基于PWM控制的直流电机自动调速系统设计.doc

1 绪论1.1 课题的研究背景和意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 (PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。 五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。再到脉宽调制 (PulsewidthModulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位1。 目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。张井岗等人提出直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。董芳英等人提出采用模糊控制方法，对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.SKW电机试验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，数字系统的控制精度和可靠性比模拟系统大大提高。而且通过系统总线，数字控制系统能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行信息交换，实现生产过程的分级自动化控制。所以，直流传动控制采用单片机实现数字化，使系统进入一个崭新阶段2。1.2 本设计的主要内容本设计的主要任务是: 设计基于PWM方式的直流电动机调速系统的控制电路和控制程序。本设计主要要求是:控制程序用C语言或汇编语言编写,在仿真软件Proteus上设计控制电路, 设计基于PWM方式的直流电动机调速系统的控制电路和控制程序。 使用元器件：AT89C51单片机、霍尔电流传感器、增量式光电编码器。 技术要求：设计直流电动机全数字双闭环控制系统。全部控制模块如速度PI调节、电流PI调节、PWM控制都通过软件实现。直流电动机驱动电路采用L298控制电路，通过单片机的输出引脚P01P04输出控制信号进行控制。用霍尔电流传感器检测电流变化，并经A/D转换产生电流反馈信号，通过P20引脚输入给单片机。采用增量式光电编码器检测电动机的速度变化，经P11、P12引脚输入给单片机，获得速度反馈信号。每100个PWM周期对速度进行一次PI调节。2 脉宽调制技术及其在直流电动机控制系统中的应用2.1 直流电机的构成和基本工作原理无刷直流电动机是在普通直流电动机基础上发展起来的，无刷直流电动机的电枢线圈是由电子“换向器”接到直流电源上的。无刷直流电动机具备两个特点:A.具有直流电动机那样的优良特性;B.直流电源供电，没有电刷和机械换向器，绕组电流的通断和方向变化，是通过电子换向电路实现的。和普通直流电动机类似，无刷直流电动机转矩的获得也是通过改变相应电枢线圈电流在不同磁极下时的方向，从而使电磁转矩总是沿着一个固定的方向。为了实现电枢电流在不同磁极下换相，必须有相应的换流装置，与普通直流电机不同，无刷直流电动机必须有位置传感器，检测和确认磁极与绕组相互间的相对位置，位置传感器有相应的两部分，即转动部分和固定部分，转动部分和无刷直流电动机本体中转子同轴连接，固定部分和定子连接。无刷直流电动机的结构原理如图2.1所示。图2.1 无刷直流电动机的结构原理图从图2.1可见，无刷直流电动机组件主要由电动机本体，位置传感器和电子开关线路三部分构成。其定子绕组一般制成多相，转子由永磁材料制成。图2.1中电动机本体为三相两极，A、B、C三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关管V1，V2，V3相连接。位置传感器与电机转子同轴连接，实时跟踪转子位置。当定子绕组的某相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置信息变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相，电子开关线路的导通次序与转子转角同步，因而起到机械换向器的换向作用，因此平常所说的无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、电动机本体及位置传感器三部分组成的电动机系统。无刷直流电动机的组成原理框图如图2.2。图2.2 无刷直流电动机的组成原理框图无刷直流电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场。不同之处在于无刷直流电动机中永久磁钢安装在转子上，而普通永磁直流电动机是将磁钢安装在定子上。无刷直流电动机电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元的功能是将电源的能量以一定逻辑顺序分配给无刷直流电动机定子上各相绕组，以便使无刷直流电动机产生持续的转矩，而各相绕组导通顺序主要取决于位置传感器的信号，但位置传感器产生的信号不能直接用来驱动功率单元，常需要经过一定逻辑处理后才能去控制功率单元。综上所述，构成无刷直流电动机的主要部件框图如图2.3所示:图2.3 无刷直流电动机的组成框图普通永磁直流电动机的定子作用是在电动机气隙中产生磁场，电枢绕组通电后产生感应磁场。由于电刷的换向作用，使定子磁场和电枢感应磁场在电动机运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。无刷直流电动机为了实现无刷换向，首先要求把电枢绕组安放在定子上，把永久磁钢安放在转子上，这与普通直流永磁电动机的结构相反。但仅仅用直流电直接供给定子上的电枢是不行的。因为这样的话，电枢绕组产生的磁场是固定的，不能与转子的永磁磁场相互作用产生顺着某一方向的转矩。为了产生单一方向的电磁转矩，就要保持电枢产生的磁场与永磁转子的磁场在电动机运行时相互垂直，为此，无刷直流电动机除了由定子和转子组成的电动机本体外，还要有电子换向装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组产生的磁场和转子中的转子磁钢产生的永磁磁场在空间始终保持在/2左右的电角度。目前，这种换向装置一般由位置传感器、控制电路和逻辑开关共同构成3。为了便于阐述，下面以三相星形绕组半控电路为例来说明无刷直流电动机的工作原理。如图2.4所示，为了便于说明此处用光电转换器件来作为转子的位置传感器，在图2.4中，以三只功率管V1，V2，V3构成功率逻辑单元。图2.4 三相绕组无刷直流电动机在图2.4中，三只光电器件VP1，VP2，VP3的安装位置各相差120。均匀分布在电动机一端。通过安装在电动机轴上的旋转挡光板的作用，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并根据某一光电器件里是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。图2.5(a)中所示的转子位置和图2.4中所示的位置相对应，由于此时VPI被光照射，功率晶体管V1呈导通状态，绕组A-A上有电流通过，该绕组电流产生磁场与转子磁钢产生的磁场相互作用，形成电磁转矩使转子按图示箭头方向转动(顺时针)。当转子磁钢磁极转到图2.5(b)所示位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板跟着转子同步转动，并遮住VP1的光线，使得功率管V1截至，同时VP2被光照到，有信号输出，使得V2导通，电枢绕组B-B上有电流流过，该绕组电流产生磁场与转子磁钢磁场相互作用，形成电磁转矩使得转子继续保持电机顺时针方向转动。当转子转到图2.5(C)位置时，此时旋转遮光板遮住了VP2，使VP3被光照射，VP3有信号输出，导致功率管V2截止，V3导通，绕组C-C有电流通过，于是驱动转子继续向顺时针方向旋转，并重新回到图2.5(a)的位置。图2.5 开关顺序及定子磁场旋转示意图图2.6 各相绕组的导通示意图如上所述，随着位置传感器扇形片的转动，定子绕组在位置传感器VP1，VP2，VP3的控制下，便一相一相依次通电，实现了各相绕组电流的依次换相。由以上分析可知，在换相过程中，定子各绕组在工作时间内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在360度电角度范围内有三种输出状态，各相绕组导通图如图2.6所示。本文所讨论的无刷直流电动机为三相Y型全桥控制，其电动机系统图如图2.7所示。它的基本工作原理与上述类似4-6。图2.7 稀土永磁无刷直流方波电机系统图2.2 直流电动机控制系统中的PWM控制器脉宽调制即PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列的脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需波形。PWM驱动是利用大功率管的开关特性，按固定频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通“与“断开“时间的长短，通过改变无刷直流电动机定子绕组上电压脉冲的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。图2.8即为无刷直流电动机单相绕组PWM驱动电路的原理框图。由于PWM控制器的主电路元件工作在开关状态，因此控制器的损耗小、效率高。图2.8 无刷直流电动机单相绕组PWM驱动电路原理框图从以上原理框图可见，无刷直流电动机PWM控制器可分成两大部分:控制电路和逆变主电路7-8。2.2.1 无刷直流电动机控制系统中的PWM控制器PWM控制系统的控制电路由脉宽调制器、逻辑延时环节、脉冲分配和功率管驱动电路、保护电路等基本电路组成。(1)脉宽调制器脉宽调制器是一个电压脉冲变换装置，在双闭环速度控制系统中由电流调节器的输出进行控制，为PWM变换器提供所需的脉冲信号，其脉冲宽度与控制电压成正比。常用的脉宽调制器有以下几种:用锯齿波或三角波作调制信号的脉宽调制器;用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器;数字式脉宽调制器。本文采用用三角波作调制信号的脉宽调制器。脉宽调制器由恒频率波形发生器和脉冲宽度调制电路组成。恒频率波形发生器的作用就是产生频率恒定的振荡源作为比较的基准，如三角波。脉冲宽度调制电路，实际上就是电压/脉宽转换电路(简称V/W电路)，是PWM信号的形成电路。调制产生PWM信号的工作原理如图2.9所示。 (a) 电压比较器 (b) 输入一输出波形图2.9 PWM信号的形成原理图2.9 (a)是电压比较器，输入信号为图2.9(b)中的Ui。在电压比较器的两个输入端输入控制信号和三角波信号，则比较器的输出将按以下规律变化:UiUd时，输出正的电压+Ucc; UiT/2时，则电枢两端的平均电压为正，电动机正转。当正脉冲较窄，ton0时，电动机转动，而当Ton=0时，电动机停止。至于电动机的正、反转则需要转向判别信号来控制。 图2.15 H型单极式可逆PWM变换器单极式可逆PWM变换器在电动机负载较重和电动机负载很轻时的波形如下图2.16和图2.17所示。 (a) 电枢电压波形 (b) 电枢电流波形 (c) 电流检测电阻上的电流波形图2.16 单极式可逆PWM变换器在电动机负载较重时电枢电压、电流波形 (a) 电枢电压波形 (b) 电枢电流波形(C) 电流检测电阻上的电流波形图2.17 单极式可逆PWM变换器在电动机负载较轻时电枢电压、电流波形由图2.17可看出单极式可逆PWM变换器在电动机负载较轻时电枢电流出现断续。这使PWM变换器的外特性变软，PWM调速系统的静、动态性能变差。2.3.3 单极式与双极式可逆PWM变换器的比较与选用综上所述，双极式可逆PWM变换器的优点为:电流一定连续;可使电动机在四个象限中运行;电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区;低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，保证了晶体管的可靠导通;低速平稳性好，调速范围宽。双极式可逆PWM变换器的缺点为:工作中，H桥的4个晶体管均处于开关状态，因此开关损耗大，而且上、下两管容易发生桥臂直通，降低了可靠性。为了防止上、下两管直通，在一管关断另一管导通时，应加逻辑延时。单极式可逆PWM变换器的优点为:克服了双极式可逆PWM变换器H桥上、下两管容易发生桥臂直通的缺点，提高了可靠性，对于静、动态性能要求低一些的系统，可以采用单极式可逆PWM变换器。单极式可逆PWM变换器的主要缺点为:电流容易断续，而电流断续将使变换器的外特性变软，从而使PWM调速系统的静、动态性能变差。由于双极式可逆PWM变换器所具有的显著优点，因此，在静、动态性能要求比较高的伺服系统中应采用双极式可逆PWM变换器11-12。2.4 PWM调制中的最佳开关频率计算由前节分析表明，PWM变换器的开关频率越高，则电枢电流脉动越小，而且也容易连续，从而能提高调速系统的低速平稳性。同时，电流脉动小时，电动机的附加损耗也小。因此，从这些方面看，PWM变频器的开关频率越高越好。但从开关损耗上看，随着频率的提高，晶体管的动态开关损耗便会成正比增加。从PWM变换器传输效率最高的角度上看，能使总损耗最小的开关频率才是最佳开关频率。对于单极式变换器，使总损耗最小的最佳开关频率为式2.3: （2.3）对于双极式变换器，使总损耗最小的最佳开关频率为式2.4: （2.4）式中:as-电动机起动电流与额定电流之比;TI-电枢回路的电磁时间常数在确定开关频率时，除了必须考虑电流的连续性和总损耗最小等因素外，最好能使开关频率比调速系统的最高工作频率(通频带)高出十倍左右，以使PWM变换器的延迟时间T=1/f对系统的动特性的影响可以忽略不计13。综合考虑各方面的因素，本系统中PWM变换器的开关频率选为20KHz。3 系统的硬件设计系统的硬件原理框图如下图所示，系统由单片机模块、AD转换模块、霍尔电流传感器、增量式光电编码器、直流电机驱动模块等组成。 图3.1 本系统总体硬件框图系统的工作过程是单片机的输出引脚P01P02控制L297，单片机输出PWM波形，L297驱动电机转动。系统选用霍尔电流传感器检测电流变化，并经A/D转换产生电流反馈信号，通过P20引脚输入给单片机。采用增量式光电编码器检测电动机的速度变化，经P11、P12引脚输入给单片机，获得速度反馈信号。每100个PWM周期对速度进行一次调节。3.1 单片机模块介绍Atmel公司的AT89S51是51内核的单片机。不用烧写器而只用串口或者并口就可以往单片机中下载程序。使用自制下载线可以将并口转化为6线下载口。这样可以非常方便的实现通过PC机的并口往单片机中下载程序。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC14。在本设计中由于单片机自身的8K存储器已能满足编程需求，因此EA端接Vcc在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。XTAL1为振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2为振荡器反相放大器的输出端。系统时钟信号的产生是通过11.0592MHZ晶振来产生的。本设计系统中的发光二极管指示电路连接电路，RLED1和RLED2起限流作用，LED1用来指示电源通电情况，当系统通电时LED1发光。LED2与单片机P1.2口连接，在电路调试间段可用来调试程序，在电路调试结束后LED2的亮灭可以指示单片机在什么状态。在电路中要考虑噪声对电路的影响，在电源、地线之间加上了滤波电容是一种常见的用法，在本设计中多处用到此种滤波电容。图3.2 单片机外围电路 图3.3 AT89C51实物图AT89C51如图3.3是一个低功耗，高性能COMS8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。它的主要功能特性: (1) 兼容 MCS-51指令系统 (2) 4k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM (3) 32个双向I/O口 (4) 4.5-5.5V工作电压 (5) 2个16位可编程定时/计数器 (6) 时钟频率0-33MHz (7) 全双工UART串行中断口线(8) 128x8bit内部RAM (9) 2个外部中断源 (10) 低功耗空闲和省电模式 (11) 中断唤醒省电模式 (12) 看门狗（WDT）电路 (13) 软件设置空闲和省电功能 (14) 灵活的ISP字节和分页编程 (15) 双数据寄存器指针单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）14。3.1.1 单片机晶振电路采用6M的晶振如图3.4图3.4 单片机晶振电路3.1.2 单片机复位电路采用按键复位电路如图3.5图3.5 单片机复位电路3.2 霍尔电流传感器模块3.2.1 霍尔电流传感器简介本文所采用的电流传感器是沈阳汇博思宾尼斯传感器有限公司所研制的HB-CD1000型霍尔电流传感器。该电流传感器由原边电路、聚磁环、霍尔元件、次级线圈和放大电路等组成，且霍尔元件受温度影响比较大，本章将对霍尔电流传感器的工作原理进行分析。3.2.2 霍尔电流传感器的工作原理的定量分析霍尔电流传感器是利用霍尔效应来测量电流的，图3.6为霍尔电流传感器的原理图。图3.6 霍尔电流传感器原理图被测电流I在铁心中产生一个磁感应强度B （3.1） 式中:I-被测电流;K-常数。磁感应强度B穿过霍尔元件产生霍尔电压 （3.2）式中:UH-霍尔电流传感器输出电压;KH-霍尔元件灵敏度;IH-霍尔元件控制电流。将式3.1代入式3.2中得: UH=KHIHKI （3.3）令 KHIHK=C （3.4） 即 UH=CI （3.5）在不考虑温度影响时C为常数，霍尔电流传器的输出电压UH与被测电流I成正比14。3.2.3 霍尔元件HG-106C的特点HG-106C是一种高稳定度的GaAs霍尔元件，具有超小型的SMT封装。温度系数小，线性度好，多用于线性磁场测量系统中。HG-106C的电气特性如表3.1所示。 表3.1 HG-106C的电气特性参数符号测试条件最小值典型值最大值单位霍尔电压 B=0.1T， =6V0150 mv输入电阻 RB=0T,=0.1 mA650850 输出电阻 B=0T,=0.1 mA650 850不等位电势 B=0T , =6V -11 +11mv霍尔电压的温度系数25-125 -0.06/输入电阻的温度系数B=0T,=0.1mA 0.3/输出电压的线系数KB=0.1/0.5T,=0.5mA23.3 AD转换模块本设计的数据采集器主要由A/D转换芯片和AT89C51单片机组成。如图3.7A/D转换芯片采用8位8输入逐次逼近式A/D转换器ADC0809有8通道闩锁开关控制，可以直接接入8个单端模拟量,其工作频率Fclock为640kHz，也容易与单片机连接. 图3.7 AT89C51单片机与ADC0809接口电路ADC0809 与AT89C51 单片机的连接(1) ADC0809的时钟CLK由AT89C51的地址锁存端ALE信号经过二分频后产生。(2) ADC0809的数据线2-82-1与单片机的数据总线P0.0-P0.7直接相连。(3) ADC0809的地址选择端ADD-A、ADD-B、ADD-C与74HC373的Q0-Q2相连、74HC373的D0-D7与AT89C51的P0.0-P0.7相连。(4) ADC0809的A/D转换结束信号EOC经73HC04再与单片机的INT0相连。(5) ADC0809地址锁存信号和起动信号START接在一起,并经过反相器与AT89C51 的写信号WR相连,AT89C51读信号端RD经反相器与AD0809的OE端相连,完成输出允许控制, 读写控制均由AT89C51的P2.7控制。但是在电路连接遇到两个主要的问题，一是八路模拟信号通道选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。从图3.6可以看到，把ADC0809的ALE信号与START信号连接在一起，这样使得在ALE信号的前沿写入地址信号，紧接着在其后沿就启动转换。 八路模拟通道选择ADD-A，ADD-B，ADD-C分别接地址锁存器提供的低三位地址，只要把三位地址写入AD0809中的地址锁存器，就实现了模拟通道选择。. 转换数据的传送A/D转换后得到的是数字量的数据，这些数据应传送给单片机进行处理7。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换完成，因为只有确认数据转换完成后，才能进行传送，为此采用中断方式。把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。对A/D转换结果的读出,采用查询方式,即每次通过写信号起动A/D转换后, 立刻查询状态标志,一旦发现EOC呈高电平,表明A/D转换结束,于是将数据读入AT89C51的RAM区。在数据采集器中我们通过P1.0-P1.7所加的键盘电路来对传输的路序和数据加以控制。单片机的RXD和TXD口用于串行通讯。ADC0809时序图如3.8图所示： 图3.8 ADC0809时序图3.4 光电编码器模块光电轴角编码器就是将终代表角度信息的代码刻划在码盘上。编码器的码盘与读取狭缝形成了一对计量光栅，当光电编码器随着运动部件运动时，光电接收元件就会发出相应的信号，实现了对运动位移量的转化，通过光电接收元件及信号处理电路，通过对信号的处理便能得到码盘与缝隙间的相对位移量，实现了对角度的测量。按角度编码方式可分为增量式和绝对式两种。增量式编码器是通过计数器计算脉冲数来得到转过的角度值。绝对式光电编码器每一位置的编码与当前位置唯一对应。绝对式光电编码器零位固定，位置信息是轴角的单值函数。计量光栅技术的基础是莫尔条纹（Moire fringes），莫尔（Moire），法文原意是表示水波纹或者波纹花样。一般说，任何具有一定排列规律的几何簇图案的重合，均能形成按规律分布的莫尔条纹图案。莫尔条纹信号具有对应关系及位移放大等特点，因而根据莫尔条纹的结构，形成能够来实现对位移的测量。绝对式光电编码器的编码方式有二进制码、十进制码、循环码（格雷码）、六十进制码等。矩阵式编码方式是格雷码的变形之一，这种编码方式仅用3圈码道即可输出8位二进制编码，矩阵式编码具有可用最少的码道数、最少的光敏元件数取得最高的分辨率、抗干扰性强等优势，便于光电编码器的小型化。23位绝对式光电编码器粗码编码采用矩阵码编码方式，输出信号为12路矩阵码信号（方波）。中精码和精码采用裂相刻划的方式，因此，中精码和精码信号均为四路相位差为/2整数倍的莫尔条纹信号，所谓裂相刻划是指将指示光栅上的刻线区分成四个区域刻划，相相邻两个栅线区域之间依次相隔（1/4）d或（n+1/4）d的不同间距，其中d为栅距，n为整数15。4 系统的软件设计4.1 keil编程环境介绍本系统的软件编写基于Keil uVison2集成开发环境。Keil公司成立于1986年，主要开发、制造和销售嵌入式8051、251、ARM、XC16x/C16x/ST10等微控制器软件开发工具，提供ANSI C编译器、宏汇编程序、实时管理、调试和模拟器、综合评估板等。2005年，Keil公司被ARM公司收购。早期的Franklin C51交叉编译器是专门为8051系列单片机设计的简单、高效C语言编译器，Franklin软件包主要由C51交叉编译器、A51交叉汇编器、L51链接器、OHS51代码转换器及DSCOPE-51软件仿真器等模块组成，Franklin C51的输入输出库函数scanf和printf默认是通过8051单片机的串行口实现的（输出之前需要对串行口初始化），其他输出方式可以通过编写特定的输入输出函数来实现。Keil公司的uVision则是把上述编辑、编译、链接和仿真等模式打包成集成开发环境，当然其集成的C51编译器肯定跟Franklin公司的相关模块肯定有交叉性，uVision还包含项目管理和调试器等非常有用功能，界面如图4.1所示。图4.1 uVision界面图uVision的工程由源文件、发开工具选项及编程说明组成，uVision包含器件数据库（如下图），可以看到该芯片的Vendor、Family、Description（制作工艺、片上资源等）、Option等信息，可以自动设置汇编器、编译器、连接定位器及调试器选项。uVision的编辑器跟大家经常使用的Dreamweaver或VC+等开发环境类似，支持语法检查、代码高亮等，支持汇编和C51混合编程，C51编译器可实现对8051所有片上资源进行操作，支持三字节的通用指针和特殊功能指针。调试器则可以提供原生的模拟调试环境，支持断点和随时查看当前源程序运行位置。本设计的编程语言选用嵌入式流行的C语言。C 语言是一种通用编程语言它提供高效代码结构化编程元素及丰富的运算符。C不是一个大型的语言不是为特定领域内的应用而设计的C 的普遍性使它可以为各种不同的软件任务提供便利有效的编程方案许多应用设计使用C 比其它专门语言更有效。使用像C 这样的高级语言比使用汇编程序更具优点例如：（1）不需要了解处理器的指令集对8051 的存储器结构也不必要了解；（2）寄存器分配和寻址方式由编译器进行管理；（3）指定操作的变量选择组合提高了程序的可读性；（4） 可使用与人的思维更相近的关键字和操作函数；（5）与使用汇编语言编程相比程序的开发和调试时间大大缩短；（6）库文件可提供许多标准的例程例如格式化输出数据转换和浮点运算加入到应用程序当中。正如上一章所述，整个系统由模拟信号产生器，八路数据采集器，主控器。除模拟信号产生器外其它部分都需要单片机的控制才能正常工作，所以单片机软件的设计是整个系统的重要组成部分。系统的软件设计，即单片机代码的设计通常可采用汇编语言或C语言设计。本系统采用C语言来实现单片机的控制代码，之所以采用C语言是考虑到以下两个因素：1.C语言在逻辑控制方面比较方便，界面友好，语言掌握起来比较方便，编程效率高。2.代码可移植性好，维护方便，控制灵活16。4.2 PWM调速程序介绍PWM调速通过改变一定频率方波脉冲的占空比来改变电机速度，本设计脉冲周期恒定,本设计通过把方波分成160份，改变高低脉冲的份数来改变PWM的波形，单片机PWM调速的程序代码如下所示：void control() EA=1; while(1) if(a=150) a=150;if(a=10) a=10; P1_1=0; delay(160-a); P1_1=1; delay(a); key=GeyKey(); if(key=-) a-=n; else if(key=+) a+=n; else if(key=) P1_0=1; dprintf(0,72,方向: 顺时针); else if(key=c) P1_0=0; dprintf(0,72,方向: 逆时针); else if(key=*) P1_1=0; break; else if(key!=0) break; EA=0;由于PWM的要求，通过改变a的值来改变PWM的高脉冲的时间，a越大，高脉冲的时间越长，但最终设定一个最高值，高脉冲的时间最高不能超过150。低脉冲的时间也是最高不能超过150。单片机输出PWM波的同时，定期的检测电流的状态，电流过大时减速。系统用码盘测量速度。程序运行波形如图4.2所示： 图4.2 程序运行波形图4.3 AD采集程序介绍 本设计AD采集模块主要是采集霍尔电流传感器输出的电压值，系统的流程图如图4.3所示： Y中断入口通道号为0读取数据，保存到命令变量ad_data中断返回开始采集AD转换完毕了吗N 等待延时 图4.3 系统的流程图#include sbit ad_busy=P32;sbit ACC_0=ACC0;sbit ACC_1=ACC1;sbit ACC_2=ACC2;sbit ACC_3=ACC3;sbit ACC_4=ACC4;sbit ACC_5=ACC5;sbit ACC_6=ACC6;sbit ACC_7=ACC7;uchar ad_data8; void delayX1ms(unsigned int delay) /1ms延时子程序 unsigned int i,j; for(i=0;idelay;i+) for(j=0;j120;j+);void ad0809(void) interrupt 0 static char l=0;bit t;EA=0;EX0=0;ad_datal=XBYTE0x7ff8+l; ACC=ad_datal;t=ACC_0;ACC_0=ACC_7;ACC_7=t;t=ACC_1;ACC_1=ACC_6;ACC_6=t;t=ACC_2;ACC_2=ACC_5;ACC_5=t; t=ACC_3;ACC_3=ACC_4;ACC_4=t;ad_datal=ACC; l+;if(l=8) l=0;EA=1;EX0=1;void send(void) TMOD=0x20;TH1=0xf3;TL1=0xf3;TR1=1;SCON=0x50;TI=0; EA=1; EX0=1; ad_busy=0; If(P1_0=0) SBUF=1; delayX1ms(20); while(TI=0); TI=0; SBUF=ad_data0;while(TI=0); TI=0;5 结 论 本设计是实现直流电机的PWM控制，控制程序用C语言编写,在仿真软件Proteus上实现了PWM控制电路, 并设计了基于PWM方式的直流电动机调速系统的控制电路。 本设计主要使用的元器件有：AT89C51单片机、霍尔电流传感器、增量式光电编码器。 本设计完成了技术要求，实现了直流电动机全数字双闭环控制系统。全部控制模块如速度PI调节、电流PI调节、PWM控制都通过软件实现。直流电动机驱动电路采用L298控制电路，通过单片机的输出引脚P01P04输出控制信号进行控制。用霍尔电流传感器检测电流变化，并经A/D转换产生电流反馈信号，通过P20引脚输入给单片机。采用增量式光电编码器检测电动机的速度变化，经P11、P12引脚输入给单片机，获得速度反馈信号。附录：PWM控制的直流电机自动调速系统总体硬件电路图参考文献1 王清灵，龚幼民.现代矿井提升机电控制系统.北京:机械工业出版，1996.1-62 Qing-Guo Wang.Partial Internal Model Control. IEEE Transactions on Industrial 2001，48(5):975-9823 F.1.Ahmed，A.M.EI-Tobshy，A.A.Mahfouz，M.M.S.Ibrahim.P-I and I-P controller in a closed loop for DC motor driver. Proceedings of the power conversion conference-Nagaoka,1997,2:613-618 4 姚勇涛，张仪成，赵康怀.直流电动机及直流调速系统的参数辨识.机车电传动，1996，(6):21-235 张井岗，曾建潮，孙志毅.直流电动机调速系统的内模控制.电机与控制学报，1998，2(2):125-1286 董芳英，吴家麟.直流他励电动机的微机模糊控制.机车电传动，1997(4):32-357 高为炳.变结构控制理论基础.北京:中国科学技术出版社，1990.25-368 诸静等.模糊控制原理与应用.北京:机械工业出版社，1995.1-159 王耀南.智能控制系统一模糊逻辑专家系统神经网络控制.长沙:湖南大学出版社，1996.93-9510 黄俊，王兆安.电力电子