直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1緒論1.1課題研究背景PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。1.2直流電機(jī)調(diào)速發(fā)展現(xiàn)況現(xiàn)代社會(huì)中，電能是最常用且最為普遍的二次能源。而電機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)轉(zhuǎn)換的電磁裝置，經(jīng)過了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)遍及現(xiàn)代社會(huì)和國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域及環(huán)節(jié)。例如化學(xué)工業(yè)中的電鍍、電解等設(shè)備，直流電焊機(jī)和某些大型同步電機(jī)的勵(lì)磁電源以及有些移動(dòng)運(yùn)輸機(jī)械，在缺少交流電源時(shí)其所需要的直流電源仍然使用直流發(fā)電機(jī)作為供電電源。同步電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、效率和精度高、機(jī)械特性硬等優(yōu)點(diǎn)，但是調(diào)速困難、容易“失步”等弱點(diǎn)大大限制了它的應(yīng)用范圍；而異步電機(jī)則結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜，但其機(jī)械特性軟、啟動(dòng)困難、功率因數(shù)低、不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速，且必須從電網(wǎng)吸取滯后的勵(lì)磁電流，從而降低電網(wǎng)功率因數(shù)；直流電機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于對(duì)啟動(dòng)和調(diào)速有較高要求的拖動(dòng)系統(tǒng)，如電力牽引、軋鋼機(jī)、起重設(shè)備等。這也是直流電機(jī)能夠在工業(yè)領(lǐng)域占有一席之地的原因。而采用PWM調(diào)速系統(tǒng)控制電機(jī)，則具有很多的優(yōu)越性，比如：開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。低速性能很好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1：10000左右。如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。1.3本文主要研究內(nèi)容深入研究直流電機(jī)的調(diào)速性能，通過對(duì)直流傳動(dòng)裝置的分析與論證，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)一個(gè)帶有直流傳動(dòng)裝置的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)將從電機(jī)的應(yīng)用及調(diào)速技術(shù)的發(fā)展入手，在分析電機(jī)的基本特性及PWM調(diào)速原理的基礎(chǔ)上，采用單片機(jī)控制方式，控制電機(jī)的運(yùn)行，結(jié)合傳感器得到反饋數(shù)據(jù)，重點(diǎn)是設(shè)計(jì)出一套直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)并對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的其他調(diào)速方式進(jìn)行分析和探討。該系統(tǒng)將單片機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來，并發(fā)揮各自優(yōu)勢，能夠最大程度滿足需要，具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單和滿足調(diào)速范圍等特點(diǎn)。該系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行預(yù)置，通過傳感器對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)速的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。1.4本章小結(jié)本文主要研究了利用MCS-51系列單片機(jī)，通過PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。2系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖及單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示:圖2-1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖8051單片機(jī)簡介(1)8051單片機(jī)的基本組成8051單片機(jī)由CPU和8個(gè)部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如圖2-2所示：圖2-28051單片機(jī)的基本組成CPU及8個(gè)部件的作用功能介紹中央處理器CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：8051芯片中共有256個(gè)RAM單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前128個(gè)單元，其地址為00H—7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指這前128個(gè)單元，簡稱內(nèi)部RAM。特殊功能寄存器：是用來對(duì)片內(nèi)各部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個(gè)單元，其地址為80H—FFH。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：8051芯片內(nèi)部共有4K個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。并行I/O口：8051芯片內(nèi)部有4個(gè)8位的I/O口(P0，P1，P2,P3)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。串行口：它是用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。定時(shí)器：8051片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器，用來實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個(gè)中斷源，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)和串行中斷1個(gè)。振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成8051單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列的時(shí)鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz。8051單片機(jī)引腳圖如圖2-3所示：F1.0—Pl.1——VCC—P0.012S0514039P1.2—338—P0.1P1.3—437—F0.2F1.4—536—F0.3F1.5—635—F0.4F1.6—734—F0.5P1.7—833—F0.6RST/VPD—932—P0.7EXD/F3.0—1031一EA/VFFTXD/P3.1—1130一ALE/PROGINT0/F3.2一1229一FSENINT1/F3.3—1328—F2.7T0/F3.4一1427—F2.6T1/F3.5—1526—P2.5WF3.6一1625—F2.4ED/F3.7—1724—P2.3XTAL2—1823—F2.2XTAL1—1922—P2.1vss—2021—F2.0

2.1.3單片機(jī)系統(tǒng)中所用其他芯片簡介(1)地址鎖存器74LS37374LS373片內(nèi)是8個(gè)輸出帶三態(tài)門的D鎖存器。其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示:如鎖存器三態(tài)門圖2-4地址鎖存器74LS373結(jié)構(gòu)圖當(dāng)使能端G呈高電平時(shí)，鎖存器中的內(nèi)容可以更新，而在返回低電平的瞬間實(shí)現(xiàn)鎖存。如果此時(shí)芯片的輸出控制端亦一為低，也即是輸出三態(tài)門打開，鎖存器中的地址信息便可以通過三態(tài)門輸出。其引腳如圖2-5所示：0E—120——Vcc1Q—219—8Q1D—318—8D2D—41T—TD2Q—574LS37316—TQ3Q—615—6Q3D—T14—6D411—813—5D4Q—912—5QGND—1011—G圖2-574LS373引腳圖

（2）程序存儲(chǔ)器27128其芯片引腳如圖2-6所示:Vpp一128VccA12——227——FGMA7—326——A13A6—425—ASA5——524—A9A4一623——AllA3—72712822一0EA2—821—A10A1—920一CEA0——101907Oo—1118—0601—1217——0502—131604GNB——1415—03圖2-6程序存儲(chǔ)器27128芯片引腳其功能表如表2-1所示：表2-1程序存儲(chǔ)器27128功能表引腳功能CE（片選）OE（允許輸出）VppPGM（編程控制）輸出讀LLVCCH數(shù)據(jù)輸出維持H*VCC*高阻編程LHVPPL數(shù)據(jù)輸入編程校驗(yàn)LLVPPH數(shù)據(jù)輸出編程禁止H*VPP*高阻

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264其芯片引腳如圖2-7所示:NC一128VccA1Z——227—無A7——326—CE2A6—425——A8A5——524—A9A4一623——AllA3——7626422一0EA2—821——A10A1—920一CE?A0——1019一107I0o—1118一106101——1217——105102—1316——104GHD——1415一103圖2-7數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264芯片引腳其芯片功能表如表2-2所?。罕?-2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264芯片功能表引腳功能CE1CE2OEWEI/O—I/O07未選中H***高阻未選中*L**高阻輸出禁止LHHH高阻讀LHLH數(shù)據(jù)輸出寫LHHL數(shù)據(jù)輸入寫LHLL數(shù)據(jù)輸入

2.1.48051單片機(jī)擴(kuò)展電路及分析(1)8051單片機(jī)拓展電路圖如圖2-8所?。?57-Lc±丁匚丁+5V_LVccVeeXTAL1P2.0P21XTAL2JP2.3RESET/VPDpol+5V|_LVccGHDinIQ2n2Q3n3Q4D74LS3734Q5n5Q6n6Q+57-Lc±丁匚丁+5V_LVccVeeXTAL1P2.0P21XTAL2JP2.3RESET/VPDpol+5V|_LVccGHDinIQ2n2Q3n3Q4D74LS3734Q5n5Q6n6Qth7Q8n—8QG0EVPPvccATA6A5A4A3A2A1A0o1231X111x1XAAAAAAEA/VDDFD.0F0.1P0.2S051FD.3F0.4P3.6/mFD.5『一F0.6P3.7/EDpn7ALE/FROGFSEN0001020304050607一OE—LII+5&NilVccAbA9AIOAllAl2626400010203040506077而cFGiroCE(2)接線分析P0.7---P0.0：這8個(gè)引腳共有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同的情況。第一種情況是8051不帶片外存儲(chǔ)器，P0口可以作為通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于傳送CPU的I/O數(shù)據(jù)。第二種情況是8051帶片外存儲(chǔ)器，P0.7---P0.0在CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)先是用于傳送片外存儲(chǔ)器的低8位地址，然后傳送CPU對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。P2.7---P2.0：這組引腳的第一功能可以作為通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高8位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但是并不能像P0口那樣還可以傳送存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。P3.7---P3.0：這組引腳的第一功能為傳送用戶的輸入/輸出數(shù)據(jù)。它的第二功能作為控制用，每個(gè)引腳不盡相同，如表2-3所示：表2-3P3.7-P3.0I/O表P3口的位第二功能注釋P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收口P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送口P3.2INTO外中斷0輸入P3.3INT1外中斷1輸入P3.4T0計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入P3.5T1計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入P3.6WR外部RAM寫選通信號(hào)P3.7RD外部RAM讀選通信號(hào)Vcc為+5V電源線，Vss為接地線。ALE/PROG:地址鎖存允許/編程線，配合P0口引腳的第二功能使用，在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，8051CPU在P0.7---P0.0引腳線上輸出片外存儲(chǔ)器低8位地址的同時(shí)還在ALE/PRO__線上輸出一個(gè)高電位脈沖，其下降沿用于把這個(gè)片外存儲(chǔ)器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出P0.7---P0.0引腳線去傳送隨后而來的片外存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，8051自動(dòng)在ALE/PROG線上輸出頻率為1/6fosc的脈沖序列。該脈沖序列可以用作外部時(shí)鐘源或者作為定時(shí)脈沖源使用。0SCEA/VpP允許訪問片外存儲(chǔ)器/編程電源線，可以控制8051使用片內(nèi)ROM還是片外ROM。如果EA=1，那么允許使用片內(nèi)ROM；如果EA=0，那么允許使用片外ROM。PSEN:片外ROM選通線，在執(zhí)行訪問片外ROM的指令MOVC時(shí)，8051自動(dòng)在PSEN線上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，用于片外ROM芯片的選通。其他情況下，PSEN線均為高電平封鎖狀態(tài)。RST/VPD：復(fù)位備用電源線，可以使8051處于復(fù)位工作狀態(tài)。XTAL1和XTAL2:片內(nèi)振蕩電路輸入線，這兩個(gè)端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接8051片內(nèi)OSC的定時(shí)反饋電路。石英晶振起振后，應(yīng)能在XTAL2線上輸出一個(gè)3V左右的正弦波，以便于8051片內(nèi)的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩，電容C1、C2可以幫助起振，調(diào)節(jié)它們可以達(dá)到微調(diào)fosc的目的。0SCPWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)PWM的基本原理PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱耍琍WM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。如圖2-9所示：tlt2T圖2-9PWM的脈沖觸發(fā)波形設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機(jī)的平均速度為V廣Vmax*D，其中七指的是電機(jī)的平均速度；Vmax是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比D=t1/T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度匕，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說，平均速度Vd與占空比。并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。

PWM信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)如圖2-10所示：U2A>BVccFl.7Fl.6Fl.50051Fl.4Fl.3Fl.2XTAL2Fl.1F1.0GNUF3.7+5VB3B2B1B0U2A>BVccFl.7Fl.6Fl.50051Fl.4Fl.3Fl.2XTAL2Fl.1F1.0GNUF3.7+5VB3B2B1B010B3B2B1B0心日A>BA3A2A1AJO=B<Blha旋靜皿A3A2A1A0LBAAQ9Q8QTCLKQ6Q5Q4RSTQ3Q2404。圖2-10PWM信號(hào)發(fā)生電路圖PWM波可以由具有PWM輸出的單片機(jī)通過編程來得以產(chǎn)生，也可以采用PWM專用芯片來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)PWM波的頻率太高時(shí)，它對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率管要求太高，而當(dāng)它的頻率太低時(shí)，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)PWM波的頻率在18KHz左右時(shí)，效果最好。在本系統(tǒng)內(nèi)，采用了兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計(jì)數(shù)器4040組成了PWM信號(hào)發(fā)生電路。兩片數(shù)值比較器4585，即圖上U2、U3的A組接12位串行4040計(jì)數(shù)輸出端Q2—Q9，而U2、U3的B組接到單片機(jī)的P1端口。只要改變P1端口的輸出值，那么就可以使得PWM信號(hào)的占空比發(fā)生變化，從而進(jìn)行調(diào)速控制。12位串行計(jì)數(shù)器4040的計(jì)數(shù)輸入端CLK接到單片機(jī)C51晶振的振蕩輸出XTAL2。計(jì)數(shù)器4040每來8個(gè)脈沖，其輸出Q2—Q9加1，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于或者等于單片機(jī)P1端口輸出值X時(shí)，圖中U2的（A>B）輸出端保持為低電平，而當(dāng)計(jì)數(shù)值大于單片機(jī)P1端口輸出值X時(shí)，圖中U2的（A>B）輸出端為高電平。隨著計(jì)數(shù)值的增加，Q2—Q9由全“1”變?yōu)槿?”時(shí)，圖中U2的（A>B）輸出端又變?yōu)榈碗娖?，這樣就在U2的（A>B）端得到了PWM的信號(hào)，它的占空比為（255-X/255）*100%，那么只要改變X的數(shù)值，就可以相應(yīng)的改變PWM信號(hào)的占空比，從而進(jìn)行直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。使用這個(gè)方法時(shí)，單片機(jī)只需要根據(jù)調(diào)整量輸出X的值，而PWM信號(hào)由三片通用數(shù)字電路生成，這樣可以使得軟件大大簡化，同時(shí)也有利于單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作。由于單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)P1端口輸出全為“1”，使用數(shù)值比較器4585的B組與P1端口相連，升速時(shí)P0端口輸出X按一定規(guī)律減少，而降速時(shí)按一定規(guī)律增大。PWM發(fā)生電路主要芯片的工作原理(1)芯片4585芯片4585的用途：對(duì)于A和B兩組4位并行數(shù)值進(jìn)行比較，來判斷它們之間的大小是否相等。芯片4585的功能表如表2-4所示：如表2-4芯片4585的功能輸入輸出比較級(jí)取A3、B3A2、B2A「B1A0、B0A<BA=BA>BA<BA=BA>BA3>B3*****1001A3=B3A2>B2****1001A3=B3A2=B2A1>B1***1001A3=B3A2=B2A1=B1A0>B0**1001A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0001001A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0010010A3=B3A2=B2A1=B1A0<B0100100A3=B3A2=B2A1<B1****100A3=B3A2<B2*****100A3<B3******100(2)芯片4585的引腳

如圖2-11：輸出B2—116A2—215A=B—314A>B—4如圖2-11：輸出B2—116A2—215A=B—314A>B—445S513A<B—512A=B—611A1—710吁弱一89—E0—AJO—E1—VDD—A3—E3(3)芯片4040芯片4040是一個(gè)12位的二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，所有計(jì)數(shù)器位為主從觸發(fā)器，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)CR為高電平時(shí)，它對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，由于在時(shí)鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，故對(duì)脈沖上升和下降時(shí)間沒有限制，所有的輸入和輸出均經(jīng)過緩沖。芯片4040提供了16引線多層陶瓷雙列直插、熔封陶瓷雙列直插、塑料雙列直插以及陶瓷片狀載體等4種封裝形式。芯片4040的極限值：電源電壓范圍：-0.5V—18V輸入電壓范圍：-0.5V—VDD+0.5V輸入電流范圍：±10mA貯存溫度范圍：-65°C—150°C芯片4040引出端功能符號(hào)：CP:時(shí)鐘輸入端；CR:清除端；Q—Q:計(jì)數(shù)脈沖輸出端011VDD：正電源；VSS:地端芯片4040功能如表2-5所示：表2-5芯片4040功能輸入輸出CPCRtL保持!L計(jì)數(shù)*H所有輸出端均為L(4)芯片4040的引腳如圖2-12：Q11——116Q5—215—Q10Q4一3…八14—Q94040Q6—413一Q7Q3—512—Q8Q2—611—CRQ1—710一CPQSS—89—Q0圖2-12芯片4040的引腳2.3功率放大驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)該驅(qū)動(dòng)電路采用了IR2110集成芯片，該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。2.3.1芯片IR2110性能及特點(diǎn)IR2110是美國國際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路以及無閂鎖CMOS技術(shù)，于1990年前后開發(fā)并且投放市場的，IR2110是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動(dòng)的單片式集成驅(qū)動(dòng)器。它把驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個(gè)高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點(diǎn)在于，將輸入邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，工作電壓比較高，可以達(dá)到600V，其內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，成本低、易于調(diào)試。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，與其他驅(qū)動(dòng)電路相比，它在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū)動(dòng)變壓器和電容的數(shù)目，使得MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)大為簡化，而且它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，還具有快速完整的保護(hù)功能。與此同時(shí)，IR2110的研制成功并且投入應(yīng)用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。2.3.2IR2110的引腳圖以及功能引腳1(L0)與引腳7(HO):對(duì)應(yīng)引腳12以及引腳10的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，使用中，分別通過一電阻接主電路中下上通道MOSFET的柵極，為了防止干擾，通常分別在引腳1與引腳2以及引腳7與引腳5之間并接一個(gè)10KQ的電阻。引腳2(COM)：下通道MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出參考地端，使用中，與引腳13(Vss)直接相連，同時(shí)接主電路橋臂下通道MOSFET的源極。引腳3(Vcc)：直接接用戶提供的輸出極電源正極，并且通過一個(gè)較高品質(zhì)的電容接引腳2。引腳5(Vs)：上通道MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出參考地端，使用中，與主電路中上下通道被驅(qū)動(dòng)MOSFET的源極相通。與引腳6(VB)：通過一陰極連接到該端陽極連接到引腳3的高反壓快恢復(fù)二極管，與用戶提供的輸出極電源相連，對(duì)Vcc的參數(shù)要求為大于或等于一0.5V，而小于或等于+20V。引腳9(V):芯片輸入級(jí)工作電源端，使用中，接用戶為該芯片工作提供DD的高性能電源，為抗干擾，該端應(yīng)通過一高性能去耦網(wǎng)絡(luò)接地，該端可與引腳3(Vcc)使用同一電源，也可以分開使用兩個(gè)獨(dú)立的電源。引腳10(HIN)與引腳12(LIN)：驅(qū)動(dòng)逆變橋中同橋臂上下兩個(gè)功率MOS器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。應(yīng)用中，接用戶脈沖形成部分的對(duì)應(yīng)兩路輸出，對(duì)此兩個(gè)信號(hào)的限制為Vs「0.5V至Vcc+0.5V，這里Vss與Vcc分別為連接到IR2110的引腳13(Vss)與引腳9(VDD)端的電壓值。引腳11(SD):保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)全部被封鎖，其對(duì)應(yīng)的輸出端恒為低電平，而當(dāng)該端接低電平時(shí)，則IR2110的輸出跟隨引腳10與12而變化。引腳13(Vss)：芯片工作參考地端，使用中，直接與供電電源地端相連，所有去耦電容的一端應(yīng)接該端，同時(shí)與引腳2直接相連。引腳8、引腳14、引腳4：為空引腳。芯片參數(shù)：1.IR2110的極限參數(shù)和限制：最大高端工作電源電壓VB：-0.3V至525V；門極驅(qū)動(dòng)輸出最大(脈沖)電流Iomax：2A；最高工作頻率fmax:1MHz；工作電源電壓Vcc：-0.3V至25V；貯存溫度、：-55至150°C；工作溫度范圍TA：-40至125°C；允許最高結(jié)溫氣呻：150°C；邏輯電源電壓VDD：-0.3V至Vss+25V；允許參考電壓Vs臨界上升率dVs/dt：50000V/ps；高端懸浮電源參考電壓Vs：VB-25V至VB+0.3V；高端懸浮輸出電壓V:Vs-0.3V至V+0.3V；邏輯輸入電壓V:Vss-0.3V至V+0.3V；邏輯輸入?yún)OBINDD考電壓Vss：Vcc-25V至Vcc+0.3V；低端輸出電壓Vlo:-0.3V至Vcc+0.3V；功耗PD：DIP-14封裝為1.6W。2.IR2110的推薦工作條件：高端懸浮電源絕對(duì)值電壓VB：Vs+10V至Vs+20V；低端輸出電壓Vlo:0至Vcc；低端工作電源電壓Vcc：10V至20V；邏輯電源電壓VDD：Vss+5V至Vss+20V；邏輯電源參考電壓Vss：-5V至+5V。2.4主電路設(shè)計(jì)2.4.1延時(shí)保護(hù)電路利用IR2110芯片的完善設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)保護(hù)電路。IR2110使它自身可對(duì)輸入的兩個(gè)通道信號(hào)之間產(chǎn)生合適的延時(shí)，保證了加到被驅(qū)動(dòng)的逆變橋中同橋臂上的兩個(gè)功率MOS器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間有一互瑣時(shí)間間隔，因而防止了被驅(qū)動(dòng)的逆變橋中兩個(gè)功率MOS器件同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生直流電源直通路的危險(xiǎn)。2.4.2主電路從上面的原理可以看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門極驅(qū)動(dòng)電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(guān)的動(dòng)作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導(dǎo)通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。因此在這個(gè)電路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的。我們可以采取雙PWM信號(hào)來控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)以及它的速度。將IC1的HIN端與IC2的LIN端相連，而把IC1的LIN端與IC2的HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號(hào)恰好相反。在HIN為高電平期間，Q1、Q4導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加正向的工作電壓。其具體的操作步驟如下：當(dāng)IC1的LO為低電平而HO為高電平的時(shí)候，Q2截止，C1上的電壓經(jīng)過VB、IC內(nèi)部電路和HO端加在Q1的柵極上，從而使得Q1導(dǎo)通。同理，此時(shí)IC2的HO為低電平而LO為高電平，Q3截止，C3上的電壓經(jīng)過VB、IC內(nèi)部電路和HO端加在Q4的柵極上，從而使得Q4導(dǎo)通。電源經(jīng)Q1至電動(dòng)機(jī)的正極經(jīng)過整個(gè)直流電機(jī)后再通過Q4到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。此時(shí)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。在HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，Q2、Q3導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加反向工作電壓。其具體的操作步驟如下:

當(dāng)IC1的LO為高電平而HO為低電平的時(shí)候，Q2導(dǎo)通且Q1截止。此時(shí)Q2的漏極近乎于零電平，Vcc通過D1向C1充電，為Q1的又一次導(dǎo)通作準(zhǔn)備。同理可知，IC2的HO為高電平而LO為低電平，Q3導(dǎo)通且Q4截止，Q3的漏極近乎于零電平，此時(shí)Vcc通過D2向C3充電，為Q4的又一次導(dǎo)通作準(zhǔn)備。電源經(jīng)Q3全電動(dòng)機(jī)的負(fù)極經(jīng)過整個(gè)直流電機(jī)后再通過Q2到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。此時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此電樞上的工作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機(jī)械慣性的緣故，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。設(shè)PWM波的周期為T，HIN為高電平的時(shí)間為t1，這里忽略死區(qū)時(shí)間，那么LIN為高電平的時(shí)間就為T-t1。HIN信號(hào)的占空比為D=t1/T。設(shè)電源電壓為V，那么電樞電壓的平均值為：Vut=[t1-(T-t1)]V/T=(2t1-T)V/T=(2D-1)V定義負(fù)載電壓系數(shù)為入，入=Vout/V,那么入=2D-1；當(dāng)T為常數(shù)時(shí)，改變HIN為高電平的時(shí)間t1，也就改變了占空比D，從而達(dá)到了改變Vou』勺目的。D在0—1之間變化，因此入在±1之間變化。如果我們聯(lián)系改變?nèi)?，那么便可以?shí)現(xiàn)電機(jī)正向的無級(jí)調(diào)速。當(dāng)入=0.5時(shí)，Vout=0,此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0;當(dāng)0.5〈入＜1時(shí)，V/為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)入二1時(shí)，V=V,電機(jī)正轉(zhuǎn)全速運(yùn)行。FWM□>￥cc4&VIK2L1DIR2H0工2.4.3輸出電壓波形FWM□>￥cc4&VIK2L1DIR2H0工如圖2-14：HINUNVoUTVcc~Vcc圖2-14輸出電壓波形2.5濾波電路如圖2-15所示：RRTCRRTC圖2-15濾波電路2.6測速發(fā)電機(jī)分為直流與交流兩種。測速發(fā)電機(jī)是輸出電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)速成比例的微特電機(jī)，

其繞組和磁路經(jīng)過精確設(shè)計(jì)，輸出電動(dòng)勢E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，即E=kn,其中k是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，輸出電動(dòng)勢的極性即相應(yīng)改變。分為直流與交流兩種。當(dāng)被測機(jī)構(gòu)與測速發(fā)電機(jī)同軸連接時(shí)，只要檢測出輸出電動(dòng)勢，即可以獲得被測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，所以測速發(fā)電機(jī)又稱速度傳感器。測速發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種速度或者位置控制系統(tǒng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為檢測速度的元件，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或者通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。2.7A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809介紹ADC0809是8位、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有地址鎖存控制的8路模擬開關(guān)，應(yīng)用單一的+5V電源，其模擬量輸入電壓的范圍為0V---+5V，其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出為00H---FFH，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100〃s，無須調(diào)零或者調(diào)整滿量程。ADC0809有28個(gè)引腳，其中IN0---IN7接8路模擬量輸入。ALE是地址鎖存允許，V如F、篇接基準(zhǔn)電源，在精度要求不太高的情況下，供電電源就可以作為基準(zhǔn)電源。START是芯片的啟動(dòng)引腳，其上脈沖的下降沿起動(dòng)一次新的A/D轉(zhuǎn)換。EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，可以用于向單片機(jī)申請中斷或者供單片機(jī)查詢。OE是輸出允許端。CLK是時(shí)鐘端。DB0---DB7是數(shù)字量的輸出。ADDA、ADDB、ADDC接地址線用以選定8路輸入中的一路，詳見圖2-16。IH3—I1T4IH3—I1T4—IN5—IN6—IN7—STAKT—EOC—DB3—0E—CLOCK—VccV+一VREFGNU一DB1—1282ADC0S092732642552462372282192010191118121713161415—IN2—IN1—IN0—ADDA—ADDB—ABDCALE—DB7—DB6—DB5—DB4—DBO一岳—DB2圖2-16ADC0809的引腳及其功能3系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖及參數(shù)計(jì)算如圖3-1所示：ED/2RD/2_L1TConJ_圖3-1PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)和電阻電容值關(guān)系如下：Kn=Rn/R0；rn=Rn/Cn；Ton=1/4R0*Con參數(shù)求法：電動(dòng)機(jī)P=10KW；U=220V；I=55A；n=1000轉(zhuǎn)/分；電樞電阻R=0.5歐姆；取濾波電路中Ro=40千歐；Rn=470千歐；Cn=0.2uF；Con=1uF；則：Umax=220V；Umin=（220/0.9）*0.5=122V；Yi-1=0；W=1000轉(zhuǎn)/分；P=Kp=Rn/Ro=11.7；I=Kp*T/Ti=1253.2系統(tǒng)中的部分程序設(shè)計(jì)單片機(jī)資源分配工作寄存器0組RO-R700H-07H數(shù)據(jù)緩沖區(qū)30H-7FHPSW.4（RS1=0）PSW.3（RS0=0）；選中工作寄存器0組P0口地址80HP1口地址90HP2口地址A0H

P3口地址B0H堆棧（SP）81H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制TCON88H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制TMOD89H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0低字節(jié)TL08AH高字節(jié)TH08CH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1低字節(jié)TL18BH高字節(jié)TH18DH中斷1PI米樣（楫）中斷0——A/D采樣「P1口預(yù)置W1-P0口測量值（實(shí)測Y）程序流程圖如圖3-2所示：圖3-2程序流程圖Fosc=12MHZ,用一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)50ms，用、作計(jì)數(shù)器，置初值14H,到定時(shí)時(shí)間后產(chǎn)生中斷，每執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，讓計(jì)數(shù)器內(nèi)容減1,當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容減為0時(shí)，則到1s。PI控制算法：U=U+K(e-e)+(K*T/T)*e；ii-1pii-1pii令P=KP；I=Kp*T/Ti；則U=U+P(e-e)+I*e；ii-1ii-1iT—采樣周期；T=RC；K=R/Rinnpn04總結(jié)和展望本文所述的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是以低價(jià)位的單片微機(jī)8051為核心的，而通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對(duì)于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用PWM軟件方法來實(shí)現(xiàn)的調(diào)速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對(duì)于簡易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。而在軟件方面，采用PLD算法來確定閉環(huán)控制的補(bǔ)償量也是由數(shù)字電路組成的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)所不能及的。曾經(jīng)也試過用單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM波形，但其最終效果并不理想，在使用了少量的硬件后，單片機(jī)的壓力大大減小，程序中有充足的時(shí)間進(jìn)行閉環(huán)控制的測控和計(jì)算，使得軟件的運(yùn)行更為合理可靠。隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的調(diào)速功能也在不斷的趨于完善。尤其當(dāng)今的單片機(jī)和微機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展已經(jīng)為電機(jī)的調(diào)速開辟了另一種新的途徑，把它們用在控制系統(tǒng)中不但控制精度很高，而且外圍電路簡單，省去了很多容易引起電路發(fā)生非正常工作狀態(tài)的模擬元件。在當(dāng)今電力電子的時(shí)代，必將為電機(jī)的伺服控制提供更多的器件手段，理論手段，使之在短時(shí)間內(nèi)有很大的飛躍。參考文獻(xiàn)歐偉民.單片機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.李榮生.電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo).[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社吳守箴，臧英杰.電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù).[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社胡壽松.自動(dòng)控制原理簡明教程[M].北京:科學(xué)出版社,2008.王離九，黃錦恩.晶體管脈沖直流調(diào)速系統(tǒng).[M].