單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案

單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，脈寬調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制越來越廣泛。特別是單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，使得脈寬調(diào)速技術(shù)成為電機(jī)調(diào)速的主流。本設(shè)計(jì)給出了一種基于單片機(jī)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MCS-8051單片機(jī)為核心，產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)；把輸出的PWM信號(hào)通過LMD18200驅(qū)動(dòng)電路直接控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、速度、暫停以及方向的變化；設(shè)計(jì)的鍵盤人機(jī)界面可以方便的改變PWM的狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到方便的改變電機(jī)的工作狀態(tài)；電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以方便的顯示在數(shù)碼管上。通過實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)不僅可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)和順序控制，還可方面的進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，控制精度達(dá)到了較高的要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PWM；單片機(jī)；控制AbstractWiththeelectricaltechnologydevelopment,thetechnologyofPWMhavebeenusedtomachinespeedcontrolinfarandwide.basedonsinglechipmicrocomputer'sdirectcurrentmachinespeedcontrolsystem.ThissystemusestheMCS-8051singlechipmicrocomputerisacore,producesPWM(pulse-durationmodulation)thesignal。UsesthebipolaritydrivetypethroughtheLMD18200actuationchiptocontroldirectcurrentmachine'sstart,thespeed,thesuspensionaswellasthedirectionchange。Andusesthekeyboardtotaketheinput,addsandsubtractschangesthePWMsignaldata。Carrieson7sectionofnixietubeactuationsthroughCD4511todemonstrateelectricmotor'srotationalspeed.Bythisexperimentthisdesignmaytakethesimplecontroltopluralityofcontrolsexcessive,realizesthedirectcurrentmachinetostart,isreversingoutsidethecontrolandthesequentialcontrol,butmustcarryonthespeedcontrol,ithavevaluetouseinactually

thekeywords:PWM。SMC；control前言單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第1頁。在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用，無論在工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是在日常生活中的家用電器，都在大量地使用著各式各樣的電動(dòng)機(jī)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在有的90%以上的動(dòng)力源來自于電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與人們的生活息息相關(guān)，密不可分。隨著現(xiàn)代化步伐的邁進(jìn)，人們對自動(dòng)化的需求越來越高，使電動(dòng)機(jī)控制向更復(fù)雜的控制發(fā)展。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第1頁。脈寬調(diào)制控制在電機(jī)控制方面起了很重要的作用。脈寬調(diào)制控制控制技術(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)，對于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)而言，傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制多采用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即脈寬調(diào)制信號(hào)的獲得是通過三角波與所希望的調(diào)制函數(shù)直接比較而獲得，隨著高性能的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全數(shù)字控制，以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流控制的數(shù)字化方法的實(shí)現(xiàn)，脈寬調(diào)制方法須采用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。總之，脈寬調(diào)制的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗，提高系統(tǒng)的可靠性，運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于單片計(jì)算機(jī)具有體積小，重量輕，耗電少，功能強(qiáng)和價(jià)格低等特點(diǎn)，又由于數(shù)據(jù)大多是在芯片內(nèi)傳送處理，所以運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)。以至于從七十年代問世以來，在二十多年的時(shí)間里，發(fā)展異常迅速，并已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。單片機(jī)內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲(chǔ)器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價(jià)錢也是低的。單片機(jī)具有通訊接口，用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理，單片機(jī)與主機(jī)可并行工作，大大地提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。單片機(jī)所實(shí)現(xiàn)的控制是靠程序的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。通過對單片機(jī)的程序的編寫可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。本設(shè)計(jì)就是基于單片機(jī)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制控制的。利用單片機(jī)的編程來改變脈寬波形的占空比從而可以得到頻率穩(wěn)定占空比不同的矩形波，矩形波通過濾波后就可以得到相應(yīng)的電壓值，從而控制電機(jī)。第1章緒論脈寬調(diào)制控制電路概述單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第2頁。脈寬調(diào)制技術(shù)起源甚早，隨著工業(yè)生產(chǎn)的需求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，80年代后，它被廣泛應(yīng)用于工業(yè)功率控制裝置的逆變器中，從此獲得迅速發(fā)展。它的特點(diǎn)是以微處理器和電子半導(dǎo)體元件為核心，橫跨電力、電子、微型計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化控制等多種學(xué)科領(lǐng)域。

在對電路的控制中，因?yàn)槟M信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒有限制，所以模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻，擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變小，流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例，盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路運(yùn)行時(shí)其參數(shù)容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對于工作組件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。因此如果以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第2頁。脈寬調(diào)制就是用數(shù)字的方式控制電路的，也就是說脈寬調(diào)制控制是通過對模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的一種控制方式。由于高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)變用來對一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。脈寬調(diào)制信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有，要么完全無。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候就是電被斷開的時(shí)候。只要頻寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。本文介紹的是基于單片機(jī)軟件產(chǎn)生的脈寬調(diào)制電壓，即用單片機(jī)的編程，通過軟件的方式輸出一系列按一定規(guī)律變化的、幅值相等而寬度不相等的脈沖。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的主要硬件是單片機(jī)，我選用了MCS--51單片機(jī)，MCS-51單片機(jī)是美國INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS-48單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達(dá)111條，MCS-51單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品。在驅(qū)動(dòng)部分我用了LMD18200。設(shè)計(jì)任務(wù)與要求本設(shè)計(jì)是在單片機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制電壓，需要設(shè)計(jì)者對整個(gè)系統(tǒng)的每一部分進(jìn)行認(rèn)知，各部分的功能以及實(shí)現(xiàn)方法，要求對該系統(tǒng)以MCS-51單片機(jī)為核心，產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)的過程以及通過LMD18200驅(qū)動(dòng)芯片采用雙極性驅(qū)動(dòng)方式來控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、速度、暫停以及方向的變化實(shí)現(xiàn)方法，并且采用鍵盤作為輸入，加減改變PWM信號(hào)數(shù)據(jù)；通過CD4511進(jìn)行7段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的原理掌握并自主編程實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第3頁。本次設(shè)計(jì)對直流電機(jī)的簡單控制向復(fù)雜控制的過度，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制外，還要進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的實(shí)現(xiàn)需要設(shè)計(jì)者的?？萄芯?。例如用到的單片機(jī)的原理及其編程的方法；系統(tǒng)用到的基本原理，如脈寬調(diào)制控制的理論及脈寬調(diào)制控制的實(shí)現(xiàn)方法，都需要設(shè)計(jì)者的認(rèn)真對待，查閱相關(guān)資料。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第3頁。第1.3節(jié)總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)是要求設(shè)計(jì)者基于單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制電壓，設(shè)計(jì)的核心器件是單片機(jī)，由單片機(jī)的軟件編程輸出脈寬波形，再由驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對被控電路的控制，對直流電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制以及轉(zhuǎn)速控制，具體硬件設(shè)計(jì)方案框圖如圖1-1所示。通訊接口通訊接口單片機(jī)MCS8051LED編碼接口直流電機(jī)光電編碼器LMD18200光耦圖1-1硬件設(shè)計(jì)方案框圖其主要由MCS-8051單片機(jī)、LMD18200的驅(qū)動(dòng)電路、增量式光電編碼器、編碼器接口電路LED顯示、232串行通訊接口電路構(gòu)成。各部分作用介紹如下。MCS-51單片機(jī)：實(shí)現(xiàn)對鍵盤控制，查看按鍵的狀態(tài)的變化，判斷按鍵是不是按下；并實(shí)現(xiàn)LED顯示；并且生成PWM信號(hào)，控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。LMD18200：提供雙極性驅(qū)動(dòng)方式和單極性驅(qū)動(dòng)方式，本設(shè)計(jì)用的是雙極性方式，雙極性可逆系統(tǒng)有低速運(yùn)行平穩(wěn)性的優(yōu)點(diǎn)。增量式光電編碼器：當(dāng)光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A、B兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出，A、B兩相脈沖相差900相位角，如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn)，否則為反轉(zhuǎn)。第2章硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第4頁。第2.1節(jié)單片機(jī)的選擇單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第4頁。本設(shè)計(jì)的硬件主體是單片機(jī)，單片機(jī)作為脈寬調(diào)制控制的中央處理單元，擔(dān)負(fù)著重要的任務(wù)，所以對單片機(jī)的選擇十分的重要。我在對市場上一些應(yīng)用比較廣泛的單片機(jī)進(jìn)行了對比，最終選擇了利用率比較高的MCS-51系列單片機(jī)。MCS-51把微型計(jì)算機(jī)的主要部件都集成在一塊心片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，可靠性更高，運(yùn)行速度更塊，由于屬于芯片化的微型計(jì)算機(jī)，各功能部件在芯片中的布局和結(jié)構(gòu)達(dá)最優(yōu)化，抗干擾能力加強(qiáng)，工作亦相對穩(wěn)定。而且它的開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，介紹其功能特性書籍和開發(fā)軟件隨處可取，只需配備一臺(tái)PC（個(gè)人電腦——對電腦的配置基本上無要求），一臺(tái)仿真編程器即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)，早期的開發(fā)軟件多使用DOS版本，隨著Windows視窗軟件的普及，現(xiàn)在幾乎都使用Windows版本，并且軟件種類繁多，琳瑯滿目，在眾多的單片機(jī)品種中，C51的環(huán)境資源是最豐富的，這給C51用戶帶來極大的便利，一直到現(xiàn)在MCS-51系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品。因此，在工業(yè)測控系統(tǒng)中，它仍然是單片機(jī)的最理想的選擇。單片機(jī)屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。第2.2節(jié)LMD18200的介紹及工作原理2.2.1LMD18200的簡介LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域。其功能如下：額定電流3A，峰值電流6A，電源電壓55V。額定輸出電流2A，輸出電壓30V?？赏ㄟ^輸入的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)PWM控制：可通過輸入的方向控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制；可以接受TTL或CMOS以及與它們兼容的輸入控制信號(hào)；可以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的雙極性和單極性控制；內(nèi)設(shè)過熱報(bào)瞥輸出和自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)電路；單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第5頁。內(nèi)設(shè)防橋臂直通的電路。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第5頁。2.2.2LMD18200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-1LMD18200外形結(jié)構(gòu)圖LMD18200外形結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。它有11個(gè)引腳,采用TO-220和雙列直插式封裝。LMD18200的原理圖如圖2-2所示．由圖可見．它內(nèi)部集成了4個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋．通過充電泵電路為上橋臂的2個(gè)開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個(gè)300kHz的振蕩器控制．使充電泵電容可以充至l4V左右，典型上升時(shí)間是20μs，,適于1KHz左右的工作頻率?？稍谝_1、11外接電容形成第二個(gè)充電泵電路，外接的電容越大，向開關(guān)管柵極輸入電容充電的速度越快．電壓上升的時(shí)間越短．工作頻率可以更高．引腳2、10接直流電動(dòng)機(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳2到引腳10；反轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳10到引腳2。電流檢測輸出引腳8可以接一個(gè)對地電限，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為10A．當(dāng)超過該值時(shí)會(huì)自動(dòng)封鎖輸出．并周期性的自動(dòng)恢復(fù)輸出．如果過電流持續(xù)時(shí)間較長，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個(gè)輸出。過熱信號(hào)還可通過引腳9輸出．當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145℃時(shí)引腳9有信號(hào)輸出。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第6頁。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第6頁。圖2-2LMD18200原理圖2.2.3LMD18200的驅(qū)動(dòng)方式LMD18200提供雙極性驅(qū)動(dòng)方式和單極性驅(qū)動(dòng)方式。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性驅(qū)動(dòng)方式是PWM控制信號(hào)通過引腳3輸入，引腳5為5V，根據(jù)PWM控制信號(hào)占空比來決定直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，當(dāng)占空比大于50%，輸出電壓大于電動(dòng)機(jī)額定電壓U0，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)占空比小于50%，輸出電壓小于電動(dòng)機(jī)額定電壓U0，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)占空比等于50%，輸出電壓等于電動(dòng)機(jī)額定電壓U0，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。雙極性可逆系統(tǒng)有低速運(yùn)行平穩(wěn)性的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著電流波動(dòng)大，功率損耗較大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動(dòng)機(jī)的控制。單極性驅(qū)動(dòng)方式是指在一個(gè)PWM周期內(nèi),電動(dòng)機(jī)電樞只承受單極性的電壓。PWM控制信號(hào)通過引腳5輸入，引腳3為方向輸入，引腳4為使能輸入。而本設(shè)計(jì)是應(yīng)用的雙極性可逆驅(qū)動(dòng)方式。第2.3節(jié)光電編碼器接口光電編碼器有4個(gè)端口，2個(gè)電源端口，2個(gè)脈沖輸出端口（A、B）。光電編碼器輸出信號(hào)形式如圖2-3所示。圖2-3光電編碼器輸出信號(hào)形式單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第7頁。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第7頁。ωλΔs式中第2.4節(jié)4N25光電隔離光電隔離是由光電耦合器件來完成的。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。由于光電耦合器的輸入阻抗（100Ω～1kΩ）與一般干擾源的阻抗（105～106Ω）相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光。另外光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很小（約幾個(gè)pF），所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾，被控設(shè)備的各種干擾很難反饋到輸入系統(tǒng)。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第8頁。光電耦合器把輸入信號(hào)與內(nèi)部電路隔離開來，或者是把內(nèi)部輸出信號(hào)與外部電路隔離開來，如圖2-5所示。開關(guān)量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)。由于光電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合，而是以光為媒介進(jìn)行耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第8頁。6632514AnodeCathodeEmitterCollectorNCBase圖2-54N25光電耦合器目前，大多數(shù)光電耦合器件的隔離電壓都在2.5kV以上，有些器件達(dá)到了8kV，既有高壓大電流大功率光電耦合器件，又有高速高頻光電耦合器件（頻率高達(dá)10MHz）。常用的器件如4N25，其隔離電壓為5.3kV。第2.5節(jié)直流電機(jī)的控制2.5.1直流電機(jī)的PWM調(diào)壓調(diào)速原理眾所周知．直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，的表達(dá)式為(2—1)式中U----電樞端電壓；I----電樞電流；R-----電樞電路總電阻；φ----每極磁通量；K---電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)系數(shù)由式（2--1）可得，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為兩類：對勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制法。其中勵(lì)磁控制法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大．動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少．現(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞控制法．本節(jié)我們要介紹的就是在勵(lì)磁恒定不變的情況下，如何通過調(diào)節(jié)電樞電壓來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第9頁。對電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離不開半導(dǎo)體功率器件．在對直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對半導(dǎo)體功率器件的使用上又分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。線性放大驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：控制原理簡單．輸出波動(dòng)小．線性好，對鄰近電路干擾小．但是功率器件在線性區(qū)工作時(shí)會(huì)將大部分電功率用于產(chǎn)生熱量，效率和散熱問題嚴(yán)重，因此這種方式只用于數(shù)瓦以下的微小功率直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第9頁。圖2-6是利用開關(guān)管對直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形．在圖2-6（a）中，當(dāng)開關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓US。t1秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0.t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。圖2—6PWM調(diào)速控制原理和電壓波形圖單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第10頁。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性驅(qū)動(dòng)電路有兩種一種稱為T型，它由2個(gè)開關(guān)管組成，采用正負(fù)電源．相當(dāng)于2個(gè)不可逆系統(tǒng)的組合，由于形狀像倒放的“T”字，所以稱為T型．T型雙極性驅(qū)動(dòng)由于開關(guān)管要承受較高的反向電壓，因此只用在低壓小功率直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。另一種稱為H型，其形狀像“H”字。H型雙極性驅(qū)動(dòng)應(yīng)用較多，因此在這里將詳細(xì)介紹。圖2-7是H型雙極可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它由4個(gè)開關(guān)管和4個(gè)續(xù)流二極組成，單電源供電．4個(gè)開關(guān)管分成兩組，V1、V4為一組，V2、V3一組。同一組的開關(guān)嗬同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。在每個(gè)PWM里，當(dāng)控制信號(hào)Ui1高電平時(shí)，開關(guān)管V1V4導(dǎo)通，此時(shí)Ui2為低電平．因此V2、V3截止，電樞繞組承受從A到B的正向電壓；當(dāng)控制信號(hào)Ui1低電平時(shí)，開關(guān)管V1、V4.截止，此時(shí)Ui2為高電平．因此V2、V3導(dǎo)通，電樞繞組承受從B到A的反向電壓，這就是所謂的“雙極”。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第10頁。圖2--7H型雙極可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于在一個(gè)PWM周期里電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化．因此其平均電壓U0可用下式?jīng)Q定：(2—3)由式（2--3）可見，雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比α大?。?dāng)α=0時(shí)，U0=-US，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)α=l時(shí)．U0=US電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速最大．當(dāng)α=1/2時(shí)，U0=0，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。雖然此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)．但電樞繞組中仍然有交變電流流動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻振蕩．這種振蕩有利于克服電動(dòng)機(jī)負(fù)載的靜摩擦，提高動(dòng)態(tài)性能。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第11頁。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第11頁。第2.6節(jié)LED數(shù)碼顯示電路的設(shè)計(jì)為了驗(yàn)證通信結(jié)果的正確性，必須增加有效的手段測試單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)正確與否，而最簡單且可行的方法就是增加LED顯示部分。本設(shè)計(jì)選用7位共陰極LED數(shù)碼管，其引腳圖如圖2-8所示。ccbadefgdp．dp１２３４５６７８圖2-8LED數(shù)碼管LED數(shù)碼顯示器是有發(fā)光二極管組成的顯示字段的顯示器件。這種顯示器分為共陰極和共陽極兩種形式，在本設(shè)計(jì)中，我采用的是共陰極形式。所謂共陰極LED數(shù)碼顯示是指所有發(fā)光二極管的陰極連在一起，形成該模塊的公共端。通常七段LED數(shù)碼顯示器有8個(gè)發(fā)光二極管，其中七個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成一個(gè)“8”，一個(gè)發(fā)光二極管用于顯示小數(shù)點(diǎn)，這8個(gè)筆段分別用a～h表示。LED的驅(qū)動(dòng)是通過CD4511譯碼器，CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼-七段碼譯碼器，其特點(diǎn)：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)LED顯示器。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第12頁。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第12頁。第2.7節(jié)整體電路結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)以LMD18200作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng),intel公司8051單片機(jī)作為處理器,配以轉(zhuǎn)速顯示、光電編碼器作為電機(jī)控制輸出單元。整個(gè)系統(tǒng)力求結(jié)構(gòu)簡單,功能完善。硬件電路如下圖所示。由C8051單片機(jī)發(fā)出PWM控制信號(hào)，通過光電藕合器4N25與LMD18200的引腳3相連，其目的是隔離，以避免LMD18200的驅(qū)動(dòng)電路對控制信號(hào)的干擾。由于采用了LMD18200功率集成驅(qū)動(dòng)電路，使整個(gè)電路元件少，體積小，適合在儀器儀表控制中使用。系統(tǒng)下作原理：在新的采樣周期到來時(shí)，光電編碼器測得電機(jī)的速度，并通過編碼器接口電路反饋到單片機(jī)。單片機(jī)通過比較預(yù)定義的運(yùn)動(dòng)速度與實(shí)際的電機(jī)速度（反饋速度），得到偏差，然后經(jīng)過PID控制算法得出控制量。單片機(jī)根據(jù)得到的控制量，改變輸出PWM信號(hào)的脈寬。PWM信號(hào)通過光耦隔離，經(jīng)LMD18200進(jìn)行功率放人輸出控制直流電機(jī)．然后進(jìn)入下一個(gè)采樣周期。整體設(shè)計(jì)的工作過程是單片機(jī)讀取鍵盤的按下狀況，通過脈寬控制波形的輸出經(jīng)過光電隔離，通過LMD18200的雙極性控制進(jìn)行對直流電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。然后由光電編碼器測得直流電機(jī)的速度，并通過光電編碼接口電路將信息反饋到單片機(jī)，由單片機(jī)通過比較預(yù)先給定的速度與反饋得到的速度得到偏差，然后經(jīng)過PID算法得出控制量，在改變脈寬控制的寬度進(jìn)行輸出，并在LED上顯示轉(zhuǎn)速。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第13頁。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第13頁。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第14頁。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第14頁。第3章軟件控制程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序和在上位機(jī)土運(yùn)行的應(yīng)用程序。單片機(jī)控制軟件采用C語言模塊化程序結(jié)構(gòu)。第3.1節(jié)主程序流程圖主程序的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。否是否否是是計(jì)時(shí)器到PID調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)值增1，判斷轉(zhuǎn)向是外中斷定時(shí)中斷串口中斷LCD信息顯示數(shù)據(jù)處理接收、監(jiān)測數(shù)據(jù)中斷初始化串口、中斷、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、LED開始否是否否是是計(jì)時(shí)器到PID調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)值增1，判斷轉(zhuǎn)向是外中斷定時(shí)中斷串口中斷LCD信息顯示數(shù)據(jù)處理接收、監(jiān)測數(shù)據(jù)中斷初始化串口、中斷、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、LED開始圖3-1系統(tǒng)總流程圖從結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)程序主要包括一個(gè)主循環(huán)體程序、串口數(shù)據(jù)處理程序、PID控制程序、中斷服務(wù)程序和LED顯示控制程序。PID控制程序通過采集實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值與設(shè)定值的偏差，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的PID調(diào)節(jié)器的運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第15頁。第3.2節(jié)PID調(diào)節(jié)程序流程圖單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第15頁。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行控制的PID的控制器獲得了廣泛的應(yīng)用。它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，適應(yīng)性廣。本程序采用增量式數(shù)字PID程序以PWM方式來對直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。開始開始計(jì)算控制參數(shù)A,B,C設(shè)置初始值e(k-1)=e(k-2)=0本次采樣輸入c（k）計(jì)算控制量Δμ(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)計(jì)算偏差值e(k)=r(k)-c(k)輸出Δμ(k)為下一時(shí)刻準(zhǔn)備e(k-1)→e(k-2)e(k)→e(k-1)采樣時(shí)刻？被控制對象電機(jī)是否圖3-2增量式數(shù)字PID控制程序的流程圖單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第16頁。運(yùn)行與調(diào)試單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第16頁。第4.1節(jié)系統(tǒng)調(diào)試中的問題和解決方法在完成了硬件連接以及軟件編程的工作后，此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本完成，進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段。在系統(tǒng)調(diào)試的過程中，會(huì)出現(xiàn)一些問題：設(shè)計(jì)中器件之間的匹配問題，通過查考資料重新設(shè)計(jì)電路圖。編程中發(fā)現(xiàn)，對寄存器進(jìn)行讀寫操作時(shí)經(jīng)常發(fā)生問題，比如向某個(gè)寄存器寫入數(shù)據(jù)時(shí)。通過調(diào)試窗口觀察，時(shí)常發(fā)現(xiàn)該寄存器的值并沒有改變?yōu)轭A(yù)期的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)是由于沒有選中單片機(jī)中的該存儲(chǔ)體所在的區(qū)域。在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)將開發(fā)機(jī)和單片機(jī)斷開，單片機(jī)不能正常工作，最后發(fā)現(xiàn)在開發(fā)機(jī)使用的軟件MPLAB-LED中，默認(rèn)為程序下載設(shè)置是調(diào)試模式，在ENABLEDEBUGMODE項(xiàng)關(guān)閉后，單片機(jī)正常工作。第4.2節(jié)在MPLAB中進(jìn)行程序調(diào)試經(jīng)過MPASM編譯與連接的程序會(huì)得到HEX和CDD文件，HEX文件就是要燒寫到單片機(jī)中的程序代碼，而CDD文件則是MPLAB在調(diào)試時(shí)要用到的文件。在調(diào)試過程中，我們可以分為兩個(gè)部分，一個(gè)是程序流程的控制，一個(gè)是單片機(jī)狀態(tài)的查詢，兩者之間相互搭配，才能完成程序調(diào)試的目的。程序流程的控制在下一節(jié)中說明，這里我們先來看看如何得到單片機(jī)的狀態(tài)。不管在前面介紹單片機(jī)功能有多復(fù)雜，其實(shí)最后在程序?qū)懲旰?，所有的?shù)據(jù)都在存儲(chǔ)器中，程序存儲(chǔ)器放的是我們的程序代碼，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括特殊功能寄存器和程序中變量所使用的寄存器。MPLAB提供了存儲(chǔ)器不同方式的窗口觀察，這些窗口如下圖所示，但這些窗口的內(nèi)容會(huì)和設(shè)定有關(guān)，在調(diào)試過程中MPAB有一個(gè)方便的顯示方式就是存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)如果有變化時(shí)，會(huì)變成紅色的文字顯示，通過這個(gè)功能也可以大大地提高調(diào)試速度。最后，在重新燒寫修改過的程序代碼后，程序開始運(yùn)行，系統(tǒng)正常工作。結(jié)論單片機(jī)脈寬調(diào)制控制電路設(shè)計(jì)方案全文共19頁，當(dāng)前為第17頁。驀然回首，為期兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，在這漫長而又短暫之中，通過自己不斷地學(xué)習(xí)，不斷地努力與拼搏、不斷地對新知識(shí)的追求與索取、不斷地自我發(fā)現(xiàn)、感到自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)水平提出高了許多，對知識(shí)的掌握程度也加深了許多，對知識(shí)之間的相互聯(lián)系也有了更深的了解；通過不斷地提高自己的認(rèn)識(shí)水平與能力、不斷地學(xué)習(xí)新方法、新思想、新的思維方式、不斷地改變自己的人生觀和方法論、感到自己不但成長且成熟了許；通過不