数字式直流电机双闭环调速系统硬件设计.doc

数字式直流调速系统的硬件设计控制系统的硬件设计控制系统硬件结构如图3.1所示包括80C196KC单片机、同步信号电路、测速脉冲信号反馈电路、电流反馈电路、显示电路、触发脉冲输出驱动电路。80C196KC单片机80C196KC单片机是Intel公司推出的一款高性能的CHMOS 16位单片机，在其内部“嵌入”了以往被认为是“外围”设备的多种电路，包括：时钟发生器、多功能I/O口、A/D转换器、PWM输出口、串行口、定时/计数器、监视定时器、高速输入输出器、外设事务服务器等。80C196KC的主要技术特点如下： 16K字节片内EPROM； 448字节寄存器阵列；寄存器-寄存器结构； 5个8位I/0口；全双工串行口； 16位监视定时器； 4个16位软件定时器；可动态配置的八位或十六位总线宽度； PWM(脉宽调制)输出； HSI/HSO(高速输入输出口)； 28个中断源，18个中断向量；可以采用16MHz的晶振。图3.1 控制系统硬件结构框图可以看出，80C196KC不但具有丰富的硬件资源，而且运行速度也大为提高。同样使用12MHz的晶振，80C196KC的运算速度要比8096提高1/3，使用16MHz的晶振，将比使用12MHZ晶振的8096快1/2(因为8096最快只能使用12MHz晶振)。此外，80C196KC的六个HSO通道正好可以输出六个触发晶闸管的脉冲，因此我们选用它来构成数字式直流电源的控制系统。1.1 同步信号电路同步信号电路是数字式直流电机调速系统的一个重要的电路。同步信号电路的主要任务是为数字触发脉冲输出提供一个同步信号作为相位基准。根据该基准，通过单片机计算得出移相触发时间，进而确定触发角对应的触发脉冲形成时刻。并通过触发脉冲输出电路将触发脉冲分配输出。同步信号的获取方法有下面二种：（1）同步信号获取方法一是用图3.2所示电路中最后一个异或门输出的脉冲送到单片机的外部中断引脚，实现每3.3ms中断一次。下面介绍具体方法。 图3.2 同步电路图图中，同步变压器与主变压器一样接成Y/Y-12接法，同步电压先由二级RC滤波电路滤除电源干扰，并通过调整R值实现30o移相，使三个相同步电压分别与晶闸管电源三相线电压保持同相位。三个同步电压分别经电压比较器LM339变为S1， S2， S3，三个方波信号，若以“1”表示高电平，以60o为单位时间，则S1， S2， S3的波形在电源一个正弦波周期(6个相带)内分别组成6种态：001-101-100-110-010-011，80C196KC通过P1口读入S1，S2， S3的状态，就可以分析判断当前应该触发的相应主电路的晶闸管触发脉冲的组号。为了便于软件处理，电源状态用字码表示，例如S1， S2， S3为011，则电源状态字码值S1， S2， S3为3. 对于晶闸管三相全控桥电路，一个周波有6个自然换向区。进入每个换向区(60o相带)要同时触发两个晶闸管，并按一定的顺序，每隔60o依次发出脉冲触发晶闸管。因此，要使单片机的触发操作具有与电源严格同步的时序，还得由硬件产生与三相电源自然换向点同步的申请中断的同步脉冲序列信号，这个同步脉冲序列的间隔是60o，它可以在主电路线电压的每个自然换相点通过80C196KC的外部中断引脚EXTINTI向CPU申请中断，结合前述读入的S1，S2，S3状态字码值，实现同步认相判断，可准确地确定当前的自然换向区应该输出哪个脚的脉冲。这个同步中断信号可以利用己经产生的S1，S2，S3信号得到。只要将三个方波信号异或，可以产生一个边沿与线电压自然换向点对齐的方波信号，该信号再经过一个RC电路和异或门处理，或者用一个74LS123单稳态触发器，即可得到一定脉宽的同步中断信号。由同步电路产生的这些有关电压的波形如图3.3（2）同步信号获取方法二与方法一基本相似，把电压比较器后面的异或门电路都去掉即可。该方法用S1， S2， S3输出的脉冲信号作为同步信号。软件用查询方式：单片机每读到S1， S2， S3有跳变，就去触发相应的晶闸管。单片机根据读到的不同的S1， S2， S3的值，来决定该触发哪一个管子，触发顺序如表3.1所示。图3.3 同步电压波形图表3.1 晶轧管触发顺序表S1111000S1011110S3100011被触发晶闸管1#2#3#4#5#6#1.2 触发脉冲输出电路图3.4是单片机与六路晶闸管触发电路的连线图，SCR1为第一路晶闸管触发电路，具体电路见图3.5，其余五路与第一路相同。晶闸管的触发可以采用宽脉冲触发和双窄脉冲触发两种方式。用宽脉冲触发，触发可靠性高，适用面宽，但容易使脉冲变压器饱和，因此要求脉冲变压器的铁心体积比较大。用双窄脉冲电路触发晶闸管，虽然脉冲次数比宽脉冲触发多一倍，但是可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积。单片机HSO通道的输出脉冲经光耦隔离，驱动达林顿管来控制脉冲变压器。脉冲变压器的输出分别接晶闸管的门极和阴极，控制晶闸管的开通和关断。图3.4 同步触发结构框图图3.5 晶闸管触发电路1.3 显示电路1.3.1 LCD 液晶显示简介液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。本系统采用深圳市天助科技有限公司的液晶显示器FM-1602，它是字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，这里采用常用的2行16个字的1602液晶模块 ，外型尺寸：122*44，黄绿屏，LED背光，IC：KS0076。（一）1602采用标准的16脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令第714脚：D0D7为8位双向数据线第1516脚：空脚1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字，英文字母的大小写，常用的符号等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A” 。（二）1602 的指令系统 1602液晶模块内部的控制器的控制指令，现分别介绍如下：表3.2 开/关指令RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00000001DCB（1）开/关指令： D屏幕的ON/OFF设定，C光标的ON/OFF设定，B光标闪烁设定。当 D=1 时屏幕ON，D=0时屏幕OFF；C=1时光标ON，C=0时光标OFF；B=1时光标闪烁，B=1时光标不闪烁。表3.3 光标返回第一字符位置RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000000001X（2）光标返回第一字符的位置：但是所有屏幕上字符并不会被清除。表3.4 清显示RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00000000001（3）清显示：清除屏幕并回到屏幕左上角。表3.5 进入模式设定RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000000001I/DS（4）进入模式设定：设定进入模式为移动光标或是移动显示字符，这个设定在数据的写入/读取时进行。设I/D=1时光标向右移动，设定I/D=0时光标向左移动。S设为1光标跟显示字符一起移动，光标跟字符在同一位置；设为0则光标会移到下一个位置。移动光标或是移动显示字符（光标不动）并不会改变RAM中的内容。S/C=1时移动显示字符光标不动，S/C=0时光标跟着显示字符一起移动；R/L=1时向右移，R/L=0时向左移。表3.6 功能设定RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000001DLNFXX（5）功能设定：设定数据的长度（DL），显示的行数（N），每个字符的点数（F）。DL=1时为每个字符8位，DL=0时为每个字符4位；N=1时为两行，N=0时为一行；F=1时为5*10点，F=0时为5*7点。表3.7 置字符发生存贮器地址RSR/WDB7DB6DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00001字符发生存贮器地址（ACG）（6）置字符发生存贮器地址：设定CG RAM的地址，CG RAM的数据在地址设定后送出数据或接收数据。表3.8 置字数据存贮器地址RSR/WDB7DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0001显示数据存贮器地址（ADD） （7）置字数据存贮器地址：设定DD RAM的地址，当地址设定后则下一个数据将会显示在刚才设定的地址上，屏幕上两行的的起始地址分别从80及C0开始。1.3.2 LCD 接口设计本测控仪采用 80C196KC单片机作为 MCU 来控制 1602液晶显示，如图 3.6所示。该模块与 MCU 的接口采用间接访问方式，就是通过单片机的 I/O口来控制液晶的显示。利用 80C196KC 单片机的 RD 口作为液晶显示的数据口。图3.6 液晶与 MCU 的硬件接口图由于该液晶模块是2行16个字的显示模块，第一行用来显示给定速度，第二行用来显示实际转速。1.4 速度给定电路速度给定采用一个44键盘输入。键盘按其工作原理可分为编码式键盘和非编码式键盘。按其结构中分为独立式键盘和矩阵式键盘。键盘的扩展也可以通过一些特殊功能的数字芯片，如各种移位寄存器等实现。虽然程序较为复杂，但占用的单片机的接口较少。简单的键输入电路每一个键都要占一位I/O线，当按键较多时，显得I/O利用率不高。在这种情况下，可采用矩阵式键盘机构。本文采用这种非编码44矩阵式键盘，结构简单，且使用灵活。图3.7 键盘与单片机接口电路原理图1.5 看门狗MAX813L工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成微机系统故障的多数现象为“死机”。究其原因是CPU在执行某条指令时，受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时，CPU执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为使这种 “跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，一种有效的办法是采用硬件“看门狗”技术。用看门狗监视程序的运行。若程序发生“死机”，则看门狗产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。1.5.1 MAX813L芯片及其引脚一、芯片特点（1） 加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200ms。（2） 独立的看门狗输出，如果看门狗输入在1.6s内未被触发，其输出将变为高电平。（3） 1.25V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或5V以外的电源监控。二、MAX813L的引脚及功能MAX813L芯片引脚排列见图3.8图3.8 MAX813L芯片各引脚功能及工作原理（1）手动复位输入端（MR）当该端输入低电平保持140ms以上，MAX813L就输出复位信号。该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖动。MR与TTL/CMOS兼容。（2）工作电源端（VCC）：接+5V电源。（3）电源接地端（GND）：接0V参考电平。（4）电源故障输入端（PFI）当该端输入电压低于1.25V时，5号引脚输出端的信号由高电平变为低电平（5）电源故障输出端（PFO）电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。（6）看门狗信号输入端（WDI）程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6s该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。（7）复位信号输出端（RST）上电时，自动产生200ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。（8）看门狗信号输出端（WDO）正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。1.5.2 硬件电路图图3.9给出了MAX813L在单片机系统中的接线路图。此电路可以实现程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；本电路巧妙地利用了MAX813L的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”，WDO端电平由高到低，当WDO变低超过140ms，将引起MAX813L产生一个200ms的复位脉冲。同时使看门狗定时器清0和使WDO引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲，由于为产生复位脉冲MR端要求低电平至少保持140ms以上，故可以有效地消除开关抖动。 80C196KCRSET P2.1图3.9 MAX813L与80C196KC硬件实现电路图1.6 通信接口设计单片机控制完成之后，需将数据传送到上位机，因而需要单片机与PC机之间进行通信。标准串行接口有多种，如RS232、RS422、RS485等，具体性能见表3.9，根据本设计的特点和需要，选择RS232接口。表3.9 几种接口比较标准类型RS232RS422 RS485信号模式 单接点式差动式 差动式接线方式最高驱动端数目最高接收端数目 传输距离 传输速率9线/3线1115m115200bps4线/2线111200m10Mbps 2线32321200m10Mbps1.6.1 RS-232C通信接口标准数据传输格式:RS-232C以位串行方式传输数据格式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。接口信号：完整的RS-232C接口有25根线，采用25芯的插座，在PC机上有COM1和COM2两个232C串口，只有9根引脚的连接器，在各引脚中常用TXD, RXD, GND。本文也采用9针插座，如图3.10所示。图3.10 串口插座RS-232通信标准的收发信号转换专用芯片有很多种，本文选用美国MAXIM公司的MAX232 ( Maxim Product Selector Guide,2000 )。该器件工作性能可靠，外围器件少，已广泛应用于RS232通信标准的收发信号转换。1.6.2 通信接口电路通过单片机的串口实现了与PC机之间的全双工通信。80C196KC单片机的18、17引脚分别为串口的发送端和接收端。要实现单片机和PC机之间的通信，必须使单片机和PC机采用相同的数据传输格式。通信协议如下:波特率为9600bps, 8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。PC机和单片机均采用查询方式进行编程。80C196KC单片机和PC的接口电路如图3.11所示。TXDRXD80C196KCVssVDD图3.11 80C196KC单片机与PC串口通信电路图1.7 脉冲信号反馈模块采用光电式码盘传感器对直流电机转速进行测量,其结构简单易于实现，测量准确度高。光电式码盘是一种非接触性光电传感器，它具有测量准确度高、响应速度快、可靠性高和使用寿命长等优点。我们应用光码盘测试原理, 完成了直流电机测速装置设计(工作原理如图3.12所示)。其装置具有结构简单，测速准确度高的优点。光电脉冲编码输出的信号被送入80C196KC的HIS.0口。图3.12 工作原理图图3.13 测速脉冲电路由于采用了光电式码盘作为传感器，其速度转换电路，如图3.14所示，发光二极管LED发出红外光，透过遮光板TLP的圆孔照射光敏三极管T1，使其迅速由截止状态变为导通，如此反复形成光脉冲信号，经T2的放大，再由74LS04反向整形后送给单片机。利用单片机的定时/计数器功能,对信号进行固定周期性采样，T1口和传感装置连接，对信号进行计数。该测速电路充分利用单片机，完成一系列的数据采样、处理，最后计算得到较准确的速度值并显示该速度。2 直流调速系统的软件设计2.1 光电编码器测速的软件设计本文采用M/I法对脉冲进行测速。具体方法如下： 在图4.1中，T为实际检测时间，T0是一固定不变的定时时间，当转速脉冲的上升沿到来时，启动定时T0，由两个计数器分别对转速脉冲M1和高频脉冲数M2计数。当定时T0结束时，Ml停止计数，M2继续计数。当转速脉冲的下一个上升沿到来时，M2停止计数，则可得到电机的转速图4.1 M/T法检测转速原理图 （4.1）式中-高频计数脉冲信号的频率，本系统中为80C196KC内定时器T1的时钟信号，由于采用1 6MHz晶振，=1MHz；P-光电脉冲编码器每转输出的脉冲数，P=600 16 -倍频次数。 将和P的参数代入上式，得 （4.2）转速脉冲信号被送到80C196KC的HSI0引起上升沿中断，此时开始定时T0，同时记下计数器T1的值，T2开始对HSI1接收到的转速脉冲计数，并关闭HSI0中断。当定时T0到时，开启HSI0中断，停止计数，等待HSI0的上升沿。当上升沿到来时，读取计数器T1的值，计算两次计数器T1的差值得到高频脉冲数，这样就完成了一次转速测量周期。由此根据式(4.2)即可计算出当前电机的转速。下面介绍一下如何在程序中具体实现。(1)因为要在软件定时器2的第一次中断中进行转速环的PID计算，所以测速从这里开始。首先允许HSI0中断，然后设 HSI中断模式为每个脉冲的正跳变引起中断。(2)转速脉冲引起HSI0中断，如果是第一次中断则记下当前时间作起始时间ST，设软件定时器1中断时间T0，关HSI0中断，启动HSI数据有效对计数；如果是第二次中断则把当前的时间作为结束时间FT。(3)启动HSI数据有效中断后，每一个转速脉冲的上升沿都会引起HSI数据有效中断，在每一次HSI数据有效中断程序中，让计数变量增加1。 图4.2 HSI0中断 /HIS数据有效中断(4)过了T0时间后，软件定时器1产生中断。在中断程序中开HSI0中断(允许HSI0中断)，关HSI数据有效中断(停止对计数)。见图4.2(5)下一个转速脉冲来时，就引起HSI0中断。这个中断是第二次HSI0中断，把当前的时间作为结束时间FT。见图4.2然后用公式 (4.2)计算转速。至此，转速测量结束。图4.3 软件定时中断子程序2.2 显示模块的软件设计显示部分的程序是采用软件定时中断来完成的，多少时间显示一次可在软件中设定。图4.3是软件定时中断子程序。PID计算也是在软件定时中断子程序中完成的。2.3 触发脉冲的软件设计本系统中，用定时器1作为HSO的时间基准，触发角和脉宽的控制都是靠HSO的定时功能来实现的。定时器1在系统中作实时时钟用，其时钟信号来自内部的时钟发生电，每8个状态周期计数加1，80C196KC的状态周期由振荡器信号2分频后获得，采用16MHz晶振，其状态周期为125ns。这时HSO的时间分辨力，也就是定时器1的时间分辨力为ls。图4.4 触发脉冲顺序图那么，1o所对应的计数器1的计数值为 （4.3）把触发角和脉宽所对应的计数值，写入HSO时间寄存器，靠HSO的定时功能来控制角度的大小。(1)同步中断子程序为了可靠触发三相全桥6只晶闸管，该控制系统使用了双脉冲触发信号，一个周期共需输出24个HSO信号，包括HSO上升沿和下降沿。因为HSO CAM只能存储8个HSO事件，考虑到软件定时器对HSO CAM的占用情况，我们把24个触发时刻分为4组，每组6个触发时刻，分别由同步中断与HSO中断产生。同步中断由同步中断模块在交流同步信号过零时刻引起(EXTINTI) 。同步中断服务程序的主要任务是复位计数基准T2，产生A， B， C， D， E，F时刻的HSO输出信号，允许HSO中断，置A， B， C，D， E， F输出结束标志，在F时刻产生HSO中断。其控制流程图如图4.5所示。图4.5 同步中断服务程序流程图(2 ) HSO中断服务程序流程HSO中断分别由F，L，R时刻的HSO输出命令引起。HSO中断服务程序的主要任务就是根据状态标志位产生不同组的HSO输出信号，并置相应状态标志位。其控制流程图如图4.6所示。图4.6 HSO中断服务程序流程图2.4 主程序的设计主程序功能是初始化常量和变量，开中断，给一些寄存器设值等。图4.7是主程序的流程图。4.7 主程序的流程图3 主电路设计与参数计算电动机的额定电压为110V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。3.1 整流变压器的设计工业供电电压为AC 380V，而电动机的额定电压为110V，所以必须通过降压变压器使之达到系统要求。本设计采用的是直流电机，故还须通过整流电路使之变成连续的直流电压。 3.1.1 变压器二次侧电压U2的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （5.1） 式中A-理想情况下，=0时整流电压与二次电压之比，即；B-延迟角为时输出电压与之比，即电网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；表查可得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=0.985则，取=120V。电压比K=U1/U2=380/120=3.17。3.1.2 一次、二次相电流I1、I2的计算表查可得 KI1=0.816， KI2=0.8163.1.3 变压器容量的计算S1=m1U1I1；S2=m2U2I2；S=1/2(S1+S2)；式中m1、m2 -次侧与二次侧绕组的相数；S1=m1U1I1=338012.43=14.1702 KVAS2=m2U2I2=312037.536=13.51296 KVAS=1/2(S1+S2)=1/2（14.1702+13.51296）=13.84158 KVA3.2 晶闸管元件的选择整流电路采用晶闸管全控桥电路。由于它具有单向导电性，不允许电流反向，对过电压过电流敏感，在低速运行时，导通角很小等缺点。结合课题提供的参数，选择适当的晶闸管型号是十分重要的。3.2.1 晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（23），整流电路形式为三相全控桥，而 ，则，取 800V3.2.2 晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值 大于实际流过管子电流最大有效值 ，即，考虑（1.52）倍的裕量式中K -电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得 K=0.368，考虑1.52倍的裕量，取49A 故选晶闸管的型号为 KP49-8。3.3 直流调速系统的保护晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行。3.3.1 过电压保护不能从根本上消除过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基本思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非线性元件限制过电压的幅度；