直流电机PWM控制实现

直流电机PWM控制实现摘 要本文介绍了一种基于单片机控制的PWM直流电机调速系统，系统以89C51单片机为核心,以小型直流电机为控制对象,实现双闭环PI控制。系统包括转速给定、转速显示、转速检测、电流检测、PWM脉宽信号产生电路以及直流电机驱动电路。从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，给出了该系统的详细设计思路、软硬件设计、电路结构和采用PI控制算法的控制程序流程。在芯片选择方面，以89C51为控制核心，分别采用了AD574电流模/数转换、8253转速M/T法测量、8279转速设定/显示、DAC1208/TL494PWM波形产生、LDM18200电机驱动等芯片和一些外围电路。该系统具有较好的控制精度,可以在中小功率直流电动机上广泛使用。关键词 单片机；直流电机；调速系统；PWM；双闭环控制AbstractA kind of PWM direct current motor speeding control system by this paper is introduced based on Single-Chip Computer control.In this system, taking the single- chip computer89C51 as the core part and the small-type of DC motor as the control object.a double closed-loop PI control is implemented.This system consists of rotation setting,display and detection, current sensing, PWM pulse signals generator circuit and the DC drive circuit.Beginning with the theory of the DC timing system,this article has built up the maths model of the reversible DC-PWM timing system with a dual-converter and dual-closed-loop,Given the details of the system design, software and hardware design, circuit structure and control algorithms using the PI process control proce- dures. In the chip selection, to 89C51 for the control of the core,By using the AD574 current A/D converter, 8253 Speed M/T measurement, 8279 speed settings/Show, DAC1208/TL494PWM waveform generator, LDM18200 motor drive, such as chips and some external circuit.The system has better control accuracy, in small and medium-sized power on the wider use of DC motor.Key words single-chip computer；DC motor； adjustment speed system；PWM；double closed-loop control目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 序言11.2 直流调速系统发展概况1第2章 直流脉宽调速系统的理论研究22.1 直流电动机的调速方案22.2 直流电机PWM调速原理22.3 双闭环可逆直流PWM调速系统原理42.3.1 转速、电流双闭环调速系统的组成42.3.2 稳态结构图和静特性52.3.3 双闭环脉宽调速系统的动态性能6第3章 双闭环可逆直流PWM调速系统的硬件设计93.1 单片机的选择103.2 电流检测电路133.2.2 AD574的工作原理143.2.3 AD574和89C51单片机的接口电路143.3转速测量电路153.3.1 M/T法测速原理153.3.2 转速测量硬件电路173.4 转速设定/显示电路173.4.1 8279可编程键盘、显示接口芯片173.4.2 键盘/显示接口电路193.5 PWM调制信号产生电路203.5.1 DAC1208内部结构和引脚功能203.5.2 专用PWM集成电路芯片TL494213.5.3 TL494电路实现223.6 直流电机PWM驱动电路233.6.1 LMD18200驱动电路原理243.6.2 专用直流电动机驱动芯片LMD1820026第4章 双闭环可逆直流PWM调速系统的软件设计284.1 软件的结构设计284.2 主程序设计304.3 电流调节器和转速调节器的算法及软件实现31全文总结35致 谢36参考文献37附 录38第1章 绪论1.1 序言在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的使用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地使用于自动控制要求较高的各种生产部门，是截止到目前为止调速系统的主要形式。1.2 直流调速系统发展概况五十多年来，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年代使用已久的直流发电机电动机组（简称GM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VM系统），使得变流技术产生了根本的变革。再到脉宽调制（Pulse Width Modulation）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。80年代随着计算机技术和通信技术的发展，832位单片机相继出现并使用于控制系统，控制电路已实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。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。第2章 直流脉宽调速系统的理论研究2.1 直流电动机的调速方案直流电动机转速n的表达式为：n= (2-1)式(2-1)中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，为每极磁通量，K为电动机结构参数。由(2-1)式可知，直流电机转速n的控制方法有三种：(1)改变电枢电路电阻R在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。(2)改变电机主磁通只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小；(3)调节电枢电压U,改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统；2.2 直流电机PWM调速原理变电压调速要有可调的直流电源。根据供电电源的种类分两种情况1：一是采用可控硅变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，将交流电通过整流提供直流电源，实现脉冲调压调速。随着电力电子全控器件的成熟，采用全控电力晶体管IGBT、MOSFET等全控式电力电子器件组成的直流脉宽调制（PWM）型的调速系统近年来已发展成熟，用途越来越广。大多数直流电机的驱动采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。图2.1是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压。秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2.2所示。直流电机图2.1 PWM调速控制原理图tT0t0图2.2 输入输出电压波形图 电动机的电枢绕组两端的电压平均值为：= = = (2-2)其中，称为占空比，= 。占空比表示了在一个周期T里开关管导通的时间和周期的比值。的变化范围为0 1。由式(2-2)可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变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PWM调速原理。在PWM调速中，占空比是一个重要参数。改变的方法有三种：(1)定宽调频法：这种方法是保持不变，只改变，这样使周期T(或频率)也随之改变。(2)调宽调频法：这种方法是保持不变，而改变，这样使周期T(或频率)也随之改变。(3)定频调宽法：这种方法是使周期T(或频率)保持不变。而同时改变和。PWM控制信号的产生方法有4种2：(1)分立电子元件组成的PWM信号发生器 (2)软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。 (3)专用PWM集成电路 (4)单片机的PWM口后2种方法是目前获得PWM信号的主流方法，本系统采用方法(3)产生PWM脉冲信号。2.3 双闭环可逆直流PWM调速系统原理2.3.1 转速、电流双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电流，二者之间实行串级联接，如图2.3所示3。 +En_+_ASRACRR图2.3 双闭环调速系统稳态结构图2.3.2 稳态结构图和静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性，绘出了它的稳态结构图，如图2.3所示。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况，饱和：输出达到限幅值；不饱和：输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况4。(一)转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此=由第一个关系式可得：n= = (2-3)从而得到图2.4静特性的-A段。和此同时，由于ASR不饱和， ，从上述第二个关系式可知：。这就是说，-A段静特性从0（理想空载状态）一直延续到=，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段。(二)转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值， 转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时= = (2-4)其中，最大电流是设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式(2-4)所描述的静特性是图2.4中的A-B段。这样的下垂特性只适合于n的情况。因为如果n，则，ASR将退出饱和状态。2.3.3 双闭环脉宽调速系统的动态性能考虑到双闭环控制的结构，可绘出双闭环调速系统的动态结构图，如图2.5所示。图中和分别表示转速和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电机的动态结构图中必须把电流显露出来。Bn 0A图2.4 双闭环调速系统的静特性E+n图2.5 双闭环脉宽调速系统的动态结构图在这里，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 流调节器的设计由双闭环系统动态结构图可看出外环通过反电动势E对内环产生影响，但是由于实际系统中处于外环的系统机电时间常数比内环的时间常数大得多，机构经ACR对内环效+ACR图2.6 电流环的动态简化结构图正后其输出量 的动态过程变化很快，而反电动势E的变化过程E(t)相对来说是缓慢的。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变。因此在设计电流环时可以简化计算略去反电动势E对内环的影响，将电流闭环的动态结构简化为单位负反馈形式并将脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间T和电流反馈滤波时间两个小的时间常数所对应的两个小惯性合并为一个小惯性时间环节，即 =T+，于是得到如图2.6的电流简化动态结构图。电流环即可设计成典型I型系统也可设计成典型II型系统。在一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比 时，典型I系统的抗扰恢复时间还是可以接受的，因此，效正成典型I型系统，显然采用PI调节器，其传递函数为：= (2-5)电流调节器的参数包括和，为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，取=。按二阶最佳系统效正，在一般情况下，希望超调量%5%时，查表得阻尼比=0.707， =0.5，因此= (2-6)转速调节器的设计由自动控制基本理论推导可得，电流环不论是典型I型或是典型II型化，在一定的近似条件下都可以等效为一个惯性环节，写成通式为：=若典型I型化且=0.707， =0.5，则a=2。若典型II型化h=5,m=0.1，则a=5/6。由上式画出转速闭环的动态结构图，将它简化为单位负反馈形式并将两个小惯性合并为一个小惯性，即将转速给定及转速反馈的滤波时间常数和电流环等效时间常数a 合并为转速环小惯性时间常数 。由于要求转速对负载扰动无静差，则在ASR中必须含有积分环节，取ASR为PI调节器，因此转速环按典型II型系统设计。若只考虑给定信号的作用则得到简化的转速环的动态结构图如图2.7所示，这里有 =+a (2-7)n（s）+图2.7 转速调节闭环等效动态结构图可见，上图已具备典型II型系统的标准形式，ASR调节器的参数按以下各式计算即可= = (2-8)= (2-9)= (2-10)第3章 双闭环可逆直流PWM调速系统的硬件设计本系统采用8位单片机89C51作主控制器，辅以脉宽调制（PWM）器和电机驱动器等环节实现单片机控制电动机双闭环可逆直流PWM调速系统，原理框图如图3.1所示，其内环是电流反馈及控制环，外环是电动机转速反馈及控制环，内环和外环的调节都是由89C51单片机软件完成数字PI控制规律的运算。转速输出设定转速负载扰动单片机控制器转速调节器PI1电流调节器PI2DAC1208数模转换TL494PWM信号产生LMD18200电机驱动直流电动机AD574电流反馈8253转速反馈测量8279转速设定/显示图3.1 单片机控制双闭环直流调速系统原理框图由图3.1可知,系统中设置的转速和电流两个调节器，不是将它们的输出加在一起象单环系统那样共同作为PWM调制器的控制电压，而是将两个调节器实行串级连接。 下面将对系统中各个硬件的功能和工作原理作简要介绍。3.1 单片机的选择在详细的系统分析、实用性、经济性分析的基础上，选用了MCS-51系列的89C51单片机5，其主要特点是：l 一个8位CPU；l 128字节RAM数据存储器，4K字节ROM程序存储器；l 21个特殊功能寄存器；l 4个8位并行I/O口，其中、为地址/数据线，可寻址64KB ROM和64 KB RAM；l 一个可编程全双工串行口；l 具有5个中断源，可编程两个优先级，嵌套中断结构；l 两个16位定时器/计数器；l 一个片内振荡器及时钟电路。89C51单片机功能引脚如图3.2所示。 图3.2 89C51单片机功能引脚其各引脚功能如下：1.电源引脚Vcc和Vss(1)Vcc：电源端，接+5V电源。(2)Vss：接地端(GND)。2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2(1)XTAL1：片内振荡电路的输入端，是外接晶体的一端。(2)XTAL2：片内振荡电路的输出端，是外接晶体的另一端。3.控制信号引脚RST、ALE、和(1)RST/Vpd：RST是复位信号输入端，高电平有效，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。RST引脚的第二功能是备用电源Vpd的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到规定值时，此引脚可接备用供电，由Vpd向内部RAM提供备用供电，以保持片内RAM中的数据。(2)ALE/：地址锁存允许信号端。 (3)：片外程序存储器读选通信号输出端。(4)/Vpp：片内、片外程序存储器选择端/编程电压输入端。在Flash存储器编程期间，使用该引脚的第二功能，用于提供编程电压。4.输入/输出(I/O)引脚(1)P0口（P0.0P0.7）：P0口的第一功能是作为通用的I/O口，用来输入/输出数据，输出数据有锁存功能。P0口的第二功能是当CPU访问片外存储器时，分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。(2)P1口（P1.0P1.7）：P1口一般作为通用的I/O口使用，用于传送用户的输入/输出数据。 P1口的第二功能是在对片内ROM编程或校验时输入片内ROM的低8位地址.。(3)P2口（P2.0P2.7）：P2口的第一功能是当不扩展片外存储器时，作为通用I/O口。第二功能是当89C51扩展片外存储器时，和P0口配合，输出片外存储器的高8位地址，共同形成16位片外地址总线。(4)P3口（P3.0P3.7）：P3口除了作通用的I/O口外，作为控制用的第二功能如表3.1所示。表3.1 P3口的第二功能P3口引脚第二功能P3.0RXD(串行数据输入口)P3.1TXD(串行数据输出口)P3.2（外部中断0输入）P3.3（外部中断1输入）P3.4T0（定时器/计数器0外部输入）P3.5T1（定时器/计数器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通信号输出）P3.7（外部数据存储器读选通信号输出）3.2 电流检测电路目前,电流检测分为直流检测和交流检测两种方法。本系统采用AD574芯片进行电流检测,利用一个低阻值大功率电阻和直流电机串联,将该电阻两端的电压作为电流检测的输入信号,再将检测到的电流信号作为电流环的反馈信号,参和转速调节控制。AD574芯片是一种有28个引脚双列直插式的芯片，其功能管脚如图3.3所示。图3.3 AD574芯片功能管脚图各主要管脚功能如下:：芯片选择线。=0，芯片被选中。CE：控制时钟输入端。R/：功能选择。R/低电平时，启动转换；R/高电平时读出。当=0、CE=1，R/=0时，启动A/D进行转换。当=0、CE=1，R/=1时，允许数码读出。：控制转换时间。线通常接计算机地址总线的最低位。进行转换时，若为低电平，完成12位转换；为高电平，则进行8位转换。在读数据时，位低电平，高8位数据有效；为高电平，低四位数据有效。12/：决定数据输出格式。12/接低电平时，数据输出由两个8位字节构成。12/接高电平时，数据输出由一个12位字节构成。STS：状态输出信号。3.2.2 AD574的工作原理AD574其内部控制逻辑是用来发出转换启动/停止信号，时钟信号和复位SAR信号，并且控制转换过程，这个控制逻辑受外部5个信号控制，当AD574控制部分接到开始转换命令时，它将使时钟有效，并使SAR复位为零，一旦转换周期一开始，便不再被重新启动，此时内部输出缓冲器没有数据输出6。AD574逻辑控制真值表如表3.2所示。表3.2 AD574逻辑控制真值表CER/12/工作状态0禁止1禁止1000启动12位转换1001启动8位转换101接1脚（+5V）12位并行输出有效101接15脚（0V）0高8位并行输出有效101接15脚（0V）1低4位并行输出有效表中0为低电平，1为高电平，为任意状态其工作过程：当=0、CE=1，R/=0时，转换开始，当=0、CE=1，R/=1时，允许读出数据。在转换开始时，R/应由高电平转换为低电平。转换结束后R/应为高电平以便读出转换结果。3.2.3 AD574和89C51单片机的接口电路+5V89C51如图3.4所示, AD574的片选端接锁存器的Q7端, A0端接锁存器的Q1端, R/接锁存器的Q0端,89C51的和经和非门和AD574的CE端相接, AD574进行12位数字转换，12/接地表示89C51要分两次从AD574读出A/D转换的12位数字量。BIP的接法表示10VIN或20VIN被设定为双极性电压输入7。 图3.4 AD574和89C51单片机接口电路图3.3转速测量电路转速检测的精度和快速性对电机调速系统的静、动态性能影响极大。为了在较宽的速度范围内获得高精度和快速性，本设计使用每转1024线的光电编码器作为转速传感器，它产生的测速脉冲频率和电机转速有固定的比列关系，单片机对该频率信号采用M/T法测速处理。3.3.1 M/T法测速原理M/T法测速原理是在对光电编码器输出的测速脉冲数进行计数的同时，对时钟脉冲的个数也进行计数。 测速时间由测速脉冲来同步，即由图3.7硬件电路实现等于整个脉冲周期。设从图3.5上a点开始，计数器分别对和计数，到达b点，预计的测速时间到，微机发出停止计数指令，但因为不一定恰好等于整数个编码器输出脉冲周期，所以计数器仍对时钟脉冲计数，直到c点时，可以利用下一个转速脉冲上升沿（即c点）触发数字TdTccbatm2Sm1时钟脉冲测速脉冲发生器脉冲GATE0GATE1图3.5 M/T测速原理图测速硬件电路使时间计数器停止计数。这样，就代表了个测速脉冲周期的时间。设时钟脉冲频率为，光电编码器每转发出P个脉冲，则电动机转速的计算公式为：n = = = r/min在本系统中，由于选用2MHz，P1024，所以转速计算公式有： n= =117188 r/min 3.3.2 转速测量硬件电路 M/T法转速测量硬件电路如图3.7所示。途中8253的0号、1号计数器分别对和进行计数，D触发器用来使的计数和测速脉冲计数同步，由于8253为下降沿计数，故使用反向器G，启动测速和停止测速信号由89C51单片机的软件向P1.2口输出，P1.3口用于测速电路软件输出复位脉冲信号。为实现和同步计数，8253的0号和1号计数器使用方式2工作。上电初始化进入这种方式后，可用GATE电平对计数过程进行监控。当89C51单片机在图3.5上s点时测速脉冲发生器脉冲F11D0D789C51 CLK0D0 GATE0CLK1D7 GATE1CPQ D 时钟脉冲2MHzP1.3复位脉冲P1.2启动停止测速信号 图3.7 M/T法转速测量硬件电路刻向P1.2口输出高电平，发出启动测速信号，即置为高电平，0号测速脉冲计数器立即从初始值开始计数直至在图3.5上b点时刻向P1.2口输出低电平。这样从测速启动点s到停止点b时间间隔内，为高电平，则输入8253端口的测速脉冲计数值即为。3.4 转速设定/显示电路3.4.1 8279可编程键盘、显示接口芯片8279芯片有40条引脚，由单一5V供电。主要由以下几个部分组成：(1)I/O控制和数据缓冲器；(2)控制和定时寄存器及定时控制部分；(3)扫描计数器；(4)回送缓冲器和键盘去抖动控制电路；(5)FIFO(先进先出)寄存器和状态电路；(6)显示器地址寄存器和显示RAM。各引脚的功能见表3.2所示：表3.2 8279各引脚功能引脚符号引脚号引脚名称和功能VCC40电源的+5V端VSS20电源的0V端RESET9复位信号输入端10读信号输入端11写信号输入端21系统地址总线最低位输入端22片选端CLR3时钟输入端IRQ4中断请求信号输出端-1912双向数据总线，在CPU和8279间传送命令、状态和数据-3532扫描输出端，对键盘/传感器矩阵和显示器进行扫描-85、2、1、39、38键盘/传感器矩阵的信息输入端SHIFT36换挡输入端，使键盘上每键有上、下两档不同的功能。传感器方式和选通方式时，该信号无效。CNTL/STB37控制/选通输入端，高电平有效。键盘工作方式时，时控制端；选通输入方式时，是选通端；传感器方式时，该信号无效。OUTA3-OUTA02427A组显示信息输出端。和B组显示信息输出端一样，都是16*4显示寄存器的输出端。两组可独立使用，也可合并使用。OUTB3-OUTB02831B组显示信息输出端23显示消隐输出端，低电平有效。消隐命令时，或显示信息切换时，使显示消隐（不亮）3.4.2 键盘/显示接口电路 8279芯片和89C51单片机的硬件接口电路如图3.8所示。该系统选用28键盘和8位显示器，工作于8位显示和键盘输入工作方式，均为编码扫描，其组成可分为三个部分：图3.8 8279和89C51的硬件接口1.显示接口：由8个7段LED显示器组成。经74LS138(1)译码扫描控制位选口，显示字符的段选码由8279芯片的两个4位输出口、同步输出实现，并且经74LS06非门轮流驱动7段LED显示器。消隐显示信号输出线和74LS138(1) 的使能端相连，当显示转换时，输出低电平关闭74LS138(1),从而达到显示消隐的目的。2.键盘接口：键盘中的复位键不用扫描，其余16个键排成2行8列的矩阵。通过“改参键”进入转速调整程序,利用“左移/右移键”选择需要改变数值的数码管位置,“09”为10个数字键,通过“确定键”完成转速设定，其他键为备用键。8279工作于键盘输入方式，8根列扫描线由经74LS138（2）译码获得，2根行信号线由、引入。由于8279的输入线内部有上拉电阻，当无键按下时均为高电平，而当有键按下时则被键盘上的按键拉成低电平，该键的行、列号信息被读入FIFO RAM缓冲器中。同时8279的中断请求信号IRQ为高电平，可向CPU申请中断，读取键值代码。3.8279和89C51的接口：在图3.8硬件连线中，单片机89C51的P2.7脚经反相器接片选信号,8279的端用于控制读写命令/状态和数据，和地址锁存器74LS373输出的最低位地址线相连， 8279的CNTL、SHIFT引脚接地，89C51的P2.5脚、P2.6脚接地。3.5 PWM调制信号产生电路在晶体管功率放大和电源电路中，脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulate）以其功耗低、效率高得到了越来越广泛的使用。本系统采用专用PWM集成电路芯片TL494，通过D/A转换器DAC1208，把数字量转换成模拟电压量，供TL494电压驱动。3.5.1 DAC1208内部结构和引脚功能DAC1208系列芯片内部由两个锁存器、一个寄存器、一个D/A转换器构成8。内部结构框图如图3.9所示。芯片中DI0DI11为数字量输入，Rfb为反馈电阻输入，VREF为参考电压,Vcc为+5V电源。DAC1208为12位数模转换,采用二级缓冲(即二级锁存)工作方式，内部有: 高8位和低4位锁存器(一级锁存),12位DAC寄存器,12位乘法DAC转换。转换计算公式:Vout=VREF * Din/2e12。其中: VREF为参考电压；Din为输入二进制数字量的十进制数值,如1B=917D；2e12=4096。AGND为模拟量地,DGND为数字地,即接地。图3.9 DAC1208内部框图 : 为字节顺序控制信号,高电平(二进制数信号为1)时开启高8位和低4位锁存器,低电平(二进制数字信号位0)时只开启低4位,数字量输入时必须先送高8位,再送低4位,不然会出错。 和:两者相结合(接在一起)为一级锁存控制,低电平有效,即输入锁存器接受数字信号,高电平时锁存。和：结合二级锁存控制,低电平有效,即将数字信号从输入锁存器送到DAC寄存器,再送到DAC转换器进行转换,高电平锁存。Iout1为转换电流输出1,Iout2为转换电流输出2。两者关于某常数互补，即Iout1+Iout2=常数。3.5.2 专用PWM集成电路芯片TL494TL494是美国德州仪器公司的产品，原本是为开关电源设计的一种性能优良的脉宽调制控制电路。该芯片具有能够任意调节死区时间、驱动能力强、性能稳定等优点。TL494的结构框图如图3.11所示9，包括两个误差放大器、片内可调锯齿波振荡器、死区时间控制比较器、PWM比较器、触发器、5V基准电压以及输出控制电路(两个晶体管Ql和Q2)。5、6脚外接振荡电阻TR和振荡电容CT，它们决定了振荡器的工作频率，频率范围为1kHz3O0kHz，振荡器的输出被分别送到死区时间控制比较器和PWM比较器的反相输入端，需进行脉冲调宽的电压被送到PWM比较器的同相输入端，通过PWM比较器进行比较，在PWM比较器的输出端得到一串具有一定宽度的矩形脉冲，当脉冲调宽电压变化时，TL494输出的脉冲宽度也随之改变，从而改变开关管的导通时间，达到调节、稳定输出电压的目的。脉冲调宽电压可由3脚直接送入的电压来控制，也可分别从两个误差放大器的输入端送入，通过比较、放大，经隔离二极管后输出到PWM比较器的正相输入端。PWM比较器的输出电压和死区时间控制比较器的输出电压同时被送到和门的输入端，和门的输出脉冲经D触发器分频后被分别送到两个和非门去控制功率放大晶体管的开关工作状态，在输出方式控制端13的控制下，TL494的输出三极管可接成共发射极及射极跟随器两种方式，当该端为高电平时输出方式为双端推挽输出，当该端为低电平时输出方式为单端输出，在推挽输出方式时，就可以在晶体管的输出端9、10脚得到相位差180度的两路驱动脉冲；而在单端方式时，其两路驱动脉冲为同频同相，若将两路输出并联就可以增大其输出电流。另外，TL494的基准电源输出端14脚可以向外提供5V参考电源。图3.11 TL494的结构框图3.5.3 TL494电路实现本系统所设计的TL494使用电路图如图3.12所示，下面介绍其功能实现过程:首先通过电阻R3和可调电阻R7得到给定电压Vg，Vg经R5、C3低通滤波之后输入到TL494误差放大器1的正端，再通过DAC1208输出的电压Vo，经R2、Cl滤波后输入TL494误差放大器1的负端，经误差放大器1后得到两者的误差Ve，由TL494的工作原理知，此误差Ve对应一定占空比的PWM输出信号，当输入电压改变时，Vo的变化引起Ve的变化，进而使TL494输出信号的占空比也发生变化。由TL494的内部框图知，两个误差放大器之间由隔离二极管连接，为了使系统正常工作，需要封闭误差放大器2的输出，如图3.12所示，将误差放大器2的正端接地，而将其负端接+5V，这样，误差放大器2的输出便为负，从而封锁了其输出；电阻R4、R6及电容C2构成了误差放大器的负反馈环节；电阻R9和电容C7用来实现软启动功能，可有效地避免电机启动过程中的电流过冲。电容C4和电阻R10用来控制振荡器的振荡频率。图3.12 TL494电路实现图3.6 直流电机PWM驱动电路直流电机常要求工作在正反转的场合，这就需要使用可逆PWM电机驱动。可逆PWM系统分为双极性驱动和单极性驱动，本系统采用LMD18200双极性驱动可逆PWM系统。3.6.1 LMD18200驱动电路原理双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由2个开关管组成，采用正负电源，相当于2个不可逆系统的组合，由于形状像倒放的“T”字，所以称为T型。另一种称为H型，其形状像“H” 字。图3.13是H型双极可逆PWM驱动系统。它由4个开关管和4个续流二极管组成，单电源供电。4个开关管分成两组，、为一组，、为另一组。同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通和关断正好相反。在每个PWM周期里，当控制信号高电平时，开关管、导通，此时为低电平，因此、截止，电驱绕组承受从A到B的正向电压；当控制信号 低电平时，开关管、截止，此时为高电平，因此、导通，电驱绕组承受从B到A的 412 3 图3.13 H型双极性驱动PWM系统原理反向电压，这就是所谓的 “双极”。由于在一个PWM周期里电驱电压经历了正反两次变化，因此其平均电压为：= = = (3-1)由式3-1可见，双极性可逆PWM驱动时，电驱绕组所受的平均电压取决于占空比大小。当=0时，= ，电动机反转，且转速最大；当=1时，= ，电动机正转，转速最大；当=1/2时，= 0，电动机不转。下面讨论电机电枢绕组的电流。电枢绕组中的电流波形如图3.14所示，分以下3种情况。假设在每个PWM周期的0区间、导通，、截止，电动机在较大负载情况下正转工作，电枢绕组中电流的方向是从A到B，如图3.13中的虚线1。在每个PWM周期的区间，、导通，、截止，虽然电枢绕组加反向电压，但由于绕组的负载电流较大，电流的方向仍然不变，只不过电流的波动较大。电流波形如图3.14(a)所示。当电动机在较大负载情况下反转工作时，情形正好和正转时相反。电流波形如图3.14(b)所示。当电动机在轻载下工作时，负载使电枢电流很小，电流波形基本上围绕横轴上下波动，电流的方向也在不断地变化，如图3.14(c)所示。在每个PWM周期的0区间，、截止。开始时，由于自感电动势的作用，电枢中的电流维持原流向从B到A，电流线路如图3.13虚线4，经二极管、到电源，电动机处于再生制动状态。由于二极管的、钳位作用，此时、不能导通。当电流衰减到零后，在电源电压的作用下。、开始导通。电流经、形成回路，如图3.13中虚线1。这时电枢电流的方向从A到B，电动机处于电动状态。在每个PWM周期的区间，、截止。电枢电流在自感电动势的作用下继续从A到B，其电流流向如图3.13中的虚线2，电动机仍处于电动状态。当电流衰减为零后，、开始导通，电流线路如图3.13中的虚线3，电动机处于反接制动状态。所以，在轻载下工作时，电动机的工作状态呈电动和制动交替变化。t1t2I000tttIt0(a)正转(b)反转 4 1 2 3I0t0t(c) 轻载图3.14 H型双极可逆PWM电流波形3.6.2 专用直流电动机驱动芯片LMD18200 LMD18200是美国国家半导体公司生产的用于电机驱动的功率集成芯片,其功能如下:(1)额定电流3A , 峰值电流6A，电源电压55V；(2)额定输出电流2A，输出电压30V；(3)可通过输入的PWM信号实现PWM控制；(4)可通过输入的方向控制信号实现转向控制；(5)可以接受TTL或CMOS以及它们兼容的输入控制信号；(6)可以实现直流电动机的双极性和单极性控制；LMD18200的原理图如图3.15所示。过热检测输出 泵电容1 输出1 电源 输出2 泵电容PWM 5使能 4转向 3关断1110006219充电泵驱动过热过流欠压检测输入逻辑充电泵驱动电流检测87电流检测输出 地图3.15 LMD18200原理图LMD18200PWM4N255 6 2 3 1 114 10+5V+55V图3.15 LMD18200接口电路第4章 双闭环可逆直流PWM调速系统的软件设计为了使单片机控制系统各种硬件设备能够正常运行，有效实现各个控制环节的实时控制和管理，除了要设计合理的硬件电路，还必须要有高质量的软件支持。因此，用汇编或其他高级语言编写电动机单片机实时控制系统的使用程序，是整个系统设计中十分重要的内容。本系统用89C51单片机代替了直流电动机双环调速装置中的