直流电动机数字调速系统.doc

-直流电机数字调速系统设计摘 要直流脉宽调速系统，是采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成的脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流PWM调速系统。全数字控制系统是以微处理器为核心的数字控制系统，简称微机数字控制系统。目前流行的方案是采用由数字电路组成的大规模集成电路，加上大功率可关断器件组成直流脉宽调速系统（PWM），进而发展成用单片机控制的功能更强的全数字微机控制的直流调速系统。本文针对国内外在这一领域的研究现状，详细分析了双极式控制的桥式可逆直流脉宽调速系统的工作过程，以及直流PWM系统的原理和优缺点。在此基础上，引入了直流PWM系统的转速、电流双闭环控制，增强了控制性能。本文还介绍了C8051单片机在标准单片机基础上新增加的功能，以及将微处理系统与LED显示连接所必须的一种芯片MAX7219和驱动芯片IR2110。本文根据所给的电机参数，硬件方面制定出直流脉宽调速系统的主回路方案并进行了选型设计，结合C8051芯片和MAX7219芯片设计出全数字控制系统的电路原理图及PCB图。软件方面编制了单片机控制的各个子程序流程图。 关键词：直流电动机； C8051单片机； 数字PWM控制； IGBT。DC Moter Digital Speed Adjustment SystemABSTRACTThe direct current pulse width modulating speed system adopts the high frequency switch control method with the pulse width modulation (PWM), and comes into being PWM converter-direct current speed adjustment system, whose brief name is PWM direct current speed modulation system. The title digital control system takes microprocessor as a core, and it is shorted for single chip digital control system. The popular project now is PWM direct current speed modulation system which adopts large scale integration electro circuit constituted by the digital circuit and the big power apparatus that can be controlled to break. Then it develops into total digital direct speed modulation system with stronger function which is controlled by single chip. Based on the present conditions in this field all over the world, this dissertation detailed analyzed the working process of the reversible direct current PWM controlled by double poles bridge, and illustrated the merits and shortcomings of the direct current PWM system. Then doubled closed loop control of rotate speed and current was introduced in this dissertation, which strengthened the control function of the direct PWM system. Accessorial function of C8051 single chip was also introduced, as well as a kind of chipMAX7219A which is used to connecting the tiny processing system and LED display and drive chipset IR2110.According to the given parameters, work of this dissertation has been done. Aspects of hardware were done as follows. First, the project of the main loop was made. Second, types of the components were choosing. Finally, circuit diagram and PCB diagram of the total digital control system were designed by using the C8051 chip and MAX7219 chip. Aspects of software were done as follows. First of all, the flow chart of the single chip control was made. Keywords：direct current motor ； C8051 single chip ； digital PWM control ； IGBT。目 录第一章 绪论11.1 研究本课题的意义综述11.2本课题所涉及的内容以及国内外发展情况综述11.3本课题的主要研究内容2第二章 直流电动机调速系统方案设计42.1直流电机调速方法42.1.1直流电机调速方法概述42.1.2三种调速方法的性能与比较42.2基于数字控制的调速系统基本方案分析与选择62.2.1旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）62.2.2 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）72.2.3 PWM调速系统92.3 转速、电流双闭环直流调速系统132.3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成132.3.2 稳态结构图和调节器的限幅作用142.3.3 转速和电流两个调节器的作用15第三章 基于C8051的数字调速系统应用设计163.1 Cygnal C8051F系列单片机特点163.1.1 Cygnal C8051F 单片机的片内资源和主要特点163.1.2 增加的功能173.2 C8051F 单片机的组成183.2.1 C8051F单片机的结构183.2.2中断系统193.2.3定时器计数器203.3 C8051F 用于控制电动机时的输入输出端口设置213.3.1 交叉开关的使用213.3.2 IO口初始化223.4 电动机控制中的模/数转换在C8051F中的实现233.5 MAX7219芯片说明243.5.1 MAX7219芯片特点243.5.2 管脚描述253.5.3 数据传送时序图263.6 IR2110芯片说明263.7 可编程计数器阵列（PCA）概述及16位PWM信号的产生283.7.1 可编程计数器阵列PCA概述283.7.2 与PCA相关的特殊功能寄存器313.7.3 用PCA实现16位PWM及流程图313.8 直流电机数字调速系统总体方案设计333.9全数字控制系统的电路原理图343.9.1主电路原理图343.9.2控制电路原理图353.10 操作原理说明373.10.1 硬件按键消陡电路373.10.2 max7219驱动4段LED显示电路373.10.3 具体功能说明：37第四章 单片机控制软件流程图及说明394.1 主程序流程图及系统初始化394.1.1 主程序流程图394.1.2 系统初始化子程序流程图394.2 数字PI调节器404.2.1 数字PI调节器概述404.2.2 流程图及参数存储空间的说明414.3 键盘及显示部分434.3.1 键盘给定程序说明及流程图434.3.2 显示子程序说明及流程图454.4 数据采集474.4.1 数字测速子程序说明及流程图474.4.2 电流采集子程序说明及流程图494.4.3 数字滤波与报警51第五章 调试分析与小结52参考文献56附录 基于C8051F单片机的直流电机数字调速系统程序58致 谢71 -天津理工大学2009届本科毕业设计说明书第一章 绪论1.1 研究本课题的意义综述 直流脉宽调速系统，是采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成的脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流PWM调速系统。随着电力电子技术和控制技术的的发展，20世纪末以交流调速为主导方向调速系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，它的控制技术已居世界先进水平。但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。相对而言，PWM调速系统的出现，弥补了这个空白。PWM调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制水平从1000Hz可达到4000Hz，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围宽，调速系统频带宽，快速响应性好，动态抗扰能力强。特别是近几年大功率CTR、GTO、IGBT的相继问世，促使其生产水平已达到4500V、2500A，组成的PWM变换器用来驱动上千千瓦的电动机，广泛用于交通、工矿企业等电动传动系统中。因此对PWM调速系统的进一步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。全控型电力电子技术和单片机技术的发展，促使模拟控制转向全数字化控制。全数字控制系统是以微处理器为核心的数字控制系统，简称微机数字控制系统，主要特点是离散化和数字化。它的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。因此目前流行的方案是采用由数字电路组成的大规模集成电路，加上大功率自关断器件组成直流脉宽调速系统（PWM）。进而发展成用单片机控制的功能更强的全数字微机控制的直流调速系统。1.2本课题所涉及的内容以及国内外发展情况综述 由于直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能，目前在调速领域中仍占主要地位。按供电方式，它可分交流机组供电、整流供电和晶闸管供电三类。其中，晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。因此，在国内外已取代了其他两种供电方式。目前，我国的直流调速控制主要在以下几个方面进行着研究。1提高调速的单机容量。我国现有最大单机容量为7000KW，国外单机容量已达14500KW。2提高电力电子器件的生产水平，增加品种。20世纪50年代末出现的无自关断能力的半控型普通晶闸管是第一代电力电子器件。70年代以后，出现了能自关断的全控型器件，如电力晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、电力场效应管（MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）等称之为第二代电力电子器件。其中，IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，既有MOSFET电压控制器件驱动功率小、开关频率较高（一般为20KHz以下）的特点，又有GTR电压电流值较大的长处。因此，在中等容量的变频器、逆变器中，得到了广泛的应用。然而目前，在高电压（4500V以上）和大电流（2000A以上）范围，还不得不使用GTO晶闸管。80年代以后，出现了电力集成电路（PIC），属于第三代电力电子器件，在PIC中，不仅含有主电路的器件，而且把驱动电路以及过压、过流保护、电流检测甚至温度自动控制等电路都集成在一起，形成一个整体。当今，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。电力电子技术的发展使直流传动得到了新的发展，以往普遍使用的是晶闸管相控整流直流电机调压调速系统，现在也发展了全波不控整流PWM斩波直流电机调压调速系统，这也正是本课题所研究的。3提高控制单元水平。目前国内使用较多的仍是小规模集成运放和组件构成的叫直流调速控制系统，触发装置甚至仍是分立元件的，相当于国外第二代产品。目前，国外的第四代以微处理机为基础，具有控制、监视、保护、诊断及自复原等多种功能。1.3本课题的主要研究内容本课题所要解决的核心问题是直流电机调速，是与硬件设计者合作完成，本人主要负责对双闭环直流调速系统进行仿真，绘制各模块的流程图以及程序的编写工作，并与硬件设计者共同参与系统的调试。本设计采用按键设定电机转速以及ASR,ACR的P,I值，用数字测速法检测电机转速，经A/D转换变为数字量后送入单片机，将转速实际值与给定值进行比较，根据偏差与变化的情况控制速度调节器ASR，ASR的输出与电流反馈比较后，偏差送入电流调节器ACR，ACR的输出控制单片机产生PWM波形，经过专门的驱动芯片IR2110驱动MOSFET。通过改变占空比，改变电机两端的平均电压，实现调速。首先对PWM电路的原理、双闭环控制机理进行了详细的分析，为后续工作打下基础。由于C8051F单片机具有运算速度高，内置PWM输出，A/D转换等功能，故本设计选用C8051F单片机，完成基于C8051F单片机的直流电机数字调速系统，针对本设计所涉及的功能，对C8051F单片机的内部资源，特殊功能等作简要介绍，以及LED驱动芯片MAX7219的工作原理，内部寄存器等作简要介绍。对数字控制系统程序进行设计分析，并绘制各模块的流程图，具体程序将在附录中给出。结合系统硬件写出一些调试过程中遇到的问题及解决方法，收获及总结。本课题具体的研究内容如下:1制定直流脉宽调速系统的主回路方案并进行选型设计计算。2用Protel设计全数字控制系统的电路原理图及PCB图。3编制单片机控制的软件流程图。第二章 直流电动机调速系统方案设计2.1直流电机调速方法2.1.1直流电机调速方法概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为： （2-1） 式中 转速（r/min）； 电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（ W ）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。在上式中，是常数，电流是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法：（1）调节电枢供电电压； （2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。2.1.2三种调速方法的性能与比较1调压调速调压调速特性曲线如图2.1所示。工作条件：保持励磁；保持电阻； 调节过程：改变电枢电压，；调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。2调阻调速调阻调速特性曲线如图2.2所示。工作条件：保持励磁；保持电压；调节过程：增加电阻，不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。3调磁调速调磁调速特性曲线如图2.3所示。工作条件：保持电压；保持电阻；调节过程：减小励磁；，调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。图2.1 调压调速特性曲线Fig2.1 The curve of adjusting voltage and speed图2.2 调阻调速特性曲线Fig2.2 The curve of adjusting resistance and speed图2.3 调磁调速特性曲线Fig2.3 The curve of adjusting electromagnetism and speed4三种调速方法的性能与比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。2.2基于数字控制的调速系统基本方案分析与选择本设计中介绍了三种调速方案分别是：旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）、晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）、PWM调速系统。分别介绍了这三种调速系统的优缺点。2.2.1旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）图2.4所示为旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图。由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流If即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，为了给G和M提供励磁电源，通常专设一台直流励磁发电机GE，可安装在变流机组同轴上，也可另外但用一台交流电动机拖动。对系统的调速性能要求不高时，If可直接励磁电源供电;要求较高时一般都应通过放大装置进行控制，如交磁放大机、磁放大机、晶体管电子放大器等。改变If的方向时，U的极性的n的转向都跟着改变，所以G-M系统的可逆运行时很容易实现的。图2.5所示为采用变流机组供电时电动机可逆运行的机械特性。由图可见，无论正转减速还是反转减速时都能够实现回馈制动，因此G-M系统时可以再允许转矩范围内四象限运行的系统。图2.4 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图Fig2.4 circumgyrate deflector and there out power supplys direct current timing system图2.5 G-M系统的机械特性Fig2.5 G-M systems engine peculiar 该系统需要旋转变流机组，至少包含于调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便时该系统的缺点所在。2.2.2 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图如图2.6图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在一万以上，其门极电流可以直接用电子控制，不再想直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组的秒极，而晶闸管整流器时毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。图2.6 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图Fig2.6 transistor- electromotor timing system (V-M system) elements plot晶闸管整流器也有他的缺点。首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。由半控整流电路构成的V-M系统只允许单向限运行（图2.7a），全控整流电路可以实现有缘你变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能获得二象限运行（图2.7b）。必须进行四象限运行时（图2.7c）只好采用正、反两组全控整流电路，所用变流设备要增加一倍。图2.7 V-M系统的运行范围a）单象限运行 b）二象限运行 c）四象限运行Fig2.7 V-M systems area of run 晶闸管的另一个问题是对过电压、过电流都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短的时间内损坏器件，因此必须有可靠的保护电路和复合要求的散热条件，而且在选择器件时还应留有适当余量。现代的晶闸管应用技术已经成熟，只要器件质量过关，装置设计合理，保护电路齐全，晶闸管装置的运行时十分可靠的。 最后，谐波与无功功率造成“电力公害”时晶闸管可控整流装置进一步普及的障碍。当系统处于深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，这就是所谓的“电力公害”。在这种情况下，必须添置无功补偿和谐波滤波装置。2.2.3 PWM调速系统自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器.直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。1双极式控制的桥式可逆PWM变换器PWM变换器的作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节直流电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类。可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图2.8所示。此时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种。由于本设计采用双极式控制，这里只着重分析最常用的双极式控制的桥式可逆PWM变换器。（1）H形主电路结构桥式可逆PWM变换器的主电路结构如图2.8所示。图2.8 桥式可逆PWM变换器的主电路Fig2.8 The main circuit of bridge reversible PWM converter(2) 双极式控制方式1）正向运行：第1阶段，在期间，、为正， VT1 、 VT4导通，、为负，VT2 、 VT3截止，电流沿回路1流通，电动机M两端电压；第2阶段，在期间，、为负， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3续流， 并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流沿回路2流通，电动机M两端电压；2) 反向运行：第1阶段，在期间，、为负，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流沿回路4流通，电动机M两端电压；第2阶段，在期间，、为正， VT2 、 VT3导通，、为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流沿回路3流通，电动机M两端电压；(3) 输出波形双极式控制可逆PWM变换器的输出波形如图2.9所示。（a）正向电动运行波形 （b）反行电动运行波形图2.9 双极式控制可逆PWM变换器的输出波形Fig2.9 the under output of am bipolar controllable reversible PWM converter(4) 输出平均电压 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 （2-2）式中 为 PWM 波形的占空比，改变 r即可调节电机的转速，若令为PWM电压系数，则在双极式控制的可逆变换器中，。(5) 调速范围调速时， r 的可调范围为01，。当时， g 为正，电机正转；当时， g 为负，电机反转；当时， ，电机停止。当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。 (6) 性能评价 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 所以本设计中选择的是双极式H桥式PWM调速系统。 双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，桥臂的驱为了防止直通，在上、下动脉冲之间，应设置逻辑延时。2电能回馈与泵升电压的限制PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压，电容C同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。(1) 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路示意图 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路示意图如图2.10所示。图2.10 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路示意图Fig2.10 The chart of main circuit of bridge reversible PWM system(2) 泵升电压产生的原因对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。 (3) 泵升电压限制电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用图2.11中的镇流电阻Rb来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件VTb泵升电压达到允许数值时接通。(4) 泵升电压限制电路泵升电压限制电路如图2.11所示。图2.11 泵升电压限制电路Fig2.11 The limitative circuit of pump rising voltage对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。当然，这样一来，系统就更复杂了。2.3 转速、电流双闭环直流调速系统采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。这是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值Idcr以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程，在起动电流达到最大值Idm后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。 而我们期望达到的理想起动过程是，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变。那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。因此，我们希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。 2.3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如图2.12所示。ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器图2.12 转速、电流双闭环直流调速系统结构TGnASRACRU*n+.UnUiU*i+.UcTAVM+.UdIdUPEL.MTG+Fig2.12 The double closed loop PWM system structure of rotate speed and current图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。2.3.2 稳态结构图和调节器的限幅作用 1. 系统稳态结构图图2.13 直流调速系统的稳态结构图a转速反馈系数; b 电流反馈系数 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+.ASR+U*i. R b ACR.UiUPEFig2.13 The steady construction drawing of direct current governing system2调节器的限幅作用为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，可采用模拟实现或数字实现。而且，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。限幅作用存在两种情况：饱和输出达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环 不饱和输出未达到限幅值。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 2.3.3 转速和电流两个调节器的作用 转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下： 1. 转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 （4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。第三章 基于C8051的数字调速系统应用设计本章介绍了Cygnal C8051F单片机的特点、组成以及本文选用Cygnal C8051F的目的。还详细介绍了Cygnal C8051F的具体功能。并简单讲述了MAX7219和IR2110芯片的功能。最后给出了全数字控制的直流电机调速系统的总体方案设计和全数字控制系统的电路原理图包括主电路PCB图和外围电路PCB图。3.1 Cygnal C8051F系列单片机特点Cygnal C8051F 单片机是全集成混合信号片上系统单片机。片上系统是随着半导体生产技术的不断发展，集成度越来越高，对嵌入式控制技术可靠性要求越来越高而产生的新概念，即SOC（system on chip），意思是整个系统都高度集成在一个芯片上。Cygnal C8051 单片机是目前功能最强大的8位单片机之一，它几乎包含了所有的单片机的新功能。3.1.1 Cygnal C8051F 单片机的片内资源和主要特点Cygnal C8051 单片机的片内资源有： 8/12位多通道输入ADC模/数转换器； 12路12位DAC数/模转换器； 12路电压比较器； 电压基准（内部，外部）； 内置温度传感器（3 ）； 16位可编程定时器计数器列阵（PCA），可用于PWM波发生器； 35个通用16位定时器； 864个通用IO口； 带有ICSMBus、SPI、12个UART串行总线； 864 KB FLASH 内部程序存储器； 256 B4 KB 内部数据RAM； 片内电源监测、片内看门狗定时器、片内时钟源。Cygnal C8051 单片机的主要特点如下： 高速的（2025 MIPS（兆条指令每秒）、与8051全兼容的微控制器内核； FLASH存储器可实现在线编程和用于非易失性数据存储（EPROM的作用）； 工作电压典型值为3 V （2.73.3 V），全部IO、RST、JTAG引脚均允许5 V电压输入； 全系列芯片均为工业级（温度范围.45+85 ）； 片内JTAG仿真电路提供全速、非插入式（不使用在片资源）的电路内仿真，支持断点、单步观察点、运行和停止等调试命令，支持存储器和寄存器校验和修改。3.1.2 增加的功能C8051F单片机与MCS51指令集完全兼容，可以仍然使用标准803X805X的汇编器和编译器进行软件开发。C8051单片机内核拥有标准的8052所有的资源，包括4个16位的定时器计数器、一个全双工UART、256 B内部RAM空间、128 B特殊功能寄存器（SFR）地址空间及4 B宽的IO端口。除此之外，本设计用到的增加功能还有： 采用流水线式的指令处理方式，使70的指令执行法是在1个或2个系统时钟周期内完成，只有4条指令的执行需4个以上系统时钟周期（而标准的8051指令至少要用12个系统时钟周期），所以，使单片机运行速度非常快。 扩展的中断系统提供了21个中断源（标准8051只有7个中断源），允许模拟的和数字的外设使用中断。在进行多任务实时控制系统应用时，这些增加的中断源是非常有用的。 内部有一个能独立工作的内部时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。必要时，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。这种时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的。 全部采用FLASH内部程序存储器，存储空间为864 KB。FLASH存储器编程时不需要额外的编程电压，并且还可以作为非易失性存储器使用。 增加了数字交叉开关，它可将内部数字系统的资源如定时器、串行总线、外部中断源、AD转换输入、比较器输出、PWM、捕捉比较等定向到P0、和P1和P2口，也就是说在P0、P1和P2口不设专用的第二功能。这样使这些端口的工作分配更加灵活。 内部集成了432个通道、812位的ADC模数转换器和可编程增益放大器。其AD转换速度为100 kSPS。可提供片内电压基准和外接电压基准。可通过编程启用内部温度传感器来监测环境温度。AD转换可有4种启动方式：软件命令、T2溢出、T3溢出、外部信号输入。 有2个比较器和2个12位DAC数/模转换器。 DAC转换器为电压输出模式，与ADC共用参考电压。3.2 C8051F 单片机的组成3.2.1 C8051F单片机的结构1指令系统C8051 单片机的CPU仍然采用标准的8051内核，但使用流水线指令执行结构，因此速度很快，其指令系统与标准的8051一样，惟有MOVX指令增加了新功能，当将程序存储读写控制寄存器PSCTL的“写”控制位打开时，可以用MOVX指令对FLASH进行“写”操作，用于更新程序代码或保存重要数据。2存储器结构 C8051 单片机F000F017系列的存储器结构与标准的8051存储器组织相似。内部程序存储器全部有32 KB 的 FLASH组成，该存储器中有512 B（7E00H7FFH）保留给制造厂商使用，用户不能使用。另有128 B（8000H807FH）可供用户作为非易失性数据存储器使用。FLASH 以512 B 为一个扇区。在编程时，要求先擦除后再写。擦除操作以扇区为单位进行的。用软件对FLASH的编程过程如下： 用 FLSCL寄存器中的FLASH存储器的写/擦除操作； 置位PSEE（PSCTL.1），允许FLASH扇区擦除； 置位PSWE（PSCTL.0），允许FLASH写； 用MOVX指令向待擦除扇区内的任何一个地址写入一个数据字节； 清除 PSEE以禁止FLASH扇区擦除； 用MOVX指令向刚擦除的扇区中所希望的地址写入数据字节（写入的字节数可以是一个字节到整个扇区之间的任何值），重复该步直到结束； 清除 PSWE以禁止FLASH写。FLASH在被编程或擦除期间，C8051中的程序停止执行。C8051 单片机内部有256 B 的RAM ，因此，SP 堆栈的栈顶可以到FFH。RAM中的高128 B 与特殊功能寄存器SFR共用同一地址，为了区分两者，高128 B的RAM只能间接寻址。C8051 单片机内部还可以集成2 KB 的RAM（有些型号没有）。对这种RAM的操作仍然用MOVX指令。3堆栈CPU中有1个32位的移位寄存器，用于硬件堆栈记录。每次压栈或SP增1都向该寄存器压入1个记录位，每次子程序调用或中断都向该寄存器压入2个记录位。1次出栈或SP减1弹出1个记录位，1次返回弹出2个记录位。堆栈记录可以检测堆栈的上溢和下溢，即使在单片机运行全速调试时也可以通知调试软件。4 特殊功能寄存器SFRC8051 单片机有128 B的空间来存放特殊功能寄存器SFR，其地址与高128B的RAM相同，对SFR采用直接寻址。C8051 的SFR包含了标准的8051单片机中的全部SFR，还增加了一些用于配置和控制新增加的子系统。这就可以在保证与MCS51指令集兼容的前提下使用新增加的功能。3.2.2中断系统 C8051 单片机除了保留标准的8051的7个中断源外，还增加了14个中断源。新增加的大部分中断源要通过软件清中断位。中断允许寄存器IE 中的EA位仍然是控制全部中断的总开关。1 中断优先权和响应时间表3.1是中断优先权表。它列出了每一个中断源及中断优先权。表3.1 中断优先权表（C8051F040）Table 3.1 the table of Interruption priority (C8051F040)中断源优先权复位最高外部中断0（）0定时器0溢出1外部中断1（）2定时器1溢出3串行接口（UART0）4定时器2溢出（或EXF2）5串行外设接口(SPI)6SMBus 接口7ADC0 监控中断8可编程计数器阵列（PCA）9比较器0中断10比较器1中断11比较器2中断12定时器3溢出14ADC0转换完毕15定时器4溢出16ADC2监控中断17ADC2转换完毕18CAN中断19UART1中断20每个中断都有2个优先级：低级和高级。低优先级中断可以被高优先级中断所中断，但反之则不行。如果2个同等优先级中断同时申请服务，则按表31所列的优先级顺序排队，在前者先得到服务。中断响应时间取决于中断发生时CPU的状态。中断系统在每个系统时钟周期对中断标志采样，最快的响应时间为5个系统时钟周期（1个周期用于检测中断，4个周期完成对中断子程序的调用）。2 中断寄存器除了原有的中断允许寄存器IE和中断优先级寄存器IP外，C8051又增加了2个扩展的中断允许寄存器EIE1和EIE2，以及2个扩展的中断优先级寄存器EIP1和EIP2。寄存器中的各位值为1表示允许，0表示禁止。3.2.3定时器计数器C8051 内部5个定时器计数器，其中3个16位定时器计数器与标准8051中的定时器计数器兼容，另两个16位定时器用于ADC、SMBus或作为通用定时器使用。定时器计数器的工作方式如表3.2所列。定时器0和定时器1几乎完全相同，有4中工作方式；定时器2有3种工作方式，分别是16位自动装载定时器计数器、16位带捕捉定时器计数器、16位波特率发生器；定时器3与定时器2类似，但没有捕捉或波特率发生器方式；定时器4与定时器2完全相同，可用作UART1的波特率发生器。表3.2 Cygnal 8051单片机定时计数器的工作方式Table 3.2 Cygnal 8051 microcontroller timing/Counter methods of work工作方式定时器0和定时器1定时器2定时器3定时器4013位定时器计数器自动重装载的16位定时器计数器自动重装载的16位定时器计数器自动重装载的16位定时器计数器116位定时器计数器带捕捉的16位定时器计数器带捕捉的16位定时器计数器2自动重装载的8位定时器计数器UART(0)波特率发生器UART(1)波特率发生器3双8位定时器计数器（只对定时器0）当工作在定时器方式时，定时器寄存器在每一个输入时钟加1，输入时钟为系统时钟或系统时钟的12分频，由CKCON中的定时器时钟选择位T2MT0M指定。输入时钟为系统时钟的12分频选项保存了与标准8051系列的兼容性，需要快速定时器的应用则可以选用输入时钟为系统时钟的选项。 定时器0和定时器1与标准的8051