（机械电子工程专业论文）数字控制直流调速单元的研制.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 数字控制直流调速单元的研制 机械电子工程 王银玲( 签名) 李琳( 签名) 摘要 长期以来，直流调速系统以其优异的性能在工业生产过程中得到广泛应用。尤其随 着大功率晶体管技术的发展，以大功率晶体管作为丌关器件的直流脉宽调制( p w m ) 系 统已成为直流调速系统的一个新的发展方向，同时随着计算机尤其是单片机技术的发展， 数字式直流p w m 调速系统正在以其控制简便、控制方案灵活等优点得到广泛应用。 以单片机为控制核心的数字式直流调速系统有许多优点：由于速度给定和测速采用 数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速范围，提高了速度控制的精 度；由于硬件高度集成化，所以零部件数量大大减少。很多功能都是由软件( 即程序) 来 完成的，使硬件得以简化，所以故障率小；单片机以数字信号工作，控制方法灵活方便， 抗干扰能力强。 本文以8 9 c 5 l 和p 8 7 l p c 7 6 8 单片机为控制核心，成功地研制了一套基于双c p u 控 制结构的数字控制直流调速单元。论文中，以性价比高为目的，设计了功率电路、驱动 电路以及控制电路，完成了所设计的电路的调试工作；阐述了调速单元系统软件的设计 思路，并完成了系统软件的编程与调试：在控制策略上，选用转速单闭环控制，并采用 了增量式p i 算法，取得了满意的控制效果。 该系统已应用于1 2 k w 的直流电机调速系统中，实验结果表明系统动态性能好， 控制精度高，结构简单，调速性能可靠，作为产品进行丌发，具有性能价格比高的优点。 关键词：单片机，脉宽调截( p w m ) ，直流电机，调速 论文类型：应用研究 主苎塑垩 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho fd i g i t a ls p e e dc o n t r o ls y s t e mf o rd c s p e c i a l t y ：m e c h a n o - e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gy i n l i n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：l il i n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t d cm o t o rs p e e dm o d u l a t e ds y s t e m sh a v eb e e nu s e dw i d e l yi nm a n yi n d u s t r yf i e l d s b e c a u s eo f t h e i re x c e l l e n tc a p a b i l i t yt ot h el a s tf e wy e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg r e a tp o w e r t r a n s i s t o r ( g p t ) ，d cp u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) s y s t e mb a s e dg p t h a sb e c o m ean e w r e s e a r c hf i e l d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ( e s p e c i a l l ys i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ) d i g i t a ld cp w ms y s t e m sh a v ea t t r a c t e dm a n yp e o p l eb e c a u s e o ft h e i r p o t e n t i a lc a p a b i l i t yi na l t e r i n gc o n t r o ls t r a t e g y t h ed i g i t a ls p e e dc o n t r o ls y s t e mf o rd cm o t o r ，w h i c hu s es i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e r ( s c m ) a s i t sp r o c e s s o rh a sm a n ym e r i t s t h es p e e dg i v i n ga n ds p e e dm e a s u r i n ga d o p td i g i t a l m e t h o d ，t h es y s t e mc a nm e a s u r et h es p e e da c c u r a c yw i t h i naw i d er a n g e ，w h i c he x p a n d st h e s p e e dc o n t r o ls c o p ea n de n h a n c e si t sp r e c i s i o n ；t h eh a r d w a r ei sh i g h l yi n t e g r a t e d ，t h en u m b e r o f t h ep a r t si ss h a r p l ym i n i m i z e d ；a sm o s tf u n c t i o n sa r ec a r r i e do u tb ys o f t w a r e ，t h er a t eo f m a l f u n c t i o ni s 。m o r e o v e r ，a ss c mw o r k sw i t hd i g i t a ls i g n a l ，i t sc o n t r o lm e t h o di sf l e x i b l ea n d i t sa b i l i t yt oa n t i i n t e r f e r e n c ei sv e r yh i g h r e g a r d i n g8 9 c 5 la n dp 8 7 l p c 7 6 8 o n e c h i pc o m p u t e ra sc o r eo fc o n t r o l l i n ga n dd e v e l o p i n gas p e e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd u a lc p ud i g i t a ld cc o n t r o l l i n g p o w e rc i r c u i t ，d r i v i n g c i r c u i ta n dc o n t r o l l i n gc i r c u i ta r ed e s i g nf o rt h ep u r p o s eo f r m i oo f p e r f o r m a n c e & p r i c e d e b u g g i n gw o r kh a sb e e nf i n i s h e d t h ei d e ao fd e s i g n i n gs o f t w a r ef o rt h es p e e dc o n t r o ls y s t e m i sp r o v i d e d ，t h ep r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n gw o r ki sd o n e c l o s e dl o o pc o n t r o lw h i c ha d o p t e di n c r e m e n t a lp ia l g o r i t h mi su s e di nt h i ss y s t e m ，r e s u l ti ss a t i s f i e d a1 - 2 k wd cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ep w m s p e e dr e g u l a t i o na c t - u a t o ri si m p l e m e n t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mh a sb o t hg o o dd y n a m i c a n dg o o ds t a t i cp e r f o r a t e s ，i th a sas i m p l es t r u c t u r ea n dr e l i a b l es p e e dr e g u l a t i o nc a p a b i l i t y d e v e l o pa st h ep r o d u c t s ，h a v ea d v a n t a g eo fh i g hp e r f o r m a n c e c o s tr a t e k e y w o r d s ：m i c r o c o m p u t e r ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ，d cm o t o r ，s p e e dr e g u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：王趣建阿期：趔堕! 占，丛 学位论文使用授权的说明 t 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 刚朝：瑚。s 丛 开期：州j i 占塞 第章绪论 第一章绪论 长期以来，需要调速的场合多以直流电机驱动，直流电动机调速技术( 简称直流调 速) 在工业生产中得到了广泛的应用。直流电动机能够提供启动时所需要的高启动转矩， 也易于实现宽范围的转速调节，而且调节平滑，动态响应快，效率比较高，控制方式灵 活简便等优点。虽然它在超高速和危险等特殊环境里的应用受到一些限制，有被交流电 机取代的趋势，但是在一般电气传动领域一直发挥着重要作用。 1 1 直流电动机调速系统概述 直流电动机的转速九的表达式为： 扎= 蜷 式中：u 一电动机电根端电压( v ) ： 。一电动机电根回路电流( a ) ： k 一电动机的电势常数： 中一电动机励磁磁通( w b ) 。 由上式可以看到，直流电动机调速可通过以下三种方法实现：一是弱磁升速，即保 持e 和u 。不变，通过减少中来升高 ，是一种小范围无级调速方式；二是变电阻调速， 即保持u 。和中不变，通过调节尺。来调节竹，是一种大范围有级调速方式；三是调压调 速，即保持r 。和不变，通过调节己，。来调节n ，是一种大范围无级调速方式。 励磁控制法来控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，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； 对于要求大范围平滑调速的直流电气传动系统来说，调压调速方式最好，并且现代工业 企业的低压供电系统多数采用交流供电，通过可控变流装置即可提供可调的直流电压， 所以直流调压调速方法应用最广泛，是直流调速系统的主导调速方法。 调压调速需要专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种： l 。旋转变流机组； 由交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。它由交流电动机( 异 步电动机或同步电动机) 拖动直流发电机实现变流，由直流发电机给需要调速的直流电 动机供电，通过调节发电机励磁电流的大小和方向来改变其输出电压的大小和方向，采 用这种方式的直流传动系统在5 0 年代曾广泛使用。由于浚系统至少需要两台与调速电机 容量相当的旋转电机，还需要一台励磁发电机，因而所需设备多、体积大、费用高、效 率低、响应慢、振动大、安装需打地基、运行有噪声、维护不方便，所以其应用范围受 到定限制。当静止可控整流器出现以后，它就完全让位于静止可控整流器。 2 静止可控整流器： 用静止的可控整流器( 例如晶闸管可控整流器) 以获得可调的直流电压。它和旋转 阿安0i 油人学硕十学位论文 变流机组以及汞弧整流器等变流装置相比，晶闸管可控整流装最不仅在经济性和效率上 都有很大的提高，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1 0 4 以上，由小功率的控制信号即可得到高功率输出，其门极电流可以直接用 品体三极管柬控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大装置：在控制作用的快 速性方面，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，将会大大提高系统的动念性能。 晶闸管整流器的缺点主要表现在以下三个方面：首先，由于晶闸管的单项导电性， 它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；其次，元件对过电压、过电流十分敏 感，其中任何一个指标超过允许值都可能在很短时j 、日j 内损坏元件；最后，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，并且会产生较大的谐波电流，从 而引起电网电压波形畸变。 3 直流斩波器和脉宽调制变换器： 用- 瞳定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可 变的直流电压。 2 0 世纪7 0 年代，电力电子器件得到快速发展，随着电流控制型自关断器件( 如g t o 和b j t ) 的诞生，推出了用低频( 数千赫兹) 直流脉宽调制变换器来实现调压，它是以自 关断器件的开关作用将直流电压转换成方波电压加在直流电动机电枢两端，通过调节方 波脉宽来控制直流电压的大小和方向，从而实现直流调速。这种电气传动线路简单，控 制方便，效率高，调速性能优，但容量小。 2 0 世纪8 0 年代，随着电场控制型自关断器件( 如功率p m o s f e t 和i g b t 等) 的诞生， 又推出了高频( 数十甚至数百千赫兹) 直流脉宽调制变换器。这些具有自关断特性的“全 控式”器件的关断时问短，因而效率更高，调速性能更优，对环境的污染更低，目前在 中小功率的系统中广泛应用。 采用全控式器件实行开关控制时，多用脉冲宽度调制( p w m ) 的控制方法。通常p w m 控制信号的产生有以下四种方法： ( l ) 分立电子元件组成的p w m 信号发生器：这种方法是利用分离的逻辑电子元 件组成p w m 信号电路。但是它的电路复杂，可靠性差。 ( 2 ) 软件模拟法：利用单片机的一个i o 引脚输出高低电平来实现p w m 波。这 种方法要占用c p u 大量资源，使得单片机的工作效率大为降低。 ( 3 ) 专用p w m 集成电路：现在市场上已有许多种专用的p w m 集成电路芯片。 这些芯片除了有p w m 信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。用单片 机控制直流电动机中，使用专用p w m 集成电路可以减轻单片机负担，工作更加可靠。 【4 ) 单片机自带的p w m 口：新一代的单片机增加了许多功能，其中包括p w m 功能。单片机通过软件设置，使其能自动产生占空比可变的p w m 脉冲波。 因此，本论文所设计的数字控制直流调速单元，它是由电场控制型自关断器件( 功 率m o s f e t ) ，采用p w m 控制方式构成的直流脉宽调速系统，其中p w m 控制信号是 第一章绪论 由单片机的p w m 口来实现的。 1 2 研究的目的和意义 本课题是应企业厂家的需要：针对负载频繁波动的l k w 直流电机，研制开发一套 控制平滑、稳定、经济、实用、简便、可靠性高、操作方便的直流调速单元。 目前，直流调速技术的研究和应用己达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流 调速系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。 目前国内各大专院校，科研单位和厂家也都在丌发全数字直流调速装置，但大多数 调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术丌 发性能价格比高的，具有自主知识产权直流调速单元，将有广阔的应用前景。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文的任务是采用单片机为主控制器开发出性能价格比高的全数字控制的直流 调速单元。主要工作有以下几个方面： 1 分析了p h i l i p s 半导体公司生产的具有p w m 功能的5 1 l p c 系列单片机 p 8 7 l p c 7 6 8 的功能特点，将其应用在数字式直流电机调速系统中，提出了由8 9 c 5 1 和 p 8 7 l p c 7 6 8 双c p u 组成的数字式直流调速单元的构成。 2 论述了各个功能模块的软件和硬件的具体实现方法，并对各个功能模块的软件 和硬件进行调试。 3 设计了功率电路和驱动电路，并完成了所设计的电路的调试工作。 4 从数字式直流调速系统的数学模型及厂家提出的各项性能指标的要求出发，进 而选定转速单闭坏数字p i d 控制方案，并根据工程整定的思想，通过多次实验，确定了 p i d 参数值。 5 对本文设计的直流电机调速单元的性能作了实验和总结。 瞬安析油人学硕十学桡论文 第二章p w m 调速原理与直流调速单元的整体设计 与传统的直流调速技术相比较，p w m ( 脉宽调制技术) 直流调速系统具有较大的优 越性：主电路线路简单，需要的功率元件少：丌关频率高，电流容易连续，谐波少，电 机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽：系统频带宽，快速 响应性能好，动态抗干扰能力强：主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率 高；直流电源采用不可控整流电路整流，电网功率因数高。1 。因此，在调速领域中得到 广泛应用。 直流电机p w m 控制系统有可逆与不可逆之分，可逆系统是指电动机可以在正反两 个方向旋转：不可逆系统是指电动机只能单向旋转，即电机仅在第一象限工作。根据厂 家的要求，本论文设计的调速单元是不可逆系统。 2 1p w m 调速原理剐4 i u ou su i u o ( a ) 发射极输出电路( b ) 集电极输出电路( c ) 输入输出电压波形 图2 1p w m 调速控制原理和电压波形图 在图2 1 所示的不可逆p w m 系统中，丌关管玎的栅极由脉冲电压研驱动。在一 个开关周期内，当0 墨f s ，时，开关管玎的栅极输入高电平时，旧导通，直流电动机 电枢绕组两端有电压【，。；当f ，t 曼f ，时，栅极输入变为低电平，阳截止，直流电源与 电动机断开，电动机电流经续流二级管v d 续流，电动机端电压接近于零；t ，秒后，栅 极输入变为高电平，玎的动作重复前面的过程。这样，对应着输入电平的高低，直流 电动机电根绕组两端的电压平均值u ，为： ：喾芸：鲁洳：口u s ( 2 - 1 ) 第一二章p w m 调速原理与岛流调速单元的聿4 f 体设计 式中口为占空比，口= 。占空比口表示了在一个周期丁里，开关管导通的时间与 周期的比值。口的变化范围为0 a 1 。由式( 2 1 ) 可知，当电源电压虬不变的情况下， 电枢的端电压的平均值u 。取决于占空比口的大小，改变口值就可以改变端电压的平均 值，从而达到调速的目的，这就是p w m 调速原理。以下就是基于双c p u ( p 8 7 l p c 7 6 9 和8 9 c 5 1 ) 的全数字控制的p w m 调速单元的整体设计。 2 2 总体设计 数字控制直流调速单元原理方框图如图2 2 所示。本设计的主要任务就是：根据 p w m 调速原理，利用单片机的功能特点，实现丌关管驱动脉冲形成的数字化，将图2 2 中方框内的几个组成单元组合在一起，开发出一套经济实用、简便、可靠性高、操作方 便的直流调速装置。 型玺合一输入滤波 一整流l 一直流斩波器 一负载i l 二_ _ l 二一u 图2 - 2 数字控制直流调速单元的整体框图 此直流调速单元主要由以下几个部分组成：控制信号输入单元、系统参数显示单元、 脉冲形成单元、输出检测及反馈信号处理单元、脉冲隔离驱动单元以及辅助功能单元。 各部分的功能是： 控制输入单元：提供用户所需要的工作状态，用户仅需要进行简单的按键操作，便 可方便地设置各种工作方式。 参数显示单元：提供人机界面，显示系统目前的工作参数。 输出检测及反馈信号处理单元：利用光电传感器检测电机的实际转速，将其转化为 单片机可识别的脉冲信号，以便充分利用单片机的数字运算、逻辑运算和记忆等功能， 灵活的实现数字控制算法。 阿安f i 油人学硕十学位论文 脉冲形成单元：数字控制器是由双c p u 组成，先由8 9 c 5 l 接收控制输入信号，并 将此信息通过串口传送给p 8 7 l p c 7 6 8 ，p 8 7 l p c 7 6 8 根据接收到的给定值产生所对应的 占空比脉冲信号，使电机运行，同时p 8 7 l p c 7 6 8 通过外部中断和定时计数器读取出输 出检测及反馈信号处理电路所采集的反馈值，并将给定与反馈作比较，完成系统的数字 p i d 运算与调节，最后输出控制脉冲。 脉冲隔离驱动单元：的功能是：将数字控制器输出的控制脉冲放大至i 足以驱动开关， 实现主电路开关可靠的导通和关断，同时具有将功率电路强电与控制电路弱电隔离的作 用。 辅助功能单元：主要是为系统的保护而设计的，包括报警和菲正常运行状惫时的断 电保护。 以下各章节将通过硬件设计，控制策略，软件设计，以及试验结果分析等分别对本 方案进行全面的论证。 第二章澜速系统的硬什设计 第三章调速系统的硬件设计 3 18 9 c 5 1 电路设计 8 9 c 5 1 单片机主要管理显示电路，按键电路，运行状态控制及向p 8 7 l p c 7 6 8 单片 机发送控制脉冲参数等 3 1 1 键盘显示电路 键盘显示部分采用专门的显示器键盘接口芯片8 2 7 9 。一片8 2 7 9 可以驱动8 或1 6 位l e d 显示器，同时可以和具有6 4 个按键或传感器的阵列相连，通过编程可以实现多 种工作方式。8 2 7 9 的主要功能如下： 1 键盘和显示器能同时工作； 2 扫描式键盘工作方式； 3 选通方式送入输入信号； 4 带有8 字符的键盘先进先出存储器( f i f o ) ： 5 左入或右入的16 字节显示器r a m ； 6 工作方式可由c p u 编程； 7 可编程扫描定时、键盘送入时有中断输出； 8 双排8 字或单个1 6 字的数字显示器； 9 触点回弹时两键封锁或n 键巡回； 由于8 2 7 9 接口芯片在初始化后就能自动实现对键盘的扫描和刷新显示，而且它与 8 9 c 5 1 单片机之间采用中断通讯( 接8 9 c 5 1 的i n t 0 中断f 1 ) ，所以8 9 c 5 1 单片机既能从 键盘接受控制命令和各种数据，及时地将系统状态输出进行显示，又不会因为这些功能 而加重单片机c p u 的负担，可以收到很好的效果。 在设计中，显示部分共有1 4 位l e d ，全部采用动态显示方式，包括时间显示4 位、 速度显示4 位、档位显示3 位及3 位故障显示。在键盘部分可设控制按键1 2 个，其中 有5 个运行控制键：停止键o f f 、启动键o n 、加速键i n c 、减速键d e c 以及复位键， 7 个数字键。 8 9 c 5 1 与8 2 7 9 的硬件连接如图3 - 1 所示。8 2 7 9 的d b 0 d b 7 与8 9 c 5 1 的p 0 口相 连；8 2 7 9 的i p q 经非门接到8 9 c 5 1 的i n t 0 管脚上，可以实现键盘中断；8 9 c 5 1 的a l e 输出作为定时时钟从8 2 7 9 的c l r 管脚输入；8 9 c 5 1 的p 2 7 作为8 2 7 9 的片选信号，并 且p 2 0 与8 2 7 9 的a o 相连；当a 0 = i 时，选择命令或状念寄存器，当a 0 = 0 时，选择数 据寄存器，因此8 2 7 9 的地址分别为： 数据口：7 e f f h 命令或状念口：7 f f f h 堕窒! ! 垫叁堂堡主! 生婆苎 s l 0 s l 4 的扫描按编码方式经译码器7 4 l s l 5 4 译码输出，再经驱动器m c l 4 1 3 接 l e d 显示器的c o m 端作为显示器位扫描驱动信号，同时驱动器m c l 4 1 3 的输出作为键 盘的行扫描线。键盘的列扫描线送到回扫端r l 0 r l 3 上。o u t a 与o u t b 经驱动器 7 4 l s 2 4 4 与显示器的段码线相连，直接控制显示字形。7 4 l s 2 4 4 输出端的电阻为限流电 阻，用来调节数码管的亮度。 l o 1 l 一 1 3 1 4 l j 2 9 1 8 1 9 p 1 0 p 1 1 p l l p 1 3 p l p l j r 1 6 p l ， r o d p 0 1 p o j p 0 3 p 0 p o j p 0 五 p 0 7 2 1 3 一 1 0 u 9 一 d 0 d 1 d j d 3 d 4 d j d 6 d 7 瑚c 2 d 5 d 7 de 礤e t 3 ll l 3 0l 0 出 2 8l i 2 72 l 2 62 2 2 j2 ” 2 42 a 4 3 j 1 a 1 1 y l 1 姐l 啪 l 3m i a 4 i y 4 3 l2 y l 2 j 、f 2 2 3 j y 3 妯 2 y i l g 0 0 u 凸 譬鞫 7 4 l s l 5 昌a 8 8 吝吕8 各8 暑 b c d e f 6 d p 怎悉戳一 昌趸爱罄嚣凳慧篁l e 嚣呲怒| i 耻 舷蕃霍m盆孽需 怒n 一黜 第三章凋速系统的硬件没计 2 0 0 b = = e f 0 s m c - - l 蓬 d 0 1 2 囊l b c e 囊l 3 1 2 辅助功能电路 s m 争l 豪 臻l 囊l s m 瞄l 蓬 s m 各l 囊l 图3 - 18 2 7 9 键盘显示接口电路 d 啪 s m 尊l 涎 f n 翡 s m 。- l 蕊 fh 一 躔 1 蜂鸣器电路 由于蜂鸣器具有控制简单，声响悦耳动听等特点，因此在工程项目中常作为人机接 口的重要输出设备，用以发出语音提示信息，使系统更加完善、实用。蜂鸣器有交流和 直流两种，特别是直流蜂呜器驱动简单，只要在两引脚上加入直流电源它就会发出_ 定 频率的声音。出于一般i 0 口的驱动能力有限，因此不用它直接驱动蜂呜器，它与8 9 c 5 1 斛一。d e；目 n 鬻o uh 螓 n 篙o ui 葛8 f 岱d 懈 。一。一；一，一。一，r一附 一苫o u l j 螓r | 眦 一h 苫o u ；：h 露 一 一翟o u ；：h 螓 n 葛o u 丁 h 麓 眦 n 警o u l 一 _ 薯) j ；：疆 哪卜乒基一 蟛 。一。一：一。一，一。广一。一 两安t i 油火学硕十学位论文 的连接方式如图3 2 所示。当p 1 6 输出低电平时蜂鸣器不发出响声，为高电平时发声。 所以只要控制p 1 6 输出高低电平的时间，就可以使蜂鸣器一定的声响。 图3 - 2 蜂鸡器电路 2 继电器电路 现代自动控制设备中，常存在电子电路与电气电路的互相连接的问题，一方面要使 电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件( 如电动机，电磁铁，电灯等) ；另 一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和入身的安全， 电子继电器便能完成这一桥梁作用。 继电器电路中一般都要在继电器的线圈两头加一个二极管以吸收继电器线圈断电 时产生的反向电势，防止干扰。本次设计中继电器与8 9 c 5 1 单片机的接口电路如图3 - 3 所示。出8 9 c 5 1 单片机的p 1 5 输出继电器的控制信号，当p 1 5 为低电平时，继电器不 工作；当p l5 为高电平时，继电器工作，常开触点吸合。当电机超速运行时起到保护 系统的作用。 图3 - 38 9 0 5 1 与继电器的接口电路 3 2p 8 7 l p c 7 6 8 电路设计 p 8 7 l p c 7 6 8 单片机的硬件电路如图3 - 4 。由于本次设计采用了双c p u 结构，双c p u 系统的关键是主从c p u 之i 白j 的协调与通信的实现，实现的约柬是： 第二章调速系统的硬竹殴计 1 自满足系统的实时性要求，响应及时，并能完成系统的所有设计功能。 2 软、硬件实现不能过于复杂。 在单片机应用系统中，双c p u 通常采用并行通讯方式和串行通信方式两种，本次 设计采用串行通信方式。串行通讯是指数据一位一位地按顺序传送的通信方式，其突出 优点是只需一根传输线，因而硬件线路简单，实现方便，特别适合远距离通信。缺点是 传输速度较低，只适用数据量小的场合。在图3 4 中p 8 7 l p c 7 6 8 的串行输入口r x d 、 串行输出口t x d 分别与的8 9 c 5 1 串行输出口t x d 、串行输入口r x d 相接；8 9 c 5 1 的 p 1 6 作为p 8 7 l p c 7 6 8 的外部中断l 输入信号；定时计数器t 1 作为串行通讯的波特率发 生器：定时计数器t o 计由光电传感器传送的电机速度反馈的脉冲数；通过外部中断l 的两次中断时问间隔和计数器t o 的计数值就可计算出电机转速的反馈值。最后，将串 口传送的速度给定值与所测得的电机转速的实际值作比较，根据两者的差值作数字p i d 运算，计算出控制输出量，利用p 8 7 l p c 7 6 8 的p w m l 管脚输出控制脉冲。 p 8 t l p c 瓣 删 1 叩2 0 dp ol k i 曲- 0 p i ，在f 啦p 0 j a i o w b e 吐8 p t 6 忡l们3 a m 强 嗽蕾l jp 0 4 止m 1 4 ，证l s p o j ，a 啦e 口恤 x l 加i j v d d 垃止血d 吣2 d p 0 6 旺单1 船 吐t 王白l l 蚋， l s d 娃岫，d 1 3 p l 腑z d f c 埔脚1 ip i l 枷 图3 _ p b ? l p c t b 8 硬件电路 3 2 1p 8 7 l p c 7 6 8 介绍 p 8 7 l p c 7 6 8 c p u 是吐q p h i l i p s 半导体公司推出的5 1 l p c 系y 【| o t p ( 一次编程) 单片机， 采用增强型8 0 c 5 1 内核，硬件资源与增强型m c s ，5 1 基本兼容；增加了1 2 c 总线、模拟比 较器、8 位m d 转换及四通道p w m 等功能；片内集成电源监控电路和看门狗定时器，不 必外接电源监控电路：指令系统与m c s 一5 1 兼容；运行速度为标准8 0 c 5 1 单片机的2 倍。 而且工作温度范围达到了工业标准( - 4 0 + 8 5 c ) ；单片机本身的电磁兼容特性很好，并 且继承t p h f l i p s 半导体的低功耗特性以及不可破译性。采用2 0 脚封装，体积小，适合于 许多要求高集成度、低成本的场合。p 8 7 l p c 7 6 8 的管脚定义参见图3 3 。 p 8 7 l p c 7 6 8 的基本工作状态可由用户通过系统配置字配置，常用的特性有如下几个 方面： l 振荡器 p 8 7 l p c 7 6 x 提供了几种用户可选振荡器，允许根据需要从高精度至最低成本范围内 选择，支持2 0 k h z 2 0 m h z 的低频、中频、高频外接晶振或陶瓷振荡器以及片内r c 振 荡器，也可由外部输入时钟信号。 两安j i 油人学硕十学位论文 2 复位电路 p 8 7 l p c 7 6 x 有内部和外部两种复位方式，器件初始上电时，可配置为完全内部复位， 将e p r o m 配置寄存器u c f g l 内r p d 为编程为“1 ”，可关断外部复位输入，即选择完全 内部复位，使用片内上电复位时不必外接复位电路。通常在程序不是特别复杂的情况下， 内部复位就可以使系统可靠工作。 3 电源监控 p 8 7 l p c 7 6 x 内含有电源监控功能，用于防止或减少上电及掉电时的错误操作。 p 8 7 l p c 7 6 x 的电源监控是通过上电检测，掉电检测两种硬件功能完成的。 掉电( 欠压) 检测用于防止当电压降至某特定值之下时处理器错误操作。椁电检 测的默认操作是产生一次处理器复位。 p 8 7 l p c 7 6 x 掉电电平可选2 ，5 v 或3 8 v 。当v c c 掉至所选电压以下时，掉电检测器 触发并保持至婀c c 返升至该电平之上。当掉电检测产生次处理器复位，该复位将一直 保持n v c c 上升到检测电平之上。 上电检测是当处理器电源电压初次上电，置在上升至能使掉电检测电路工作的电平 之前才丌始工作。此功能可通过电源控制寄存器p e o n 内p o f 位设置 4 看门狗定时器 看门狗定时器由一个完全独立的振荡器控制，以保证其最大限度的可靠性，它通过 “w d t e ”位启动。当看门狗功能被启动时，定时装置必须定时得到软件的清除，以防 止其溢出，对c p u 复位，但是定时装置不能被关闭。 看门狗溢出时m 选择有8 个数据，理沦上时阃跨度从1 6 m s 到2 1 秒。当使能看门狗功 能时，在芯片初始化时向“w d c o n ”写入数据以设定看门狗溢出时间。初始化w d c o n 时，先清看门狗，然后写“w d c o n ”配置的w d s 2 0 位。采用这种方式能在1 0 m s 内完 成设置，从而避免在初始化完成前看门狗溢出复位。 由于看门狗定时器振荡器是一个完全独立于c p u 的片内振荡电路，它实质上执行的 是内部振荡器失灵的检测功能。当看门狗功能被启动，无论c p u 振荡器因何故失灵看门 狗定时器都会溢出使c p u 复位。 p 8 7 l p c 7 6 x 的众多用户可配置的特性必须在【：电时定义，丌始执行程序后便不可设 置了。这些特性是通过两个e p r o m 字节编程来配置的。两个配置字节为u c f g l 和 u c f g 2 。 本次设计中所需要配置的特性均可在系统配置字节u c f g l 中设置，配置字节的值可 由程序m o v x 指令读取。图3 5 即为e p r o m 系统配置字节l ( u c f g i ) 的详细图。 第三章调速系统的硬件设计 u c f gi地址f d o o h默认值0 f f h 76 5 4 3210 w d t er p dp r h lb o vc l k r f o s c 2f o s c lf o s c 0 位符号功能 u c f g l 7w d t e看门狗定时器，当设定为0 时，则关 闭看门狗定时器，定时器可用来产 生中断，反之看门狗定时器使能。 u c f g l 6 r p d复位引脚禁能位，当置、时p 1 5 不 能作复位功能允许其用作仅为输入 口。 u c f g l 5p r h i 口复位高：为1 时，口复位为高电平。 为0 日寸口复位为低电5 严。 u c f g l 4b o v掉电电压选择：等于l ，掉电电压为 2 5 v 。 等于0 为3 8 v 。 u c f g l 3c l k r时钟速率选择：等于0 ，m c u 时 钟被2 分频完全和标准8 0 c 51 一样 每1 2 个m c u 时钟周期为一个机器 周期。 u c f g l 2 0 f o s c 2 一f o s c 0m c u 振荡类型选择 i 1 1外部时钟输入1 ( 为未编程时的缺省 设置1 01 1 内部r c 振荡器6 m h z ，- + 2 5 ol0 低频晶振，2 0 k h z 至1 0 0 k h z oo1 中频晶掘或共振器，1 0 0 k h z 至 o oo 4 m h z 高频晶振或共振器，4 m h z 至 2 0 m h z 图3 5e p r o m 系统配置字节1 ( u c f g i ) 在本次设计中，主要利用p 8 7 l p c 7 6 8 的p w m 部件。该单片机内含4 个脉冲宽度调制 ( p w m ) 通道，它们产生可由编程决定宽度和周期的脉冲。p w m o 的输出是p o 1 ，p w m t 的输出是p 1 6 ，p w m 2 的输出是p 1 7 ，p w m 3 的输出是p 0 0 。芯片复位后，每个p w m 通 道的内部输出是“l ”。图3 6 是p w m 的方框图。输出的脉冲周期是由一个1 0 位的减法 计数器控制，它利用内部的微控制器时钟作为自己的输入。p w m 的频率和周期由下式 阿安ii 油人学硕十学位论文 得到： p w m 的频率：f 0 w m = f c 2 ( c n s w + 1 ) 】 p w m 的周期：t e w m = l f p w m 其中，f f 是微控制器时钟频率，当寄存器u c f g i 的位3 是“l ”时，微控制器时钟就 和由u c f g l 的f o s c 位所定义的时钟源的频率相等。而当u c f g l 的位3 是“0 ”时， 微控制器时钟是由u c f g i 的f o s c 位所定义的时钟源的频率的一半。式中的c n s w 是 由单片机特有的寄存器c n s w 0 和c n s w i 组成，c n s w 0 为减法计数器低8 位，c n s w l 中最后2 位为减法计数器高2 位，其它6 位无定义。 0 b i t s h a d 0 w l1 1 0b i t s h a d o w i1 1 0 b i ts h a d o w l1 1 0b i t s h a d o w i1 1 0 b r r s h a d o w r e g i s t e rl1 r e g i s t e r l】 r e g i s t e r jl r e g i s t e r i r e g i s t e r 0 1 3 l ts h a d o w i 1 1 0 b i ts h a d o w l1 1 0d i t s h a d o w i1 1 0 b i ts h a d o r g i s t e r r g s t e rf r g f g r e ri jr e g s 1 、e r a b a b a b a b r u nl i x f e rl 一一| p w m 3 1 ii | p w m 2 i lf | p w m l l i| | p w m 0 里空里里崔腻蔗羔酽 b r a i ( ec o n t r o ll o g i c 图3 - 6p w m 方框图 3 2 2 速度反馈预处理电路 在电动机的闭环控制中，为了实现电机的转速高精度控制，高精度的电机转速检测 电路是非常重要的，因此必须选用合适的转速反馈元器件来实现高精度的测速。通常可 采用数字式转速测量方法，即在系统执行电机轴上带一个圆盘，沿圆盘周边均匀开一圈 小孔，光源与光电传感器固定不动，圆盘处于其间。当电机带动圆盘转动时，光线交替 地通过小孔照到光敏元件上，交替地出现亮电流和暗电流，经整形可得一串相同频率的 黑 0 一 一0 第三章调速系统的硬什殴计 _ - 。- 。- 。 。_ “_ - 。_ 。1 + 。_ 。_ _ 。_ _ _ 。一 脉冲，脉冲频率f 与圆盘的小孔数目n 、电机转速n 有关。因此可通过测量方波的频率 f 或周期t ，测得转速的大小。 光电传感器测速电路如图3 7 所示。其中光电传感器发光管和光敏管分别选用慧源 电子公司生产的发光二极管5 0 3 4 s b b 2 a c 和光敏三极管5 0 0 3 m c 。 图3 - 7 光电传感器测速电路 目前，常用的数字式转速测量方法主要有三种，分别是m 法( 频率法) 、t 法( 周 期法) 、m t 法( 频率周期法) 。m 法是在既定的检测时间内，测量所产生的转速脉 冲信号的个数来确定转速；t 法是测量相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速；m t 法是同时测量检测时间和在此时间内的转速脉冲信号的个数来确定转速。 m 法测速，即定时采样主轴脉冲，采样用周期t a 的上限与最高转速( n 。a x ) 和计数的 位数有关，在最高速度时，要保证计数器不溢出。用m 法测量时，在高速阶段，主轴 弥冲计数值较大，计数量化相对误差小，因此测速精度高。但随着转速的降低，计数量 化相对误差也不断增大，精度也就较低。 转速实际值和测量值之差幽与实际值。之比定义为测速误差率6 ：竺。1 0 0 ， 测速误差率反映t n 速方法的准确性，d 越小准确度越高。测得l 时间内旋转编码器 输出的脉冲个数m ，用以计算这段时间内的平均转速，称作m 法测速。 i i 法测速只适用 于高速段，电机的转速为刀：百6 0 m r m i n m 测速的分粹q = 掣一篑一器 硝安i i 油大学硕十学位论文 6 0 m 6 0 (