guān)器件。功率MOSFE是壓控元件，具有輸入阻抗 大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)。此處，選取N溝道的功率MOSFET IRF53作為開(kāi)關(guān)器件。R2和C4則組成放電回路，消耗電感中存儲(chǔ)的能量。其中，R2要用阻

23、值在千歐級(jí)、功率在5W的水泥電阻，阻值的具體大小要在不同的電路應(yīng)用中調(diào)整確定。工作頻率選擇要使電路穩(wěn)定的工作，需要合適地選擇 PWM勺頻率。如果頻率選擇過(guò)低，輸出到電機(jī) 兩端電壓的低頻紋波較大，會(huì)對(duì)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行造成影響，而且低頻的PWMI號(hào)會(huì)使直流電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生很大的噪聲，極大影響轉(zhuǎn)臺(tái)操作人員的工作環(huán)境；如果頻率選擇 過(guò)高，由于光耦、等器件的開(kāi)關(guān)特性的限制，不可能輸出較為理想的方波，這會(huì)使輸出的 PWM波形發(fā)生畸變，無(wú)法有效的控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐證明，此電路的PWM工作頻率選擇32KHZ為宜。3.3放大電路的連接電路IR2111外圍電路如圖所示。單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)經(jīng)光

24、耦PC817后，輸出至IR2111輸入端，此處的光耦對(duì)PWMI號(hào)起到隔離、電平轉(zhuǎn)換和功率放大的作用。圖中，R!、R2為光耦上拉電阻，其值根據(jù)所用光耦的輸入和輸出地電流參數(shù)決定：Ci為電容濾波電容，C2為自舉二極管，R3、R4為柵極驅(qū)動(dòng)電阻。+12V圖3.2 IR2111驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET3.4鍵盤(pán)輸入電路本系統(tǒng)采用鍵盤(pán)，如圖3.4所示。0O o OR1-1卜R2H'-iGM D3圖3.4為按鈕電路3.5電源電路控制系統(tǒng)需要一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓才能可靠工作，本系統(tǒng)的IR2111放大器要士 12V;開(kāi)關(guān)電源。+12V° +5VQ PIC單片機(jī)、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)、顯示電源需要+5V;考

25、慮到本系統(tǒng)的情況，采用了直接從市場(chǎng)上 購(gòu)買開(kāi)關(guān)電源來(lái)滿足要求，如圖 3.3所示。C220V5!流電源0圖3.5所需電源3.6復(fù)位和時(shí)鐘電路為了預(yù)防系統(tǒng)在突然情況下出現(xiàn)死機(jī)等問(wèn)題，特設(shè)計(jì)復(fù)位電路進(jìn)行對(duì)程序計(jì)數(shù)器的 PC 重新賦值并重新開(kāi)始工作，根據(jù)PIC18F458系列單片機(jī)的特點(diǎn)，采用典型的復(fù)位電路接法， 不僅可以在上電時(shí)自動(dòng)復(fù)位，還可以在程序運(yùn)行中手動(dòng)復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位只需要按下復(fù)位電 路中的按鍵即可。如圖3.6。197VD1:GND2_4:5i ' BOSCVCLKRCa/T1OSQT1CWMCLF?A4>PRCVT1OSIRC2/CCP1RAO/ANO/CVREFRC3/SCK

26、/SCLR A1 /AN1RC4/SDI/SDARA2；AN2/VREFRC5/SDORA3/AN3/VREF+RC3/TX>CKRAArracwRC7/RXA)TRA5/AN4/SSAJ/DinRA&/OSC2/CLKORDO/PSPO/CIirRBO/IINTORD1/PSP1/C1IR P2/P S P2C2IN+RB17IMT1RO3/PSP3/C2llRB27INT2/CANTXRID4/PSFE CCPW1ARB3/CANRXRDWPSIW1BRB4RD6/PSP6JP1CFiBSyPGMRD7/P£P7>P10F：B6/FGCR077PODRE3RD

27、#剛5REirwR/ClOUTJAN5RES/CSOUTtANZ-FIOBTOH圖3.6復(fù)位和時(shí)鐘電路ieV132324252fl伸20212227282Q308Q-JO：3.7顯示電路3.7.1 LCD 介紹液晶顯示模塊（LCM由于其具有功耗低、無(wú)電磁輻射、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低、接口方便等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用與各種儀表儀器、測(cè)量顯示裝置、計(jì)算機(jī)顯示終端等方面。其中，字符液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊。TS1620字符液晶顯示模塊以ST7066和ST7065為控制器，其接口信號(hào)功 能和操作指令與HD44780控制器具有兼容性。字符液晶有 8 1、16 2、20

28、 2、40 2等20多種規(guī)格型號(hào)齊全的字符液晶顯示模塊，均具有相同的引線功能和編程指令，與單片機(jī)的 接口具有通用性。3.7.2 TS1620引腳與功能TS1620的引腳與功能表下圖所示引腳好引腳符號(hào)名稱臺(tái)匕 冃匕1GND電源地接5V電2VDD電源正端源地端接5V電3VEE液晶驅(qū)動(dòng)電壓端源正端電壓可調(diào)，一端接地,一端接可調(diào)電阻4RS寄存器選擇段RS-1為數(shù)據(jù)寄存器,RS=0為指令寄存器5RW讀/寫(xiě)選擇端RW-偽讀數(shù)據(jù)，RW-C為寫(xiě)數(shù)據(jù)6EN讀/寫(xiě)使能端寫(xiě)時(shí)，下降沿觸發(fā)； 讀時(shí)，高電平有效7至14DB0- DB78位數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù) 總線3.7.3 TS1620 與 PIC18F單片機(jī)接口TS1620模

29、塊與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，PIC18F單片機(jī)的連接圖如總圖所示。PIC18F458的 RD0-RD7端口直接與TS1620-1的DB0-DB7相連接，TS1620-1的控制信號(hào) RS RW EN分別 與 PIC18F458的 RE0-RD2相連接。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，利用軟件代替和簡(jiǎn)化硬件，利用基本的硬件電路和軟件技術(shù)達(dá) 到系統(tǒng)多功能集成和容易修改的要求。一個(gè)較為簡(jiǎn)單的硬件電路，系統(tǒng)功能的主要實(shí)現(xiàn) 是依靠軟件的設(shè)計(jì)來(lái)完成的。本系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為若干個(gè)模塊，分 別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，這樣在系統(tǒng)軟件的調(diào)試過(guò)程中，各個(gè)模塊的獨(dú)立調(diào)試有助于問(wèn)題的發(fā)現(xiàn) 和解決，在一定程度上節(jié)

30、約了程序的調(diào)試時(shí)間。4.2系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是用PIC的匯編語(yǔ)言在MPLABfc成環(huán)境下運(yùn)行、調(diào)試、完成的運(yùn)行。4.3直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的軟件設(shè)計(jì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能的開(kāi)發(fā)和完善是一個(gè)循序漸進(jìn)過(guò)程，本文 所作的軟件開(kāi)發(fā)是基于直流電機(jī)多速控制器的基本功能要求設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)軟件有主程序、 功能鍵處理程序、電機(jī)運(yùn)行顯示程序、鍵盤(pán)設(shè)置參數(shù)程序測(cè)速程序、延時(shí)子程序等。該系統(tǒng)的整個(gè)軟件設(shè)計(jì)全部采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，由系統(tǒng)初始化模塊、案件識(shí)別 模塊、LCD模塊、高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序四大模塊組成。其中，系統(tǒng)初始化模 塊、按鍵識(shí)別和LCD顯示模塊在主程序完成，而中斷服務(wù)完

31、成 TMR0定時(shí)溢出中斷、TMR1 外部計(jì)數(shù)溢出中斷、TMR3勺1Js計(jì)數(shù)溢出中斷以及INT0外脈沖上邊沿捕獲中斷等。系統(tǒng)初始化模塊主程序的系統(tǒng)初始化模塊包括對(duì) PIC單片機(jī)的CPU系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、PIC單片機(jī)的 I/O方向初始化、TMRO定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化、TMR3定時(shí)/計(jì)數(shù)器的初始化、CCP模塊的 初始化和系統(tǒng)相關(guān)變量的初始化過(guò)程。431.1 CPU系統(tǒng)始終初始化PIC18單片機(jī)內(nèi)部集成了經(jīng)過(guò)校正的 8MHz主時(shí)鐘源，系統(tǒng)上電默認(rèn)主時(shí)鐘為1MHz通常，需要對(duì)OSCCO寄存器進(jìn)行配置，使其工作在 8MHz若為了提高CPU的運(yùn)算速度， 則采用PIC18單片機(jī)的內(nèi)部PLL的4倍頻以使CPU主時(shí)

32、鐘達(dá)到32MHz只需要對(duì)OSCTUNE 寄存器進(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)采用 32MHz的時(shí)鐘源，因此初始化的結(jié)果如下：OSCCON=Ox7O;/IRCF2.O=111,選擇內(nèi)部 8MHz的主振蕩器OSCTUNE=Ox4O;/PLLEN=1 使能 PLL 的 4 倍頻，從而 CPU內(nèi)核時(shí)鐘為 F 為 32MHz 4.3.1.2 PIC 單片機(jī)I/O 口方向初始化在總圖中，RD端口的RD0.7和RE端口的RE0.2是與LCD模塊連接，主要是從PIC單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)或指令到LCD模塊，因此可以將其全部設(shè)置為輸出方向；另外，由于 RE0.2 上電復(fù)位默認(rèn)為模擬輸入口，不是數(shù)字I/O 口，因此需要對(duì)ADCON控制

33、寄存器配置RE0.2 為數(shù)字I/O 口。由于RB端口接有3個(gè)按鍵K1.3和INTO外部中斷信號(hào)輸入，因此需要將 RB端口配置成帶有上拉功能的輸入端口，可以啟用RB內(nèi)部弱上拉。P1A和P1B是PWM&號(hào)的輸出，應(yīng)將R電機(jī)運(yùn)行控制模塊電機(jī)運(yùn)行控制模塊包括電機(jī)的方向控制和電機(jī)的速度控制，他們由MotorDirection 和MotorPWMDat兩量變來(lái)控制PIC單片機(jī)的ECCP模塊產(chǎn)生不同的PW信 號(hào)送到L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng) MotorDirection=0 時(shí)，表示正轉(zhuǎn)；當(dāng) MotorDirection=1 時(shí) 表示電機(jī)反轉(zhuǎn)。MotorPWMDat是 PW模塊占空比的具體內(nèi)容，由于 P

34、W啲周期是250,所 以MotorPWMDatdl勺變量變化是0250之間。改變MotorPWMDat啲值就可以改變電機(jī)的 速度。按鍵識(shí)別模塊主程序中要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止鍵識(shí)別、電機(jī)方向切換鍵識(shí)別和電機(jī)速度調(diào)節(jié)鍵識(shí) 別。該模塊中沒(méi)有采用常規(guī)的按鍵識(shí)別過(guò)程。按鍵識(shí)別方法。1、判斷是否有鍵按下。2、延時(shí)去除按鍵抖動(dòng)。3、再判斷是否真的按下。4是真的按下，則執(zhí)行按鍵處理程序。等待按鍵釋放。按鍵方法程序框圖該按鍵識(shí)別過(guò)程的新方法程序框圖如圖 434所示。在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)循環(huán)語(yǔ)句,從而使得主程序運(yùn)行模塊的效率得提高，保證了CPU的實(shí)時(shí)性。圖434按鍵識(shí)別方法程序框圖本實(shí)例中，CPU對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止

35、控制鍵、電機(jī)方向切換鍵和電機(jī)速度調(diào)節(jié)鍵的識(shí)別 方法與434相同，只是在框圖中的“按鍵功能處理”不同而已。電機(jī)啟動(dòng)、停止控制鍵功能處理如果系統(tǒng)上電時(shí)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)即；如果電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，按下RUNSTOPK后,電機(jī)就會(huì)停下來(lái)，電機(jī)的的運(yùn)行與停止?fàn)顟B(tài)在這個(gè)按鍵的作用下進(jìn)行就可以控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止操作。此部分的按鍵功能處理程序框圖如圖435.1所示。啟動(dòng)、停止鍵功能處理框圖電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制鍵功能處理改變電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)際上是改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩路PWM信號(hào)的輸出，假如電機(jī)正轉(zhuǎn)則 RC1輸出PWM號(hào)，RC2只輸出低電平；反之RC2俞出PWM信號(hào)，RC1只輸出低電平就能使電 機(jī)反轉(zhuǎn)。程序中設(shè)置 MotorD

36、irection 變量作為電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制變量，將該變量參數(shù)傳給 Motor_Control函數(shù)即可。功能處理框圖如圖 4.362所示。圖4.362 電機(jī)正反轉(zhuǎn)按鍵處理框圖電機(jī)速度控制鍵功能處理程序中改變PWM&號(hào)的占空比就可以改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，由ECCP模塊產(chǎn)生的周期是2ms占空比可調(diào)的方波信號(hào)，通過(guò)設(shè)置 ECCP模塊可以得到高電平可調(diào)的數(shù)值范圍在 0-250之間，程序中定義 MotorPWMDat変量用來(lái)存儲(chǔ)該數(shù)值。將該變量參數(shù)傳給 Motor_Co ntrol ()即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。而按鍵調(diào)節(jié)的是PWM!號(hào)的占空比，其數(shù)值變化范圍0-100之間，需要將0-100之間的占空比數(shù)值轉(zhuǎn)成0-250之間的數(shù)值。4.3.8 LCD顯示模塊LCD顯示驅(qū)動(dòng)單獨(dú)做成一個(gè)源程序文件和頭文件，可以方便以后其他模塊或其他應(yīng)用 程序的調(diào)用。在LCD顯示驅(qū)動(dòng)模塊中主要是 LCD初始化函數(shù)LCDnitize()、寫(xiě)LCD命令 函數(shù) Write_LCD_Command(、寫(xiě)LCD數(shù)據(jù)函數(shù) Write_LCD_Data()和LCD字符的顯示函數(shù) LCD_Dispstr()。4