大功率电动机调速控制的硬件设计

XX大学毕业设计（论文）题目：大功率电机调速控制的硬件设计学院：测试与光电工程学院专业名称：测控技术与仪器班级学号：学生姓名： 指导教师：二 O xx 年六 月大功率电机调速控制的硬件设计摘要 我国有相当丰富的镁资源,储量占世界的 60以上,镁合金具有密度小,比强度高,减振性好,抗电磁干扰屏蔽性好和机械加工性能好等优点。汽车工业来自节能和环保方面的压力为镁合金提供了巨大的发展空间。因此,大力进行镁合金的研究开发势在必行。本论文主要是研究用 PWM 控制大功率直流电机的转速，实现对电动机的数字化控制。在设计中，对 PWM 控制电机转速的原理进行了全面的阐述。详细介绍了以 80C552 作为整个控制系统核心的硬件部分。为实现系统的微机数字化控制， 本系统以 80C552 作为核心，配以驱动，测量，显示等模块，实现对电机转速参数的显示和测量。硬件组成包括，80C552，电源模块，2764 芯片，驱动模块， 8255 芯片及 LED 显示模块，电流检测模块，光电码盘测速模块，输入模块等。在设计中，采用 PWM 调速方式，通过改变 PWM 占空比改变电动机的电枢电压来控制电机转速。在硬件结构上采用了集成电路模块，简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。实现了直流电动机的实时数字PWM 控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。本文解决了“半固态镁合金板带连续铸轧成形技术”中的电机速度控制问题； 实现了镁合金半固态加工技术的自动化水平。关键词 80C552 直流电机 PWM 调速 转速显示The hardware design of the high power motor speed controlAbstract China has fairly rich in magnesium resources, reserves accounted for 60% of the world, magnesium alloys have low density, high strength, vibration resistance, and good shielding against electromagnetic interference and goodmechanical processing performance. Automotive pressure from energy conservation and environmental protection for the magnesium alloy provides a huge space for development. Therefore, to carry out research and development of magnesium alloy imperative .This paper mainly studies the speed of the PWM control power DC motor to realize the digital control of the motor. In the design, the speed of the motor of the PWM control is described comprehensively. This paper introduces the hardware of the whole control system based on 80C552 . In order to realize the microcomputer digital control of the system, the system takes 80C552 as the core, and is equipped with the driver, the measurement and the display module to realize the display and measure of the motor rotate speed parameters. Hardware including, 80C552, power supply module, 2716 chip, driver module, 8255 chip and LED display module, current detection module, optical encoder module, input module. In the design, the speed of the motor is controlled by changing the duty ratio of PWM.In the hardware structure using the integrated circuit module, simplifying the hardware circuit, improves the stability and reliability of the system, the system performance is improved. The real-time digital PWM control of DC motor is realized, which has the advantages of convenient control, simple configuration and great flexibility.This paper solves the semi-solid magnesium alloy strip continuous casting forming technology in the motor speed control problem; and achieve the level of automation of magnesium alloy semi-solid processing technology.Key words 80C552 DC motor PWM speed motor speed display目录1 绪论1.1 课题研究的依据与意义11.2 国内外技术情况对比材料11.3 课题研究内容与目标31.4 本章小结32 直流电机调速系统设计2.1 直流电机的调速方案42.1.1 三种调速方案对比与选择42.1.2 直流电机 PWM 调速原理52.2 PWM 脉冲产生方式72.3 速度调解方案82.3.1 模拟 PID 调节器82.3.2 数字 PID 控制器92.4 测速原理102.4.1 测速发电机测速102.4.2 光电码盘测速112.5 本章小结123 硬件系统设计3.1 80C552 特性及结构133.2 存储器 2764 特性及结构153.3 输入部分163.4 LED 显示部分173.5 PWM 功率放大器183.6 测速部分193.7 直流电源部分203.8 本章小结214 结论参考文献23致谢24附录25大功率电机调速控制的硬件设计1 绪论1.1 课题研究的依据与意义:当今，随着地球资源的减少和人们环保意识的提升，对新型材料要求越来越强烈。而镁合金具有和铝合金一样多的优良特性，比如密度小，铸造容易，机械性能良好，屏蔽电磁能力强等，已越来越成为交通运输和电子产品包装外壳的重要选材。但镁合金的缺点也很明显，如强度低，硬度低，容易疲劳等，其应用受到限制，这样提高镁合金铸件的质量，已迫在眉睫。传统的镁合金铸造成型方式效率低，质量稳定性差。最新的半固态镁合金连续铸轧技术具有残余应力低，致密性高，时间短，成型稳定等优点，能提高镁合金铸件的质量。我国镁合金储量丰富，占世界 60%以上，再加上其诸多优良特性， 其发展空间也越来越大。而可调速电动机在铸轧期间扮演着重要角色，用单片机来控制电机转速也越来越成为重要的研究课题1。1.2 国内外技术情况对比材料近年来，随着半固态技术的发展，出现了许多制备半固态金属浆料的新工艺和新技术。冷却斜槽法是其中的一种。冷却斜槽法的原理为：将略高于液相线温度的熔融金属倒在冷却斜槽上，由于斜槽的冷却作用，在斜槽壁上有细小的晶粒形核长大，金属流体的冲击和材料的自重作用使晶粒从斜槽壁上脱落并翻转，以达到搅拌效果。通过冷却斜槽的金属浆料落入容器，控制容器温度，即缓慢冷却， 冷却到一定的半固态温度后保温，达到要求的固相体积分数，随后可进行流变成形和触变成形。图 1 所示是冷却斜槽法的几种工艺过程，图 1（a）和（b）是将先将制备的半固态浆料直接铸轧成板带坯，图 1（c）是将制备的半固态浆料铸造成坯锭后，再二次加热，重熔后触变成形的工艺过程。在冷却斜槽方法中，影响熔融金属转变为半固态浆料的主要因素有三个：1） 是浇注条件，熔融金属倒入冷却斜槽，逐步凝固形核，很多细小固相颗粒随液相流入容器，只有在浇注温度高于液相线温度时，才可能在斜槽上形成晶核，同时斜槽温度要尽可能低； 2）是斜槽长度，如果斜槽过长，会在斜槽底部凝固形成金属壳，阻碍金属的流动，降低冷却效率，如果斜槽过短，熔融金属内没有产生大量细小晶粒，达不到半固态浆料要求；3）是斜槽的倾斜角度，倾斜角度的大10小直接影响熔融金属的流动速度。采用冷却斜槽法制备的半固态浆料的固相百分数在 3%-10%之间，其流动性同熔融金属一样。在流变铸造中，固相百分数越低，越容易铸造。因此，冷却斜槽法能应用于流变铸造成形很薄的铸件。图 1 冷却斜槽法的几种工艺过程直接将金属熔体“轧制”成半成品带胚或成品带材的工艺称为连续铸轧。这种工艺的显著特点是，其结晶器为两个带水冷系统的螺旋铸轧辊，熔体在其辊缝间完成凝固和受到热轧两个过程，而且在很短的时间内（23s）完成的。原理是铸轧辊把浆料的大量热能迅速带走,使浆料在很短时间内完成结晶过程。同时, 又对已形成的组织经过轧辊进行压力加工。它不同于连铸连轧，后者实际上将锭胚铸造与热轧连续进行，即金属熔体在连铸机结晶器中凝固成肧后，再在后续的双机架温连铸机上连续铸轧成供冷轧机用的带胚或成品板带材，铸造和温轧是两个独立的工序。（1） 铝带铸轧连续铸轧技术具有投资省、成本低、流程短等优点，一直在有色合金，特别式铝带的生产上得到了广泛的应用。（2） 钢铁材料铸轧连续铸轧生产钢铁材料还未完全成功，其重要原因之一是钢铁材料的熔点很高，控制铸轧过程稳定性的操作参数范围很窄，铸轧过程中钢铁材料的传热、凝固过程比有色金属更复杂。2000 年以来， 澳大利亚 CSIRO 联邦科学与工业研究组织(Commonwealth Scientific Industrial Research Organization)工业技术研究院(Institute of Industrial Technologies)就致力于镁合金板带铸轧技术的研究。目前 CSIR0 已经建立了一个工业规模的试验工厂，用镁合金板带连铸机生产出低能耗、高质量的镁合金薄板带材，这台设备可以生产出 600 mm 宽的符合商业质量标准的镁薄板带。并且 CSIRO 把镁合金板带成功应用于汽车发动机和打印机、移动电话、DVD、火车、电池、甚至自行车中。CSIR0 正在深入开展此项研究以证明这个工艺所具有的以下特点：(1)安全、可靠、低能耗、高效率。(2)既适用于大批量，也可适用于少量生产。(3)材料的选择性大，它可适用于各种传统和新型镁合金，能够生产出高质量的镁合金板带产品2。日本国立小山工业高等专门学校的 HWatari 等人正在研究半固态镁合金双辊铸轧技术，并取得了一定的进展。通过大量的试验研究得出一些参数之间的相互关系。例如在加工 34 mm 厚度板带时的辊速为 20 mmin 为宜，并且还发现了铸轧出的镁板带具有很强的塑性加工能力，为此项技术的后续研究奠有很强的塑性加工能力，为此项技术的后续研究奠定了基础。此外，英国曼彻斯特大学科学技术学院的 KDAVEY 在半固态技术研究方面也取得了一些成绩。我国有相当丰富的镁资源,储量占世界的60%以上,镁合金具有密度小,比强度高,减振性好,抗电磁干扰屏蔽性好和机械加工性能好。汽车工业来自节能和环保方面的压力为镁合金提供了巨大的发展空间。但目前国内还没有镁合金板带连铸技术的相关报道，南昌大学耿茂鹏教授等人正在用自制的水平式镁合金板带铸轧试验机开展这方面的研究工作。因此,大力进行镁合金的研究开发势在必行：1.3 课题研究内容与目标本文主要研究了利用 80C552 单片机，通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法。 本文就是利用无谐振软开关技术这种先进的控制方式来改变电压的占空比，从而实现直流电机速度的控制。文章中 80C552 芯片内部产生 PWM 信号， 信号通过 PWM 功率放大器放大来驱动电机。利用光电码盘测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，经 80C552 的模数转换引脚反馈给单片机，在内部进行 PI 运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。1.4 本章小结本节主要分析了对直流电机调速系统进行研究的依据与意义；国内外技术情况对比材料；本论文研究的主要内容与目标。2 直流电机调速系统设计2.1 直流电机的调速方案2.1.1 三种调速方案对比与选择通过电机学基本理论可得直流电动机转速的基本特性方程式为n = U- I a R式中：U电枢端电压；I电枢电流；R电枢电路总电阻； 每极磁通量； K电机结构参数。K ef(2.1)由上式可见，直流电动机调速的一般方法有以下三种。第一种电枢回路串电阻调速由式 2-1 可知，如果保持电源电压和励磁电压不变，在电枢回路中串入不同阻值大小的电阻，则特性曲线的斜率也随之改变，因此，通过改变电枢回路的电阻可使电动机运行在不同的转速，达到调速目的，其原理如图 2-1 所示。第二种弱磁调速所能达到的最高转速受换向能力、电枢机械强度和稳定性等因素的限制，转速不能太大。 本系统所用电机为永磁电机，磁通不可该变，因此这种方法也是不适合的。图 2-1 变电阻特性第三种调压调速图 2-2 弱磁调速调压调速的原理为在保持励磁电压与电枢电阻不变的情况下，通过改变电机的电源电压，可使电动机稳定运行在不同的转速上，称为调压调速。其原理如图23 所示，由式 21 可知，调压调速的方法机械特性硬且能够实现无极调速， 在低速运行时电机转速受负载波动的影响较小，精度较高，与电枢回路串电阻的方法相比，由于没有附加电阻损耗，因此提高了电机的运行效率，改变电机电压调速时，出于对电机安全性的考虑加在电枢上的电压一般不超过电机的额定电压，所以，调压调速只能在基速(额定转速)以下调速。基于以上优点，调压调速的方法被广泛采用。图 2-3 改变电枢电压调速特性2.1.2 直流电机 PWM 调速原理调压调速的方法比较常用有两种，一种是采用可控硅设备，将交流电变为可调的直流电，另一种常见的方法是 PWM 脉宽调制，脉宽调速系统在过去早已出现， 但过去由于缺乏高速开关元件而未能在生产实际中推广应用。近年来由于大功率晶体管技术的成熟与成本的不断下降，晶体管脉宽调速系统再次得到重视，并在实际生产中得到了广泛的应用。脉宽调速的基本原理如图 24 所示，将直流电机置于以一个晶体作为开关的电路中，电机两端的电压为电机的额定电压，晶体管受单片机的控制，当单片机输出高电平时使晶体管导通，低电平使晶体管截止，所以晶体管在这里便作为开关的作用，控制开关导通与关断的时间，可改变电机两端在一个周期内的平均电压，而当开关切换的频率足够快时，在电机两端加的脉冲电压与在电机两端加一定大小直流电压的作用相同，且其大小等于脉冲电压在一个周期内的平均值， 所以电机两端的电压可通过调节单片机输出的脉冲的占空比来实现3。通常改变占空比的方法有3种：第一种为定宽调频法，这种方法是保持导通时间不变，只改变关断时间，这样可使脉冲的占空比改变，但同时也改变了脉冲的周期T（或频率）；第二种是调宽调频法，即保持关断的时间不变，而改变开关导通的时间，这种方法也会使脉冲的周期T（或频率）改变；第三种是定频调宽法，这种方法是使脉冲的周期T（或频率）保持不变，而同时改变开关导通与关断的时间。前两种方法都需改变脉冲的周期，在实际应用中计算与调节比较复杂，三种方法中只有第三种保持了周期不变，在计算与单片机的编程中较为简单，因此广泛被使用。 Q1 UsMotor Servo图2-4 PWM控制示意图在定频调宽法中，若电动机两端得到的电压波形如图 2-5 所示，则电机电枢电压平均值可由下式表示：U av= ton/ T U s= aU s(2.2)式中 ton开关每次接通的时间T开关通断的时间周期占空比 =ton/T图 2-5PWM 控制波形图2.2 PWM 脉冲产生方式PWM 脉冲波的产生方法有四种：最早期的 PWM 脉冲波是通过使用独立的电子元件根据实际需求自行组建 PWM 脉冲发射电路，这种方法实施起来极为不便，成本也较高，这种方法已随着电子技术的发展被淘汰。第二种是软件模拟法，利用单片机的一个 I/O 引脚，通过编程对该引脚不断地输出高低电平来实现 P W M 波输出。单片机在输出高低电平时需等待很长的时间，在这期间，CPU 无法进行其它的工作，而且精度不高，若要实现较高的精度， 则编程的过程会极为复杂，因此也逐渐被淘汰。第三种是通过专用 PWM 集成芯片来实现的。该芯片有一 PWM 脉冲输出口和一个电压输入端，芯片根据输入电压可输入的大小改变输出脉冲的占空比，所以可用单片机的 I/O 输出一个数，通过 AD 转换成电压信号加到 PWM 芯片上的电压输入端，即可实现单片机对脉冲占空比的控制。这些芯片带有有过流过压保护功能和“死区”调节功能等，通过使用 PWM 集成芯片，可减轻单片机的工作量，但其脉冲占空比的精度受 AD 转换精度的影响。目前，现在市场上的 PWM 芯片已经有很多种型号，如东芝公司的 2SK3131 芯片和 TI 公司的 TL494 芯片等。第四种是通过单片机的 PWM 口输出脉冲波，在许多新一代的许多单片机中增加了 PWM 功能，它通过单片机的一个端口输出脉冲波。如飞利浦公司生产的8XC552 系列单片机与 Inter 公司的 16 位单片机 8XC196 等。通常可通过改变单片机内部相应的寄存器值来改变脉冲信号的频率与占空比，其占空比的输出不受内部执行程序的影响，只有在改变占空比时，CPU 才会对波形作出相应的调整， 因此占空比的输出精度较高，且编程也较为简单。2.3 速度调解方案由于电机需无级调速，且精度要求较高，经过多方面的考虑采用了速度闭环PID 调节，PID 调节是最早发展起来的控制方法，由于其算法简单并且可靠性高， 被广泛运用于工业控制系统。下面介绍 PID 控制的基本原理、数字 PID 控制算法及在本系统中的应用。2.3.1 模拟 PID 调节器PID 控制规律是模拟控制系统中应用最为广泛的一种。在模拟控制系统中， 最基本的PID 控制系统原理图如图所示，系统由模拟PID 控制器和被控对象组成。图 2-6 PID 控制系统原理图由图可知系统的控制量由偏差值的比例、微分与积分的和，其中偏差值 e ( t ) 是被控对象的入输值或设定值 r ( t )与检测到的输出值 c( t )之差，即e (t ) =r (t ) - c (t )(2.3)所谓控制器的控制规律就是输入e 与输出P 之间的关系，在 PID 控制规律中， 则表示为t e(t )dt( )u(t ) = Kp e(t )+ 0Ti+ Tdde t dt(2.4)式中,：e ( t ) 控制偏差； Kp 比例系数；Ti 积分时间常数；Td 微分时间常数。PID 各控制矫正环节的原理如下： 1 比例环节当存在偏差信号时，比例控制器便会以一定的比例产生控制量，其极性与偏差信号相同，加到被控制对象上，使偏差减小。比例系数 Kp 越大，比例控制越强，响应速度也越快，系统的稳态误差随 Kp 的增大而减小，超调量随 Kp 增大而增大，Kp 过大会使系统产生震荡。2 积分环节比例环节可减少误差，但却不可消除，于是便引入了积分环节，由上式可知，当存在偏差信号时，积分项便会随着时间的增加不断累积，直至消除误差。其控制的强弱由积分时间常数 Ti 决定，Ti 的增大可缩短系统的调整时间，但Ti 过大同样会使系统产生震荡。3 微分环节微分环节是偏差信号的导数，反映了偏差信号的变化趋势，若系统稳定运行时，有干扰信号加到被控对象，微分环节便会产生一个预期的修正信号，使系统的偏差不至于过大，所以微分项其中的一个作用就是提高系统的稳定性， 还可减小系统的调整时间，其控制强弱由微分系数 Td 决定4。因此，在实际应用中应根据实际需求合理设置相应的参数，才能使 PID 控制得到满意的效果。2.3.2 数字 PID 控制器上述 PID 控制规律仅适用于模拟系统，为使单片机实现单片机的 PID 控制， 需将上式离散化，写成差分方程的形式，设单片机的采样周期为 T，n 代表采样次数，则连续的时间 t 可由 nT 代替，再以偏差的累积和代替微分，以相邻两次偏差在的增量一个采样周期内的平均值代替微分，即u(t ) = u(k )e(t ) = e(k )t e(t )dt kTe ( j)0f =0de(t ) e(k )- e(k -1)dtT（2.5）式中T采样周期； K采样序号。通过以上近似，可得到最基本数字 P D 控制算法，即位置式 PID 算法，其精度随采样周期 T 的减小而提高，其控制规律为19kT e( j)u(k ) = Kp e(k )+ j =0+ Td e(k )-e(k -1) + u0TiT(2.6)式中 k采样序号；u（k）第 k 次采样时刻系统的输出值； e k）第 k 次采样的偏差值；e（k-1）k-1 次采样的偏差值； KI积分系数，KI=Kp/Ti； KD微分系数，KD=Kp/Td。位置式 PID 算法为最基本的一种 PID 算法，在实际的应用中它存在一定的局限性。根据实际的需求，有很多种 PID 算法在此基础上做了相应改进，如增量式、积分分离式、不完全微分式、微分先行式等 PID 算法。2.4 测速原理本系统的调速方法为速度闭环 PID 调节，所以需对电机的速度进行测量，并送入单片机中进行计算，一般的测速方法有测速发电机测速法与光电码盘测速法。2.4.1 测速发电机测速测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机。通过对测速发电机的绕组和磁路进行精确设计，可使其输出电压 U 和转速 n 成比例关系，即 U=Kn,其中K 是常数。当电机旋转方向改变时其输出电压的极性也随之改变。在检测时需将被测电机与测速发电机同轴连接，通过检测其输出电压的大小，可推导出电机的转速，故测速发电机又称速度传感器。图 2-7 直流脉宽调速系统结构图传统的直流脉宽调速控制系统如图 1 所示，其控制精度较低。该系统中以测速发电机作为测速传感器，而以测速发电机作为测速传感器时，测速的精度并不高，其原因是在实际检测过程中电机需与伺服电机同轴连接，伺服电机在运行过程中温度会升高，使得测速发电机的温度也随之升高，测速发电机中的比例系数K 并不是恒定不变的，当测速发电机的温度升高时，比例系数 K 会减小，因此， 在检测时，检测到的电压也随之降低，从而给系统带来了误差，这种误差是调速系统无法消除的。并且相对误差随电机速度的下降而增大5。2.4.2 光电码盘测速光电码盘的测速原理如图所示，在电机上安装一个周围开有等距离小孔的码盘，并在码盘两侧安装红外光电传感器，在电机运行过程中，由于电机与码盘同轴连接，码盘会与电机一起转动，且转速相等，当码盘挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器因检测不到光信号将会输出一个低电平，而当码盘的圆孔经过传感器时，并不能挡住传感器接受到光信号，因此，输出一个高电平，因此当电机旋转一周时，传感器便会发出与码盘上圆孔数相等的脉冲波，因此，若在一定时间 t 内所接收到的脉冲个数为 m，码盘上孔的数量为P，则电机的平均转数为：N = 60m / pt(r / min)(2.7)图 2-8 脉冲发生源硬件结构图（左为正视图，右为侧视图）最初的光电码盘是选用金属作为材料，然后在材料上开通孔使码盘能够工作，其优点之一就是金属材料的强度高，使用寿命长，但金属的热稳定性比较差， 由于码盘厚度较厚，所以低速测量时精度较低，为了克服金属码盘的这些缺点， 选用了热稳定性较高的玻璃作为光电码盘的材料，为了克服厚度带来的误差，玻璃码盘以刻线代替开通孔，在精度上有了很大的提高，但一般玻璃易碎，强度不如金属，有时为了节约成本也有选用价格较低的塑料作为材料6。光电码盘最主要的一个指标就是分辨率，它表示编码器每旋转一周所产生的脉冲个数，也称为解析度，或直接撑多少线，分辨率越高，测速精度也就越高， 对系统的电路的及计数系统的要求也越高。综上所述，在单片机控制电机系统中，以光电码盘代替传统的测速发电机， 消除了测速时由于温度变化带来的误差，同时也使得测速环节信号的处理变得简单，它以计数的方式取代了传统的 AD 转换，同时也消除了由于 AD 转换精度不高带来的误差。一般认为光电码盘测速的方法有以下三种：M 法也称为测频法，在规定时间内测量光电码盘产生的脉冲数，通过计算得出速度。这种方法在电机转速较高时精度较高 ，所以常应用于高速测量 。T 法也称为测周法，测量相邻两个脉冲的时间间隔，通过计算的出速度，这种方法在低速测量时精度较高，因此常用于低速测量。在实际的测速中，若检测对象同时存在高速与低速运行，单独采用上述方法中的一种时，在速度较高或较低时误差会较大，这时可使用上述两种方法相结合， 即在设定的时间内同时测量一个高频时钟脉冲与光电脉冲的个数，通过计算可得电机的转速，这就是 M/T 法。2.5 本章小结本节主要介绍了三种电机调速方案的比较与选择；PWM 调速原理；PWM 脉冲产生方式；两种速度调节原理，模拟 PID 调节和数字 PID 调节；两种测速原理， 光电码盘测速和测速发电机测速。3 硬件系统设计为使系统达到设计的任务和要求，设计的调速系统框图如图 3，本系统选用的单片机为 80C552，由于 80C552 内部无程序存储器，选用 2764 芯片作为单片机的程序存储器，电机转速由给定电位器给定一定电压通过单片机内部的 A/D 转换后设定电机速度，将检测到的电机转速实际值与给定值进行比较，分析电机转速偏差的大小与变化的情况改变 PWM0 脉冲宽度寄存器的值，从而改变单片机输出的 PWM 脉冲的占空比，对电机的速度进行有效调节，使得电机的实际转速与给定转速相等。并通过并行 I/O 口扩展芯片 8255 与 7 段一码驱动芯片 74LS47 的联合使用，以静态显示的方式驱动 LED 数码管，实时显示电机的测量转速。为了控制系统的稳态误差、超调量以及调整时间等，电机的调速方案采用 PID 调节。另外，用电流传感器检测驱动电路中的电流，通过 A/D 转换送入单片机中，实时监测电机电流，防止电流过大损坏 PWM 功率放大器。图 3-1 PWM 调速系统硬件结构图3.1 80C552 特性及结构80C552的结构如图所示，其主要性能有：l 80C51构架CPU；l 片内无程序存储器ROM；l 256字节片内RAM存储器，可扩展到64KB；l 两个与8051完全兼容的16位定时/计数器T0、T1；l 一个附加的具有四通道捕获输入、三通道比较输出8路 电视信号的16位定时，计数器T2；l 两路8位脉宽调制输出（PWM）：l 一个带有8路模拟输入通道的10位模拟A/D转换器；l 五个8位双向I/O口到；l 可工作在主机或从机模式的总线接口；l 与8051兼容的全双工异步串行口；l 增加看门狗定时器T3；l 17个中断源，2个优先级，15个中断程序入口地址；l 56个特殊功能寄存器；7 单片机引脚资源配置8OC552具有6个8位I/O口PO-P5，每个口由1个寄存器、1个输入缓冲器和输出缓冲器组成。除了P1口新增加了功能，PO-P3与8051完全一样。P4口的功能与P1-P3相同，P5口只能作为输入口。结构及引脚功能如图98所示。各引脚主要功能如下：l Vdd、Vs：+5V电源、数字地；l PSEN：外部ROM的读选通信号；l ALE：地址锁存允许信号；l STADC：片内ad转换器启动输入，该教不得悬空；l PWM0：脉宽调制器PWM通道0输出；l PWM1：脉宽调制器PWM通道1输出；l EA：监视定时器WDT得时钟使能端；l P0：8位准双向I/O口；l P1：8位准双向I/O口；l P2；8位准双向I/O口；l P3：8位准双向I/O 口；l P4：8位准双向I/O口；l P5：8位输入口/ADC0到ADC7模拟人口；l RST：复位输入端，当监视定时器wDT计数溢出时，输出复位信号l XTALl、XTAL2：振荡器输入端。l Avdd、Avss”：模拟电源、模拟地。l Avref +、Avref-：AD转换器基准电压正、负输入端。图 3-2 内部结构图3.2 存储器 2764 特性及结构由于80C552片内无ROM，所以需外接一个一个POM芯片，本系统采用了2764作为单片机的存储芯片，各引脚的含义为：l A0A12：13 个地址输入口。用于寻址片内的 8K 存储单元。l D0D7：8 根双向数据线，正常工作时为数据输出线。编程时为数据输入线。l OE：输出允许信号，低电平有效。l CE：选片信号，低电平有效。l PGM:编程脉冲输入端。l VPP：编程电压输入端。编程时应在该端加上编程高电压，不同的芯片对VPP 的值要求的不一样，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V 等。2764 与单片机的连接如图所示，74LS373 是一个锁存器，其功能是锁住地址，使存储芯片正常工作。图 3-3 2764 与单片机的连接3.3 输入部分输入系统是实现人机对话的重要环节，通常单片机的输入方式有两种，一种是模拟输入，另一种是数字输入。模拟输入是给定一定的模拟量经A/D转换确定给定值 ，如通过给定电位器给定一定电压输入单片机中进行A/D转换，得到最终的给定值，原理如图所示图 3-4 模拟给定图图 3-5数字给定图数字输入一般是通过键盘是实现的，键盘与单片机的连接方式有独立式与矩阵式，独立式键盘各自相互独立，互不影响，分别与单片机的一个I/O口连接，通过读取连接的I/O口的状态可知键盘的状态，但由于独立键盘一个按键就会占用一个I/O口，因此，这种方法是用于按键较少的场合，当系统中所需的按键较多时，可采用矩阵键8。，在本系统中若使用矩阵键盘可明确的给出电机的转速，但输入过程较慢，编程时还需考虑消除抖动与等待按键的释放等，使得编程变得更为复杂。由于80C552内部自带AD转换器，可通过给定电位器经单片机A/D转换后设定电动机速度的最终值，这使得输入变的非常得简单。3.4 LED 显示部分单片机系统中常用 LED 作为数字的显示，其常用的显示方法有动态显示与静态显示，他们各有优缺点。静态显示是每个数码管与单片机的 I/O 分别连接，数码管之间的输入相互独立，互不影响，因此每个数码管始终处于点亮状态，LED 的显示亮度高，软件编程也比较容易，但是它占用比较多的 I/O 口资源，常用于显示位数不多的情况。动态显示是通过编程依次点亮每个数码管，由于人眼的“视觉暂留”效应，当数码管切换频率够高时，我们会以为数码管一直处于点亮状态， 动态控制显示占用资源少，节省了驱动芯片的成本，但编程中，为了保证数码管在一定时间内的点亮次数，计算机在做其它工作时，还需考虑数码管的显示，这使得编程变得复杂，而且动态显示亮度不如静态的好。为了实现静态显示，又考虑到单片机 I/O 口的开销，本系统选用了并行 I/O 口扩展芯片 8255 与BCD-7 段显示译码器 74LS47 实现了以较少的I/O 完成了LED 的静态显示。下面对这两块芯片作简要介绍。8255 是 Intel 公司生产的可编程并行 I/O 接口芯,它是一种通用性较强的 8 位并行接口，它有三个端口，可通过程序定的控制字使它们具有输入、输出等多种功能。74LS47 是 BCD-7 段数码管译码器/驱动器，74LS47 的功能用于将 BCD 码转化成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字，从而简化了程序，节约了单片机的 IO 开销。图 3-6 静态显示仿真图3.5 PWM 功率放大器桥式驱动电路原理图 4-5 中所示为一个典型的 H 桥式电机驱动电路。如图所示，H 桥式电机驱动电路由作为开关作用的 4 个三极管、4 个二极管和一个电机组成。在电路两端加上电机的额定电压，在运行过程中，只要导通对角线上的一对三极管，电压便能加载到电机使电机运转。当导通另一对三极管时，会使电机的电流流向相反，因此电机的转向也改变了，所以，可通过导通不同的三极管来控制电机的转向8。+Us图 3-7 H 桥驱动电路由于本系统所控制的电机单方向旋转，为提高系统的快速性能，驱动电路采用了带制动回路的不可逆 PWM 控制系统，如图 4 所示。PWM0 与单片机 PWM 口相连，以接收来自单片机的 PWM 信号，并通过 74LS04 产生两个极性相反的脉冲信号，两个极性相反的脉冲信号经隔离、驱动放大后带动电机旋转。其中 MOSFET 管 VT1 起调制作用的主控管，VT2 是辅助管；二极管 D1、D2（或 D3、D4）用来加快 MOSFET 管的放电速度。PWM 式晶体管放大器的主要技术指标：输出电压 60V极性最大输出电流 40A，切换频率 7.8kHz。图 3-8 驱动电路图图 3-9 驱动仿真图3.6 测速部分由于测速精度要求较高，系统选用了分辨率为 100 的光电码盘作为电机的测速元件，光电码盘与电机同轴安装，便可精确测出电机的速度。图 3-10 测速仿真图由于 Proteus 中 80C552 的仿真模型不存在，用 AT89C52 模型代替，采用 M/T 法，存在一定误差。在本系统中需对电流实时检测，防止电流过大损坏 PWM 功率放大器。电流检测的方法有电阻检测，光耦检测和电流霍尔传感器检测等方法。根据系统的要求及实施的可能性，本系统采用了霍尔传感器来检测电路中的电流.3.7 直流电源部分在本系统中电机的额定电压为 60V，调速系统中需+5V 直流电压，驱动电路需+12V 直流电压，因此可设计 2 个电源为整个系统供电，其中+5V 与+12V 电压由一个双路稳压电源输出。本系统驱动的电机电压为 60V，所以需设计一个直流电源，其原理图如下， 先通过一个 220 转 60v 的变压器将 220 电压转为 60V 的交流电压，然后通过桥式整流电路获得一个输出端极性不变的电压，即半波整流，再通过 RC 整流电路即可获得所需的 60V 的直流电压。图 3-11 电机驱动电压设计原理图265v 与 12v 直流电压的设计原理如下图所示，原理与上述原理相同，在上述电路中只需将变压器换为 220V 转 12V，在选用合适的电阻电容即可得到 12V 的直流电压，然后输入两个集成稳压芯片中即可 7805 与 7812 中即可获得 5V 与 12V 的直流电压图 3-12 5V 和 12V 电压设计原理图3.8 本章小结