單片機(jī)控制直流電機(jī)pwm調(diào)速設(shè)計與仿真畢業(yè)設(shè)計論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 (34)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0～1相應(yīng)的。當(dāng)時，為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時，為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時，電動機(jī)停止。但電動機(jī)停止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)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零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機(jī)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(jī)在四象限運(yùn)行。3）電動機(jī)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。檢測回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī)進(jìn)行處理。 光電編碼器 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“１”還是“０”；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“１”還是“０”。 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)，而與測量的中間過程無關(guān)。本設(shè)計采用增量式光電編碼器來采樣轉(zhuǎn)速信號，如圖36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36 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(jī)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90176。的兩路脈沖信號。將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(jìn)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90176。，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前A相脈沖90176。，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(jī)反轉(zhuǎn)時，A相脈沖超前B相脈沖90176。，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(jī)的轉(zhuǎn)動方向。 轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性對電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機(jī)對該頻率信號采用M/T法測速處理。 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(jìn)行計數(shù)的同時對時鐘脈沖的個數(shù)m2也進(jìn)行計數(shù)。原理如圖37：圖37 M/T法測速原理測速時間Td由測速脈沖來同步，即由圖37電路實現(xiàn)Td等于整m1個脈沖周期。設(shè)從圖37上a點開始，計數(shù)器分別對m1和m2計數(shù)，到達(dá)b點，預(yù)計的測速時間Tc到，微機(jī)發(fā)出停機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速的計算公式為： n=(60*m1*f0)/(z*m2) (35)由于M/T法的計數(shù)值M1和M2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時，相當(dāng)于M法測速，最低速時，M1=1，自動進(jìn)入T法測速。因此，M/T法測速能適用的轉(zhuǎn)速范圍比較大，是目前廣泛應(yīng)用的一種測速方法。希望在低速獲得高精度測速值，于是利用光碼盤A，B兩相輸出在相位上互差90176。的二路脈沖經(jīng)異或門二倍頻再送入m1的計數(shù)器。這時，轉(zhuǎn)速計算公式修改為： （36） 鍵盤及顯示電路鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳誦命令等功能，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的工作時間。Intel公司的8279是鍵盤/顯示模塊的核心控制器。如圖12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(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,并且減輕CPU的負(fù)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(jìn)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: DB0～DB7: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: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SL0～SL3: 矩陣掃描線 RL0～RL7: 檢測輸入線 /BD: 顯示消隱信號 SHIFT: 擴(kuò)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 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(jī)的運(yùn)行。0123456789取消確認(rèn)測速停車 圖38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)速輸入完成后，按確認(rèn)鍵。 采用共陰極的發(fā)光二極管構(gòu)成可以顯示4位十進(jìn)制的顯示器，運(yùn)行中顯示當(dāng)前的實際轉(zhuǎn)速值。如上圖示。8279與單片機(jī)、鍵盤和顯示器的外圍總接線如圖39示。 圖 39顯示器/鍵盤驅(qū)動電路由于8279芯片有自動分時掃描功能，所以它可與CPU同時工作，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且接口方便，顯示穩(wěn)定，程序簡單，可靠性高。 電源電路采用78系列芯片產(chǎn)生+5V、+15V。電路圖如圖310：圖310 78系列的電源電路78XX,XX就代表它所輸出的電壓值，能降低電壓45V電子產(chǎn)品中常見到的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負(fù)電壓輸出的79系列。故名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少,電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。有時在數(shù)字78或79后面還有一個M或L，如78M12或79L24,用來區(qū)別輸出電流和封裝形式等，其中78L調(diào)系列的最大輸出電流為100mA，78M系列最大輸出電流為1A。在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。4系統(tǒng)軟件設(shè)計 PWM實現(xiàn)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(jī)在運(yùn)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。 定時器/計數(shù)器由于PWM信號軟件實現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時器，而不同單片機(jī)的定時器具有不同的特點，即使是同一臺單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時器工作方式不同，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(jī)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： （41） 式中，TW—定時器定時初值；N—一個機(jī)器周期的時鐘數(shù)。N隨著機(jī)型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。本設(shè)計中單片機(jī)采用12MZ的晶體振蕩器，故N為6。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(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 PWM產(chǎn)生程序includedefine uchar unsigned charuchar num。sbit PWM=P1^0。void init(){ TMOD=0x01。 TH0=(65536500)/256。 TL0=(65536500)%256。 EA=1。 ET0=1。 TR0=1。}void T0_timer() interrupt 1{ TH0=(65536500)/256。 TL0=(65536500)%256。 num++。}void main(){ init()。 while(1) { if(num==4) { PWM=~PWM。 num=0。 } }} 系統(tǒng)程序設(shè)計主程序——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(jī)和其他外設(shè)通信等功能，如圖41。初始化子程序——完成硬件器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的初始化等，如圖42。圖41 主程序流程圖 圖42 初始化子程序 主程序主要完成鍵盤/顯示芯片827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(jī)故障處理；外部中斷1，用于鍵盤輸入處理。 中斷程序設(shè)計外部中斷0模塊設(shè)計外部中斷0是故障中斷，優(yōu)先級最高。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)問題時向CPU申請中斷。響應(yīng)中斷后封鎖PWM輸出，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。外部中斷1模塊設(shè)計外部中斷1是鍵盤輸入中斷，高優(yōu)先級。當(dāng)鍵盤有輸入值時，8279向CPU申請中斷。讀取鍵值，按其實際功能進(jìn)行操作。內(nèi)部定時器T0溢出中斷設(shè)計轉(zhuǎn)速測定為M/T式編碼盤測速，要通過測取給定時間內(nèi)的編碼盤輸出的脈沖數(shù)。T0用來定時，T1用來計數(shù)，T0和T1均工作于方式1。T0定時50ms，單片機(jī)的時鐘頻率為12MHz，機(jī)器周期為1us， 中斷子程序模塊中斷服務(wù)子程序完成實時性強(qiáng)的功能，如故障保護(hù)、PWM生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字PID調(diào)節(jié)等,中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請，CPU實時響應(yīng)。 圖43 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序框圖 圖44故障保護(hù)中斷子程序框圖當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平發(fā)生跳變時申請故障保護(hù)中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用定時中斷。兩種中斷服務(wù)中，故障保護(hù)中斷優(yōu)先級別最高，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷級別次之。 鍵盤/顯示模塊核心控制器件是8279，由軟件設(shè)置為8字符顯示，左端送入，編碼掃描鍵盤，雙鍵互鎖，內(nèi)部時鐘頻率設(shè)置為100KHz。按鍵操作由終端導(dǎo)入，靜態(tài)顯示方式。選通個位?是否選通個位?是否選通個位?是否選通個位?是否顯示個位顯示十位顯示百位顯示千位返回延時延時延時分解速度值到顯示緩沖區(qū)延時顯示完畢?否是圖45 顯示子程序提速N轉(zhuǎn)是否停止記數(shù)讀計數(shù)器值求出此時電機(jī)速度值重裝記數(shù)初值開始記數(shù)返回 圖46測速子程序 PID控制器原理在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與