基于單片機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、武漢紡織大學(xué)2011屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書課題名稱：基于單片機(jī)的直流調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、課題訓(xùn)練內(nèi)容 (2) 培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)工程開發(fā)的能力，制定工作計(jì)劃和協(xié)調(diào)組織的能力；(3) 培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，選取合適器件，解決實(shí)際工程問題的能力；(4) 培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)復(fù)雜硬件電路的能力，使用portel做圖的能力；(5) 培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)模塊化軟件的能力；(6) 培養(yǎng)學(xué)生撰寫文檔及表格的能力；(7) 培養(yǎng)學(xué)生閱讀英語(yǔ)文獻(xiàn)和翻譯的能力。1. 鞏固和加深對(duì)模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)等基礎(chǔ)理論、基本技能的認(rèn)識(shí)與掌握，了解和熟悉一些基本傳感器的工作原理及其使用方法，并對(duì)專業(yè)前沿知識(shí)有初步認(rèn)識(shí)和關(guān)注

2、。2. 培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考的能力。3. 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能進(jìn)行分析問題和解決實(shí)際問題的能力，將理論與實(shí)踐結(jié)合，并且熟悉專業(yè)軟件工具的使用方法，如keil軟件調(diào)試方法、cadence capture繪原理圖和cadence allegro繪pcb的使用方法4. 培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)計(jì)算、工程繪圖、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理、文件編輯、文字表達(dá)、文獻(xiàn)查閱等設(shè)計(jì)開發(fā)能力；熟悉microsoft office、cadence、keil c51，realviewmdk等專業(yè)軟件應(yīng)用以及外文資料的閱讀和翻譯，使學(xué)生初步掌握科學(xué)研究的基本方法。5. 培養(yǎng)學(xué)生利用單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的能力，掌握單

3、片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法和步驟，達(dá)到能夠進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。熟悉和掌握mcs51單片機(jī)并以此擴(kuò)展的stm32f103f單片機(jī)的調(diào)試方法以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，了解無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉椒ê凸ぷ髟?，及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法。6. 使學(xué)生樹立符合國(guó)情和生產(chǎn)實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想和觀點(diǎn)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、負(fù)責(zé)、實(shí)事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具有創(chuàng)新意識(shí)、善于與他人合作的工作作風(fēng)。二、設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)和要求（包括說明書、論文、譯文、計(jì)算程序、圖紙、作品等數(shù)量和質(zhì)量等具體要求）(1) 查閱課題相關(guān)參考文獻(xiàn)、技術(shù)資料，做好備份，以便以后查找。學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)原理圖和使用portel；(2) 第四周前上交畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告一份。

4、開題報(bào)告內(nèi)容與學(xué)校模板要求一致，字?jǐn)?shù)不少于2000字；經(jīng)指導(dǎo)教師檢查合格后才能進(jìn)行后續(xù)工作；(3) 完成原理設(shè)計(jì)，合理選擇模塊和元器件，繪制原理圖。完成硬件電路板的繪制和軟件的編寫；(4) 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，字?jǐn)?shù)不少于15000字。論文應(yīng)包括中文摘要、英文摘要、目錄、正文、參考文獻(xiàn)、附錄（可無）、致謝7個(gè)部分；具體每一部分的格式嚴(yán)格按照學(xué)校教務(wù)處模板的規(guī)定。三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要參數(shù)及主要參考資料1、主要設(shè)計(jì)功能：(1) 使單片機(jī)可以控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)(2) 使單片機(jī)可以控制直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)(3) 使單片機(jī)可以控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)時(shí)的加速和減速(4) 使單片機(jī)可以控制直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)時(shí)的加速和減速

5、2、主要參考資料1 康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版）m. 北京：高等教育出版社，2004.5.2 康華光.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版）m. 北京：高等教育出版社，2004.5.3 劉和平.單片機(jī)c語(yǔ)言編譯器及其應(yīng)用基于pic18f系列 m. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.4.4 陳伯時(shí).電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)m. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.6.5 張振利.數(shù)字式直流調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)n.江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004.6 雷小平.單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)n.無線點(diǎn)通訊技術(shù)，2000.7 羅寧.淺談單片機(jī)在直流拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用n.水利電力機(jī)械，2000.8 張興華.交直流

6、傳動(dòng)技術(shù)實(shí)訓(xùn)教材m. 北京：科學(xué)出版社,2003.9 范正翹.電力傳動(dòng)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)m.北京航空航天大學(xué)出版社,2003.四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度表武漢科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度表序號(hào)起止日期計(jì)劃完成內(nèi)容實(shí)際完成情況檢查人簽名檢查日期112.252.25收集參考資料22.25-3.6閱讀參考資料，撰寫開題報(bào)告33.7-3.23設(shè)計(jì)總體工程，制定工作計(jì)劃43.24-4.04選擇單片機(jī)等器件，準(zhǔn)備進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)54.05-4.12設(shè)計(jì)硬件電路，并使用portel作圖64.13-4.18對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化軟件設(shè)計(jì)74.19-5.03整理設(shè)計(jì)資料85.12-5.26對(duì)整體設(shè)計(jì)做模擬測(cè)試95.12-5.

7、26撰寫論文注：1.本任務(wù)書一式兩份，一份院（系）留存，一份發(fā)給學(xué)生，任務(wù)完成后附在說明書內(nèi)。2.“實(shí)際完成情況”和“檢查人簽名”由教師用筆填寫，其余各項(xiàng)均要求打印，打印字體和字號(hào)按照武漢科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）規(guī)范執(zhí)行。武漢科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告課題名稱基于單片機(jī)的直流調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院系名稱機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)自072學(xué)生姓名郭正隆1課題研究的意義直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來，直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。因

8、此研究直流電機(jī)的速度控制，有著非常重要的意義。 隨著單片機(jī)的發(fā)展，數(shù)字化直流pwm調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，控制方法也日益成熟。它對(duì)單片機(jī)的要求是：具有足夠快的速度；有pwm口，用于自動(dòng)產(chǎn)生pwm波；有捕捉功能，用于測(cè)頻；有a/d轉(zhuǎn)換器、用來對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、輸出電壓和電流的模擬量進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；有各種同步串行接口、足夠的內(nèi)部rom和ram，以減小控制系統(tǒng)的無力尺寸；有看門狗、電源管理功能等。因此該實(shí)驗(yàn)中選用cygnal公司的單片機(jī)c8051f020。 通過設(shè)計(jì)基于c8051f020單片機(jī)的直流pwm調(diào)速系統(tǒng)并調(diào)試得出結(jié)論，在掌握c8051f020的同時(shí)進(jìn)一步加深對(duì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法

9、、pi控制器的理解，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行鞏固。2所屬領(lǐng)域的現(xiàn)狀，及發(fā)展?fàn)顩r：pwm控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年a.schonung和h.stemmler首先提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。 從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制spwm信號(hào)以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的pwm信號(hào)輸出，可以說直到目前為止，pwm在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。 由于pwm可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。由此在交流傳動(dòng)及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

10、pwm控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦pwm（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種pwm方案，多重pwm也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化pwm及隨機(jī)pwm。正弦pwm已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重pwm技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如abb acs1000系列和美國(guó)robicon公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化pwm所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（thd）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。 在70年代開始至80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5khz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)

11、引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)pwm方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱?，即使在igbt已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)pwm仍然有其特殊的價(jià)值（dtc控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因?yàn)殡S機(jī)pwm技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問題的全新思路。 3. 課題的研究?jī)?nèi)容本文設(shè)計(jì)是一套基于pic單片機(jī)的直流電機(jī)控制器，作為其配套的試驗(yàn)裝置。論文根據(jù)系統(tǒng)的要求完成了

12、整體方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)選型，針對(duì)所設(shè)計(jì)的控制方案對(duì)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)論述。硬件部分先作了整體設(shè)計(jì)，然后介紹了以pic16f458單片機(jī)為核心的硬件構(gòu)成，對(duì)鍵盤電路、測(cè)量電路、顯示電路等作了詳細(xì)闡述;軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思想，編制了各個(gè)模塊的流程圖。論述了軟件的設(shè)計(jì)思想和方法;實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、啟動(dòng)、停止、加速、減速和顯示等功能。利用pic系列芯片進(jìn)行低成本直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、滿足更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要。4. 課題的研究方法及步驟：（1）深入研究國(guó)內(nèi)前幾代的相應(yīng)產(chǎn)品的工作原理與國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀，為我們的設(shè)計(jì)作參考和借鑒（2）進(jìn)

13、行總體設(shè)計(jì)，并根據(jù)要求選取合適的元器件（3）學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)硬件電路和使用portel繪制原理圖（4）大量閱讀和學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件知識(shí)，便于以后軟件編程（5）熟悉相關(guān)的軟件，分別進(jìn)行硬件部分的設(shè)計(jì)和軟件部分的設(shè)計(jì)5.參考文獻(xiàn)：1 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)（第4版）m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.2 劉和平.單片機(jī)c語(yǔ)言編譯器及其應(yīng)用基于pic18f系列 m. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.4.3 劉和平等.pic18fxxx單片機(jī)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用 m. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.2.4 劉和平等.pic18fxxx單片機(jī)原理及接口程序設(shè)計(jì) m. 北京：北京航空航天大學(xué)出版

14、社，2004.8.5 陳伯時(shí). 電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)m. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.6.6 張振利.數(shù)字式直流調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)n.江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004.7 雷小平.單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)n.無線點(diǎn)通訊技術(shù)，2000.8 羅寧.淺談單片機(jī)在直流拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用n.水利電力機(jī)械，2000.9 張興華.交直流傳動(dòng)技術(shù)實(shí)訓(xùn)教材m. 北京：科學(xué)出版社,2003.10 范正翹.電力傳動(dòng)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)m.北京航空航天大學(xué)出版社,2003. 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日摘 要本文設(shè)計(jì)是一套基于pic單片機(jī)的直流電機(jī)控制器，作為其配套的試驗(yàn)裝置。論文根據(jù)系統(tǒng)的要求完成了整體方案設(shè)計(jì)

15、和系統(tǒng)選型，針對(duì)所設(shè)計(jì)的控制方案對(duì)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)論述。硬件部分先作了整體設(shè)計(jì)，然后介紹了以pic16f458單片機(jī)為核心的硬件構(gòu)成，對(duì)鍵盤電路、測(cè)量電路、顯示電路等作了詳細(xì)闡述;軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思想，編制了各個(gè)模塊的流程圖。論述了軟件的設(shè)計(jì)思想和方法;實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、啟動(dòng)、停止、加速、減速和顯示等功能。利用pic系列芯片進(jìn)行低成本直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、滿足更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要。針對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重的特點(diǎn)，從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行抗干擾的綜合考慮，并利用多種軟件和硬件技術(shù)來提高和改

16、善系統(tǒng)的抗干擾能力，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)、pic單片機(jī)、速度控制abstractthis design is a system of dc motor multiple speeds based on pic mcu is designed，as its necessary test equipment. it finished the total project design of system and model selection .the hard ware and software design of the system according to th

17、e preceding solutions are discussed detailed. for the hardware part after a dissertation on the whole design，the core hardware of the control system is the pic mcu，the paper introduced the details of some hardware problem，including input circuit of keyboard， measure circuit，display circuit and so on

18、 .the method of software planning for it is also discussed. for the software part，with the introduction of modular design concept some procedure flow charts of main program subroutine are offered. the paper designs the software which achieves the functions，such as install parameters，download paramet

19、ers，startup，stop accelerate and decelerate. this new family of pic enables cost-effective design of controllers for dc motors which can fulfill more conditions，consisting of fewer system component，lower system cost and increased performances.aiming at the characteristic of bed environment and seriou

20、s disturbance，many kinds of software and hardware technology are applied to improve systematic anti-interference ability， which comprehensively improve systematic dependability and practicability.it has been proved by experiments that this system can make the high precise and multiple speed motor co

21、ntrol come true. stepping out the performance index is realize now this system has been put into experiment.keywords：dc motor、picmcu、speeds control1 緒論121.1 引言121.2 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展131.3 直流電機(jī)基本調(diào)速方法141.4 pwm調(diào)速方案的優(yōu)越性162 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)172.1 直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線172.2 系統(tǒng)總體方案192.3 系統(tǒng)器件型號(hào)選擇202.4 單片機(jī)選型212.5本章小結(jié)263 硬件電路設(shè)計(jì)263.1

22、 引言263.2 h橋電路pwm控制電路273.3放大電路的連接電路293.4鍵盤輸入電路303.5電源電路303.6復(fù)位和時(shí)鐘電路313.7顯示電路323.8轉(zhuǎn)速測(cè)量電路設(shè)計(jì)333.9本章小結(jié)344系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)354.1引言354.2系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)354.3直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的軟件設(shè)計(jì)354.4本章小結(jié)475結(jié)論475.1工作總結(jié)471 緒論1.1 引言目前，自動(dòng)化控制系統(tǒng)在各行各業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，其中，直流調(diào)速系統(tǒng)更是在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著重要作用。無論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運(yùn)輸、航天航空、還是在日常生活中的家用電器都大量的使用了電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，車輛、電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械

23、等電氣傳動(dòng)系統(tǒng)都有調(diào)速要求。為了滿足運(yùn)行、生產(chǎn)、工藝的要求往往需要進(jìn)行調(diào)速控制:為了減少運(yùn)行損耗，節(jié)約電能也需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由控制部分、功率部分和電動(dòng)機(jī)三大部分組成。 1957年，晶閘管問世，到20世紀(jì)60年代，已產(chǎn)生出成套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革。同時(shí)，控制電路實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代。直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)pwm產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代中期，最早用于不可逆、小功率驅(qū)動(dòng)。近十

24、多年來，由于晶體管器件水平的提高和電路技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)又因出現(xiàn)了寬調(diào)速永磁直流電機(jī)。他們之間的結(jié)合促使pwm技術(shù)高速發(fā)展。為設(shè)計(jì)高性能直流控制系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。本文利用pic單片機(jī)為核心,研究設(shè)計(jì)了一套基于pic單片機(jī)的直流電機(jī)pwm調(diào)速系統(tǒng)。從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了單閉環(huán)直流 pwm調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。用微機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個(gè)將微機(jī)和電力拖動(dòng)控制相結(jié)合的新的控制方法，研究工作在對(duì)控制對(duì)象全面回顧的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)控制部分展開研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討。在硬件方面充分利用微機(jī)外設(shè)接口豐富，運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速

25、系統(tǒng)的控制。在微機(jī)控制方面，討論了顯示、pwm、光電編碼盤測(cè)速的原理,并給出了軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案。該方案以驅(qū)動(dòng)芯片與一些外圍電路。通過實(shí)時(shí)測(cè)試，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，此調(diào)速系統(tǒng)可獲得快速、精確的調(diào)速效果。1.2 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展 直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下幾種:第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流

26、管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等。特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積設(shè)備較多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需要地基、運(yùn)行有噪聲、維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一

27、些缺點(diǎn):維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機(jī)組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(1000)高10倍;在快速響應(yīng)性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。因此，目前在直流調(diào)速系統(tǒng)中，除某些特大容量的設(shè)備而且供電電路

28、容量較小的情況下，仍有采用機(jī)組供電、晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)以外，幾乎絕大部分都已改用晶閘管相控整流供電了。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)功能的不斷提高以及電力電子、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以使復(fù)雜的控制規(guī)律較方便的實(shí)現(xiàn)，以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字控制技術(shù)成為自控領(lǐng)域的主流，也給直流電氣傳動(dòng)的發(fā)展注入了新的活力，使電氣傳動(dòng)進(jìn)入了更新的發(fā)展階段。1.3 直流電機(jī)基本調(diào)速方法 直流電動(dòng)機(jī)分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是效

29、率低，機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場(chǎng)合。30年代末期，發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調(diào)速性能優(yōu)異的直流電動(dòng)機(jī)得到廣泛應(yīng)用。這種控制方法可獲得較寬的范圍，較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速性能。但此方法的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)重量大，占地多，效率低及維修困難。近年來，隨著電力電子的迅速發(fā)展，有晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以取代了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度，動(dòng)態(tài)性能，可靠性有了更大的提高。電力電子技術(shù)中的igbt等大功率器件的發(fā)展取代晶閘管，

30、出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為 （1）式-電樞供電電壓（v） -電樞電流（a） -勵(lì)磁磁通（) r -電樞回路總電阻（） -電勢(shì)系數(shù)，p為電磁對(duì)數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，n為導(dǎo)體數(shù)。 由式1可以看出，式中三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法：（1）改變電樞回路總電阻（2）改變電樞供電電壓（3）改變勵(lì)磁磁通。（4）采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法本設(shè)計(jì)采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法 其方法就是相當(dāng)于直流電電壓降低，功率及轉(zhuǎn)速降低。脈寬調(diào)制（pwm）是調(diào)整脈沖的寬度而不是頻

31、率?！懊}沖寬了”指的是高電平時(shí)間長(zhǎng)了，低電平時(shí)間短了，是通過改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間和通電周期的比值（即占空比)來控制電機(jī)速度，這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation）簡(jiǎn)稱pwm。即供電電壓是寬度可調(diào)的脈沖電壓，當(dāng)脈沖最寬時(shí)，相當(dāng)于直流電，功率最大，轉(zhuǎn)速最高。脈沖寬度減脈沖頻率并沒有變。脈寬調(diào)制并不是直接調(diào)整電機(jī)的速度，而是改變電機(jī)的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉(zhuǎn)速就提高了。調(diào)速原理如圖1所示。通過控制脈沖占空比來改變電機(jī)的電樞電壓。改變占空比的方法有3種：（1）定寬調(diào)頻法，這種方法是保持不變，只改變，這樣周期（即頻率）也改變；（2）調(diào)寬調(diào)頻法，保持不變，而

32、改變，這樣也使周期（即頻率）改變； （3）定頻調(diào)寬法，這種方法是使周期（即頻率）不變，而同時(shí)改變和。由于前二種方法是改變周期（或頻率），當(dāng)控制頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，用的比較少，因此本系統(tǒng)用的是定頻調(diào)寬法。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加。電機(jī)斷電時(shí)，轉(zhuǎn)速逐漸減小。只有按一定規(guī)律，改變通電時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。圖11.4 pwm調(diào)速方案的優(yōu)越性自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，pwm的h型屬于調(diào)壓調(diào)速，pwm的h橋能實(shí)現(xiàn)大功率調(diào)速；國(guó)內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實(shí)現(xiàn)可控整流來實(shí)現(xiàn)直流電

33、機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用直流極式控制的橋式pwm變換器。與v-m系統(tǒng)相比在很多方面有較大的優(yōu)越性：1） 主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。 3） 低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:20000左右。4） 若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適中時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。6） 直流電機(jī)采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。 由于由以上優(yōu)點(diǎn)直流pwm系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能中。已完全取代了v-m系統(tǒng)。為

34、達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截至負(fù)反饋。2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線電能經(jīng)過直流電機(jī)，產(chǎn)生損耗，剩下的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（如圖2.1）電機(jī)的功率守恒公式：詳細(xì)： 在這能量轉(zhuǎn)化過程中，有兩個(gè)特性參數(shù)是至關(guān)重要的。速度常數(shù)：指速度n和線圈感應(yīng)電壓之間的關(guān)系：公式如下:轉(zhuǎn)矩常數(shù)：聯(lián)系機(jī)械轉(zhuǎn)矩m和電流i之間的關(guān)系：公式如下:速度常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)有如下關(guān)系:用轉(zhuǎn)矩m和轉(zhuǎn)矩常數(shù)來表示電流，可得如下關(guān)系： 考慮到和之間的關(guān)系，公式進(jìn)化為: 上式便是直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電阻、轉(zhuǎn)矩常數(shù)和速度常數(shù)之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)矩單位是n.m；電

35、流單位是a；速度單位是rpm；電壓?jiǎn)挝皇莢。轉(zhuǎn)速n-轉(zhuǎn)矩m曲線：表述的是在一恒定電壓u下電機(jī)的機(jī)械表現(xiàn)。兩點(diǎn)法作圖:空載轉(zhuǎn)速n（電機(jī)在額定電壓、空載的情況下的轉(zhuǎn)速）和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩(電機(jī)在堵轉(zhuǎn)條件下的轉(zhuǎn)矩值)?？蛰d轉(zhuǎn)速與堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩將隨著給定電壓的改變而成線性關(guān)系?？蛰d轉(zhuǎn)速與電壓有如下關(guān)系:如圖2.2所示。轉(zhuǎn)速n-轉(zhuǎn)矩m曲線的斜率，是一項(xiàng)體現(xiàn)電機(jī)性能的重參數(shù)，與電壓無關(guān)。有如下關(guān)系:直流電機(jī)的速度與轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系可用下式表示:圖2.22.2 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案如圖2.3（系統(tǒng)功能要求和技術(shù)指標(biāo)見1.3） 圖2.3直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖pic單片機(jī)為本系統(tǒng)的控制核心，通過電腦設(shè)置下載到單片機(jī)。由單片機(jī)

36、輸出二進(jìn)制控制量，經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換電路將對(duì)應(yīng)模擬電壓送到直流伺服放大器的設(shè)定值輸入端。放大器根據(jù)輸入的模擬電壓輸出對(duì)應(yīng)的電壓來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)同軸的光電編碼器e輸出a、b兩路方波信號(hào)送到整形電路，通過整形電路送到單片機(jī)用于測(cè)量轉(zhuǎn)速。不斷比較設(shè)定值和實(shí)際值，根據(jù)比較獲得的誤差調(diào)節(jié)放大器的輸出電壓。顯示部分顯示各段設(shè)定的時(shí)間值、轉(zhuǎn)速值和測(cè)量的轉(zhuǎn)速值；單片機(jī)主要完成參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)速測(cè)量、參數(shù)顯示和控制輸出等功能。2.3 系統(tǒng)器件型號(hào)選擇2.3.1光電數(shù)字編碼器型號(hào)選擇maxon集團(tuán)的數(shù)字mr，參數(shù)如下表旋轉(zhuǎn)一周計(jì)數(shù)1024通道數(shù)3最高工作頻率320hzvccsv士5%輸出信號(hào)ttl兼容零位脈沖

37、寬度(額定)e工作溫度范圍一25一85編碼盤慣量1.7g2.3.2放大器芯片型號(hào)選擇采用專用驅(qū)動(dòng)芯片ir2111對(duì)irf530進(jìn)行柵極驅(qū)動(dòng)。ir2111內(nèi)置自舉工作單元，柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍寬，單通道施密斯邏輯輸入，輸入與ttl和cmos電平兼容，高端輸出與輸入相同，低端輸出經(jīng)死區(qū)時(shí)間調(diào)整后與輸入反向，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂上的兩只功mosfet。 ir2111的懸浮自舉技術(shù)是指，不管功率開關(guān)器件源極電壓多少，通過自舉電容和自舉二極管的工作，總能保證待驅(qū)動(dòng)功率器件的柵極與源極之間的電壓為10-20v，即能驅(qū)動(dòng)該功率器件正常工作。ir2111內(nèi)置的自舉工作工作單元本質(zhì)上是電荷泵電路，電荷泵電路的簡(jiǎn)單自舉

38、原理介紹如下： 圖4自舉原理 如圖所示，電容的a端通過二極管接，電容c的b端接幅值的方波。當(dāng)b點(diǎn)點(diǎn)位為o時(shí)，d到通，開始對(duì)電容c充電，直到節(jié)點(diǎn)的電位達(dá)到（假設(shè)二極管為理想二極管）；當(dāng)點(diǎn)電位上升至高電平時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔儯藭r(shí)點(diǎn)電位上升為，所以，點(diǎn)電壓就是一個(gè)方波，最大值是，最小值是，可見輸出端電壓平均值將高于，其波形就跟隨輸入波形的變化而變化，但始終維持一個(gè)穩(wěn)定的差值，實(shí)現(xiàn)自舉。2.4 單片機(jī)選型目前國(guó)內(nèi)在使用單片機(jī)作控制系統(tǒng)的微處理器時(shí)多選擇51系列或motorola系列單片機(jī)，而本系統(tǒng)選用的pic系列單片機(jī)在多個(gè)方面較其它系列單片機(jī)更有優(yōu)越性。下面對(duì)pic單片機(jī)作較詳細(xì)介紹。2.

39、4.lpic單片機(jī)與其他單片機(jī)的比較 當(dāng)今世界上涌現(xiàn)出各種各樣的單片機(jī)，目前應(yīng)用較廣的主要有美國(guó)intel公司開發(fā)和生產(chǎn)的mcs一51，mcs一96系列、臺(tái)灣icsi公司的8051系列、美國(guó)motorola公司的mc68系列和美國(guó)microchip公司的pic系列等，其中各個(gè)系列的單片機(jī)都有其各自的優(yōu)點(diǎn)，與其它系列相比，美國(guó)microchip公司近幾年推出的系列pic單片機(jī)，它的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在引腳少、功能強(qiáng)、可直接帶led負(fù)載:具有低耗能工作方式，較簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù);外圍配置簡(jiǎn)單、明晰、提高了整機(jī)的可靠性;并且具有較強(qiáng)的抗干擾性，大大提高了抵御外界的電磁干擾和本機(jī)控制電路的電磁干擾的能力，從

40、而提高了工業(yè)電腦自動(dòng)控制器的適應(yīng)能力，以下分幾個(gè)方面通過與其它類型單片機(jī)的比較來說明它的優(yōu)越之處。(l)哈佛總線結(jié)構(gòu)pic系列單片機(jī)在架構(gòu)上采用了與眾不同的設(shè)計(jì)手法，pic系列單片機(jī)不僅采用了哈佛體系結(jié)構(gòu)(也就是兩種存儲(chǔ)器位于不同的邏輯空間里，這種架構(gòu)的微控制器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器或者微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為哈佛體系結(jié)構(gòu))，而且還采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)。在pic系列單片機(jī)中采用的這種哈佛總線結(jié)構(gòu)，就是在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，這樣做的好處是，便于實(shí)現(xiàn)指令提取的“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行取指令操作;便于實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從

41、而有利于提高cpu執(zhí)行指令的速度。在一般的單片機(jī)中，指令總線和數(shù)據(jù)總線是共用的(即分時(shí)復(fù)用)motorola公司開發(fā)的mc68hc05/08系列單片機(jī)，其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址(也就是兩種存儲(chǔ)器位于同一個(gè)邏輯空間里，這種架構(gòu)的微控制器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器或者微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為普林斯頓體系結(jié)構(gòu))，早期在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上最流行的單片機(jī)產(chǎn)品intel開發(fā)生產(chǎn)的mcs一51系列單片機(jī)，其程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器雖然獨(dú)立編址;但是它們與cpu之間傳遞信息必須共用同一條總線，仍然擺脫不了瓶頸效應(yīng)的制約，于是影響到cpu運(yùn)行速度的進(jìn)一步提高。見圖2.6。(2)指令單字節(jié)化因?yàn)閿?shù)據(jù)總線和指令總線是分離

42、的，并且采用了不同的寬度，所以程序器rom和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ram的尋址空間(即地址編碼空間)是互相獨(dú)立的，而且存儲(chǔ)器度也不同。這樣設(shè)計(jì)不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性，還能提高運(yùn)行速實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化。在此所說的字節(jié)，特指pic單片機(jī)的指令字節(jié)，是常說的8位字節(jié)。例如，pic12c50x/pic16csx系列單片機(jī)的指令字節(jié)12位，pic16c6x/pic16c7x/pic16csx系列的指令字節(jié)為14位;pic18fxxx系列的字節(jié)為16位。它們的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器全為8位寬。而mcs一51系列單片機(jī)的rom和寬度都是8位，指令長(zhǎng)度從一個(gè)字節(jié)(8位)到3個(gè)字節(jié)長(zhǎng)短不一。另外，pic微控制器的取指令和執(zhí)行指令

43、采用指令流水線結(jié)構(gòu)，當(dāng)一條指令被執(zhí)行時(shí)允一條指令同時(shí)被取出，使得在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以獲得的最高效率。其指令線結(jié)構(gòu)見圖2.7。(3)精簡(jiǎn)指令集(risc)技術(shù)pic系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)(就是該單片機(jī)所能識(shí)別的全部指令的集合，叫做指令系統(tǒng)或者指令集)只有35條指令。pic系列單片機(jī)不僅全部指令均為單字節(jié)指令，而且絕大多數(shù)指令為單周期指令，以利于提高執(zhí)行速度。這給指令的學(xué)習(xí)、記憶、理解帶來很大的好處，也給程序的編寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流都帶來極大的便利，真可謂“易學(xué)好用”。而mcs一51單片機(jī)的指令系統(tǒng)共有in條指令，mc68hcos單片機(jī)的指令系統(tǒng)共有89條指令。(4)尋址方式簡(jiǎn)單尋址方式就是尋

44、找操作數(shù)的方法。pic系列單片機(jī)只有4種尋址方式(即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址)，容易掌握，而mcs一51單片機(jī)則有7種尋址方式，68hc05單片機(jī)有6種尋址方式。(5)代碼壓縮率高ikb的存儲(chǔ)器空間，對(duì)于pic系列單片機(jī)則能夠存放的指令條數(shù)可達(dá)1024條。對(duì)于像mcs一51這樣的單片機(jī)，大約只能存放600條指令，而與幾種典型的單片機(jī)相比，pic系列單片機(jī)是一種最節(jié)省程序存儲(chǔ)器空間的單片機(jī)。(6)尋址空間設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔pic系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨(dú)立的尋址(或地址編碼)空間，而且前兩者的地址安排不需要用戶操心，這會(huì)受到大家的歡迎。而mc68hc05和mc68h

45、cn單片機(jī)的尋址空間只有一個(gè)，編程時(shí)需要用戶對(duì)程序區(qū)、堆棧區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和1/0端口所占用的地址空間作精心安排，這樣給開發(fā)人員在設(shè)計(jì)上帶來很大的麻煩。(7)外接電路簡(jiǎn)潔與mcs一51系列及其它單片機(jī)相比，pic單片機(jī)內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、1/0引腳上拉電路、看門狗定時(shí)器，尤其是集成了adc模塊和ccp模塊(輸入捕捉/輸出比較/脈寬調(diào)制)，可以最大程度的減少和免用外接器件，以便實(shí)現(xiàn)“純單片”化，這樣，不僅便于開發(fā)，而且還可以節(jié)省電路板空間和制造成本。(8)存儲(chǔ)器容量大pic18f458系列單片機(jī)具有多達(dá)1536字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram)，多達(dá)256的eeprom數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另外還有多達(dá)skxl4字節(jié)

46、的可多次重復(fù)寫入的閃速flash程序存儲(chǔ)器。而mcs一51單片機(jī)只有4k字節(jié)的eeprom。128字節(jié)ram以及64k的外部數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器空間，無flash程序存儲(chǔ)器。(9)定時(shí)器數(shù)目多、功能全pic系列單片機(jī)具有3個(gè)定時(shí)器:帶有8位預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器tmr0;帶有預(yù)分頻器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器tmr1，并且在休眠期間外部晶振/時(shí)鐘可以工作;以及帶有8位周期寄存器、預(yù)分頻器和后分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器tmr3。而mcs一51只有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。(10)獨(dú)特具有的功能pic系列單片機(jī)具有兩個(gè)捕獲(capture)、比較(compare)、脈寬調(diào)制(pwm)模式、多通道1

47、0位a/d轉(zhuǎn)換器、帶有spi和izc的同步串行端口ssp、帶有9位地址檢測(cè)的同步異步接收發(fā)送器usart(usart/sci)、8位寬并行從屬端口(psp)、有節(jié)電鎖定復(fù)位的節(jié)電檢測(cè)電路等;而mcs一51系列單片機(jī)沒有。2.4.2 pic18f458單片機(jī)的其它優(yōu)點(diǎn)(1)cpu的性能特點(diǎn) 它有16位指令，8位寬數(shù)據(jù)通道，高達(dá)2mb的程序存儲(chǔ)器，4kb的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高達(dá)10mips的執(zhí)行速度。dc-40mhz時(shí)鐘輸入，4-10mhz帶pll鎖相環(huán)有源晶振/時(shí)鐘輸入；帶優(yōu)先級(jí)的中斷和8單周期硬件乘法器。(2)外圍功能模塊特性捕捉/比較/脈寬調(diào)制（pwm）（ccp）模塊；ccp引腳配置如下：捕捉輸入

48、:16位，最大分辨率為6.25ns；比較單元：16位，最大分辨率為100ns；脈寬調(diào)制（pwm）輸出: 分辨率為1-10位；最高pwm頻率：88位分辨率時(shí)為156khz，10位分辨率時(shí)為39khz。增強(qiáng)型ccp模塊具有標(biāo)準(zhǔn)型ccp模塊的所有特性，但它在先進(jìn)的電機(jī)控制時(shí)還有如下特性：1，2，4路的pwm輸出；可選擇pwm的極性；可編程的pwm死區(qū)時(shí)間。(3)運(yùn)行速度高pic18f458由于采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，以及指令的讀取和執(zhí)行采用了流水作業(yè)方式，使得pic18f458單片機(jī)運(yùn)行速度大大提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它相同檔次的單片機(jī)。(4)功耗低pic18f458單片機(jī)的功率消耗極低，是目前世界上低的單片機(jī)

49、之一。在8mhz時(shí)鐘下工作時(shí)耗電不超過ma，在睡眠模式下耗電可以低到1ma以下。(5)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)i/0端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)i/o引腳吸人和輸出電流的最大值可分別達(dá)到2ma和20ma，能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管led、光電禍合器或者微型繼電器等。(6)獨(dú)特的c語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境對(duì)于pic18f458單片機(jī)，microchip公司提供了“c語(yǔ)言編譯程序”，這樣用c語(yǔ)言這樣高級(jí)語(yǔ)言來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可大大的提高了工作效率。與一般的c語(yǔ)言版本如turbo c相比，作為單片機(jī)的開發(fā)語(yǔ)言，picc增加了針對(duì)pic單片機(jī)硬件本身的操作，如端口、引腳的輸入輸出、寄存器的位操作等。(7)產(chǎn)品系列齊全、擁有高性能的高

50、端產(chǎn)品另外，必須說明的是，pic系列單片機(jī)品種齊全、根據(jù)其指令的位數(shù)可分為初級(jí)產(chǎn)品、中級(jí)產(chǎn)品和高級(jí)產(chǎn)品，在以后的開發(fā)過程中，可根據(jù)具體需要選擇單片機(jī)的型號(hào)。其高級(jí)產(chǎn)品一16位指令字系列的pic17cxxx和pic18cxxx。16位指令字系列是8位單片機(jī)中運(yùn)行速度最快的，它具備一個(gè)指令周期內(nèi)完成8位二進(jìn)制乘法的能力，可以在一些需要高速運(yùn)算的應(yīng)用場(chǎng)合取代dsp數(shù)字信號(hào)處理器。再加上pic17cxxx還具有豐富的i/0控制功能，并可以外接擴(kuò)展eprom和ram，使它成為目前8位單片機(jī)中性能最高的品種之一，可被廣泛的應(yīng)用于高中檔的電子設(shè)備中。而pic18cxxx系列是一款高性能、全靜態(tài)設(shè)計(jì)、內(nèi)帶a/

51、d轉(zhuǎn)換器的cmos16位單片機(jī)，可應(yīng)用于各種復(fù)雜和高性能的電子及工業(yè)控制。正因?yàn)槿绱吮菊n題選用pic18f458單片機(jī)，為以后產(chǎn)品升級(jí)及個(gè)人能力的進(jìn)一步提高都將帶來便利。2.5本章小結(jié)本章分析了直流電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換和特性曲線;依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求進(jìn)行了整體方案設(shè)計(jì);分析了系統(tǒng)工作原理;依據(jù)系統(tǒng)技術(shù)要求和方案對(duì)直流電機(jī)、放大器、光電數(shù)字編碼器、pic單片機(jī)等進(jìn)行了選型。3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 引言本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)主要從以下原則出發(fā):(l)硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合優(yōu)化硬件電路。一些由硬件實(shí)現(xiàn)的功能可用軟件來實(shí)現(xiàn)，反過來一些由軟件實(shí)現(xiàn)的功能也可用硬件來完成。用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間比

52、用硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，還要占用cpu時(shí)間。但是用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能可以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，提高硬件電路的可靠性，還可降低成本。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，在滿足可行性和實(shí)時(shí)性的前提下盡可能地將硬件功能用軟件來實(shí)現(xiàn)。(2)可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)。根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)理論，系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間越長(zhǎng)，而且所用芯片數(shù)量越少，地址、數(shù)據(jù)總線在電路板上受干擾的可能性就越少，因此單片機(jī)基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是在滿足功能的情況下力爭(zhēng)使用較少數(shù)量的芯片。(3)靈活的功能擴(kuò)展。一次設(shè)計(jì)往往不能完全考慮到系統(tǒng)的各個(gè)方面，系統(tǒng)需要不斷完善，需要進(jìn)行功能升級(jí)。功能擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該在原有設(shè)計(jì)不需要很大改變的情況下，修改軟件和少量硬

53、件甚至不修改硬件就能完成。功能擴(kuò)展是否靈活是衡量一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)要求及上面幾個(gè)硬件設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)以單片機(jī)pic18f458為中央處理單元，由鍵盤輸入電路，lcd顯示，放大器連接電路等組成。下面對(duì)主要的電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹。3.2 h橋電路pwm控制電路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用最廣泛的h型全橋驅(qū)動(dòng)電路圖3.23.2.1h橋工作原理當(dāng)開關(guān)與閉合時(shí)，負(fù)載電流從電源由a流向b。此時(shí)負(fù)載端a點(diǎn)相對(duì)于b點(diǎn)是正電位，電機(jī)兩端承受正向電壓。開關(guān)與由控制邏輯來同步工作，在開關(guān)與閉合期間，控制邏輯使另一對(duì)開關(guān)與處于斷開狀態(tài)。反之，當(dāng)開關(guān)與閉合時(shí)，開關(guān)與斷開，此時(shí)，負(fù)載電流從電源u由b流向a，負(fù)載端b點(diǎn)相對(duì)

54、于a點(diǎn)是正電位，電機(jī)兩端承受反向電壓。通過調(diào)節(jié)pwm信號(hào)的占空比就可以改變電機(jī)電樞兩端的平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速或方向。當(dāng)pwm信號(hào)占空比時(shí)，電樞兩端電壓平均值為正，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)時(shí)，電樞兩端電壓平均值為負(fù)，電機(jī)平均值為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；時(shí)，電機(jī)電樞電壓平均值為0，電機(jī)停轉(zhuǎn)，但此時(shí)電樞兩端電壓的順時(shí)值并不為0，而是幅值接近電流電源電壓u的方波。 與功率開關(guān)并聯(lián)的二極管為快會(huì)恢復(fù)二極管，作為續(xù)流二極管使用。當(dāng)、的pwm信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶螅β使?、關(guān)斷而、飽和導(dǎo)通。電樞兩端所加電壓為-u，此時(shí)，電樞電流方向不能立刻改變，必須通過二極管與續(xù)流。同理，當(dāng)、的pwm信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶?，電機(jī)通過二極管、續(xù)流

55、。3.2.2 h橋器件選擇本系統(tǒng)中，選擇功率mosfet作為開關(guān)器件。功率mosfet是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)。此處，選取n溝道的功率mosfet irf530作為開關(guān)器件。和則組成放電回路，消耗電感中存儲(chǔ)的能量。其中，要用阻值在千歐級(jí)、功率在5w的水泥電阻，阻值的具體大小要在不同的電路應(yīng)用中調(diào)整確定。3.2.3工作頻率選擇 要使電路穩(wěn)定的工作，需要合適地選擇pwm的頻率。如果頻率選擇過低，輸出到電機(jī)兩端電壓的低頻紋波較大，會(huì)對(duì)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行造成影響，而且低頻的pwm信號(hào)會(huì)使直流電機(jī)在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生很大的噪聲，極大影響轉(zhuǎn)臺(tái)操作人員的工作環(huán)境；如果頻率選擇過高，由于光耦、ir2111、mosfet等器件的開關(guān)特性的限制，不可能輸出較為理想的方波，這會(huì)使輸出的