1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)直流雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的及要求1.1 課程設(shè)計(jì)的目的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過(guò)程，它不僅需要微型機(jī)控制理論、程序設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，而且還需要具備一定的生產(chǎn)工藝知識(shí)。設(shè)計(jì)包括確定控制任務(wù)、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制軟件的設(shè)計(jì)等，以便使學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路和方法。1.2 課程設(shè)計(jì)的預(yù)備知識(shí)術(shù)基本知識(shí)及直流控制系統(tǒng)的有關(guān)知識(shí)。 1.3 課程設(shè)計(jì)要求 完成直流電機(jī)轉(zhuǎn)熟悉計(jì)算機(jī)控制技速、電流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 1.設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主機(jī)、過(guò)程通道模板電路，包括元器件選擇。 2.畫(huà)出系統(tǒng)控制圖

2、。 3.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)速、電流控制采用PI控制算法，設(shè)計(jì)增量式PI控制算法。繪出程序流程圖，設(shè)計(jì)算法程序。1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求為某生產(chǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)速范圍寬、起制動(dòng)性能好的直流雙閉環(huán)系統(tǒng)，且擬定該系統(tǒng)由大功率晶體管調(diào)制放大器給電動(dòng)機(jī)供電。已知系統(tǒng)中直流電動(dòng)機(jī)主要數(shù)據(jù)如下：1）直流電機(jī)型號(hào)：Z2-41型額定功率Pe=18kW；額定電壓Ue=220V額定電流Ie=94A；額定轉(zhuǎn)速ne=1000r/min電樞回路總電阻R=0.45;電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.0297s;機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.427s；電動(dòng)勢(shì)系數(shù)C=0.2059/（r.min-1 )晶體管PWM功率放大器：工作頻率：2kHz；工作方

3、式：H型雙極性；直流電源電壓：264V2）主要技術(shù)指標(biāo)：調(diào)速范圍0-1000 r/min 電流過(guò)載倍數(shù)：1.5倍速度控制精度 0.1%（額定轉(zhuǎn)速時(shí)）3）主要要求：電動(dòng)機(jī)控制電源采用晶體管PWM功率放大器，其占空比變化為00.51時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出電壓為-264V0264V，為電機(jī)最大提供25A電流。速度檢測(cè)采用光電編碼器（光電脈沖信號(hào)發(fā)生器），且其輸出的A、B兩相脈沖經(jīng)光電隔離辯相后獲得每轉(zhuǎn)1024個(gè)脈沖角度分辨力和方向信號(hào)。電流傳感器采用霍爾電流傳感器，其原副邊電流比為1000：1，額定電流50A。采用雙閉環(huán)（電流環(huán)和速度環(huán)）控制方式。二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1直流雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖1 直

4、流雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求整個(gè)系統(tǒng)原理如圖1所示。采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。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)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置（TA）對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速環(huán)則是采用了光電碼盤(pán)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較理想的檢測(cè)效果。PWM采用8051單片機(jī)以及4858、4040

5、共同實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電路采用了IR2110集成芯片，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。2.2直流雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)原理我們?cè)O(shè)計(jì)了直流雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示，系統(tǒng)的特點(diǎn)：雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機(jī)控制；全數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測(cè)；采用數(shù)字PI算法。由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)由主電路、檢測(cè)電路、控制電路、給定電路、顯示電路組成。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(guò)直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動(dòng)機(jī)供電。檢測(cè)回路：包括電壓、電流、溫度和轉(zhuǎn)速檢測(cè)。電壓、電流和溫度檢測(cè)由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變?yōu)閿?shù)字量送入微機(jī)；轉(zhuǎn)速檢測(cè)用數(shù)

6、字測(cè)速（光電碼盤(pán)）。故障綜合：利用微機(jī)擁有強(qiáng)大的邏輯判斷功能，對(duì)電壓、電流、溫度等信號(hào)進(jìn)行分析比較，若發(fā)生故障立即進(jìn)行故障診斷，以便及時(shí)處理，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這也是采用微機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)所在。圖2 微機(jī)直流雙閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖三、主電路設(shè)計(jì)3.1主電路主電路由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時(shí)兼有無(wú)功功率交換的作用。3.1.1限流電阻為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過(guò)大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時(shí)，先限制充電電流，再延時(shí)用開(kāi)關(guān)K將短路，以免長(zhǎng)期接入時(shí)影響整流電路的正常工

7、作，并產(chǎn)生附加損耗。3.1.2泵升電壓限制3.2主電路參數(shù)計(jì)算和元件選擇主電路參數(shù)計(jì)算包括整流二極管計(jì)算，濾波電容計(jì)算、功率開(kāi)關(guān)管IGBT的選擇及各種保護(hù)裝置的計(jì)算和選擇等。3.2.1整流二極管的選擇根據(jù)二極管的最大整流平均IF 和最高反向工作電壓UR分別應(yīng)滿(mǎn)足： IF >1.1×IO(AV) ÷21.1*99/2=54.5 (A) UR>1.1××U2=1.1××220=340.2 (V)選用2ZC系列的大功率硅整流二極管，型號(hào)和參數(shù)如下所示：型號(hào)額定正向平均電流IF(A) 額定反向峰值電壓URM(V)正向平均壓降UF(

8、V)反向平均漏電流IR(MA)散熱器型號(hào) ZP10010010016000.50.76SL18在設(shè)計(jì)主電路時(shí)，濾波電容是根據(jù)負(fù)載的情況來(lái)選擇電容C值，使RC(35)T/2,且有Udmax=0.9×220×0.95=188(V)2×C1.5×0.02, 即C15000uF故此，選用型號(hào)為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400v，標(biāo)稱(chēng)容量為22000 uF3.2.2絕緣柵雙極晶體管的選擇最大工作電流 Imax2Us/R=440/0.45=978(A)集電極發(fā)射極反向擊穿電壓（BVCEO） BVCEO(23)Us=440660v3.3調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)3.3

9、.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器直流雙閉環(huán)調(diào)速原理圖3.3.2電流環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最大允許電流Idm=1.5×94=141(A)電樞電流范圍為，A/D轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制數(shù)碼，電流反饋回路反饋系數(shù)為，則：=255/(141-(-141)=255/282=0.904/A已知晶體管PWM功率放大器的工作頻率為2kHz，工作方式為H型雙極性，直流電源電壓為264V,設(shè)定用來(lái)直接生成PWM信號(hào)的計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖頻率為4MHz，則轉(zhuǎn)換得到的PWM信號(hào)

10、的分辨率為1/2000，即計(jì)數(shù)值為2000時(shí)，對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)占空比為1，PWM功率放大器的輸出電壓為200V；計(jì)數(shù)值為1000時(shí)，對(duì)應(yīng)PWM信號(hào)的占空比為0.5，PWM功率放大器的輸出電壓為；計(jì)數(shù)值為時(shí)，對(duì)應(yīng)PWM信號(hào)占空比為，PWM功率放大器的輸出電壓為-200V,則PWM控制信號(hào)和PWM波形生成之間的數(shù)字控制量到模擬電壓輸出量之間的增益為： =0.0297s=0.0005s=1/2000=0.0005s=0.0005Ti=0.001s=0.5/ Ti =0.5/0.001=500=R/()=500*0.0297*0.45/(0.264*0.904)=28校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：wci

11、KI=500脈寬調(diào)制變換器傳遞函數(shù)近似條件 wci1/(3Ts)1/(3Ts)1/(3×0.00025)=666.67>500= wci可見(jiàn)，滿(mǎn)足近似條件。小時(shí)間常數(shù)近似條件 wci654.03>500滿(mǎn)足近似條件。忽略反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：wci2.96<500滿(mǎn)足近似條件。3.3.3轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖速度反饋回路的滯后時(shí)間約為=1ms機(jī)電時(shí)間常數(shù)=0.427s速度環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為 =1/+=1/500+0.001=0.003s按跟隨性能和抗干擾性能要求，取中頻寬h=5，則積分時(shí)間常數(shù)為；=(h+1)/2h² ²=(5+1)/(2

12、*5*5*0.003²)=13333.333速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)00 < Wci轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 Wcn=235.7滿(mǎn)足近似條件。小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 Wcn=235.7滿(mǎn)足近似條件。當(dāng) h=5，查表可知，n=37.6,不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表中是按線(xiàn)性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線(xiàn)性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按照退飽和時(shí)的情況重新計(jì)算超調(diào)量。由公式代入數(shù)據(jù)計(jì)算得n=0.35，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求3.4調(diào)節(jié)器的離散化經(jīng)過(guò)前面的調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算得到模擬式的電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，在微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，可以先按模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，然后在離散化，

13、就可以得到數(shù)字控制器的散發(fā)，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。數(shù)字控制器采用PI調(diào)節(jié)算法，不僅可以對(duì)系統(tǒng)偏差進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，而且可對(duì)偏差進(jìn)行積分，因而提高了系統(tǒng)的控制精度和抗外界干擾能力。模擬調(diào)節(jié)的PI算式為:式中-t時(shí)刻調(diào)節(jié)器輸出信號(hào);-比例系數(shù);-時(shí)刻偏差，為測(cè)量值和給定值之差;-積分時(shí)間常數(shù);在數(shù)字式控制中，由于采用數(shù)字計(jì)算，要對(duì)給定值和反饋量進(jìn)行采樣，因此要對(duì)上述PI算式進(jìn)行離散化，得到適用于數(shù)字控制的PI算式:式中-第n次采樣后算得的調(diào)節(jié)器輸出;-第n次次采樣算得的偏差;T-采樣周期;n-采樣序號(hào)，n=l，2，3，上述算式計(jì)算出的是第n次采樣后，控制器輸出的數(shù)字量，叫做位置式算式。從式中可以看

14、出，想要計(jì)算，不僅擊要本次與上次偏差信號(hào)和，而且還要在積分項(xiàng)中把歷次偏差信號(hào)進(jìn)行相加，即求取。這樣不僅計(jì)算繁瑣，而且保留要占用很大的內(nèi)存空間，使用非常不方便。為此，又有了在實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)字化增量式算式:式中-第n次輸出的地量;-第n次采樣后偏差值;-第n-1次采樣后偏差值;-積分系數(shù):在位置式算式中，由于采用全量輸出，每次輸出均與原來(lái)位置有關(guān)，會(huì)使輸出產(chǎn)生較大變化。在增量式中，每次只輸出控制增量，對(duì)系統(tǒng)影響較小，且具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于增量輸出，出現(xiàn)誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可以用限幅辦法去掉。手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊較小。不會(huì)產(chǎn)生積分失控，易于獲得較好的積分效果。因此，實(shí)際應(yīng)用中增量式獲得廣泛應(yīng)用，故本

15、系統(tǒng)按要求也選擇增量式。但增量式的不足為:由于積分截?cái)嗾`差大，使系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差;溢出的影響較大。故在實(shí)際應(yīng)用中，還要根據(jù)對(duì)象的具側(cè)弓好求來(lái)選定。一般來(lái)說(shuō)，以可控硅作驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)或控制程度要求高的系統(tǒng)中，宜采用位置式。而在步進(jìn)電機(jī)或電動(dòng)閥門(mén)作執(zhí)行器的系統(tǒng)中宜采用增量式為好。3.4.1數(shù)字控制器PI增量式算法及程序增量式PI程序：Fosc=12MHZ，用一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)50ms，用R2作計(jì)數(shù)器，置初值14H，到定時(shí)時(shí)間后產(chǎn)生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，讓計(jì)數(shù)器內(nèi)容減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容減為0時(shí)，則到1s。PI控制算法:Ui=Ui-1+Kp(ei-ei-1)+(Kp*T/Ti)*ei令P=KP

16、I=KP*T/T I則Ui=Ui-1+P(ei-ei-1)+I*eiT采樣周期 Ti=RnCn Kp=Rn/R0PI程序：SETB EX1 ；開(kāi)放中斷1MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,預(yù)設(shè)MOV R1，80H ；P0口（Y）送R1，實(shí)測(cè)MOV A，R0 ；W給AMOV B，R1 ；Y給BSUBB A，B ；ei給AMOV 7FH，A ；ei 給7FHMOV 7EH，#00H ；ei-1=0給7EHMOV 7BH，Umax MOV 7AH, UminAJMP IN ；積分項(xiàng)AJMP P ；比例項(xiàng)MOV A，R2 ；Pi給AADD A，R3 ；Pi+Pp給AMOV 7DH，#00H ；

17、Ui-1=0給7DHADD A，7DH ；Ui-1+Pi+Pp=Ui給AMOV 7CH,A ；Ui給7CHMOV 7DH，7CH ；Ui給Ui-1MOV A，7BH ；Umax給ACJNE A，#Ui，LOOP2 ；UiUmax轉(zhuǎn)移LOOP2：JNC LP1 ;若Ui>Umax ,則跳轉(zhuǎn) MOV A,#UiCJNE A，7AH，LOOP3 ；Ui<Umin轉(zhuǎn)移LOOP3:JNC LP2 ;若Ui<Umin，則跳轉(zhuǎn)MOV A,#UiSJMP DONELP1:MOV A,7BHSJMP DONELP2:MOV A,7AHDONE: MOV 90H，A ；輸出Ui到P1口RETII

18、N：MOV 6FH，#I MOV A，6FH ；I給A MOV B，7FH ；ei給B MUL AB ；Pi=I*ei給A MOV R2，A ；Pi給R2 RETIP：MOV 6EH，#P CLR C MOV A，7FH ；ei給A SUBB A，7EH ；ei-ei-1給A MOV 7EH，7FH ；ei給ei-1 MOV B，6EH MUL AB ；（ei-ei-1）*P給A MOV R3，A ；Pp給R3 RETI3.5采樣周期的選擇根據(jù) Shannon 采樣定理，采樣頻率 fsam 應(yīng)不小于信號(hào)最高頻率 fmax 的2倍，即 fsam 2 fmax 這時(shí)，經(jīng)采樣及保持后，原信號(hào)的頻譜可

19、以不發(fā)生明顯的畸變，系統(tǒng)可保持原有的性能。 但實(shí)際系統(tǒng)中信號(hào)的最高頻率很難確定，尤其對(duì)非周期性信號(hào)（系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程）來(lái)說(shuō)，其頻譜為 0 至的連續(xù)函數(shù)，最高頻率理論上為無(wú)窮大。因此，難以直接用采樣定理來(lái)確定系統(tǒng)的采樣頻率。在一般情況下，可以令采樣周期: Tmin 為控制對(duì)象的最小時(shí)間常數(shù)；或用采樣角頻率 wsam wc 為控制系統(tǒng)的截止頻率在本系統(tǒng)中我們采用系統(tǒng)電流環(huán)開(kāi)環(huán)截止頻率選取電流環(huán)采樣角頻率 得電流環(huán)采樣周期系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)截止頻率選取轉(zhuǎn)速環(huán)采樣角頻率得速度環(huán)采樣周期四、控制回路4.1 PWM控制電路4.1.1 PWM的基本原理PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，

20、改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱耍琍WM又被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。如下圖所示： 設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D= t1 / T，則電機(jī)的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機(jī)的平均速度；Vmax 是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度；D = t1

21、/ T是指占空比。由上面的公式可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比 D = t1 / T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，平均速度Vd 與占空比D并非嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線(xiàn)性關(guān)系。4.1.2 PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì) PWM波可以由具有PWM輸出的單片機(jī)通過(guò)編程來(lái)得以產(chǎn)生，也可以采用PWM專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)PWM波的頻率太高時(shí)，它對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率管要求太高，而當(dāng)它的頻率太低時(shí)，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)PWM波的頻率在18KHz左右時(shí)，效果最好。在本系統(tǒng)內(nèi)，采用了兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計(jì)數(shù)器404

22、0組成了PWM信號(hào)發(fā)生電路。兩片數(shù)值比較器4585，即圖上U2、U3的A組接12位串行4040計(jì)數(shù)輸出端Q2Q9，而U2、U3的B組接到單片機(jī)的P1端口。只要改變P1端口的輸出值，那么就可以使得PWM信號(hào)的占空比發(fā)生變化，從而進(jìn)行調(diào)速控制。12位串行計(jì)數(shù)器4040的計(jì)數(shù)輸入端CLK接到單片機(jī)C51晶振的振蕩輸出XTAL2。計(jì)數(shù)器4040每來(lái)8個(gè)脈沖，其輸出Q2Q9加1，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于或者等于單片機(jī)P1端口輸出值X時(shí)，圖中U2的（A>B）輸出端保持為低電平，而當(dāng)計(jì)數(shù)值大于單片機(jī)P1端口輸出值X時(shí)，圖中U2的（A>B）輸出端為高電平。隨著計(jì)數(shù)值的增加，Q2Q9由全“1”變?yōu)槿?”時(shí)，圖

23、中U2的（A>B）輸出端又變?yōu)榈碗娖剑@樣就在U2的（A>B）端得到了PWM的信號(hào)，它的占空比為（255 -X / 255）*100%，那么只要改變X的數(shù)值，就可以相應(yīng)的改變PWM信號(hào)的占空比，從而進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。使用這個(gè)方法時(shí)，單片機(jī)只需要根據(jù)調(diào)整量輸出X的值，而PWM信號(hào)由三片通用數(shù)字電路生成，這樣可以使得軟件大大簡(jiǎn)化，同時(shí)也有利于單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作。由于單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)P1端口輸出全為“1”，使用數(shù)值比較器4585的B組與P1端口相連，升速時(shí)P0端口輸出X按一定規(guī)律減少，而降速時(shí)按一定規(guī)律增大。4.2 PWM功率放大驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)該驅(qū)動(dòng)電路采用了IR2110集成芯片，

24、該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。4.2.1 芯片IR2110性能及特點(diǎn)IR2110是美國(guó)國(guó)際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路以及無(wú)閂鎖CMOS技術(shù)，于1990年前后開(kāi)發(fā)并且投放市場(chǎng)的，IR2110是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動(dòng)的單片式集成驅(qū)動(dòng)器。它把驅(qū)動(dòng)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(gè)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(diǎn)在于，將輸入邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，工作電壓比較高，可以達(dá)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(dòng)采用外部自舉電容上電

25、，與其他驅(qū)動(dòng)電路相比，它在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū)動(dòng)變壓器和電容的數(shù)目，使得MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，而且它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，還具有快速完整的保護(hù)功能。與此同時(shí)，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。4.2.2 IR2110的引腳圖以及功能引腳1（LO）與引腳7（HO）：對(duì)應(yīng)引腳12以及引腳10的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，使用中，分別通過(guò)一電阻接主電路中下上通道MOSFET的柵極，為了防止干擾，通常分別在引腳1與引腳2以及引腳7與引腳5之間并接一個(gè)10K的電阻。引腳2（COM）：下通道MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出參

26、考地端，使用中，與引腳13（Vss）直接相連，同時(shí)接主電路橋臂下通道MOSFET的源極。引腳3（Vcc）：直接接用戶(hù)提供的輸出極電源正極，并且通過(guò)一個(gè)較高品質(zhì)的電容接引腳2。引腳5（Vs）：上通道MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出參考地端，使用中，與主電路中上下通道被驅(qū)動(dòng)MOSFET的源極相通。與引腳6（VB）：通過(guò)一陰極連接到該端陽(yáng)極連接到引腳3的高反壓快恢復(fù)二極管，與用戶(hù)提供的輸出極電源相連，對(duì)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(jí)工作電源端，使用中，接用戶(hù)為該芯片工作提供的高性能電源，為抗干擾，該端應(yīng)通過(guò)一高性能去耦網(wǎng)絡(luò)接地，該端可與引腳3（Vcc

27、）使用同一電源，也可以分開(kāi)使用兩個(gè)獨(dú)立的電源。引腳10（HIN）與引腳12（LIN）：驅(qū)動(dòng)逆變橋中同橋臂上下兩個(gè)功率MOS器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。應(yīng)用中，接用戶(hù)脈沖形成部分的對(duì)應(yīng)兩路輸出，對(duì)此兩個(gè)信號(hào)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(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)全部被封鎖，其對(duì)應(yīng)的輸出端恒為低電平，而當(dāng)該端接低電平時(shí)，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連，所有去耦電

28、容的一端應(yīng)接該端，同時(shí)與引腳2直接相連。引腳8、引腳14、引腳4：為空引腳。圖-驅(qū)動(dòng)集成芯片IR2110 芯片引腳4.2.3 延時(shí)保護(hù)電路利用IR2110芯片的完善設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)保護(hù)電路。IR2110使它自身可對(duì)輸入的兩個(gè)通道信號(hào)之間產(chǎn)生合適的延時(shí)，保證了加到被驅(qū)動(dòng)的逆變橋中同橋臂上的兩個(gè)功率MOS器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間有一互瑣時(shí)間間隔，因而防止了被驅(qū)動(dòng)的逆變橋中兩個(gè)功率MOS器件同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生直流電源直通路的危險(xiǎn)。4.3 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(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓的前提是低壓側(cè)必須有開(kāi)關(guān)的動(dòng)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

29、這個(gè)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(hào)來(lái)控制直流電機(jī)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(hào)恰好相反。在HIN為高電平期間，Q1、Q4導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加正向的工作電壓。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(shí)候，Q2截止，C1上的電壓經(jīng)過(guò)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(shí)IC2的HO為低電平而LO為高電平，Q3截止，C3上的電壓經(jīng)過(guò)VB、IC內(nèi)部電路和HO端加在Q4的柵極上，從而使得Q4

30、導(dǎo)通。電源經(jīng)Q1至電動(dòng)機(jī)的正極經(jīng)過(guò)整個(gè)直流電機(jī)后再通過(guò)Q4到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。此時(shí)直流電機(jī)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(jī)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(shí)候，Q2導(dǎo)通且Q1截止。此時(shí)Q2的漏極近乎于零電平，Vcc通過(guò)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(shí)Vcc通過(guò)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(dòng)機(jī)的負(fù)極經(jīng)過(guò)整個(gè)直流電機(jī)后再通過(guò)Q2到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。此時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)

31、。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(jī)械慣性的緣故，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來(lái)決定的。設(shè)PWM波的周期為T(mén)，HIN為高電平的時(shí)間為t1，這里忽略死區(qū)時(shí)間，那么LIN為高電平的時(shí)間就為T(mén)-t1。HIN信號(hào)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：Vout= t1 - ( T - t1 ) V / T = ( 2 t1 T ) V / T = ( 2D 1 )V定義負(fù)載電壓系數(shù)為，= Vout / V, 那么 = 2D 1 ；當(dāng)T為常數(shù)時(shí)，改變HIN為高電平的時(shí)間t1，也就改變了占空比D，從而達(dá)到了改變Vout的目的。D在01之間變化，因此在

32、±1之間變化。如果我們聯(lián)系改變，那么便可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向的無(wú)級(jí)調(diào)速。當(dāng)=0.5時(shí)，Vout=0,此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0；當(dāng)0.5<<1時(shí)，Vout為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)=1時(shí)，Vout=V,電機(jī)正轉(zhuǎn)全速運(yùn)行。4.3.1輸出電壓波形五、單片機(jī)小系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1主要芯片選擇5.11 單片機(jī)的選擇在詳細(xì)的系統(tǒng)分析、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)上，選用了MCS-51系列的8051單片機(jī)，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示5.1 .2 8253可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器芯片MCS51內(nèi)部只有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，在數(shù)字測(cè)速電路中需要計(jì)數(shù)器，選用了一個(gè)可擴(kuò)展8253芯片。其邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示。8253內(nèi)部具有3個(gè)獨(dú)

33、立的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器有三根I/O線(xiàn)；CLK為時(shí)鐘輸入線(xiàn)，為計(jì)數(shù)脈沖輸入端；OUT為計(jì)數(shù)器輸出端，當(dāng)計(jì)數(shù)器減為零時(shí)OUT輸出相應(yīng)信號(hào)；GATE為門(mén)控信號(hào)，用于啟動(dòng)或禁止計(jì)數(shù)器操作。控制寄存器用來(lái)寄存操作方式控制字，每個(gè)計(jì)數(shù)器都有一個(gè)單獨(dú)的控制寄存器，只能寫(xiě)入不能讀出。8253與單片機(jī)的接口控制邏輯簡(jiǎn)單,D0-D7為雙向、三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn)，是單片機(jī)與8253之間的數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)，RD、WR為數(shù)據(jù)讀、寫(xiě)控制線(xiàn)，A0、A1是地址選擇線(xiàn)，CS是片選線(xiàn)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由CS、A0、A1給出16位地址碼。5.1.3 8279可編程鍵盤(pán)、顯示接口芯片 8279是一種通用的可編程鍵盤(pán)/顯示器接口芯片。

34、它能接收和識(shí)別來(lái)自鍵盤(pán)陣列的輸入數(shù)據(jù)并完成預(yù)處理，還能顯示數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)碼顯示器件進(jìn)行自動(dòng)掃描控制。是實(shí)現(xiàn)CPU與鍵盤(pán)、LED數(shù)碼顯示器之間進(jìn)行信息交換的一種專(zhuān)用芯片。8279與MCS51單片機(jī)的接口非常簡(jiǎn)單，因而在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 8279芯片有40條引腳，由單一5V供電。主要由以下幾個(gè)部分組成（1）I/O控制和數(shù)據(jù)緩沖器；（2）控制和定時(shí)寄存器及定時(shí)控制部分；（3）掃描計(jì)數(shù)器；（4）回送緩沖器與鍵盤(pán)去抖動(dòng)控制電路；（5）FIFO(先進(jìn)先出)寄存器和狀態(tài)電路；（6）顯示器地址寄存器和顯示RAM.5.1.4 AD轉(zhuǎn)換芯片ADC0809 ADC0809是8位逐次逼近性A/D轉(zhuǎn)換器。

35、帶8個(gè)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。啟動(dòng)信號(hào)為脈沖啟動(dòng)形式。ADC0809內(nèi)部設(shè)有時(shí)鐘電路，故CLK時(shí)鐘需外部輸入，允許范圍500KHz1MHz,典型值為640KHZ.每一通道的轉(zhuǎn)換需6673個(gè)脈沖，大約100110 s。5.2 高精度數(shù)字測(cè)速電路5.2.1光電編碼盤(pán)光電編碼盤(pán)是將測(cè)得的角位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電脈沖信號(hào)輸出的數(shù)字傳感器，本設(shè)計(jì)采用增量式光電編碼器來(lái)采樣轉(zhuǎn)速信號(hào)。增量式編碼器是專(zhuān)門(mén)了用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的累計(jì)量。這里以三相編碼器為例來(lái)介紹增量式編碼器的工作原理及其結(jié)構(gòu)。增量式光電編碼器在圓盤(pán)上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線(xiàn)條，在圓盤(pán)兩側(cè)安放發(fā)光元件和光敏元

36、件。當(dāng)圓盤(pán)隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件接受的光增量隨透光線(xiàn)條同步變化，光敏元件輸出波形經(jīng)過(guò)整形后變成脈沖。碼盤(pán)上有向標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈z相輸出一個(gè)脈沖。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還提供相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)。將A、B兩相脈沖中任何一相輸入計(jì)數(shù)器中，均可使計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。編碼盤(pán)輸出的z相脈沖用于復(fù)位計(jì)數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。編碼盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向可以通過(guò)D觸發(fā)器的輸出信號(hào)Q來(lái)判斷。整形后的A、B兩相輸出信號(hào)分別接到D觸發(fā)器的時(shí)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(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，B相脈沖超前A相脈沖90°，觸發(fā)器總是

37、在B脈沖為高電平時(shí)觸發(fā)，這時(shí)D觸發(fā)器的輸出端Q輸出為高電平。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)觸發(fā)，這時(shí)Q輸出端輸出為低電平，由此確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)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(cè)速，本設(shè)計(jì)使用每轉(zhuǎn)1024線(xiàn)的光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測(cè)速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機(jī)對(duì)該頻率信號(hào)采用M/T法測(cè)速處理。5.2.2 M/T法測(cè)速原理 M/T法測(cè)速原理是在對(duì)光電編碼器輸出的測(cè)速脈沖數(shù)m1進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)對(duì)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)m2也進(jìn)行計(jì)數(shù)。原理圖如下： 在本系統(tǒng)

38、中，由于,所以轉(zhuǎn)速計(jì)算公式有：5.2.3 數(shù)字測(cè)速硬件電路數(shù)字測(cè)速硬件電路如圖所示。圖中8253的0號(hào)、1號(hào)計(jì)數(shù)器分別對(duì)m1m2進(jìn)行計(jì)數(shù)，D觸發(fā)器F1用來(lái)使m2的計(jì)數(shù)與測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)同步，由于8253為下降沿計(jì)數(shù)，故使用反向器G，啟動(dòng)測(cè)速和停止測(cè)速信號(hào)有89C52單片機(jī)的軟件向P1.2口輸出，P1.3口用于測(cè)速電路軟件輸出復(fù)位脈沖信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)m1和m2同步計(jì)數(shù)，8253的0號(hào)和1號(hào)計(jì)數(shù)器使用方式2工作。上電初始化進(jìn)入這種方式后，可用GATE電平對(duì)計(jì)數(shù)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)8051單片機(jī)在原理圖上s點(diǎn)時(shí)刻向P1.2口輸出高電平，發(fā)出啟動(dòng)測(cè)速信號(hào)，即置GATE0為高電平，0號(hào)測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器立即從初始值開(kāi)始

39、計(jì)數(shù)直至在原理圖上b點(diǎn)時(shí)刻向P1.2口輸出低電平，即發(fā)出停止測(cè)速信號(hào)，迫使計(jì)數(shù)過(guò)程停止。這樣從測(cè)速啟動(dòng)點(diǎn)s到停止點(diǎn)b時(shí)間間隔內(nèi)，GATE0為高電平，則輸入8253 CLK0端口的測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)值即為m1。在上圖中，時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的GATE1與D觸發(fā)器輸出的Q端相接。當(dāng)P1.2口輸出高電平開(kāi)始測(cè)速后，要等隨后的第一個(gè)輸入測(cè)速脈沖上升沿進(jìn)入D觸發(fā)器的觸發(fā)脈沖CP端，Q才變?yōu)楦唠娖剑撕?MHZ時(shí)鐘脈沖開(kāi)始計(jì)數(shù)，相當(dāng)于原理圖中a點(diǎn)時(shí)刻。同樣當(dāng)P1.2口輸出低電平停止測(cè)速，時(shí)鐘脈沖要等到圖中c點(diǎn)才停止計(jì)數(shù)，此時(shí)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值m2剛好是整m1個(gè)測(cè)速脈沖的時(shí)間間隔。5.3電流檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路有霍爾電流傳感器（

40、TA），兩級(jí)運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。若電樞回路的兩匝穿過(guò)霍爾元件，則電動(dòng)機(jī)的電樞電流與霍爾元件的輸出電流之比是1000：1.在本設(shè)計(jì)中我們選用8位單極性AD將電流模擬反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸入微型計(jì)算機(jī)。而直流調(diào)速系統(tǒng)是雙極性的，霍爾元件的輸出信號(hào)是和電樞電流線(xiàn)性對(duì)應(yīng)的雙極性弱電流信號(hào)。因此需要對(duì)霍爾元件輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波、放大。電路原理圖 （微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)P184圖6-16）。圖中R1=50,霍爾元件所允許的負(fù)載電阻，R2=10k。則霍爾元件輸出的電流信號(hào)Im線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Um，Um再經(jīng)過(guò)兩級(jí)運(yùn)放放大和濾波后到達(dá)AD轉(zhuǎn)換器的輸入端口。電樞電流是雙極性的，變化范圍在A之內(nèi)，設(shè)電樞電流Ia=20A時(shí)，對(duì)應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器模擬輸入電壓為5V，當(dāng)Ia=-20A 時(shí)，對(duì)應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器模擬輸入電壓為0V，當(dāng)Ia=0時(shí)，對(duì)應(yīng)AD模擬輸入電壓為2.5V。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為8位二進(jìn)制數(shù)碼，當(dāng)參考電壓為5V時(shí)，若輸入電壓為5V，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為255；輸入電壓為0