單片機控制PWM的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、單片機控制PWM的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要：在國民生產(chǎn)中，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)已得到了全面的發(fā)展，其技術(shù)已應(yīng)用到各個領(lǐng)域。在各類機電系統(tǒng)中,由于直流電機具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能,直流電機調(diào)速系統(tǒng)已廣泛運用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個方面,最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù),具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和損耗低的特點.而利用計算機數(shù)字控制也成了直流調(diào)速的一種手段,數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高,控制軟件能夠進行復(fù)雜運算,可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律,此外還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬系統(tǒng)無法實現(xiàn)的

2、功能關(guān)鍵字：AT89C51單片機 ；PWM技術(shù)；編碼器；直流電動機The Design Of PWM Controlled DC Motor Speed Control System Based On Single Chip Abstract：In the national production, along with the development of modern technology, electronic technology has been a comprehensive development, the technology has been applied in variou

3、s fields. In all kinds of mechanical system, due to the dc motor has a good start, brake and the performance of speed, dc motor control system has been widely used in industry, spaceflight, most commonly used dc speed control technology is a pulse width modulation (PWM) dc speed control technology,

4、which has a high precision, fast response time, high speed range and width of the low loss characteristics and use of computer digital control has become a kind of method of dc speed control system, the hardware circuit of a high degree of standardization, control software to carry out complex opera

5、tion can be realized, different from the general linear optimization and adjustment of the adaptive, nonlinear, intelligent control law, also have information storage, data communication and fault diagnosis cannot achieve such simulation systemKeywords: AT89C51 microcontroller; PWM technology; encod

6、er; DC Motor目 錄1.引言12.系統(tǒng)方案論證22.1 系統(tǒng)總方案論證與選擇22.2設(shè)計模塊方案比較與分析32.2.1 電機調(diào)速控制模塊32.2.2 PWM調(diào)速工作方式43 硬件部分43.1 單片機的選型43.2 PWM控制技術(shù)83.3 驅(qū)動電路93.3.1 芯片IR2110性能及特點93.3.2 IR2110的引腳圖以及功能93.4 PWM 控制H橋雙極性主電路113.5檢測回路133.5.1光電編碼盤143.6 鍵盤及顯示電路153.6.1鍵盤/顯示芯片8279簡介153.6.3顯示器設(shè)計164模塊的原理與應(yīng)用174.1 PWM調(diào)脈寬方式174.2定時器/計數(shù)器174.3直流電機

7、調(diào)速原理184.4 PWM基本原理及實現(xiàn)方法184.5 PWM在直流調(diào)速中的應(yīng)用184.6橋式可逆PWM變換器194.7 M/T法測速原理215軟件部分225.1主程序及系統(tǒng)初始化模塊225.2模塊程序設(shè)計235.2.1外部中斷0模塊設(shè)計235.2.2外部中斷1模塊設(shè)計235.2.3內(nèi)部定時器T0溢出中斷設(shè)計235.3 中斷子程序模塊245.4鍵盤/顯示模塊設(shè)計245.5數(shù)字PID流程圖265.6源程序29謝 辭35參考文獻361.引言在電氣傳動領(lǐng)域中，隨著各項技術(shù)水平的不斷提高，使得傳統(tǒng)工藝有了深層次的提高，對人類的生產(chǎn)與生活，產(chǎn)生了深刻且深遠的影響，已經(jīng)與我們息息相關(guān)。由于直流電動機具有良

8、好的起動、制動性能,適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速,因此在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。而且,從控制的角度來看,直流調(diào)速還是交流調(diào)速，都用到拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ),由運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成,控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜,功能單一,而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy, 觸發(fā)精度易受電網(wǎng)電壓波動的影響，觸發(fā)脈沖不對稱度較大，調(diào)節(jié)器中的運算放大器，因網(wǎng)壓和溫度變化引起的漂移會產(chǎn)生運算誤差，模擬器件老化也會引起運算誤差，甚至使已經(jīng)整定好的系統(tǒng)性能變差，這些都阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機技術(shù)的日新月異,使

9、許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成,不但為直流電動機的控制提供了更大的靈活性,而且使系統(tǒng)能達到了更高的性能,從而大大節(jié)約了人力資源,降低了系統(tǒng)成本,有效地提高了工作效率。因為單片機具有小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化、可靠性好、適應(yīng)溫度范圍寬、易擴展、控制功能強等優(yōu)點，用單片機取代模擬電路作為電動機的控制器，使電路更簡單，模擬電路為了實現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件,使電路復(fù)雜,使用單片機微處理器后,絕大多數(shù)控制邏輯可通過軟件實現(xiàn)可以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制,單片機有更強的邏輯功能,運算速度和精度高、有大容量的存儲單元,因此有能力實現(xiàn)復(fù)雜的控制靈活性和適應(yīng)性強,單片機的控制方式是由軟件完成的,如果需要修

10、改控制規(guī)律,一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路,只需修改程序即可,在系統(tǒng)調(diào)試和升級時,可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù),非常方便無零點漂移,控制精度高、數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點漂移問題,無論被控量的大小,都可以保證足夠的控制精度可提供人機界面,多機聯(lián)網(wǎng)工作等優(yōu)點。所以在電氣傳動實時控制系統(tǒng)中受到重視和普遍應(yīng)用。利用單片機邏輯功能強和軟件靈活的優(yōu)點，不僅可使很多控制硬件軟件化，便于參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，而且可以同時對系統(tǒng)工作中的各種信息數(shù)據(jù)進行診斷、檢測和及時處理，加強了實時維護和提高了控制系統(tǒng)的可靠性。它的發(fā)展趨勢將是向大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。2.系統(tǒng)方案論證2.1 系統(tǒng)總方案

11、論證與選擇方案一：直接加直流電源來控制電機的轉(zhuǎn)動速度；根據(jù)電動機在其額定電壓時，電動機有一定的額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)其輸入電壓的減小，其轉(zhuǎn)動速度也相應(yīng)的減小。從而在傳統(tǒng)的改變電動機的轉(zhuǎn)速問題中，就是利用所給電動機的電壓的不同，而達到人們所需要的大約速度。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。其中在單片機控制部分通過按鍵直接從程序中調(diào)出所需要速度的值，同時輸?shù)綌?shù)碼顯示部分和D/A轉(zhuǎn)換部分以實現(xiàn)電動機的調(diào)速。鍵盤AT89C51單片機數(shù)碼顯示D/A0832轉(zhuǎn)換電動機圖1 電路組成框圖方案三：采用AT89C51單片機進行控制。本設(shè)計需要

12、使用的軟件資源比較簡單，只需要完成編碼器采樣部分、鍵盤控制部分以及顯示輸出功能。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。輸出速度的調(diào)節(jié)是通過鍵操作，顯示速度。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.具有4K字節(jié)可編程閃爍存儲器,可擦除的的只讀存儲器(PEROM), ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器. 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. 三級程序存儲器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數(shù)器、5個中斷源、可編程

13、串行通道、低功耗的閑置和 電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路：電路框圖如圖2 圖2 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。方案二不能及時的從電動機那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度，而是直接從程序哪兒調(diào)用相應(yīng)的數(shù)值給數(shù)碼顯示。所以，此處的電路在速度的顯示上失去了其真實性。方案三在可操作性與實時性方面都都結(jié)合了本專業(yè)特點，從控制理論與控制技術(shù)出發(fā)，充分發(fā)揮與應(yīng)用本學(xué)科特點。所以，設(shè)計采用方案三。2.2設(shè)計模塊方案比較與分析：2.2.1 電機調(diào)速控制模塊：方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)

14、速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對電機的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、

15、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計采用方案三。2.2.2 PWM調(diào)速工作方式：方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內(nèi)，單片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于單極性工作制中，應(yīng)用相對簡單易于實現(xiàn)與操作，所以我們采用了單極性工作制。3 硬件部分3.1 單片機的選型：Wl>>n$L  AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k

16、Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。3.1.1主要特性： +a,Pm  Xp7s7hSP  ·  8031 CPU與MCS-51 兼容 )3-RR  f2buc9H · 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1

17、000寫/擦循環(huán)) ?d0x<(.-  全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz eF-daIx&  e 92zofQR· 三級程序存儲器保密鎖定 hf! R  qbsnm#N· 128*8位內(nèi)部RAM P&SN  JA;,9W  · 32條可編程I/O線 hZ!K,U<y  <bp8xkfT#  · 兩個16位定時器/計數(shù)器 R's"gT5;  lArY T · 6個中斷源 R|b %Lsa=  Bh#K3B|O

18、  · 可編程串行通道 >Y'qQ  a7B y$z  · 低功耗的閑置和掉電模式 %W$Wy9+  <W 2Z  · 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 mh5  aY|6   qV1(3   ·圖3單片機芯片3.1.2管腳說明： gqzCL,Q  unAd20(b*p       VCC：供電電壓。 -i.bm  hxy0:m       GND：

19、接地。 )U GR&QR  %BI"(w9       P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 xqdee :RD  n&4x>R3|z       P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向

20、I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 p?o0&Z  L#-V6.       P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)

21、據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 &eF qLT:  2LzI2 Dn       P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 "h v9PGg6  q

22、h*5s"  P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： ,' 1-jf*  CeNWlM=W口管腳 備選功能 v6w8="T-  6.T/Kj$DWa  P3.0 RXD（串行輸入口） W8.oLh  "m38*s x  P3.1 TXD（串行輸出口） E'OBh0$!e  -?MpHSho$  P3.2 /INT0（外部中斷0） #!Id %=P2  WE+Vs P3.3 /INT1（外部中斷1） ,9o4%>I  >

23、tI"(39P3.4 T0（記時器0外部輸入） s_o)MyCVC  )Z2p Pmx  P3.5 T1（記時器1外部輸入） zN;u.8)h0  "(;g!)P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） z= IkMktD  l?uo/<u  P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） gh;6t*a  (ddtRfXUN  P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 5V/y(4  /Uw% 4s  I/O口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4：   |2pRd n 

24、0;&*;rVN G, ,w_#-I/O存儲器EPROM/ROM定時/計數(shù)器運算器控制器中斷CPU片內(nèi)振蕩器RAM/SFP并行口存儲器擴展控制器串行口XTAL 圖4內(nèi)部結(jié)構(gòu)I/O口作為輸入口時有兩種工作方式即所謂的讀端口與讀引腳讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作這是由硬件自動完成的不需要我們操心 :Hs6?00  hw(M   讀引腳時也就是把端口

25、作為外部輸入線時首先要通過外部指令把端口鎖存器置1然后再實行讀引腳操作否則就可能讀入出錯為什么看上面的圖如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q為1加到場效應(yīng)管柵極的信號為1該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗,此時即使引腳上輸入的信號為1也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1若先執(zhí)行置1操作則可以使場效應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入由于在輸入操作時還必須附加一個準(zhǔn)備動作所以這類I/O口被稱為準(zhǔn)雙向口89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時都是準(zhǔn)雙向口接下來讓我們再看另一個問題從圖中可以看出這四個端口還有一個差別除了P1口外P0P2P

26、3口都還有其他的功能 w%o)Q+  !nt2(e    RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 g|)DXz/ K?2yiD< ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， AL

27、E只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 % ?>mc  bNIX%r%7    /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 Jx e|w h3  M=Vrr D     /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1

28、時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 2 pvyNYGV  _Ko| I    XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 :d#o0',  249V.    XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 2 y*daG<  3.1.8k xx1/= 3振蕩器特性： nyC5n1   ,    XTAL1和XTA

29、L2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 z13TD09  OkN3.1.4芯片擦除： 9i678EMM!  /-Lxa    整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)

30、行。 kZ4;Psp  AIAL g  此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 3.2 PWM控制技術(shù)PWM是Pulse Width Modulation的縮寫,即脈沖寬度調(diào)制,是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制,來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值). 調(diào)速可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。盡管直流電機比交流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、維修保養(yǎng)貴，但是其調(diào)速性

31、能好，所以在調(diào)速傳動領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位。3.3 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。3.3.1 芯片IR2110性能及特點IR2110是美國國際整流器公司利用自身獨有的高壓集成電路以及無閂鎖CMOS技術(shù)，于1990年前后開發(fā)并且投放市場的，IR2110是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動的單片式集成驅(qū)動器。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

32、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。高壓側(cè)驅(qū)動采用外部自舉電容上電，與其他驅(qū)動電路相比，它在設(shè)計上大大減少了驅(qū)動變壓器和電容的數(shù)目，使得MOSFET和IGBT的驅(qū)動電路設(shè)計大為簡化，而且它可以實現(xiàn)對MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，還具有快速完整的保護功能。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。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。3.3.2 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2（COM）：下通道MOSF

33、ET驅(qū)動輸出參考地端，使用中，與引腳13（Vss）直接相連，同時接主電路橋臂下通道MOSFET的源極。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。引腳5（Vs）：上通道MOSFET驅(qū)動信號輸出參考地端，使用中，與主電路中上下通道被驅(qū)動MOSFET的源極相通。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(fù)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0.5V，而小于或等于+20V。引腳9（VDD）：芯片輸入級工作電源端，使用中，接用戶為該芯片工作提供的高性能電源，為抗干擾，該端應(yīng)通過一高性能去耦網(wǎng)絡(luò)接地，該端可與

34、引腳3（Vcc）使用同一電源，也可以分開使用兩個獨立的電源。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。應(yīng)用中，接用戶脈沖形成部分的對應(yīng)兩路輸出，對此兩個信號的限制為Vss-0.5V至Vcc+0.5V，這里Vss 與Vcc分別為連接到IR2110的引腳13（Vss）與引腳9（VDD）端的電壓值。引腳11（SD）：保護信號輸入端，當(dāng)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(dāng)該端接低電平時，則IR2110的輸出跟隨引腳10與12而變化。引腳13（Vss）：芯片工作參考地端，使用中，直接與供電電源地端相

35、連，所有去耦電容的一端應(yīng)接該端，同時與引腳2直接相連。引腳8、引腳14、引腳4：為空引腳。 圖7 IR2110管腳圖IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達500V，du/dt=±50V/ns，在15V下的靜態(tài)功耗僅有1.6mW；輸出的柵極驅(qū)動電壓范圍為1020V，邏輯電源電壓范圍為515V，邏輯電源地電壓偏移范圍為5V5V。IR2110采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。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。兩路匹配傳

36、輸導(dǎo)通延時為120ns，關(guān)斷延時為94ns。IR2110的腳10可以承受2A的反向電流。 圖8 IGBT驅(qū)動電路3.4 PWM 控制H橋雙極性主電路從上面的原理可以看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門極驅(qū)動電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(guān)的動作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導(dǎo)通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。因此在這個電路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的。我們可以采取雙PWM信號來控制直流電機的正轉(zhuǎn)以及它的速度。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。在HIN為高電平期間，Q1、Q4導(dǎo)通，在直流電機上加正向

37、的工作電壓。其具體的操作步驟如下：當(dāng)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(dǎo)通。同理，此時IC2的HO為低電平而LO為高電平，Q3截止，C3上的電壓經(jīng)過VB、IC內(nèi)部電路和HO端加在Q4的柵極上，從而使得Q4導(dǎo)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。此時直流電機正轉(zhuǎn)。在HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，Q2、Q3導(dǎo)通，在直流電機上加反向工作電壓。其具體的操作步驟如下：當(dāng)IC1的LO為高電平而HO為低電平的時候，Q2導(dǎo)通且Q1截止。此時Q2的漏極近乎于零電平，V

38、cc通過D1向C1充電，為Q1的又一次導(dǎo)通作準(zhǔn)備。同理可知，IC2的HO為高電平而LO為低電平，Q3導(dǎo)通且Q4截止，Q3的漏極近乎于零電平，此時Vcc通過D2向C3充電，為Q4的又一次導(dǎo)通作準(zhǔn)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。此時，直流電機反轉(zhuǎn)。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。設(shè)PWM波的周期為T，HIN為高電平的時間為t1，這里忽略死區(qū)時間，那么LIN為高電平的時間就為T-t1。HIN信號的占空比為D=t1/T。設(shè)電源電壓為V，那么電樞電壓的平均值為：Vou

39、t= t1 - ( T - t1 ) V / T = ( 2 t1 T ) V / T = ( 2D 1 )V定義負載電壓系數(shù)為，= Vout / V, 那么 = 2D 1 ；當(dāng)T為常數(shù)時，改變HIN為高電平的時間t1，也就改變了占空比D，從而達到了改變Vout的目的。D在01之間變化，因此在±1之間變化。如果我們聯(lián)系改變，那么便可以實現(xiàn)電機正向的無級調(diào)速。當(dāng)=0.5時，Vout=0,此時電機的轉(zhuǎn)速為0；當(dāng)0.5<<1時，Vout為正，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)=1時，Vout=V,電機正轉(zhuǎn)全速運行。圖9 電機驅(qū)動電路3.5檢測回路檢測回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片

40、機進行處理。編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。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(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”；非接觸式的接受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“”還是“”。    按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩種。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間

41、過程無關(guān)。圖5 光電編碼器實物圖3.5.1光電編碼盤光電編碼盤是將測得的角位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電脈沖信號輸出的數(shù)字傳感器，本設(shè)計采用增量式光電編碼器來采樣轉(zhuǎn)速信號，如圖8所示。增量式編碼器是專門了用來測量轉(zhuǎn)動角位移的累計量。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(jié)構(gòu)。圖6 編碼器原理圖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。當(dāng)圓盤隨電機旋轉(zhuǎn)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。碼盤上有向標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈z相輸出一個脈沖。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還提供相位相差90°的兩路脈沖信號。將

42、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)。編碼盤輸出的z相脈沖用于復(fù)位計數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計數(shù)器。編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向可以通過D觸發(fā)器的輸出信號Q來判斷。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)。由于A、B兩相的脈沖相位相差90°，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前A相脈沖90°，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。當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時，A相脈沖超前B相脈沖90°，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(zhuǎn)動方向。 轉(zhuǎn)速檢測的精度

43、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)獲得高精度和快速的數(shù)字測速，本設(shè)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，微機對該頻率信號采用M/T法測速處理。3.6 鍵盤及顯示電路鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳誦命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段.單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU在忙于各項工作任務(wù)時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時響應(yīng)按鍵操作，又要不過多占用CPU的工作時

44、間。3.6.1鍵盤/顯示芯片8279簡介Intel公司的8279是鍵盤/顯示模塊的核心控制器。如圖10所示。它是一種實現(xiàn)鍵盤輸入和段式數(shù)碼顯示控制的專用智能芯片。采用該芯片,可以大大簡化單片機控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,并且減輕CPU的負擔(dān)。簡單地說,它有以下一些功能: 與微處理器接口簡單; 能自動實現(xiàn)按鍵的“去抖”和重鍵處理; 能以中斷或查詢兩種方式工作; 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。其引腳定義如下: DB0DB7:雙向數(shù)據(jù)總線 /RD、/WR:讀寫選通信號 /CS:片選信號 RESET:復(fù)位信號 CLK:時鐘信號 A0:

45、命令/狀態(tài)或數(shù)據(jù)識別信號A=1,為寫命令或讀狀態(tài); A=0,為數(shù)據(jù) IRQ:中斷請求信號 SL0SL3: 矩陣掃描線 RL0RL7: 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 3.6.2鍵盤設(shè)計采用4*4式鍵盤，分?jǐn)?shù)字部分和控制部分，如圖下表所示。數(shù)字部分用來輸入給定轉(zhuǎn)速，控制部分用來控制電機的運行。0123456789取消確認測速停車圖10 顯示器圖輸入給定轉(zhuǎn)速時應(yīng)注意的幾個問題：（1）轉(zhuǎn)速不足四位時，在前面加撥0湊夠四位；（2）轉(zhuǎn)速輸入錯誤時，按取消鍵，顯示器清空，重新輸入值；（3）轉(zhuǎn)速輸入完

46、成后，按確認鍵。3.6.3顯示器設(shè)計 采用共陰極的發(fā)光二極管構(gòu)成可以顯示4位十進制的顯示器，運行中顯示當(dāng)前的實際轉(zhuǎn)速值。如上圖示。8279與單片機、鍵盤和顯示器的外圍總接線如圖11示。 圖 11顯示器/鍵盤驅(qū)動電路4模塊的原理與應(yīng)用4.1 PWM調(diào)脈寬方式調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。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(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在產(chǎn)生PWM脈沖的實現(xiàn)上比較方便。4"BE|," 44.2定時器/計數(shù)器由于PWM信號軟件實現(xiàn)的核心是單片機內(nèi)部的定時器，而不同單片機的定時器具有不同的特點，即使是同一臺單片機由于選用的晶振不同，選擇的定

47、時器工作方式不同，其定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系。如果單片機的時鐘頻率為f，定時器計數(shù)器為N位，則定時器初值與定時時間的關(guān)系為：式中，TW定時器定時初值；N一個機器周期的時鐘數(shù)。N隨著機型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時初值TW，從而改變占空比，進而達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。4.3直流電機調(diào)速原理根據(jù)勵磁方式不同，直流電機分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電機機械特性曲線有所不同。對于直流電機來說，人為機械特性方程式為：分析(1)式可得當(dāng)分別改變UN、和Rad時，可以得到不

48、同的轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)對速度的調(diào)節(jié)。由于=F(If)，當(dāng)改變勵磁電流If時，可以改變磁通量的大小，從而達到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流If，和磁通量只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對于調(diào)節(jié)電樞外加電阻Rad時，會使機械特性變軟，導(dǎo)致電機帶負載能力減弱。理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機械特性曲線相互平行，說明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機帶負載能力恒定。當(dāng)我們平滑調(diào)節(jié)他勵直流電機電樞兩端電壓時，可實現(xiàn)電機的無級調(diào)速.4.4 PWM基本原理及實現(xiàn)方法其方法是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的

49、比值即占空比來控制電機速度這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制，簡稱PWM.調(diào)速原理如圖所示通過控制脈沖占空比來改變電機的電樞電壓.Vd=Vmax*D (2)由公式(2)可見，當(dāng)我們改變占空比D=t1T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比Vd并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。4.5 PWM在直流調(diào)速中的應(yīng)用PWM廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)，例如，以往普遍應(yīng)用的晶閘管相控整流直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，現(xiàn)在也發(fā)展了全波步控整流PWM斬波直流電壓調(diào)速系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電動機也是有直流斬波器供電的。PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把

50、直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。直流電動機轉(zhuǎn)速n的表達式為：n= Ua-IaRaCe-（r/min）式中 Ua電樞端電壓（V）Ia電樞電流（）Ra電樞電路總電阻（）每級磁通量（Wb）Ce與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)由式可知，直流電動機轉(zhuǎn)速n的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制勵磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制。而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的是電樞電壓控制法。Ua=Ud-IaR，雖然調(diào)節(jié)電

51、阻R即可改變端電壓達到調(diào)速目的，但這種方法效率很低。隨著電力電子技術(shù)的進步，可由PWM斬波器進行斬波調(diào)壓。本文主要介紹PWM實現(xiàn)的直流調(diào)速系統(tǒng)。4.6橋式可逆PWM變換器脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。橋式可逆PWM變換器電路如圖12所示。這是電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓的極性變化而變化。圖12橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個驅(qū)動電壓波形如圖6所示。圖13 PWM變換器的驅(qū)動電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時

52、。當(dāng)時，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時。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。電動機的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時，的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的。當(dāng)時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)時，為負，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)時，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于

53、零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。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)。2）可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。4.7 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14：圖14 M/T法測速原理測速時間Td由測速脈沖來同步，即由圖8電路實現(xiàn)Td等于整m

54、1個脈沖周期。設(shè)從圖9上a點開始，計數(shù)器分別對m1和m2計數(shù)，到達b點，預(yù)計的測速時間Tc到，微機發(fā)出停機指令，但因為Tc不一定恰好等于整數(shù)個編碼輸出脈沖周期，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)字測速硬件電路使計數(shù)器停止計數(shù)。這樣，m2代表了m1個測速脈沖周期的時間。設(shè)時鐘脈沖頻率為f0，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出p個脈沖，則電機轉(zhuǎn)速的計算公式為：n=(60*m1*f0)/(z*m2)5軟件部分5.1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(shè)通信等功能，如圖15。初始化子程序完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等，如圖16。圖15 主程序流程圖 圖16 初始化子程序 主程序主要完成鍵盤/顯示芯片8279、內(nèi)部定時/計數(shù)器T0、T1測速和變量的初始化。此程序共有2個中斷源：外部中斷0，用于電機故障處理；外部中斷1，用于鍵盤輸入處理。 5.2模塊程序設(shè)計5.2.1外部中