1、基于PIC18F458的直流電動機PWM調速控制系統設計摘要：當今，自動化控制系統已經在各行各業得到了廣泛的應用和發展，而直流驅動控制作為電氣傳動的主流在現代化生產中起著主要作用。長期以來，直流電動機因其轉速調節比較靈活，方法簡單，易于大范圍平滑調速，控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統治地位。它廣泛應用于數控機床、工業機器人等工廠自動化設備中。隨著現代化生產規模的不斷擴大，各個行業對直流電機的需求愈益增大，并對其性能提出了更高的要求。為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機控制系統有著十分重要的現實意義。 本文設計是一套基于PIC單片機的直流電機控制器，作為其配套的試驗裝置。論文根據系統

2、的要求完成了整體方案設計和系統選型，針對所設計的控制方案對控制系統的軟、硬件設計作了詳細論述。硬件部分先作了整體設計，然后介紹了以PIC16F458單片機為核心的硬件構成，對鍵盤電路、測量電路、顯示電路等作了詳細闡述;軟件部分采用模塊化設計思想，編制了各個模塊的流程圖。論述了軟件的設計思想和方法;實現了對直流電動機轉動參數的設置、啟動、停止、加速、減速和顯示等功能。利用PIC系列芯片進行低成本直流電動機控制系統的設計，能夠簡化系統構成、降低系統成本、增強系統性能、滿足更多應用場合的需要。 針對直流電機運行環境惡劣、干擾嚴重的特點，從系統的硬件設計、軟件設計等多方面進行抗干擾的綜合考慮，并利用多

3、種軟件和硬件技術來提高和改善系統的抗干擾能力，有效地提高了系統的可靠性和實用性。關鍵詞:直流電機，PIC單片機，速度控制Abstract Nowadays，automatic control systems have been widely used and developed in Every aspect of life. As the artery in the area of electric drive systems DC drives become more and more important in modem Production. For a long time，DC mo

4、tor has Possessed the main role in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth timing in a wide range，besides，its control Performance excellent. DC motor is widely used on the automatic equipments，such as CNC and industrial robot. As the scale of Production

5、becomes larger and larger，the demand and requirements become higher and higher ,so the research on improving the DC controlling system behavior has important sense.This design is a system of DC motor multiple speeds Based on PIC MCU is designed，as its necessary test equipment. It finished the total

6、Project design of system and model selection .The hard ware and software design of the system according to the Preceding solutions are discussed detailed. For the hardware Part after a dissertation on the whole design，the core hardware of the control system is the PIC MCU，the Paper introduced the de

7、tails of some hardware Problem，including input circuit of keyboard， measure circuit，display circuit and so on .The method of software Planning for it is also discussed. For the software Part，with the Introduction of modular design concept some Procedure flow charts of main Program subroutine are off

8、ered. The Paper designs the software which achieves the functions，such as install Parameters，download Parameters，startup，stop accelerate and decelerate. This new family of PIC enables cost-effective design of controllers for DC motors which can fulfill more conditions，consisting of fewer system comp

9、onent，lower system cost and increased Performances.Aiming at the characteristic of bed environment and serious disturbance，many kinds of software and hardware technology are applied to improve systematic anti-interference ability， which comprehensively improve systematic dependability and Practicabi

10、lity.It has been Proved by experiments that this system can make the high Precise and multiple speed motor control come true. Stepping out the Performance index is realize Now this system has been Put into experiment.Keywords DC Motor ; PICMCU， Speeds Control1 緒論1.1 引言當今，自動化控制系統已經在各行各業得到了廣泛的應用和發展，而直

11、流調速控制作為電氣傳動的主流在現代化生產中起著主要作用 ，無論是在工農業生產、交通運輸、國防、航天航空、醫療衛生、商務與辦公設備、還是在日常生活中的家用電器都大量使用著各式各樣的電氣傳動系統，其中許多系統有調速的要求:如車輛、電梯、機床、造紙機械等等。為了滿足運行、生產、工藝的要求往往需要對另一類設備如風機、水泵等進行控制:為了減少運行損耗，節約電能也需要對電機進行調速。電機調速系統由控制部分、功率部分和電動機三大要素組成一個有機整體。各部分之間的不同組合，可構成多種多樣的電機調速系統。三十多年來，直流電機傳動經歷了重大的變革。首先實現了整流器的更新換代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發

12、電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路已經實現高集成化、小型化、高可靠性及低成本。同時，控制電路已經實現高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。 隨著微控制器尤其是脈寬調制 PWM 專門控制芯片的飛速發展, 其對電機控制方面的應用起了很重要的作用, 為設計性能更高的直流控制系統提供了基礎。本文對基于PIC單片機的直流電機 PWM 調速系統進行了較深入的研究，從直流調速系統原理出發，逐步建

13、立了單閉環直流 PWM調速系統的數學模型。用微機硬件和軟件發展的最新成果，探討一個將微機和電力拖動控制相結合的新的控制方法，研究工作在對控制對象全面回顧的基礎上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現控制所需要的硬件和軟件的探討。在硬件方面充分利用微機外設接口豐富，運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結合的措施，實現對轉速閉環調速系統的控制。在微機控制方面，討論了顯示、PWM、光電編碼盤測速的原理,并給出了軟、硬件實現方案。該方案以驅動芯片與一些外圍電路。通過實時測試，調節電動機的轉速，此調速系統可獲得快速、精確的調速效果。1.2 直流電機調速系統的發展 直流電氣傳動系統中需要有專門的可控直流電源

14、，常用的可控直流電源有以下幾種:第一，最初的直流調速系統是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現調速。這種方法簡單易行，設備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、不能在較寬范圍內平滑調速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現了發電機電動機(也稱為旋轉變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優良的調速性能，如有較寬的調速范圍(十比一至數十比一)、較小的轉速變化率和調速平滑等。特別是當電動機減速時，可以通過發電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發電機電動機

15、調速系統的主要缺點是需要增加兩臺與調速電動機相當的旋轉電機和一些輔助勵磁設備，因而體積設備較多、體積大、費用高、效率低、安裝需要地基、運行有噪聲、維修困難等。第三，自出現汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發電機電動機系統，使調速性能指標又進一步提高。特別是它的系統快速響應性是發電機電動機系統不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出現了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優越性，因而晶閘管直流調速系統立即顯示出強大的生命力。由于它具有體積小、響應快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優點

16、，采用晶閘管供電，不僅使直流調速系統經濟指標上和可靠性有所提高，而且在技術性能上也顯示出很大的優越性。晶閘管變流裝置的放大倍數在10000以上，比機組(放大倍數10)高1000倍，比汞弧變流器(1000)高10倍;在快速響應性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。因此，目前在直流調速系統中，除某些特大容量的設備而且供電電路容量較小的情況下，仍有采用機組供電、晶閘管勵磁系統以外，幾乎絕大部分都已改用晶閘管相控整流供電了。 隨著微電子技術的發展，微機功能的不斷提高以及電力電子、計算機控制技術的發展，電氣傳動領域出現了以微機為核心的數字控制系統。計算機的發展可以使復雜的控制規律較方便的實現，以計

17、算機為核心的數字控制技術成為自控領域的主流，也給直流電氣傳動的發展注入了新的活力，使電氣傳動進入了更新的發展階段。1.3 直流電機基本調速方法 直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機調速系統最早采用恒定直流電壓給直流電動機供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現調速。這種方法簡單易行，設備制造方便，價格低廉；但缺點是效率低，機械特性軟，不能得到較寬和平滑的調速性能。該法只適用在一些小功率且調速范圍要求不大的場合。30年代末期，發電機-電動機系統的出現才使調速性能優異的直流電動機得到廣泛應用。這種控制方法可獲得較寬的范圍，較小的轉速變化率和調速性能。但此方法的主要缺點是系統重量大，占地多

18、，效率低及維修困難。近年來，隨著電力電子的迅速發展，有晶閘管變流器供電的直流電動機調速系統以取代了發電機-電動機調速系統，它的調速性能遠遠超過了發電機-電動機調速系統。特別是大規模集成電路技術以及計算機的飛速發展，使直流電動機調速系統的精度，動態性能，可靠性有了更大的提高。電力電子技術中的IGBT等大功率器件的發展取代晶閘管，出現了性能更好的直流調速系統。直流電動機的轉速n和其他參量的關系可表示為 （1）式-電樞供電電壓（V） -電樞電流（A） -勵磁磁通（) R -電樞回路總電阻（） -電勢系數，p為電磁對數，a為電樞并聯支路數，N為導體數。 由式1可以看出，式中三個參量都可以成為變量，只要

19、改變其中一個參量，就可以改變電動機轉速，所以直流電動機有三種調速方法：（1）改變電樞回路總電阻（2）改變電樞供電電壓（3）改變勵磁磁通。（4）采用大功率半導體器件的直流電動機脈寬調速方法本設計采用大功率半導體器件的直流電動機脈寬調速方法 其方法就是相當于直流電電壓降低，功率及轉速降低。脈寬調制（PWM）是調整脈沖的寬度而不是頻率。“脈沖寬了”指的是高電平時間長了，低電平時間短了，是通過改變電機電樞電壓接通時間和通電周期的比值（即占空比)來控制電機速度，這種方法稱為脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation）簡稱PWM。即供電電壓是寬度可調的脈沖電壓，當脈沖最寬時，相當于直流電，

20、功率最大，轉速最高。脈沖寬度減脈沖頻率并沒有變。脈寬調制并不是直接調整電機的速度，而是改變電機的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉速就提高了。調速原理如圖1所示。通過控制脈沖占空比來改變電機的電樞電壓。改變占空比的方法有3種：（1）定寬調頻法，這種方法是保持不變，只改變，這樣周期（即頻率）也改變；（2）調寬調頻法，保持不變，而改變，這樣也使周期（即頻率）改變； （3）定頻調寬法，這種方法是使周期（即頻率）不變，而同時改變和。由于前二種方法是改變周期（或頻率），當控制頻率與系統的固有頻率接近時，將會引起振蕩，用的比較少，因此本系統用的是定頻調寬法。在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加。電機斷電時

21、，轉速逐漸減小。只有按一定規律，改變通電時間，即可實現對轉速的控制。1.4 PWM調速方案的優越性自從全控型電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調制變換器直流電機調速系統，PWM的H型屬于調壓調速，PWM的H橋能實現大功率調速；國內的超大功率調速還要依靠可控硅實現可控整流來實現直流電機的調壓調速。本設計采用直流極式控制的橋式PWM變換器。與V-M系統相比在很多方面有較大的優越性：1） 主電路線路簡單，需用的功率器件少。2） 開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電極損耗及發熱都較小。 3） 低速性能好，穩態精度高，調速范圍寬，可達1:20000左右。4） 若

22、是與快速響應的電機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗干擾能力強。5） 功率開關器件工作在開關狀態，通道損耗小，當開關頻率適中時，開關損耗也不大，因而裝置效率高。6） 直流電機采用不控整流時，電網功率因素比相控整流器高。 由于由以上優點直流PWM系統應用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態性能中。已完全取代了V-M系統。為達到更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環控制下運行。經常采用的閉環系統有轉速負反饋和電流截至負反饋。2 系統方案設計2.1 直流電機的能量轉換和特性曲線直流電機將電能，(電流I和電壓u)轉化為機械能(速度n。和轉矩M)。其中損耗可分為摩擦損耗和熱損耗(熱損耗是由于線圈

23、電阻R產生)。余下的轉化為機械能幾，如圖2.1所示。因此電機的功率守恒可表述為: 更詳細的敘述為： 在這能量轉化過程中，有兩個特性參數是至關重要的，他們是速度常數。和轉矩常數。速度常數是指速度n和線圈感應電壓“樹之間的關系，是指在忽略摩擦的情況下的每個單位電壓下的速度變化。與速度是成正比的，公式如下:轉矩常數所聯系的是機械轉矩M和電流I之間的關系，是指轉矩和有效電流之比。公式如下:速度常數。和轉矩常數有如下關系:如果用轉矩M和轉矩常數來表示電流，可得如下關系： 考慮到。和之間的關系，我們可將上式進一步化為: 上式便是直流電機的轉速、轉矩、電阻、轉矩常數和速度常數之間的關系。這里轉矩單位是N.m

24、;電流單位是A;速度單位是rpm;電壓單位是V。直流電機可以運行在額定范圍內的任何電壓下，速度一轉矩曲線表述的是在一恒定電壓U下電機的機械表現，該曲線可由兩點法給出:空載轉速n。和堵轉轉矩(空載轉速:電機在額定電壓、空載的情況下的轉速;堵轉轉矩:它是電機在堵轉條件下的轉矩值，也叫起動轉矩)，如圖所示。空載轉速與堵轉轉矩將隨著給定電壓的改變而成線性關系。它相當于速度一轉矩曲線在特性曲線上平移，如圖2.2所示。空載轉速與電壓有如下關系:速度一轉矩曲線走勢是由斜率來表述的，與電壓無關要，它是一項體現電機性能的重參數，如下關系:直流電機的速度與轉矩間的關系可用下式表示:2.2 系統總體方案根據1.3節

25、系統功能要求和技術指標，系統總體方案設計如下圖所示。 圖2.3直流電機多速控制器系統結構圖 系統以PIC單片機為控制核心，通過鍵盤設置各段運行參數，也可通過電腦設置下載到單片機。單片機輸出二進制控制量，經D/A轉換電路將對應模擬電壓送到直流伺服放大器的設定值輸入端。放大器根據輸入的模擬電壓而輸出對應的電壓來控制直流電機的轉速。直流電機同軸的光電編碼器E輸出A、B兩路方波信號送到整形電路，通過整形電路送到單片機用于測量轉速。不斷比較設定值和實際值，根據比較獲得的誤差調節放大器的輸出電壓。顯示部分顯示各段設定的時間值、轉速值和測量的轉速值;單片機主要完成參數設置、轉速測量、參數顯示和控制輸出等功能

26、。2.3 系統器件選型光電數字編碼器選型光電數字編碼器選用maxon集團的數字MR 旋轉一周計數 1024 通道數 3 最高工作頻率 320Hz VCC SV士5% 輸出信號 TTL兼容 零位脈沖寬度(額定) e 工作溫度范圍 一25一85 編碼盤慣量 1.7g2.3.2放大器選用的芯片 IR2111驅動電路，該電路中，采用MOSFET 和IGBT 專用集成驅動芯片IR2111 對IRF530進行柵極驅動。IR2111內置自舉工作單元，柵極驅動電壓范圍寬，單通道施密斯邏輯輸入，輸入與TTL和CMOS電平兼容，高端輸出與輸入相同，低端輸出經死區時間調整后與輸入反向，可同時驅動同一橋臂上的兩只功M

27、OSFET。 IR2111的懸浮自舉技術是指，不管功率開關器件源極電壓多少，通過自舉電容和自舉二極管的工作，總能保證待驅動功率器件的柵極與源極之間的電壓為10-20V，即能驅動該功率器件正常工作。IR2111內置的自舉工作工作單元本質上是電荷泵電路，電荷泵電路的簡單自舉原理介紹如下： 圖4自舉原理 如圖所示，電容的a端通過二極管接，電容C的b端接幅值的方波。當b點點位為O時，D到通，開始對電容C充電，直到節點的電位達到（假設二極管為理想二極管）；當點電位上升至高電平時，因為電容兩端電壓不能突變，此時點電位上升為，所以，點電壓就是一個方波，最大值是，最小值是，可見輸出端電壓平均值將高于，其波形就

28、跟隨輸入波形的變化而變化，但始終維持一個穩定的差值，實現自舉。2.4 單片機選型由單片機實現檢測控制，其中一個首要的工作就是選擇合適的單片機。目前國內在使用單片機作控制系統的微處理器時多選擇51系列或Motorola系列單片機，而本系統選用的PIC系列單片機在多個方面較其它系列單片機更有優越性。下面對PIC單片機作較詳細介紹。PIC單片機與其他單片機的比較 當今世界上涌現出各種各樣的單片機，目前應用較廣的主要有美國Intel公司開發和生產的MCS一51，MCS一96系列、臺灣ICSI公司的8051系列、美國Motorola公司的MC68系列和美國Microchip公司的PIC系列等，其中各個系

29、列的單片機都有其各自的優點，與其它系列相比，美國Microchip公司近幾年推出的系列PIC單片機，它的最大優點表現在引腳少、功能強、可直接帶LED負載:具有低耗能工作方式，較簡便地實現掉電保護;外圍配置簡單、明晰、提高了整機的可靠性;并且具有較強的抗干擾性，大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機控制電路的電磁干擾的能力，從而提高了工業電腦自動控制器的適應能力，以下分幾個方面通過與其它類型單片機的比較來說明它的優越之處。(l)哈佛總線結構PIC系列單片機在架構上采用了與眾不同的設計手法，PIC系列單片機不僅采用了哈佛體系結構(也就是兩種存儲器位于不同的邏輯空間里，這種架構的微控制器、微處理器、數字

30、信號處理器或者微型計算機系統，稱為哈佛體系結構)，而且還采用了哈佛總線結構。在PIC系列單片機中采用的這種哈佛總線結構，就是在芯片內部將數據總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，這樣做的好處是，便于實現指令提取的“流水作業”，也就是在執行一條指令的同時對下一條指令進行取指令操作;便于實現全部指令的單字節化、單周期化，從而有利于提高CPU執行指令的速度。在一般的單片機中，指令總線和數據總線是共用的(即分時復用)Motorola公司開發的MC68HC05/08系列單片機，其程序存儲器和數據存儲器統一編址(也就是兩種存儲器位于同一個邏輯空間里，這種架構的微控制器、微處理器、數字信號處理器或者微型計

31、算機系統，稱為普林斯頓體系結構)，早期在國內市場上最流行的單片機產品Intel開發生產的MCS一51系列單片機，其程序存儲器和數據存儲器雖然獨立編址;但是它們與CPU之間傳遞信息必須共用同一條總線，仍然擺脫不了瓶頸效應的制約，于是影響到CPU運行速度的進一步提高。見圖2.6。(2)指令單字節化因為數據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和數據存儲器RAM的尋址空間(即地址編碼空間)是互相獨立的，而且存儲器度也不同。這樣設計不僅可以確保數據的安全性，還能提高運行速實現全部指令的單字節化。在此所說的字節，特指PIC單片機的指令字節，是常說的8位字節。例如，PIC12C50

32、X/PIC16CSX系列單片機的指令字節12位，PIC16C6X/PIC16C7X/PIC16CSX系列的指令字節為14位;PIC18FXXX系列的字節為16位。它們的數據存儲器全為8位寬。而MCS一51系列單片機的ROM和寬度都是8位，指令長度從一個字節(8位)到3個字節長短不一。另外，PIC微控制器的取指令和執行指令采用指令流水線結構，當一條指令被執行時允一條指令同時被取出，使得在每個時鐘周期內可以獲得的最高效率。其指令線結構見圖2.7。(3)精簡指令集(RISC)技術PIC系列單片機的指令系統(就是該單片機所能識別的全部指令的集合，叫做指令系統或者指令集)只有35條指令。PIC系列單片機

33、不僅全部指令均為單字節指令，而且絕大多數指令為單周期指令，以利于提高執行速度。這給指令的學習、記憶、理解帶來很大的好處，也給程序的編寫、閱讀、調試、修改、交流都帶來極大的便利，真可謂“易學好用”。而MCS一51單片機的指令系統共有In條指令，MC68HCOS單片機的指令系統共有89條指令。(4)尋址方式簡單尋址方式就是尋找操作數的方法。PIC系列單片機只有4種尋址方式(即寄存器間接尋址、立即數尋址、直接尋址和位尋址)，容易掌握，而MCS一51單片機則有7種尋址方式，68HC05單片機有6種尋址方式。(5)代碼壓縮率高IKB的存儲器空間，對于PIC系列單片機則能夠存放的指令條數可達1024條。對

34、于像MCS一51這樣的單片機，大約只能存放600條指令，而與幾種典型的單片機相比，PIC系列單片機是一種最節省程序存儲器空間的單片機。(6)尋址空間設計簡潔PIC系列單片機的程序、堆棧、數據三者各自采用互相獨立的尋址(或地址編碼)空間，而且前兩者的地址安排不需要用戶操心，這會受到大家的歡迎。而MC68HC05和MC68HCn單片機的尋址空間只有一個，編程時需要用戶對程序區、堆棧區、數據區和1/0端口所占用的地址空間作精心安排，這樣給開發人員在設計上帶來很大的麻煩。(7)外接電路簡潔與MCS一51系列及其它單片機相比，PIC單片機內集成了上電復位電路、1/0引腳上拉電路、看門狗定時器，尤其是集成

35、了ADC模塊和CCP模塊(輸入捕捉/輸出比較/脈寬調制)，可以最大程度的減少和免用外接器件，以便實現“純單片”化，這樣，不僅便于開發，而且還可以節省電路板空間和制造成本。(8)存儲器容量大PIC18F458系列單片機具有多達1536字節的數據存儲器(RAM)，多達256的EEPROM數據存儲器，另外還有多達SKxl4字節的可多次重復寫入的閃速FLASH程序存儲器。而MCS一51單片機只有4K字節的EEPROM。128字節RAM以及64K的外部數據、程序存儲器空間，無FLASH程序存儲器。(9)定時器數目多、功能全PIC系列單片機具有3個定時器:帶有8位預分頻器的8位定時器/計數器TMR0;帶有

36、預分頻器的16位定時器/計數器TMR1，并且在休眠期間外部晶振/時鐘可以工作;以及帶有8位周期寄存器、預分頻器和后分頻器的8位定時器/計數器TMR3。而MCS一51只有兩個16位的定時器/計數器。(10)獨特具有的功能PIC系列單片機具有兩個捕獲(Capture)、比較(Compare)、脈寬調制(PWM)模式、多通道10位A/D轉換器、帶有SPI和IZC的同步串行端口SSP、帶有9位地址檢測的同步異步接收發送器USART(USART/SCI)、8位寬并行從屬端口(PSP)、有節電鎖定復位的節電檢測電路等;而MCS一51系列單片機沒有。 PIC18F458單片機的其它優點(1)CPU的性能特點

37、 它有16位指令，8位寬數據通道，高達2MB的程序存儲器，4kB的數據存儲器，高達10MIPS的執行速度。DC-40MHz時鐘輸入，4-10MHz帶PLL鎖相環有源晶振/時鐘輸入；帶優先級的中斷和8單周期硬件乘法器。(2)外圍功能模塊特性捕捉/比較/脈寬調制（PWM）（CCP）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；脈寬調制（PWM）輸出: 分辨率為1-10位；最高PWM頻率：88位分辨率時為156kHz，10位分辨率時為39kHz。增強型CCP模塊具有標準型CCP模塊的所有特性，但它在先進的電機控制時還有如下特性：1，2

38、，4路的PWM輸出；可選擇PWM的極性；可編程的PWM死區時間。(3)運行速度高PIC18F458由于采用了哈佛總線結構，以及指令的讀取和執行采用了流水作業方式，使得PIC18F458單片機運行速度大大提高，遠遠高于其它相同檔次的單片機。(4)功耗低PIC18F458單片機的功率消耗極低，是目前世界上低的單片機之一。在8MHz時鐘下工作時耗電不超過mA，在睡眠模式下耗電可以低到1mA以下。(5)驅動能力強I/0端口驅動負載的能力較強，每個I/O引腳吸人和輸出電流的最大值可分別達到2mA和20mA，能夠直接驅動發光二極管LED、光電禍合器或者微型繼電器等。(6)獨特的C語言開發環境對于PIC18

39、F458單片機，Microchip公司提供了“C語言編譯程序”，這樣用C語言這樣高級語言來進行程序設計，可大大的提高了工作效率。與一般的C語言版本如Turbo C相比，作為單片機的開發語言，PICC增加了針對PIC單片機硬件本身的操作，如端口、引腳的輸入輸出、寄存器的位操作等。(7)產品系列齊全、擁有高性能的高端產品另外，必須說明的是，PIC系列單片機品種齊全、根據其指令的位數可分為初級產品、中級產品和高級產品，在以后的開發過程中，可根據具體需要選擇單片機的型號。其高級產品一16位指令字系列的PIC17CXXX和PIC18CXXX。16位指令字系列是8位單片機中運行速度最快的，它具備一個指令周

40、期內完成8位二進制乘法的能力，可以在一些需要高速運算的應用場合取代DSP數字信號處理器。再加上PIC17CXXX還具有豐富的I/0控制功能，并可以外接擴展EPROM和RAM，使它成為目前8位單片機中性能最高的品種之一，可被廣泛的應用于高中檔的電子設備中。而PIC18CXXX系列是一款高性能、全靜態設計、內帶A/D轉換器的CMOS16位單片機，可應用于各種復雜和高性能的電子及工業控制。正因為如此本課題選用PIC18F458單片機，為以后產品升級及個人能力的進一步提高都將帶來便利。2.5本章小結本章分析了直流電機的能量轉換和特性曲線;依據系統技術要求進行了整體方案設計;分析了系統工作原理;依據系統

41、技術要求和方案對直流電機、放大器、光電數字編碼器、PIC單片機等進行了選型。3 硬件電路設計3.1 引言本系統在設計硬件電路時主要從以下原則出發:(l)硬件電路設計與軟件設計相結合優化硬件電路。一些由硬件實現的功能可用軟件來實現，反過來一些由軟件實現的功能也可用硬件來完成。用軟件來實現硬件的功能時，其響應時間比用硬件實現長，還要占用CPU時間。但是用軟件實現硬件的功能可以簡化硬件結構，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。因此在本系統的設計過程中，在滿足可行性和實時性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實現。(2)可靠性及抗干擾設計。根據可靠性設計理論，系統所用芯片數量越少，系統的平均無故障時間越

42、長，而且所用芯片數量越少，地址、數據總線在電路板上受干擾的可能性就越少，因此單片機基本系統的設計思想是在滿足功能的情況下力爭使用較少數量的芯片。(3)靈活的功能擴展。一次設計往往不能完全考慮到系統的各個方面，系統需要不斷完善，需要進行功能升級。功能擴展時系統應該在原有設計不需要很大改變的情況下，修改軟件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能擴展是否靈活是衡量一個系統優劣的重要指標。根據系統要求及上面幾個硬件設計原則，系統以單片機PIC18F458為中央處理單元，由鍵盤輸入電路，LCD顯示，放大器連接電路等組成。下面對主要的電路設計做詳細介紹。3.2 H橋電路PWM控制電路直流電機驅動中使用最廣

43、泛的H型全橋驅動電路，如圖3.23.2.1H橋工作原理當開關與閉合時，負載電流從電源由A流向B。此時負載端A點相對于B點是正電位，電機兩端承受正向電壓。開關與由控制邏輯來同步工作，在開關與閉合期間，控制邏輯使另一對開關與處于斷開狀態。反之，當開關與閉合時，開關與斷開，此時，負載電流從電源U由B流向A，負載端B點相對于A點是正電位，電機兩端承受反向電壓。通過調節PWM信號的占空比就可以改變電機電樞兩端的平均電壓，從而控制電機的轉速或方向。當PWM信號占空比時，電樞兩端電壓平均值為正，電機正向轉動；當時，電樞兩端電壓平均值為負，電機平均值為負，電機反轉；時，電機電樞電壓平均值為0，電機停轉，但此時

44、電樞兩端電壓的順時值并不為0，而是幅值接近電流電源電壓U的方波。 與功率開關并聯的二極管為快會恢復二極管，作為續流二極管使用。當、的PWM信號變為低電平后，功率管、關斷而、飽和導通。電樞兩端所加電壓為-U，此時，電樞電流方向不能立刻改變，必須通過二極管與續流。同理，當、的PWM信號變為低電平后，電機通過二極管、續流。 H橋器件選擇本系統中，選擇功率MOSFET作為開關器件。功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點。此處，選取N溝道的功率MOSFET IRF530作為開關器件。和則組成放電回路，消耗電感中存儲的能量。其中，要用阻值在千歐級、功率在5W的水泥電阻

45、，阻值的具體大小要在不同的電路應用中調整確定。工作頻率選擇 要使電路穩定的工作，需要合適地選擇PWM的頻率。如果頻率選擇過低，輸出到電機兩端電壓的低頻紋波較大，會對電機的平穩運行造成影響，而且低頻的PWM信號會使直流電機在運行的過程中產生很大的噪聲，極大影響轉臺操作人員的工作環境；如果頻率選擇過高，由于光耦、IR2111、MOSFET等器件的開關特性的限制，不可能輸出較為理想的方波，這會使輸出的PWM波形發生畸變，無法有效的控制直流電機的運轉。經過多次實踐證明，此電路的PWM工作頻率選擇32KHz為宜。此頻率在超聲波頻段范圍內，可以消除電機在工作過程中的噪音。3.3放大電路的連接電路IR211

46、1外圍電路如圖所示。單片機輸出的PWM信號經光耦后，輸出至IR2111輸入端，此處的光耦對PWM信號起到隔離、電平轉換和功率放大的作用。圖中，、為光耦上拉電阻，其值根據所用光耦的輸入和輸出地電流參數決定：為電容濾波電容，為自舉二極管，、為柵極驅動電阻。圖3.2 IR2111驅動功率MOSFET3.4鍵盤輸入電路本系統采用鍵盤，如圖3.4所示。圖3.4為按鈕電路3.5電源電路控制系統需要一個穩定的工作電壓才能可靠工作，本系統的IR2111放大器要士12V; PIC單片機、數碼管驅動、顯示電源需要+5V;考慮到本系統的情況，采用了直接從市場上購買開關電源來滿足要求，如圖3.3所示。圖3.5 所需電

47、源3.6復位和時鐘電路為了預防系統在突然情況下出現死機等問題，特設計復位電路進行對程序計數器的PC重新賦值并重新開始工作，根據PIC18F458系列單片機的特點，采用典型的復位電路接法，不僅可以在上電時自動復位，還可以在程序運行中手動復位，手動復位只需要按下復位電路中的按鍵即可。如圖3.6。圖3.6復位和時鐘電路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、無電磁輻射、壽命長、價格低、接口方便等一系列顯著優點，被廣泛應用與各種儀表儀器、測量顯示裝置、計算機顯示終端等方面。其中，字符液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數字、符號的點陣式液晶顯示模塊。TS1620字符液

48、晶顯示模塊以ST7066和ST7065為控制器，其接口信號功能和操作指令與HD44780控制器具有兼容性。字符液晶有81、162、202、402等20多種規格型號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，與單片機的接口具有通用性。下圖為外觀機構。3.7.2 TS1620引腳與功能TS1620的引腳與功能表下圖所示。引腳好引腳符號名稱功能1GND電源地接5V電源地端2VDD電源正端接5V電源正端3VEE液晶驅動電壓端電壓可調，一端接地，一端接可調電阻4RS寄存器選擇段RS=1為數據寄存器，RS=0為指令寄存器5RW讀/寫選擇端RW=1為讀數據，RW=0為寫數據6EN讀/寫使能端寫時

49、，下降沿觸發；讀時，高電平有效7至14DB0DB78位數據線數據總線 TS1620與PIC18F單片機接口 TS1620模塊與單片機的接口簡單，PIC18F單片機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RS、RW、EN分別與PIC18F458的RE0-RD2相連接。3.8轉速測量電路設計一個完善的閉環系統，其定位精度和測量精度主要由測量元件決定，因此，高精度的測量轉速對測量元件的質量要求相當高。光電編碼器是現代系統中必不可少的一種數字式速度測量元件，被廣泛應用于微處理器控制的閉環控制系統中。3.8.1光柵

50、盤光柵盤是在圓盤邊刻有很多光柵。當光源照射到光柵部分時，沒有被光柵擋住的光源就透射過去。本系統中采用了一個圓面上刻有60個均勻光柵格的光柵盤。當電機旋轉一周時，會產生60個光脈沖信號。 光電傳感器 光電傳感器原理是有一個發光二極管和一個由光信號控制放大的三極管組成。由發光二極管發出紅外光線通過3mm寬的氣隙透射到另一端的三極管上，使得該三極管導通。其特征如下：l 氣隙是3mm。l 分辨率達到0.5mm。l 大電流傳輸比。l 暗電流為：0.25l 在=10mA時，發光二極管產生的光線的波長為940nm。安裝時將光柵盤圓面鉗到溝槽中，光電傳感器的發光二極管發出的紅外線通過3mm氣隙照射到光柵盤，光

51、通過光柵盤面上透光的光柵氣隙可以使得光傳感器的三極管導通，從C極會輸出一個低電平，被光柵擋住的光不能透過去，使得光電傳感器的C極會輸出一個高電平。3.81光電傳感器原理圖光電傳感器在硬件電路設計上很簡單,如圖。在光電傳感器的1引腳上接一個限流電阻R，限制流過發光二極管的電流=10mA左右。計算公式如下：其中，光電傳感器設計圖3.9本章小結本章討論了系統硬件電路設計的原則;依據系統方案設計了各功能模塊電路;說明各模塊電路的連接方法;著重分析了放大電路、復位、LCD電路、轉速測量電路的原理。4系統軟件設計4.1引言隨著現代技術的發展，利用軟件代替和簡化硬件，利用基本的硬件電路和軟件技術達到系統多功

52、能集成和容易修改的要求。一個較為簡單的硬件電路，系統功能的主要實現是依靠軟件的設計來完成的。本系統的軟件采用模塊化設計，將系統分為若干個模塊，分別實現各項功能，這樣在系統軟件的調試過程中，各個模塊的獨立調試有助于問題的發現和解決，在一定程度上節約了程序的調試時間。4.2系統應用程序設計微芯公司為PIC18F458系列的集成與調試提供的工具包括:軟仿真器，集成開發調試軟件MPLAB，PIC系列單片機可采用匯編語言或C語言編寫源程序代碼。MPLAB是一個完整的PIC單片機集成開發環境，也是目前最優秀、最流行的PIC單片機開發軟件，大部分的PIC系列的單片機都可以采用該軟件工具進行開發。MPLAB包

53、括下列功能:集成可視化編輯界面，可直接編寫C、匯編等文件。集成代碼生成工具，包括匯編器、連接器等等。基本調試工具，支持調試斷點工具走。系統的軟件設計是用PIC的匯編語言在MPLAB集成環境下運行、調試、完成的運行。4.3直流電機轉速控制器的軟件設計直流電機轉速控制器的軟件設計和系統功能的開發和完善是一個循序漸進過程，本文所作的軟件開發是基于直流電機多速控制器的基本功能要求設計的該系統軟件有主程序、功能鍵處理程序、電機運行顯示程序、鍵盤設置參數程序測速程序、延時子程序等。 該系統的整個軟件設計全部采用模塊化程序設計思想，由系統初始化模塊、案件識別模塊、LCD模塊、高優先級和低優先級中斷服務程序四

54、大模塊組成。其中，系統初始化模塊、按鍵識別和LCD顯示模塊在主程序完成，而中斷服務完成TMR0定時溢出中斷、TMR1外部計數溢出中斷、TMR3的1計數溢出中斷以及INT0外脈沖上邊沿捕獲中斷等。整個軟件的主程序和中斷服務程序框圖如圖4.3至4.5。圖4.3主程序框圖圖4.4高優先級中斷服務程序框圖圖4.4低優先級中斷服務程序框圖系統初始化模塊 主程序的系統初始化模塊包括對PIC單片機的CPU系統時鐘初始化、PIC單片機的I/O方向初始化、TMR0定時/計數器的初始化、TMR3定時/計數器的初始化、CCP模塊的初始化和系統相關變量的初始化過程。.1 CPU系統始終初始化PIC18單片機內部集成了

55、經過校正的8MHz主時鐘源，系統上電默認主時鐘為1MHz。通常，需要對OSCCON寄存器進行配置，使其工作在8MHz。若為了提高CPU的運算速度，則采用PIC18單片機的內部PLL的4倍頻以使CPU主時鐘達到32MHz，只需要對OSCTUNE寄存器進行設置。本系統采用32MHz的時鐘源，因此初始化的結果如下：OSCCON=0x70;/IRCF2.0=111，選擇內部8MHz的主振蕩器OSCTUNE=0x40;/PLLEN=1，使能PLL的4倍頻，從而CPU內核時鐘為F為32MHz.2 PIC單片機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單片機輸出數據或指令到LCD模塊，因此可以將其全部設置為輸出方向；另外，由于RE0.2上電復位默認為模擬輸入口，不是數字I/O口，因此需要對ADCON1控制寄存器配置RE0.2為數字I/O口。由于RB端口接有3個按鍵K1.3和INT0外部中斷信號輸入，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內部弱上拉。P1A和P1B是PWM信號的輸出，應將R1A和R1B配置成輸出引腳。具體的初始化結果如下：ADCON1=0x0F;/RA