直流电机调速毕业设计.doc

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）齐 齐 哈 尔 大 学毕业设计（论文） 题目 大功率直流电动机调速装置设计学 院 计算机与控制工程学院 专业班级 学生姓名 指导教师 成绩 2012年6月18日摘 要 直流电动机由于易于调节，动态性能好，在工业生产中得到了广泛的应用。但以往的直流调速是用模拟电路来实现的，所以制作成本高，由于器件温度的漂移，对控制精度产生的很大的影响，对于一些复杂的，非线性控制规律难以实现。随着电力电子技术、数据处理技术以及计算机的发展，数字控制技术也得到了迅猛的发展。它不仅能够实现传统调速装置的任务，而且具有维护方便，便于检修，算法灵活，稳定性强等优点，应用越来越广泛。 本设计是以数字PI为基本控制算法，以单片机（AT89C51）为核心，产生占空比可调的PWM波，通过功率放大和驱动电路实现对直流电动机速度的控制。再利用光电编码器对转速进行检测，反馈到单片机中（AT89C51），实现了对转速的闭环控制。同时用ACS712D电流传感器将电流转换为成比例的电压，输出的电压信号通过TLC549A/D转换器，转换为数字信号送入单片机（AT89C51）实现电流的闭环控制。在设计中采用LCD1602对转速、转向进行显示，通过按键对其进行输入控制。该直流调速系统具有可靠性高，便于控制等优点。关键词： 脉冲宽度调制；单片机；直流调速AbstractDC motor with easy adjustment, good dynamic performance, in the industry has been widely used. But due to the application of analog circuits to achieve, so the production cost is high, be influenced by temperature drift of devices, the control precision of the great impact, for some complex, nonlinear control law is difficult to achieve. Along with the electric power electronic technology, data processing and the development of the computer, the digital PID control also got swift and violent development. It can not only realize the traditional speed regulating device of a task, and convenient maintenance, easy maintenance, algorithm is flexible, stability is strong wait for an advantage more and more extensive application.The design is based on the digital PI control algorithm for the basic, with single chip microcomputer ( AT89C51) as the core, to generate adjustable duty ratio PWM wave, through a power amplifying and driving circuit for DC motor speed control. Using photoelectric encoder for speed detection, feedback to the micro controller ( AT89C51), to achieve closed-loop speed control. At the same time with the ACS712D current sensor converts the current into a voltage proportional to the output voltage signal, through the TLC549A/D converter, converts the digital signal into the micro controller ( AT89C51) to realize the current closed loop control. In the design by the use of LCD1602 in speed, steering display, through the button on the input control. The DC speed control system has high reliability, easy to control .Key words : PWM wave; MCU; DC motor control目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究的现状2第2章 理论分析计算32.1 PWM脉宽调制技术32.2 直流电动机的脉宽调制控制技术42.3 测速方法的确定和实现52.4 控制系统方案的选择62.4.1 单闭环系统的组成和分析62.4.2 双闭环系统的组成和分析72.5 双闭环系统调节器的设计92.5.1 电流调节器的设计92.5.2 转速调节器的设计10第3章 硬件电路的设计123.1 主电路的设计123.2 电源电路的设计133.3 AT89C51主控芯片的最小系统133.4 PWM信号接口电路143.4.1 单片机控制D/A芯片接口电路的设计153.4.2 波形整形及放大电路的设计163.5 功率放大和驱动模块163.5.1 电机驱动逻辑电路的设计173.5.2 光电隔离和驱动放大电路的设计173.6 速度检测模块183.7 电流检测电路203.8 按键和显示模块203.8.1 显示电路203.8.2 按键电路21第4章 软件程序的设计224.1 PWM信号发生器软件的设计224.2 显示电路软件设计254.2.1 字符的显示254.2.2 汉字的显示254.2.3 LCD1602 的引脚说明254.2.3 LCD1602指令说明及时序264.3 双闭环PI控制软件的设计28结论31参考文献32附录 程序清单33致谢40齐齐哈尔大学毕业设计（论文）第1章 绪 论 1.1 研究背景及意义在现代工业生产中，几乎所有的地方都是用电机把电能转换为的其他形式的机械能。在机械生产、金属冶炼、化学等各种工业部门中，采用了各种各样的电动机来传动,比如在机床、轧机、挖掘机、提升机、起重机、水泵、纸机、输送机械等各种生产机器中。伴随着人们对产品质量要求的提高和生产量的不断增大，越来越多的生产机械设备要求能够实现自动控制。由于生产机械和工艺流程的不同，对于电能转换的电动机也提出了各种各样的控制指标，一些要求能迅速启动、制动，正传和反转；一些要求电动机能够低速稳定运行；一些要求电动机启、制动平稳，并能准确的停在设定的位置。由此可见这些传动系统都是通过控制电动机的转速从而实现对电动机转矩的控制。在与交流电动机相比较，直流电动机具有以下优点：直流电机的调速性能好、静差率小、稳定性强，动态特性好、运行效率高，所以在很长一段时间内，直流电动机都被应用在了高性能的调速系统中。近年来，直流电机的内部结构和控制方式都有了巨大的改变。伴随着数字控制系统在脉宽调制中的应用，它已经成为直流调速系统中新的控制方式。随着新型高速可关断的电力电子器件的飞速发展，使用全控型晶闸管，场效应管等调速系统具有开关频率高、稳定性强、动态性能好、效率高等优点，而且采用这种方法调速非常容易在微机控制系统中实现。随着逻辑电路电压的发展，让这类芯片能够在低电压程序逻辑中使用，比如5V的直流电动机速度控制装置在很多大型机械中得到了广泛的应用，很多半导体制造商都推出了能够提升工作电压的专用电机驱动芯片，如IR公司的IR2112、IR2105等。但是，这些芯片往往都需要10V或者更高的电压，这给系统电源的设计增加了负担。此外，为了满足小功率的直流电动机的使用需求，直流电机的专用集成芯片被一些厂商设计了出来，例如Ns公司推出了专门驱动电动机H桥的LMDl8200，其最高工作电压达到了55V，最高峰值电流达到了6A，连续输出的平均电流达了3A。虽然集成芯片的应用使得电动机的驱动变简单了，但是专用的驱动直流电动机芯片的输出功率有限，无法满足大型直流电动机驱动的控制要求，市场上少数几种大功率集成驱动芯片的价格又很高，例如一片SA01驱动芯片的价格要3500元。在应用这些芯片驱动大功率直流电动机时，因为器件的不对称，H桥的上下桥臂的特性不同，使得上桥臂烧毁和直通现象发生1。综合以上所述研究大功率直流电动机调速装置意义重大。1.2 国内外研究的现状现在，国外一些电气公司，都已经开发出成套的数字化直流调速装置，它们已经有很成熟的模块化，标准化、系列化的应用程序产品可供选择。近年来随着现代控制理论的迅速发展，模糊控制，人工神经网络，自适应控制系统等智能化的控制方法也大量的涌现出来。集散型的微机控制系统在国外已经有成套的定性产品。对于那些复杂的非线性控制系统能够实现在线实时跟踪控制，技术已经成熟，特别是使用PLC单片机等控制更容易操作、可靠性更强、参数便于调节。所以数字化和智能化成为了目前的发展方向。全数字化直流调速系统由于是以微处理器为核心的数字控制系统，其硬件电路标准化程度高，降低了成本，而且避免器件温度漂移的影响。微机数字控制系统在各方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛，但是我国自主研发的全数字控制的直流调速装置很少见。由于外国产品价格昂贵，所以国产全数字控制直流调速装置的发展有一定的空间。目前，国内许多高校、研究所和厂家也都在开发基于PWM波的全数字直流调速装置。第2章 理论分析计算2.1 PWM脉宽调制技术脉宽调制（PWM）控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，输出一些列同等幅度的脉冲，来代替所需的正弦波、方波、锯齿波等。就是在输出波形的半周期内产生多个脉冲，使每个脉冲的电压等值为正弦波，这样得到的波形输出平滑且低次谐波减少。按照一定规律调节每个脉冲的宽度，就能控制逆变电路输出电压的大小和输出频率的高低2。在采样控制原理中有一个非常重要的结论：如果冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节的控制结构上时，效果基本相同。这里的冲量就是窄脉冲的面积，效果基本相同是指在本环节上输出响应的波形大体相同。若把每个输出的波形进行分析变换，在低频段它们的特性非常相似，高频段上略有差异。根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。例如，把正弦波的半周期分成N等份，这样就可以把正弦波半周期近似成由N份相连脉冲组成的波形。这些宽度相等,幅值不等且脉冲顶部不是水平线的脉冲，都等于，这些脉冲的幅值都按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是脉宽调制波形。由此可见，这些脉冲的宽度都是按照正弦波的规律变化的。根据采样控制原理的结论：冲量相等效果相等，所以脉宽调制波形和正弦半波效果是等效的。对于正弦波的负半周，采用同样的方法也可以得到脉宽调制波形。在脉宽调制波形中，每个脉冲的幅值相等。要改变等效后正弦波输出的幅值时，只要按相同的比例系数改变各个脉冲的宽度就可实现，因此在交直交变频器中，采用不可控二极管就可以进行整流，直流侧电压的幅值就是脉宽调制逆变电路输出的脉冲电压。综上所述，如果给出一个正弦波的频率，幅值和半周期内的脉冲数，脉宽调制波形的每个脉冲宽度，时间间隔就能够计算出来。根据计算结果控制电路中晶闸管器件导通和关断，就能得到所需波形。 2.2 直流电动机的脉宽调制控制技术直流调速系统中有三种调速方法：调节电枢两端的供电电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路中的电阻。三种调速方法各有其特点：其中改变电枢回路中电阻只能对电动机作有级调节，转速稳定性差，调速系统效率低；减弱磁通调速能够实现平滑调速，但只能在基速以上的范围调节转速；调节电枢电压调速所得到的人为机械特性与电动机的固有机械特性平行，转速稳定性好能在转速一下实现平滑调速。所以，直流调速系统往往以调压调速为主。其中，在调压调速系统中，以PWM调速应用最为广泛。直流PWM调速系统有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率高，靠电枢电感的滤波作用就能获得平稳的直流电流，速度的稳定性强，精度高、低速特性好、调速范围宽；同样，由于其开关频率高,快速响应性能好,增强了动态抗干扰能力，还能获得很宽的频带，由于开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、提高了装置效率，直流电源采用三相不可控整流时，电网功率因数比相控整流器要高，正因为直流PWM调速系统有如上所述的优点，并且随着电力电子器件开关性能的提高，直流脉宽调制(PWM)技术得到了迅猛的发展。现在，在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制技术。根据PWM控制的原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的PWM脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压是等效的3。那么如果在短时间（T）内脉冲宽度为,幅值是U，由图2-3可求得在这段时间内脉冲的等效直流的电压为：图2-1 PWM脉冲，如果令，则上式可简化为： （2-1）式中 U脉冲的幅值 占空比如果PWM脉冲为如图2-2所示的周期性矩形脉冲时，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即： （2-2）由公式2-2可知，想要改变等效直流电压的大小，就可以通过改变脉冲幅值U和占空比来实现，在实际控制系统设计中脉冲幅值一般是恒定的，因此常常通过控制占空比的大小实现等效直流电压在0U之间任意调节，从而达到了利用PWM控制技术实现对直流电动机转速调节的目的。图2-2 周期性PWM矩形脉冲为了实现直流电动机的PWM可逆控制，还必须产生四路驱动信号来控制电动机的正反转。当PWM控制电路工作时，H桥的一测有相位相反但占空比相同的两路驱动信号，而且随着控制信号的变化还具有互锁功能。2.3 测速方法的确定和实现M法又称又称测频法，其测速原理是在给定的检测时间内，对光电编码器输出的脉冲信号进行计数的测速方法，M法测速大多数用在测量高转速，因为对于确定的光电编码器线数N是一定的，和给定的检测时间内，转速越高，计数脉冲M越大脉冲也就越小；T法也被称作测周期法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号的脉冲进行记数，为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此T法测速用于低转速测量，但是转速过低，光电编码器输出脉冲的时间过长，时钟脉冲数就有可能超过计数的最大值而产生溢出，此外时间过长还会影响控制系统的快速性。与M法测速一样选用线数相对较多的光电编码器，也能提高电机转速测量的快速性和精度；另一种测速方法是结合M法和T法的测速特点产生了一种M/T的测速方法，即在规定的时间范围里，同时对时钟脉冲数和光电编码器输出的脉冲数同时计数，有公式计算出转速。采用M/T法不论是在高速还是在低速测量时都具有较强的分辨能力和测量精度，转速覆盖范围广，在电动机转速测量中应用十分广泛，所以本设计采用M/T测速法测速。已知旋转编码器每转发出N个脉冲（N=1024），在被系统中用单片机的INT0（P3.2）对在检测周期内发出的脉冲数进行记数，记数值是则转角可以表示成： （2-4） 已知单片机的时钟频率是，用单片机INT1(P3.3)在检测周期T内时钟脉冲计数值为,则检测周期T可以写成： （2-5） 检测周期T内被测转轴的转角，则有： （2-6）综合式（2-4）,式（2-5）和（2-6）求出被测转速为： （2-7）2.4 控制系统方案的选择2.4.1 单闭环系统的组成和分析在转速单闭环直流调速系统中如图2-3所示，应用了PI调节器之后可以实现转速无静差控制，应用了电流截止负反馈环用来限制电流的冲击，避免出现过流现象。作为转速负反馈系统，系统的被调节的量是转速，所以检测的误差是转速，它要消除的也是扰动对转速的影响。所以转速单闭环系统不能控制电流（转矩）的动态过程。但是在调速系统中有两类情况对电流的控制提出了新的指标：一是启制动对时间的控制问题，二是由于载扰动对电流控制问题。对于经常正反转运行的调速系统，应尽可能的减少启动制动过程的时间，达到图2.1的理想过渡过程的曲线，完成最优控制。就是在过渡过程中应保持转矩为最大值，使得直流电机尽可能以最大加速度或减速度，达到我们预先设定的转速，马上让励磁转矩与负载相平衡，使转速以恒定的速度运行。即在在过渡过程中始终保持转矩应为最大值，使直流电动机以最大加速度，减速。达到给定转速时，立即让电磁转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。所以为了满足控制要求本设计采用了双闭环PI调节。-图2-3 转速负反馈单闭环直流调速系统动态结构图2.4.2 双闭环调节器的组成和分析在实际生产应用中，由于主电路中都存在电感作用，电流无法突变，图2-4所示的理想过渡过程只能得到近似的逼近，其关键是要获得使电流保持最大值的恒流启制动过程，所以提出了双闭环调节系统。双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求,尤其是在机床控制方面，这就需要一个电流截止负反馈系统。nt0图2-4 时间最优的理想控制过程电流截止负反馈环节只能限制电动机的动态电流不超过某一数值，而把电流控制在所需值上。但是根据反馈控制原理，对某一变量对其作负反馈控制就能实现对该变量的无差控制。用一个调节器无法兼顾对转速和电流的控制。如果在系统中另设一个电流调节器，就可以构成电流闭环。 由图2-5启动电流的变化特性可知，在电机启动时, 启动电流很快加大到电机所允许过载能力值, 而且是恒定不变, 在这种条件下,转速程线性增长，当达到我们设定的值时，电动机的电流又迅速下降到能够克服负载所需的电流值 ，于是这就要求晶闸管的电压在一开始启动的时候应为，由于转速电机转速n上升， 也上升, 达到稳转速时,.这种情况就要求电动机在启动过程中把电流作为被调节量，并保持在电动机电流允许的最大值，这就需要设计一个电流调节器。因此电流调节器和速度调节器所构成的双闭环调速系统在这种控制要求下产生了4。 图2-5 带截止负反馈系统启动电流波形TAV-+ACRASR-n图2-6 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图 为了能够实现电流和转速两个负反馈都能起作用，在系统中分别设置了电流调节器和速度调节器，把他们串级相连，如图2-6所示。这就是说把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再由电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置，从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环，转速调节环在外边，叫做外环，这样就形成了转速和电流的双闭环调速系统。2.5 双闭环系统调节器的设计2.5.1 电流调节器的设计1. 时间常数的确定（1）三相整流装置的滞后时间常数，即平均时空时间 Ts=0.0017s。（2）三相桥式电路中每个波头的时间为3.3ms，确保能够滤平波头，应有（12） 个3.3ms，所以电流滤波时间常数=2ms=0.002s。（3）按照小时间常数近似计算，电流环的小时间常数之和。（4）电枢回路电磁时间常数。 （2-8）2. 电流调节器的结构的选择根据任务要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统来设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为： （2-9） 式中 电流调节器的比例系数 电流调节器的超前时间常数表2 -1 典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T 检查对电源电压的抗扰性能：，参表2-1的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。 3. 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数： =0.03s电流开环增益：要求时，取 所以 （2-10）于是电流调节器的比例系数是： =2.6 （2-11）式中，为电流反馈系数其值为；晶闸管装置放大系数Ks=36。4. 近似条件的校验有上面的计算可知：电流环截止频率（1） 晶闸管整流装置的传递函数近似为： （2-12） （2） 反电动势的改变对电流环的影像忽略不计近似条件： （2-13）（3） 处理电流环小时间常数的近似条件： （2-14）其中式（2-12）、式（2-13）和式（2-14）均满足近似条件2.5.2 转速调节器的设计1. 时间常数的确定 （1） 电流环时间常数等效为1/KI,由前述已知，则： （2-15） （2） 转速滤波的时间常数，取。 （3） 按照小时间常数近似处理转速时间常数，取 （2-16）2. 转速调节器结构的选择按照设计要求，选则PI调节器，它的传递函数式为： （2-17）3. 计算转速调节器的参数按照跟随性和抗扰性能都比较好的原则，先取h=5，所以转速调节器的超前时间常数为： （2-18） 则转速环的开环增益 K （2-19）可得转速调节器的比例系数为 （2-20）式中 电动势常数 转速反馈系数 4. 近似条件的校验转速截止频率是： （2-21） （1）能把电流环传递函数简化的条件为: （2-22） （2）近似处理转速环小时间常数的条件是： （2-23） 式（2-22）和式（2-23）均满足近似条件。 第3章 硬件电路的设计根据任务要求和设计目标，调速系统的方框图如图3-1，其核心控制部件是单片机，通过键盘输入一些参数进行简单启停，正反转，加速减速操作；系统由单片机产生PWM波，通过PWM波接口电路整形放大后，经过光电隔离，有电机驱动电路，通过改变PWM波的占空比来控制电机转速。速度检测模块检测直流电动机的速度，反馈到单片机的中，对直流电动机进行一个实时反馈控制；最后再由LCD1602液晶显示把转速，转向显示出来，便于操作控制。 单 片 机 直 流 电 动 机 键 盘 驱动 电路 PWM波 接口电路LCD1602 速度检测图3-1 系统方案框图3.1 主电路的设计直流电动机不能直接接三相交流电，因此要把三相交流电整流成所需的直流电才能给电机供电。本设计采用电容滤波的三桥式相不可控整流电路，电路图如3-2所示。当某一对二极管导通时输出的直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压即向电容供电，也向负载供电。图3-2 主电路图3.2 电源电路的设计电源电路是整个系统的基础，它是输出的电压是否稳定对整系统的稳定运行起到至关重要的作用，因此很据需要设计了5V和12V的电源。先通过变压器把380V的交流电降为220V，5V电源是把220V的交流电再降到11.5V，后经过桥式整流电路把交流电转变成直流电，整流后的电流经过稳压器LM7805输出稳定的+5V电压。桥式整流电路由四个型号相同的二极管组成，VD1和VD3两个二极管组成一对桥臂；VD2和VD4两个两个二极管组成一对桥臂。由于二极管的启动电压比较小，所以经过变压器的电压可以使VD1和VD3二极管组成桥臂在正半周期导通，VD2和VD4两个二极管组成的桥臂在负半周期导通。稳压器LM7805是由三个管脚的串联型降压式电源芯片，Vin是输入端，Vout输出端，两个端口接去耦电容后接地。经稳压器LM7805稳压后，电源输出基本不受外输入变动的干扰，而且有效的消除电磁干扰。稳压器LM7805输出端输出稳定的+5V直流电压，12V电源同理，只是把220V的交流电压变为16V，芯片选用LM7812。电源电路设计如图3-3所示。 图3-3 电源电路3.3 AT89C51主控芯片的最小系统本系统选用AT89C51型号单片机作为主控部件，AT89C51是一种具有4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，它有40个引脚，有四组输入输出接口，每组8个，分别是P0，P1，P2和P3口。其中在P0口作为输出口时，外部必须接上拉电阻。P3口同时也可作为一些特殊功能口，P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1)等。 （1）RES：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。 （2）/PSEN：外部程序存储器选通信号。 （3）/EA/VPP：当/EA是低电平时，在这段时间内访问外部程序存（0000H-FFFFH），当/EA是高电平时，这时访问内部存储器。 （4）XTAL1：反向振荡器的输入，与外部晶振相连。 （5）XTAL2：反向振荡器的输出，与外部晶振相连。单片机最小系统如图3-4所示。图3-4 单片机最小系统图3.4 PWM信号接口电路对于电机转速的控制，通常是调节电压来调节转速的，我们用PWM办法来控制，它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域，我们通过调节PWM波的占空比来控制加在电机两端的电压，从而实现了调速，为了满足设计要求，要求改信号发生器能产生占空比可调，高精度，大功率的脉宽调制信号。本设计的信号发生器是用单片机控制数模转换芯片DAC0832输出脉宽调制波形，再通过两级信号放大和高频率的模拟开关对波形进行整形，这样得到较为完美的波形后经过一组达林顿管对电流进行放大得到功率相对较大的脉冲信号5，硬件框图如图3-5所示。 单 片 机 键 盘 D/A转换整形部分 PWM波 输出 放 大图3-5 PWM波系统硬件框图3.4.1 单片机控制D/A芯片接口电路的设计D/A芯片选用由National Semiconductor公司生产的DAC0832，它是20引脚双列直插式低功耗CMOS器件，其中： （1） D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns （2） ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。 （3） CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效。 （4） IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化。 （5） IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数。 （6） Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V。 图3-6 AT89C51与DAC0832的接口电路图它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换。要得到满足要求的波形，还d得经过DAC0832的输出口接运算放大器来实现。由于DAC0832的转换速率比较高，为了能够与其速度相匹配，在这里我们选择了LF357运算放大器，LF357具有较高的转换速率，而且具有低出入偏置电流，小的输入偏移电流，低输入噪声电流，共模抑制比高，较宽的频带增益这些优点。单片机与DAC0832的接口电路如图3-6所示。3.4.2 波形整形及放大电路的设计由于通过D/A转换和运算放大器输出的脉宽调制波形仍然不够平滑，所以还必须对输出的脉宽调制波形进行整形，以达到我们的设计要求。波形整形芯片选择MAX4624，它是先合后开的小电阻，低电压的单刀双掷的模拟开关，自身有过流保护装置，能够实现快速开闭，其最大时间均为50ns,电路开路时的电阻很低，当供电电压是5V时，开路电阻式1欧姆；当供电电压是3V时，开路电阻是2欧姆。要想得到较大功率的脉冲信号，必须对第二级放大后的输出信号进行电流放大，这里选用两只JFET管组成一对达林顿管进行电流放大。同时为满足实验时对不同功率脉冲信号的要求，将第二级放大增益设计为可调的。其连接电如3-7所示。 图3-7 波形整形及放大电路设计3.5 功率放大和驱动模块直流电动机驱动控制组成如图3-8所示：由图可以看出，电机驱动主要控制信号有电机转向控制信号DIR，电机转速信号PWM，E1为驱动逻辑电路部分提供电源，E2为电机驱动电源；M+，M-为直流电机接口。M+E1 桥 功 率 驱 动 电 路驱 动 信 号 放 大 电 路电 机 驱 动 逻 辑 电 路 光 电 隔 离 电 路E2MPWMDIRM-图3-8 直流电动机驱动控制组成图3.5.1 电机驱动逻辑电路的设计单片机I/O口送来的DIR信号和PWM接口电路送来的PWM信号，经过反向器74LS04和与门器74LS08运算后，再驱动光电隔离器，反向控制信号是DIR,在它输入时为DIR1，经反向后的DIR2，DIR1和转速控制信号PWM再通过74LS08与运算后，得到转速控制信号PWM2；DIR2和转速控制信号PWM相与后，得到转速控制信号PWM1，这样就得到了两组控制信号：DIR1，PWM1和DIR2，PWM2两组信号分别去驱动光电隔离电路；DIR1和DIR2用来控制直流电动机的正反转向的，PWM1和PWM2用来控制电机的转速。其中逻辑电路图3-9所示。图3-9 逻辑电路图3.5.2 光电隔离和驱动放大电路的设计为减少驱动控制电路对其它电路的干扰和对其 它电路的保护，将电机驱动电路与其它控制电路进行电气隔离，如下图3-10所示。在选则光电隔离器时，根据设计要求和每个光电隔离器的功能不同，在这里选用的2种光电隔离器，他们的型号是817C和PS9713。其中，817C是低频率的光电隔离器，与DIR1和DIR2连接，用来控制电动机的转向；PS9713是快速光电隔离器，开关频率相对较高，与PWM1和PWM2连接，用来控制电机的转速。若DIR1是1时，DIR2为0,则PWM1为0，PWM2是和PWM一致的转速控制信号，这时A点的点位为1，光电隔离器U3截止,U4导通，B、F点的点位为0，又因为DIR2为0，则C点的点位为0，光电隔离器饱U1导通，U2截止，D点的点位为E2，使得U2受PWM2控制工作在开关状态。图3-10 光电隔离和驱动放大电路3.6 速度检测模块本设计的速度检测模块式基于光电编码器进行设计的，光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的几何位置转换成脉冲或数字量的传感器，这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅板和光电检测电路组成。光栅盘是在一定直径的圆盘上等分开通若干长方形孔。由于光电编码器与电动机同轴，电机旋转时，光栅盘和电机以相同的速度旋转，经过发光二级等组成的检测电路输出脉冲信号，再计算光电编码器每秒内输出的脉冲数就能够反映当前电机的转速，此外为了判断转速的方向，码盘还可以提供相差90的两路脉冲信号。增量式光电编码器是利用光电转换原理输出三组A、B和Z相。A、B两相脉冲相位之差是90，所以能够很方便的判断方向，而Z相位每一转一个脉冲，用作基准点定位，它的优点是原理简单，平均机械寿命长，很强的抗干扰能力，可靠性高，所以本设计选用增量型编码器。光电编码器输出的三路脉冲信号OUT-Z、OUT-A和OUT-B，再分别通过三片光电耦合器使脉冲信号隔离输出稳定的5V电压，在这里选用6N137光耦合器，它具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，能了TTL电平兼容。值得注意的是，在6N137光电隔离器的VCC管脚旁应该有一个0.1uF的去耦电容。电容类型选择的时候，应选择那些高频特性好的陶瓷电容，而且尽可能的靠近6N137光耦合器的VCC管脚。6N137光电编码器的OUT口输出电路是集电极开路电阻，还必须接上拉电阻，此外6N137光电编码器的A口和C口之间是一个LED,还必须串接一个电阻来限流。然后再接到SN74HC14上对波形进行整形将整形后的信号接入一个RC低通滤波器，滤除高频脉冲毛刺，提高测量精度，整形后的输出信号分别接到单片机的P3.4、P3.3和P3.2口，进行转速测量。转速检测电路如图3-11所示。图3-11 速度检测电路3.7 电流检测电路电流检测采用ACS712传感器,它是一种线性的电流传感器，内部有低偏置的线性霍尔传感器，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压。具有低噪声，响应时间快能，使用方便，性价比高等特点。被检测的电流通过引脚1和2,3和4输入，在片内通过霍尔IC感应转换为成比例的电压。由于片内具有电阻和一个缓冲放大器，在这里我们通过在6脚外接一个电容构成一个低通滤波器。检测到的电压通过7脚输出。由ACS712输出的电压信号接到TLC549A/D转换器上，它是一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8为开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换的。电源是3V到6V,它能很方便的采用串行口的方式与单片机连接。工作原理如下：当CS为高时，数据输出端处于高阻状态，此时TLC549的第7脚不起作用；当内部电路测出CS下降沿之后，在进过内部时钟的一个上升沿和一个下降沿，这一变化才被确认，让后自动把上一次的转换结果最高位输出到TLC549的第6脚（OUT）；前四个时钟脉冲周期的下降沿依次输出第2、3、4和第5个位，在第4个脉冲周期的下降沿采样保持电路开始采样模拟输入量；接下来的3个脉冲周期周期的下降输出第6、7和第8个转换位。其硬件电路图如图3-12所示。图3-12 电流转换和A/D转换电路3.8 按键和显示模块3.8.1 显示电路在电动机运行中，要对电机当前运行状态进行显示，这样便于操作人员进行控制，所以显示电路的设计也是非常必要的。本系统采用液晶LCD1602进行显示，它微功耗、体积小、超薄轻巧、显示内容丰富；+5V电压，对比度可调 、内含复位电路并提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。51系列单片机的P0口内部没有集成上拉电阻，所以它叫做准双向口而不叫双向口。如果你想让它输出高电平的话，必须要通过上拉电阻接VCC。本系统是驱动LCD，那么用1K左右的就行了。如果希望亮度大一些，电阻可减小，最小不要小于200欧姆，否则电流太大；如果希望亮度小一些，电阻可增大，增加到多少呢，主要看亮度情况，以亮度合适为准，一般来说超过3K以上时，亮度就很弱了。显示电路如图3-13。图3-13 显示电路3.8.2 按键电路在调速装置中，需要通过按键来进行简单的控制，因此它是硬件电路中非常必要的。在本设计中共用了5个按键，名称和功能等如下，电路图如图3-14所示。S1是复位按键；S2是功能按键；S3是加速/正传按键；S4减速/反转按键；S5是启动/停止按键，当要进行转向调节时，按下功能键然后选择正传还是反转，按下功能键确定；当要进行转速调节时，按下功能键然后选择加速还是减速，按下功能键确定。图3-14 按键电路 第4章 软件程序的设计4.1 PWM信号发生器软件的设计PWM信号发生器程序框图如图4-1和4-2所示，单片机对PWM波的频率、占空比、输出口以及DAC0832的控制端进行初始化，启动DAC0832进行数模转换，这时候程序开始对键盘进行扫描，判断是否有键按下，当确定没有键按下时，直接调用PWM子程序，根据程序设定好的占空比计算各段波形持续的时间，再计算定时器所需的常数，输出相应的PWM波形；当确定有按键按下时，延时20ms，再进行参数调节，调用PWM子程序，同理输出相应的PWM波形。 开 始由占空比得到波 形持续的时间计算各段定时器所需常数产生相应的PWM波 返回主程序 图4-1 PWM波子程序 开 始 初 始 化 D/A 启 动N扫描参数调节键有键按下？YN 确实有键按下？Y延时20msN参数调节完毕？ 调用PWM程序 返回主程序图4-2 PWM波主程序流程图程序如下所示：#include#include /使用其中定义的宏来访问绝对地址#define DAC0832 XBYTE0x7fff /* 定义DAC0832端口地址 */#define uchar unsigned char#define uint unsigned intSbit E=P31;Sb