单片机控制PWM的直流电机调速系统的设计(42页).doc

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1、-第 0 页单片机控单片机控制制PWM 的直流电的直流电机调速系统的设机调速系统的设计计-第 0 页单片机控制单片机控制 PWM 的直流电机调速系统的设计的直流电机调速系统的设计摘摘 要：要：在国民生产中，随着现代技术的发展，电力电子技术已得到了全面的发展，其技术已应用到各个领域。在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能,直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面,最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术,具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点.而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段,数字控制系统硬件电路的标准化程度高,控制软件能够

2、进行复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律,此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法实现的功能关键字关键字：AT89C51 单片机；PWM 技术；编码器；直流电动机The Design Of PWM Controlled DC Motor Speed ControlSystem Based On Single ChipAbstract：In the national production,along with the development of moderntechnology,electronic technology has been

3、a comprehensive development,thetechnology has been applied in various fields.In all kinds of mechanical system,due to the dc motor has a good start,brake and the performance of speed,dcmotor control system has been widely used in industry,spaceflight,mostcommonly used dc speed control technology is

4、a pulse width modulation(PWM)dc speed control technology,which has a high precision,fast response time,highspeed range and width of the low loss characteristicsand use of computerdigital control has become a kind of method of dc speed control system,thehardware circuit of a high degree of standardiz

5、ation,control software to carryout complex operation can be realized,different from the general linearoptimization and adjustment of the adaptive,nonlinear,intelligent control law,also have information storage,data communication and fault diagnosis cannotachieve such simulation systemKeywords:AT89C5

6、1 microcontroller;PWM technology;encoder;DC Motor目目录录1.引言.错误！未定义书签。错误！未定义书签。2.系统方案论证.错误！未定义书签。错误！未定义书签。2.1 系统总方案论证与选择.错误！未定义书签。错误！未定义书签。-第 1 页2.2 设计模块方案比较与分析.错误！未定义书签。错误！未定义书签。2.2.1电机调速控制模块.错误！未定义书签。错误！未定义书签。2.2.2PWM 调速工作方式.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3 硬件部分.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.1单片机的选型.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.2 P

7、WM 控制技术.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.3 驱动电路.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.3.1 芯片 IR2110 性能及特点.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.3.2 IR2110 的引脚图以及功能.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.4 PWM 控制 H 桥双极性主电路.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.5 检测回路.错误！未定义书签。错误！未定义书签。.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.6 键盘及显示电路.错误！未定义书签。错误！未定义书签。.错误！未定义书签。错误！未定义书签。.错误！未定义书签。错误！未定义书签。4 模块的原理与应用.错误！

8、未定义书签。错误！未定义书签。4.1PWM 调脉宽方式.错误！未定义书签。错误！未定义书签。4.2 定时器/计数器.错误！未定义书签。错误！未定义书签。4.3 直流电机调速原理.错误！未定义书签。错误！未定义书签。4.4 PWM 基本原理及实现方法.错误！未定义书签。错误！未定义书签。4.5 PWM 在直流调速中的应用.错误！未定义书签。错误！未定义书签。4.6 桥式可逆 PWM 变换器.错误！未定义书签。错误！未定义书签。4.7M/T 法测速原理.错误！未定义书签。错误！未定义书签。5 软件部分.错误！未定义书签。错误！未定义书签。5.1 主程序及系统初始化模块.错误！未定义书签。错误！未定

9、义书签。5.2 模块程序设计.错误！未定义书签。错误！未定义书签。.错误！未定义书签。错误！未定义书签。.错误！未定义书签。错误！未定义书签。.错误！未定义书签。错误！未定义书签。5.3 中断子程序模块.错误！未定义书签。错误！未定义书签。5.4 键盘/显示模块设计.错误！未定义书签。错误！未定义书签。5.5 数字 PID 流程图.错误！未定义书签。错误！未定义书签。5.6 源程序.错误！未定义书签。错误！未定义书签。谢辞.错误！未定义书签。错误！未定义书签。参考文献.错误！未定义书签。错误！未定义书签。-第 3 页1.引言引言在电气传动领域中，随着各项技术水平的不断提高，使得传统工艺有了深层

10、次的提高，对人类的生产与生活，产生了深刻且深远的影响，已经与我们息息相关。由于直流电动机具有良好的起动、制动性能,适宜在大范围内平滑调速,因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且,从控制的角度来看,直流调速还是交流调速，都用到拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,触发精度易受电网电压波动的影响，触发脉冲不对称度较大，调节器中的运算放大器，因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差，模拟器件老化也会引起运算误差，甚至使已经整定好的系统

11、性能变差，这些都阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到了更高的性能,从而大大节约了人力资源,降低了系统成本,有效地提高了工作效率。因为单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、控制功能强等优点，用单片机取代模拟电路作为电动机的控制器，使电路更简单，模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件,使电路复杂,使用单片机微处理器后,绝大多数控制逻辑可通过软件实现可以实现较复杂的控制,单片机有更强的逻辑功能,运算速度和精度高、有大容量的存

12、储单元,因此有能力实现复杂的控制灵活性和适应性强,单片机的控制方式是由软件完成的,如果需要修改控制规律,一般不必改变系统的硬件电路,只需修改程序即可,在系统调试和升级时,可以不断尝试选择最优参数,非常方便无零点漂移,控制精度高、数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题,无论被控量的大小,都可以保证足够的控制精度可提供人机界面,多机联网工作等优点。所以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。利用单片机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，便于参数的设定和调整，而且可以同时对系统工作中的各种信息数据进行诊断、检测和及时处理，加强了实时维护和提高了控制系统的可-第 4

13、页靠性。它的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。2.系统方案论证系统方案论证2.1 系统总方案论证与选择系统总方案论证与选择方案一：直接加直流电源来控制电机的转动速度；根据电动机在其额定电压时，电动机有一定的额定转速。根据其输入电压的减小，其转动速度也相应的减小。从而在传统的改变电动机的转速问题中，就是利用所给电动机的电压的不同，而达到人们所需要的大约速度。方案二：以单片机 AT89C51 为中心通过 D/A 转换器,将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电动机的转速问题。其中在单片机控制部分通过按键直接从程序中调出所需要速度的值，同时输到数码显示部分和 D/A 转换部

14、分以实现电动机的调速。图图 1 电路组成电路组成框图框图方案三：采用 AT89C51 单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成编码器采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。采用AT89C51 进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。输出速度的调节是通过键操作，显示速度。AT89C51 是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器.具有4K 字节可编程闪烁存储器,可擦除的的只读存储器(PEROM),ATMEL 的AT89C51是一种高效微控制器.AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且

15、价廉的方案.三级程序存储器锁定、128*8 位内部 RAM、32 可编程 I/O 线、两个 16 位定时器/计数器、5 个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和 电模式、片内振荡器和时钟电路：电路框图如图 2图图 2电路组成电路组成框图框图方案分析：方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及时的从电动机那里得到相应的转动速度，而是直接从程序哪儿调用相应的数值给数码显示。所以，此处的电路在速键盘AT89C51 单片机数码显示D/A0832转换电动机-第 5 页度的显示上失去了其真实性。方案三在可操作性与实时性方面都都结合了本专业特点，从控制理论

16、与控制技术出发，充分发挥与应用本学科特点。所以，设计采用方案三。2.2 设计模块方案比较与分析设计模块方案比较与分析：2.2.1电机调速控制模块：电机调速控制模块：方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的 H 型 PWM

17、 电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。2.2.2PWM 调速工作方式：调速工作方式：方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出

18、PWM 信号，两口的输出切换和对 PWM 的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制中，应用相对简单易于实现与操作，所以我们采用了单极性工作制。3 硬件部分硬件部分3.1单片机的选型：单片机的选型：-第 6 页AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k BytesISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000次的 Flash只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash存储单元，功能强

19、大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。8031 CPU 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程 FLASH 存储器(寿命：1000 写/擦循环)全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8 位内部 RAM 32 条可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 6 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路图图 3 单片机芯片单片机芯片VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义

20、为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，-第 7 页输出 4 个 T

21、TL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为

22、输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断 0）P3.3/INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O 口的内部结构如图 4：图图 4 内部结构内部结构I/O 口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚

23、读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器 CPU 将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心I/O存储器EPROM/ROM定时/计数器运算器控制器中断CPU片内振荡器RAM/SFP并行口存储器扩展控制器串行口XTAL-第 8 页读引脚时也就是把端口作为外部输入线时首先要通过外部指令把端口锁存器置 1 然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置 1 端口锁存器原来的状态有

24、可能为 0Q 端为 0Q为 1 加到场效应管栅极的信号为 1 该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为 1 也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的 1 信号读入后不一定是 1 若先执行置 1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O 口被称为准双向口89C51的 P0/P1/P2/P3 口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了 P1 口外 P0P2P3 口都还有其他的功能RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间

25、。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，

26、每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为-第 9 页片内振荡器。石晶振荡和陶瓷

27、振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容

28、并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.2 PWM 控制技术控制技术PWM 是 Pulse Width Modulation 的缩写,即脉冲宽度调制,是通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值).调速可分为直流调速和交流调速。尽管直流电机比交流电机结构复杂、成本较高、维修保养贵，但是其调速性能好，所以在调速传动领域中一直占主导地位。For personal use only in study and research;not for commercial use3.3 驱动电路驱动电路该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强

29、的驱动能力和保护功能。3.3.1 芯片芯片IR2110性能及特点性能及特点For personal use only in study and research;not for commercial useIR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路

30、输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对-第 10 页MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。降低了产品成本和减少体积。3.3.2 IR2110的引脚图以及功能的引脚图以及功能引脚1（LO）与引脚7（HO）：对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路

31、中下上通道MOSFET的栅极。引脚2（COM）：下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（Vss）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。引脚3（Vcc）：直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。引脚5（Vs）：上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。与引脚6（VB）：通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管，与用户提供的输出极电源相连，对Vcc的参数要求为大于或等于0.5V，而小于或等于+20V。引脚9（VDD）：芯片输入级工作电源端，使用中，接用户为该芯片工作提供的

32、高性能电源，为抗干扰，该端应通过一高性能去耦网络接地，该端可与引脚3（Vcc）使用同一电源，也可以分开使用两个独立的电源。引脚10（HIN）与引脚12（LIN）：驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V，这里Vss与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13（Vss）与引脚9（VDD）端的电压值。引脚11（SD）：保护信号输入端，当该引脚为高电平时，IR2110的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。引脚1

33、3（Vss）：芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接相连。引脚8、引脚14、引脚4：为空引脚。图图 7 IR2110 管脚图管脚图IR2110 采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 工艺制作，具有独立的高端和低端-第 11 页输出通道；逻辑输入与标准的 CMOS 输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达 500V，du/dt=50V/ns，在 15V 下的静态功耗仅有 1.6mW；输出的栅极驱动电压范围为 1020V，逻辑电源电压范围为 515V，逻辑电源地电压偏移范围为5V5V。IR2110 采用 CMOS 施密特触发输入，两路

34、具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流2A，负载为 1000pF 时，开关时间典型值为 25ns。两路匹配传输导通延时为 120ns，关断延时为 94ns。IR2110 的脚 10 可以承受 2A的反向电流。图图 8IGBT 驱动电路驱动电路3.4 PWM 控制控制H桥双极性主电路桥双极性主电路从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。将IC1的HIN端与IC2的LI

35、N端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加正向的工作电压。其具体的操作步骤如下：当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。电源经Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。此时直流电机正转。在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3

36、导通，在直流电机上加反向工作电压。其具体的操作步骤如下：当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候，Q2导通且Q1截止。此时Q2的漏极近乎于零电平，Vcc通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通作准备。同理可知，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时Vcc通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通作准备。电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成-第 12 页整个的回路。此时，直流电机反转。因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。设PWM波的周期为T，

37、HIN为高电平的时间为t1，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为T-t1。HIN信号的占空比为D=t1/T。设电源电压为V，那么电枢电压的平均值为：Vout=t1-(T-t1)V/T=(2 t1 T)V/T=(2D 1)V定义负载电压系数为，=Vout/V,那么=2D 1；当T为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到了改变Vout的目的。D在01之间变化，因此在1之间变化。如果我们联系改变，那么便可以实现电机正向的无级调速。当=0.5时，Vout=0,此时电机的转速为0；当0.51时，Vout为正，电机正转；当=1时，Vout=V,电机正转全速运行。图图

38、9 电机驱动电路电机驱动电路3.5 检测回路检测回路检测回路利用光电编码器将转速直接转换成数字信号送入单片机进行处理。编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“”还是“”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“”还是“”。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两种。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确

39、定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。图图5光电编码器实物图光电编码器实物图光电编码盘是将测得的角位移转换成为相应的电脉冲信号输出的数字传感-第 13 页器，本设计采用增量式光电编码器来采样转速信号，如图8所示。增量式编码器是专门了用来测量转动角位移的累计量。这里以三相编码器为例来介绍增量式编码器的工作原理及其结构。图图6编码器原理图编码器原理图增量式光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧安放发光元件和光敏元件。当圆盘随电机旋转时，光敏元件接受的光增量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变成脉冲。码盘上有向标志，每转一圈z

40、相输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还提供相位相差90的两路脉冲信号。将A、B两相脉冲中任何一相输入计数器中，均可使计数器进行计数。编码盘输出的z相脉冲用于复位计数器，每转一圈复位一次计数器。编码盘的旋转方向可以通过D触发器的输出信号Q来判断。整形后的A、B两相输出信号分别接到D触发器的时钟端和D输入端，D触发器的CLK端在A相脉冲的上升沿触发。由于A、B两相的脉冲相位相差90，当电机正转时，B相脉冲超前A相脉冲90，触发器总是在B脉冲为高电平时触发，这时D触发器的输出端Q输出为高电平。当电机反转时，A相脉冲超前B相脉冲90，则D触发器总是在B脉冲为低电平时触发，这时Q输出端输出为低电平

41、，由此确定电机的转动方向。转速检测的精度和快速性对电机调速系统的静、动态性能影响极大。为了在较宽的速度范围内获得高精度和快速的数字测速，本设计使用每转1024线的光电编码器作为转速传感器，它产生的测速脉冲频率与电机转速有固定的比列关系，微机对该频率信号采用M/T法测速处理。3.6 键盘及显示电路键盘及显示电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传诵命令等功能，是人工干预单片机的主要手段.单片机应用系统中，键盘扫描只是 CPU 的工作内容之一。CPU 在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。键盘的工作方式的选取应根据实际应用系统中 CPU 工作的忙、闲情况而定。

42、其原则是既要保证能及时响应按键操作，又要不过多占用 CPU 的工作时间。Intel 公司的 8279 是键盘/显示模块的核心控制器。如图 10 所示。它是一种实现键盘输入和段式数码显示控制的专用智能芯片。采用该芯片,可以大大简化单片机控制系统的软硬件设计,并且减轻 CPU 的负担。简单地说,它有以下一些功-第 14 页能:与微处理器接口简单;能自动实现按键的“去抖”和重键处理;能以中断或查询两种方式工作;能按 FIFO(先进先出)方式实现 8 个键值的缓冲;常规情况下,能同时管理 64 个物理键和 16 个八段数码管。其引脚定义如下:DB0DB7:双向数据总线/RD、/WR:读写选通信号/CS

43、:片选信号RESET:复位信号CLK:时钟信号A0:命令/状态或数据识别信号 A=1,为写命令或读状态;A=0,为数据IRQ:中断请求信号SL0SL3:矩阵扫描线RL0RL7:检测输入线/BD:显示消隐信号SHIFT:扩展键位的换档信号,带上拉电阻CTRL/STB:控制键输入/选通信号输入,带上拉电阻采用 4*4 式键盘，分数字部分和控制部分，如图下表所示。数字部分用来输入给定转速，控制部分用来控制电机的运行。0123456789取消确认测速停车图图 10显示器图显示器图输入给定转速时应注意的几个问题：（1）转速不足四位时，在前面加拨 0凑够四位；（2）转速输入错误时，按取消键，显示器清空，重

44、新输入值；（3）转-第 15 页速输入完成后，按确认键。采用共阴极的发光二极管构成可以显示 4 位十进制的显示器，运行中显示当前的实际转速值。如上图示。8279 与单片机、键盘和显示器的外围总接线如图11 示。图图 11 显示器显示器/键盘驱动电路键盘驱动电路4 模块的原理与应用模块的原理与应用4.1PWM 调脉宽方式调脉宽方式调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在产生 PWM 脉冲的实现上比较方便。4.2 定时器定时器/计数器计数器由于 PWM 信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有

45、不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为 f，定时器计数器为 N 位，则定时器初值与定时时间的关系为：式中，TW定时器定时初值；N一个机器周期的时钟数。N 随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值 TW，从而改变占空比，进而达到控制电机转速的目的。4.3 直流电机调速原理直流电机调速原理根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流

46、电机来说，人为机械特性方程式为：分析(1)式可得当分别改变 UN、和 Rad 时，可以得到不同的转速 n，从而实现对速度的调节。由于=F(If)，当改变励磁电流 If时，可以改变磁通量的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流 If，和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻 Rad 时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。-第 16 页理想空载转速 n0随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机

47、电枢两端电压时，可实现电机的无级调速.4.4 PWM 基本原理及实现方法基本原理及实现方法其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值即占空比来控制电机速度这种方法称为脉冲宽度调制，简称 PWM.调速原理如图所示通过控制脉冲占空比来改变电机的电枢电压.Vd=Vmax*D(2)由公式(2)可见，当我们改变占空比 D=t1T 时，就可以得到不同的电机平均速度 Vd，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比 Vd并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。4.5 PWM 在直流调速中的应用在直流调速中的应用PWM 广泛应用于直流调速系统，例如，以往普遍应用的晶闸管

48、相控整流直流电机调压调速系统，现在也发展了全波步控整流 PWM 斩波直流电压调速系统，开关磁阻电动机也是有直流斩波器供电的。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。直流电动机转速 n 的表达式为：n=Ua-IaRaCe-（r/min）式中 Ua电枢端电压（V）Ia电枢电流（）Ra电枢电路总电阻（）每级磁通量（Wb）Ce与电机结构有关的常数由式可知，直流电动机转速 n 的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制励磁通，其控制

49、功率虽然小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制。而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的是电枢电压控制法。Ua=Ud-IaR，虽然调节电阻 R 即可改变端电压达到调速目的，但这种方法效率很低。随着电力电子技术的进步，可由 PWM 斩波器进行斩波调压。本文主要介绍 PWM 实现的直流-第 17 页调速系统。4.6 桥式可逆桥式可逆 PWM 变换器变换器脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。桥式可逆 PWM 变换器电路如图 12 所示。这是电动机 M 两

50、端电压ABU的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图图 12 桥式可逆桥式可逆 PWM 变换器电路变换器电路双极式控制可逆 PWM 变换器的四个驱动电压波形如图 6 所示。图图 13PWM 变换器的驱动电压波形变换器的驱动电压波形他们的关系是：1423ggggUUUU 。在一个开关周期内，当0ontt 时，晶体管1VT、4VT饱和导通而3VT、2VT截止，这时ABsUU。当onttT 时，1VT、4VT截止，但3VT、2VT不能立即导通，电枢电流di经2VD、3VD续流，这时ABsUU。ABU在一个周期内正负相间，这是双极式 PWM 变换器的特征，其电压、电流波形如图 2 所示。电动机的正