雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速H型PWM系統(tǒng)設(shè)計

雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘要在電氣時代的今天，電動機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬浅Ｖ匾淖饔?。直流電機(jī)是比較常見的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到了非常廣泛應(yīng)用。直流電機(jī)調(diào)速問題一直是自動化領(lǐng)域非常重要的問題之一。采用傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下缺陷：模擬電路非常容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，并且對噪聲十分敏感等。采用單片機(jī)構(gòu)成的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，其控制核心主要由觸發(fā)、測速、雙極性H型PWM變換電路、轉(zhuǎn)速與電流控制器等組成。本文從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用單片機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個將單片機(jī)和電力拖動控制相結(jié)合的新的控制方法，研究工作在對控制對象全面兼顧的基礎(chǔ)上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。利用單片機(jī)實現(xiàn)對直流電動機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速，此系統(tǒng)使直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)的各種特殊運行要求。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)，PWM，直流電動機(jī)DesignofDCPWMSpeedRegulationSystemBasedon

DoubleClosed-loopControlAbstractIntheageofelectricity,electricmotorplaysaveryimportantroleintheindustrialandagriculturalproductionandpeople'sdailylife.DCisamuchmorecommonformofmotorandhasbeenverywidelyusedinvariousareas.DCmotor’sspeedmutilationisoneveryimportantissueintheautomation.Thetraditionalcontrolsystemhasthefollowingshortcomings:analogcircuitisveryeasytodriftovertimeandsensitivetonoise,producingsomeunnecessaryheatlossandsoon.DoubleloopDCPWMspeedcontrolsystemformedbySCMismainlymadeupofthecircuitoftrigger,thecircuitofspeedmeasurement,bipolarH-PWMconversioncircuit,speedandcurrentcontrollerandothercomponents.BasedontheprincipleoftheDCspeedcontrolsystemandwegraduallyestablishamathematicalmodelofdouble-loopDCPWMspeedcontrolsystem.Weusethelatestresultsofsingle-chipmicrocomputerhardwareandsoftwaretoexploreanewcontrolmethodwhichcombinesthesingle-chipcomputerandelectricdrivecontrolsystem.Theresearchgivesattentiontoboththecomprehensivecontrolobjectandfocusesonthecontrolsection,whichincludesthehardwareandsoftwareachievingcontrolofsystem,controlstrategyandcontrolalgorithmandsoon.Usingsingle-chipmicroprocessortoachievedouble-loopDCmotorspeedcontrol,thissystemenablesDCmotorhasexcellentspeedfeatures,easytospeed,widespeedrangeandlargeoverloadrange.Besidesthissystemcanwithstandfrequentimpactloads,brakeandreversion.Aboveall,thissystemcanmeetvariousspecialrunningrequirementsintheproductionprocessautomationsystems.Keywords.Double-loop,PWM,DCmotor目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章緒論 1\o"CurrentDocument"1.1直流電動機(jī)的調(diào)速方法介紹 1\o"CurrentDocument"1.2直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 11.3選擇PWM控制系統(tǒng)的理由 2\o"CurrentDocument"第二章雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理設(shè)計 32.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性 32.1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 32.1.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 32.2系統(tǒng)的動態(tài)校正----PI調(diào)節(jié)器設(shè)計 4\o"CurrentDocument"2.3轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系 5\o"CurrentDocument"第三章雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 73.1雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計 73.1.1PWM變換器 73.1.2選擇IGBT的H橋型主電路的理由 83.1.3整流電路設(shè)計 93.1.4泵升限制電路 103.2雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路設(shè)計 103.2.1單片機(jī)的選擇 103.2.2雙極型PWM的實現(xiàn) 113.2.3測速電路 123.2.4電流檢測電路 133.2.5鍵盤電路 13\o"CurrentDocument"第四章雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計 154.1主程序設(shè)計 15\o"CurrentDocument"4.2子程序的初始化設(shè)計 15\o"CurrentDocument"4.3中斷服務(wù)子程序設(shè)計 16第五章結(jié)論..??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.22\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 23\o"CurrentDocument"致謝 24\o"CurrentDocument"附錄A系統(tǒng)硬件原理圖 25\o"CurrentDocument"附錄B系統(tǒng)程序清單 26第一章緒論電動機(jī)作為最主要的動力源和運動源之一，在生產(chǎn)和生活中占有十分重要的地位。電動機(jī)的調(diào)速控制方法過去多用模擬法，隨著單片機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展以及新型自關(guān)斷元器件的不斷涌現(xiàn)，電動機(jī)的控制也發(fā)生了深刻的變化［1］。直流電動機(jī)控制技術(shù)是一項以直流電動機(jī)作為機(jī)械本體，融入了電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的多學(xué)科交叉機(jī)電一體化技術(shù)。單片機(jī)在電動機(jī)控制中的應(yīng)用使調(diào)速系統(tǒng)具有了數(shù)值運算、邏輯判斷及信息處理的功能。1.1直流電動機(jī)的調(diào)速方法介紹直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1） 改變電樞電阻（R）調(diào)速。（2） 改變電樞電壓（U）調(diào)速。（3） 改變主磁通（）調(diào)速。前兩種調(diào)速方法主要適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，后一種調(diào)速方法適用于恒功率負(fù)載。串電阻調(diào)速為有級調(diào)速，調(diào)速平滑性比較差，機(jī)械特性斜率增大，速度穩(wěn)定性比較差，受靜差率的限制，調(diào)速范圍比較小。改變電樞電壓調(diào)速為無級調(diào)速，機(jī)械特性斜率不變，速度穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍比較大。改變主磁通調(diào)速，控制方便，能量損耗比較小，調(diào)速平滑，但受最高轉(zhuǎn)速限制，調(diào)速范圍不大［2］。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以改變電樞電壓調(diào)速方式為最好。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主要調(diào)節(jié)方式。1.2直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流驅(qū)動系統(tǒng)電壓控制的方式來調(diào)節(jié)電樞電壓需要一個特殊的可控直流電源。比較常用的可以控制直流電源有以下三個：（1） 靜態(tài)控制整流器。使用靜態(tài)可控整流得到一個可調(diào)的直流電壓。（2） 直流斬波器或脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器。用不變的直流電源或者不可以控制的整流電源提供電能，使用電力電子開關(guān)器件斬波器或脈寬調(diào)制，從而產(chǎn)生可以變化的直流電壓。（3）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。由交流電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成單位，獲得可調(diào)的直流電壓。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組需要的設(shè)備多，體積大，費用高，效率低，安裝需打地基，運行有噪聲，維護(hù)不方便。靜止式可控整流器雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點，而且還大大縮短了響應(yīng)時間，但閘流管容量小，汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，萬一水銀泄漏，將會污染環(huán)境，危害身體健康［3］。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。同時，其對過電壓、過電流都十分敏感，容易損壞器件。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。1.3選擇PWM控制系統(tǒng)的理由自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制的控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)［4］。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：（1） 主電路線路非常簡單，需要用到的功率器件比較少。（2） 開關(guān)頻率比較高，電機(jī)損耗及發(fā)熱都比較少，電流很容易連續(xù)，并且諧波少。（3） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗比較小，裝置效率比較高。（4） 低速性能比較好，調(diào)速范圍比較寬，穩(wěn)速精度比較高。（5） 若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)比較快，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。（6） 直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由于有上述優(yōu)點，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng)，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。

第二章雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理設(shè)計2.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性2.1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖2-1是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖。在此系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，這是為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用。二者之間實行嵌套聯(lián)接，或稱串級聯(lián)接。RP, ASR FK1LMGTL+RP, ASR FK1LMGTL+圖2-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.1.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以很方便地畫出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2-2。

這種PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和和不飽和。輸出如果達(dá)到限幅值就是飽和，輸出如果沒有達(dá)到限幅值就是不飽和［5］。當(dāng)輸出為恒值，輸入量的變化不會再影響輸出時，調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。當(dāng)PI的作用使輸入偏差電壓AU在穩(wěn)態(tài)時總是等于零時，調(diào)節(jié)器處于不飽和狀態(tài)［6］。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用，此時，系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和輸出時，負(fù)載電流達(dá)到最大電流，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，此時，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差［7］。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性要好得多。2.2系統(tǒng)的動態(tài)校正----PI調(diào)節(jié)器設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示：圖2-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況。為了使系統(tǒng)同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求，必須設(shè)計合適的動態(tài)校正裝置。在此調(diào)速系統(tǒng)中，由于其傳遞函數(shù)的階次不是很高，采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就可以完成動態(tài)校正的任務(wù)。由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并且具有足夠的快速性，可是穩(wěn)態(tài)精度卻不高；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但是快速性卻不高；用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后一超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體的操作和調(diào)試卻非常復(fù)雜［8］。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先設(shè)計內(nèi)環(huán)，后設(shè)計外環(huán)。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2.3轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的關(guān)系外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計方法設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。這樣做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利。圖2-4是本設(shè)計的系統(tǒng)原理框圖。圖2-4系統(tǒng)原理框圖第三章雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)采用一個8位單片機(jī)C8051F005做主控制器。以H型雙極性可逆PWM變換器為主回路核心，采用典型的雙閉環(huán)調(diào)速原理組成PWM調(diào)速系統(tǒng)。C8051F005的PCA提供PWM脈沖，給定的速度值、速度反饋值和電流反饋值可以控制PWM脈沖。改變PWM脈沖的占空比可以改變IGBT的輸出電壓，以此來改變直流電動機(jī)的速度。由于C8051F005單片機(jī)內(nèi)部有模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，所以直流測速機(jī)將速度值轉(zhuǎn)化為電壓值，然后直接由A/D轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字量送入單片機(jī)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測。電流檢測是通過霍爾效應(yīng)電流傳感器由A/D轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字量送入單片機(jī)。整流電路采用三相橋式全控整流電路。3.1雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計3.1.1PWM變換器脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。直流電動機(jī)PWM控制系統(tǒng)分為不可逆和可逆系統(tǒng)。不可逆系統(tǒng)是指電動機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)；可逆系統(tǒng)是指電動機(jī)可以正反兩個方向旋轉(zhuǎn)。對于可逆系統(tǒng)，又可以分為單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動兩種方式。單極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是單一極性的；雙極性驅(qū)動是指在一個PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是正負(fù)交替的。本設(shè)計采用雙極性驅(qū)動可逆PWM變換器。圖3-1是H型雙極性可逆PWM變換器原理圖。它包含有4個IGBT管和4個續(xù)流二極管。4個IGBT管分成兩組，VT1，VT4為一組；VT2，VT3為另一組。同一組的IGBT管同時導(dǎo)通或截止，不同組的IGBT管的導(dǎo)通與截止是不相同的。圖3-1H型雙極性可逆PWM變換器在每一個PWM周期里，當(dāng)P3.0的控制信號為高電平時，開關(guān)管VT1、VT4導(dǎo)通，此時P3.1的控制信號為低電平，因此VT2、VT3截止；當(dāng)P3.0的控制信號為低電平時，開關(guān)管VT1、VT4截止，此時P3.1的控制信號為高電平，因此VT2、VT3導(dǎo)通。當(dāng)直流電動機(jī)正轉(zhuǎn)工作時，在每一個PWM周期的正脈沖區(qū)間，VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3截止。在每一個PWM周期的負(fù)脈沖區(qū)間，VT2、VT3導(dǎo)通，VT1、VT4截止，電流的方向仍然不變，只不過電流幅值的下降速率比不可逆控制系統(tǒng)的要大，因此電流的波動較大。H型雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點如下：（1） 電流一定連續(xù)；（2） 可使電動機(jī)在四象限運行；（3） 電動機(jī)停止時有微振電流，從而可以消除靜摩擦死區(qū)；（4） 低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍然比較寬，可以充分保證器件的可靠導(dǎo)通；（5） 低速時，平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1：20000左右。3.1.2選擇IGBT的H橋型主電路的理由絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是由MOSFET和GTR技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型開關(guān)

器件［9］。它也是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。選用IGBT的理由:（1） IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。（2） 在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。本設(shè)計中選用的IGBT管的型號是IRGPC50U，它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場效應(yīng)管極限電壓Vm：600V極限電流Im：27A耗散功率P：200W額定電壓U：220V額定電流I：1.2A3.1.3整流電路設(shè)計整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?。本設(shè)計采用三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖3-2所示，陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。T7L]T7L]L.L2——i—4* L3■VI‘1VI3VI'5Ud1▲▲▲b,Fc▲▲Ud2VT4VT6」VI圖3-2三相橋式全控整流電路原理圖這種整流電路的輸出電壓一周期脈動6次，每次脈動的波形完全相同，故該電路為6脈動整流電路［10］。

3.1.4泵升限制電路當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速由高變低時（減速或者停車），儲存在電動機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動部分的動能將會變成電能，并通過雙極式可逆PWM變換器回送給直流電源。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回送電能，電機(jī)制動時只好給濾波電容充電，從而使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。過高的泵升電壓會損壞元器件，所以必須采取預(yù)防措施，防止過高的泵升電壓出現(xiàn)?？梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開關(guān)元件（電力電子器件）VT組成的泵升電壓限制電路，如圖3-3所示。當(dāng)濾波電容器C兩端的電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時，VT導(dǎo)通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。在本設(shè)計中泵升電路電解電容選取C=2000四F；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U型號的IGBT管；電阻選取R=20Q。F1s-c—1r————F+1^■c二g7VTi1 12OC圖3-3泵升電壓限制電路3.2雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路設(shè)計3.2.1單片機(jī)的選擇本設(shè)計選用C8051F005單片機(jī)°C8051F005單片機(jī)是一種與51系列單片機(jī)內(nèi)核兼容的單片機(jī)，具有高速、高性能、高集成度等優(yōu)點。它使用Cygnal的CIP-51內(nèi)核，工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率為25MHz。以下是對C8051F005單片機(jī)片內(nèi)資源的介紹：（1） 10/12位多通道輸入模/數(shù)（ADC）；（2） 2路12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）；

（3） 16位可編程定時器/計數(shù)器陣列（PCA），可用于PWM波發(fā)生器等;（4） 4個通用16位定時器；（5） 32個通用I/O口；（6） 32KBFlash內(nèi)部程序存儲器；（7） 片內(nèi)看門口定時器、片內(nèi)時鐘源。3.2.2雙極型PWM的實現(xiàn)基于C8051F005單片機(jī)的PWM軟件實現(xiàn)的重要硬件支撐是該單片機(jī)內(nèi)部的16位可編程定時器/計數(shù)器陣列（PCA）。在C8051F005內(nèi)實現(xiàn)PWM的基本過程：首先，由控制信號的變化范圍和設(shè)定的脈沖頻率T，求出t時刻通過控制信號V（t）的對應(yīng)正、負(fù)脈沖的持續(xù)時間。通過給定時器賦與相應(yīng)的初值從而得到正、負(fù)脈沖在單片機(jī)里的時間長度，在機(jī)器周期的同步下，定時器會從這個初值的基礎(chǔ)上加1計數(shù)，如果產(chǎn)生了溢出中斷就代表定時器已滿，單片機(jī)上某一引腳相應(yīng)的正、負(fù)電平極性的持續(xù)時間就是由這個中斷所響應(yīng)的服務(wù)程序所控制的。只要上述過程是持續(xù)進(jìn)行的，就可以在這個引腳上獲得寬度隨控制信號V（t）大小變化的PWM方波信號。通常單片機(jī)是單極型的，實際電平0V對應(yīng)單片機(jī)的邏輯0，實際電平+5V對應(yīng)單片機(jī)的邏輯1。一般來說，只能夠?qū)螛O型的PWM脈沖信號從這種單片機(jī)上輸出。采用C8051F005結(jié)合軟件編程實現(xiàn)雙極型PWM控制的設(shè)計思想是這樣的：從C8051F005的一個引腳（P3.0）得到正的單極型PWM信號輸出，對另一個引腳（P3.1）做相應(yīng)的設(shè)計和定義，讓它承擔(dān)對應(yīng)的負(fù)的單極型PWM信號的輸出。即當(dāng)調(diào)制PWM脈寬的誤差信號（這個信號是由電流傳感器及測速發(fā)電機(jī)采集后經(jīng)過相關(guān)處理后得到的誤差信號）為正時，對應(yīng)的PWM信號就從C8051F005單片機(jī)的一個引腳（P3.0）輸出；當(dāng)誤差信號為負(fù)時，對應(yīng)的PWM信號就從C8051F005單片機(jī)的另外一個引腳（P3.1）輸出，雖然這個輸出信號的模擬電平也是正的，但是它反映的是負(fù)值的誤差信號所產(chǎn)生的PWM輸出；當(dāng)這兩個引腳都沒有輸出時，表示誤差信號是零。通過對誤差信號正負(fù)的定義和判別，再利用C8051F005單片機(jī)的兩個引腳就實現(xiàn)了雙極型的PWMC11J3.2.3測速電路直流測速發(fā)電機(jī)的輸出是一個模擬量，當(dāng)它與單片機(jī)接口時，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。由于C8051F005單片機(jī)內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，它具有8?12位的轉(zhuǎn)換精度，因此，A/D轉(zhuǎn)換可以全部在片內(nèi)完成，沒有必要再外接A/D轉(zhuǎn)換器。直流測速發(fā)電機(jī)安裝在被測電動機(jī)軸上，以與被測電動機(jī)相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓通過R2和C1組成的濾波環(huán)節(jié)后，濾去測速發(fā)電機(jī)輸出的紋波，使之到達(dá)電位器Rw兩端的電壓是穩(wěn)定的直流電壓。調(diào)整Rw的位置，使測速發(fā)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速時，抽頭所獲得的電壓為2.4V，R1用于限流。圖3-5直流測速發(fā)電機(jī)與單片機(jī)接口對圖3-5所示的直流測速發(fā)電機(jī)的輸出進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。使用C8051F005的AIN0通道作為測速發(fā)電機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，使用單片機(jī)內(nèi)部2.43V電壓基準(zhǔn)通過軟件啟動A/D轉(zhuǎn)換。3.2.4電流檢測電路在直流電源的正極引線上安裝有霍爾電流傳感器CHB-50P，它由15V電源供電，二次電流通過測量電阻形成電流反饋信號，霍爾電流傳感器的另一端連接單片機(jī)的AIN1引腳?；魻栯娏鱾鞲衅鰿HB-50P是磁平衡式電流傳感器，即原邊電流在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電流精確的反映原邊電流，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。3.2.5鍵盤電路本系統(tǒng)采用獨立式按鍵電路。獨立式按鍵是指直接用I/O口線與按鍵電路構(gòu)成的單個按鍵電路。在此形式的按鍵電路中，每個按鍵獨自占用一根I/O口線，I/O口線之間的工作狀態(tài)不會受到影響。

獨立式按鍵電路如圖3-6所示，這種獨立式按鍵電路所需器件比較少、軟件編程結(jié)構(gòu)比較簡單，在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效，上拉電阻的接入保證了冷按鍵斷開時，I/O口線上有確定的高電平。通過軟件編程實現(xiàn)如下功能：當(dāng)按下1鍵時，電動機(jī)啟動；當(dāng)按下2鍵時，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)按下3鍵時，電動機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)按下4鍵時，電動機(jī)停止；當(dāng)按下5鍵時，電動機(jī)加速；當(dāng)按下6鍵時，電動機(jī)減速。第四章雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律是靠軟件來實現(xiàn)的，所有的硬件也必須由軟件實施管理。雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序和中斷服務(wù)子程序等。4.1主程序設(shè)計主程序完成實時性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實現(xiàn)鍵盤按鍵的處理以及與上位機(jī)和其他外設(shè)通信等功能。主程序框圖如圖4-1所示。主程序圖4-1主程序框圖4.2子程序的初始化設(shè)計子程序的初始化完成各種硬件器件工作方式的設(shè)定、各種變量的初始化以及系

統(tǒng)運行參數(shù)的設(shè)置等。初始化子程序框圖如圖4-2所示。系統(tǒng)初始化圖4-2初始化子程序框圖4.3中斷服務(wù)子程序設(shè)計中斷服務(wù)子程序包括故障檢測、PWM生成、狀態(tài)檢測和數(shù)字PI調(diào)節(jié)等，這些都是實時性比較強(qiáng)的功能。當(dāng)相應(yīng)的中斷源提出申請，CPU就可以實時響應(yīng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖如圖4-3所示。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中，首先應(yīng)保護(hù)現(xiàn)場，然后再由輸入量計算實際的轉(zhuǎn)速，完成轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)，最后進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)，為下面的調(diào)節(jié)提前做好準(zhǔn)備。為了使被中斷的上級程序正確穩(wěn)定地恢復(fù)運行，在中斷返回前應(yīng)該先恢復(fù)現(xiàn)場。

保護(hù)現(xiàn)場F讀入轉(zhuǎn)速給定1r計算轉(zhuǎn)速1F轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)1T允許測速1F恢復(fù)現(xiàn)場1r中斷返回圖4-3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖如圖4-4所示，主要完成的任務(wù)有：電流PI調(diào)節(jié)、PWM信號生成、啟動A/D轉(zhuǎn)換、恢復(fù)現(xiàn)場等。

中斷返回中斷返回圖4-4電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序框圖因為系統(tǒng)用單片微機(jī)來實現(xiàn)對直流調(diào)速的控制，有很多原來由硬件完成的工作現(xiàn)在用程序來實現(xiàn)，如雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的電流和轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)的比例積分調(diào)節(jié)過程在本系統(tǒng)中用程序來實現(xiàn)。這兩個環(huán)節(jié)的控制的實現(xiàn)是十分重要的。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器就是PI調(diào)節(jié)器。在單片微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中，如果采樣頻率非常高，可以先根據(jù)模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后再對其進(jìn)行離散化，從而得到數(shù)字控制器的算法［11。

當(dāng)輸入的誤差函數(shù)用e(t)表示、輸出函數(shù)用u(t)表示時，PI調(diào)節(jié)器的傳遞KPiKPi(4-1)KPeKPe(t)+KIJe(t)dt(4-2)u(t)=Kpie(t)+-Je(t)dt=其中Kp=Kpi為比例系數(shù)Ki=1/t為積分系數(shù)對上式進(jìn)行離散化，將其化成差分方程，其第k拍輸出為一 一 7 一 一u(k)=Ke(k)+KTZe(i)=Ke(k)+u(k)i=1=Ke(k)+KTe(k)+u(k-1) (4-3)式中Tsam為采樣周期位置式和增量式是數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的兩種算法。位置式PI調(diào)節(jié)器算法特點是：此刻的偏差只影響比例部分，而系統(tǒng)此前所有偏差的累積只影響積分部分。位置式PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)比較清楚明了，P和I兩部分作用非常分明，參數(shù)的調(diào)整簡單易行，但是這種算法需要存儲的數(shù)據(jù)比較多［12。增量式PI調(diào)節(jié)器算法△u(k)=u(k)-u(k-1)=KPle(k)-e(k-1)〕+KITsame(k) (4-4)PI調(diào)節(jié)器的輸出可由下式求得u(k)=u(k-1)+△u(k) (4-5)和模擬調(diào)節(jié)器一樣，在數(shù)字PI控制算法中，需要對u限幅，這里，只要在程序內(nèi)設(shè)置限幅值Um，當(dāng)u(k)>Um時，便以限幅值Um作為輸出。不考慮限幅時，位置式和增量式兩種算法完全相同，考慮限幅時則兩者略有差異。增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。本設(shè)計采用位置式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，如圖4-5是其程序框圖。

圖4-5數(shù)字PI調(diào)節(jié)器程序框圖故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序框圖如圖4-6所示。當(dāng)啟動故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序時，首先應(yīng)該將PWM信號輸出封鎖，再分析、判斷故障，顯示故障原因并報警，最后等待系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平由高變低時就可以申請故障保護(hù)中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用定時中斷。在這三種中斷服務(wù)中，故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序的優(yōu)先級別最高，電流調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序的優(yōu)先級別次之，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序的優(yōu)先級別最低。封鎖PWM輸出分析、判斷故障原因故障報警等待系統(tǒng)

復(fù)位圖4-6故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序框圖第五章結(jié)論本畢業(yè)設(shè)計為雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，是以控制電路為核心，采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，由C8051F005單片機(jī)以及H型雙極性可逆PWM變換器構(gòu)成了PWM信號的產(chǎn)生和驅(qū)動。其中C8051F005產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號作為IGBT的驅(qū)動信號。雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，具有調(diào)速簡單、調(diào)速范圍大、精度高、速度平穩(wěn)、電流脈動小、電機(jī)溫升低等優(yōu)點，使調(diào)速各項性能指標(biāo)大為提高。通過本次設(shè)計，使我能夠充分的把握理論與實踐的結(jié)合。在本設(shè)計中我們不但要運用電機(jī)理論知識，還要充分運用單片機(jī)、電路、電力電子等方面的知識，使我們所學(xué)過的知識進(jìn)行綜合的應(yīng)用。增強(qiáng)了我對所學(xué)知識進(jìn)行綜合應(yīng)用的能力，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的?？v觀整個設(shè)計，經(jīng)典部分是已學(xué)過的知識，通過畢業(yè)設(shè)計深入理解了工程設(shè)計方法，擴(kuò)展了知識面，各門課程綜合應(yīng)用，收益頗多，使我對直流調(diào)速系統(tǒng)的控制有了更深的認(rèn)識。但由于理論水平有限，仍有許多不足之處有待解決。參考文獻(xiàn)王曉明.電動機(jī)的單片機(jī)控制（第二版）[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.8⑵張世銘，王振和.直流調(diào)速系統(tǒng)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,2008.5余錫存.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007于永權(quán).單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.1顧德英，張海濤，王鐵.神經(jīng)元調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].遼寧:遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2007-2-19（1）賀益康，許大中.電機(jī)控制（第二版）[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2010.5陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)（第三版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.2戴梅萼.微型計算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用（第四版）[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.3王福永.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計[J].蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)報.2008-10-21（5）:35-39曹遠(yuǎn)洪.KeilC下基于AT89C51單片機(jī)雙極型PWM的軟件實現(xiàn)[D].工礦自動化,2005楊宇.基于現(xiàn)場總線技術(shù)的主軋線轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)[D].華南理工大學(xué),2006[12]孫振興.開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的研究[D].山東大學(xué),2010致謝首先要感謝我的指導(dǎo)老師—XXX老師。在他的悉心指導(dǎo)下，我才得以順利的完成本次畢業(yè)設(shè)計。他從最初就為我們制定了周密科學(xué)的工作任務(wù)安排，每次都很認(rèn)真的查看我們的工作日志完成情況，對于我們的疑問也總給予耐心的解答。我還要感謝我的同學(xué)，跟他們一起討論相關(guān)的課題，使我的思路得以極大的開闊，并能發(fā)現(xiàn)自己在某些內(nèi)容上的欠缺。另外，我也深深的感受到了同學(xué)間的互相幫助和友誼。這也是我順利完成畢業(yè)設(shè)計的一大動力。還有許多在論文完成過程中給予我?guī)椭娜?，在此不一一列舉了，一并表示最衷心的感謝。附錄A系統(tǒng)硬件原理圖附錄B系統(tǒng)程序清單主程序:ORG0000H 」AJMP STARTSTART： CLRPSW.4CLRPSW.3 ；選中工作寄存器0組CLRCMOVR0，4FHMOVA，30HCLEAR1：CLRAINCADJNZR0，CLEAR1 ；清零30-7FHSETBTR0 ；定時器/計數(shù)器0工作MOVTMODE，#01H ；定時器/計數(shù)器工作在方式1SETBEA ；總中斷開放SETBIT0 ；置INTO為降沿觸發(fā)SETBIT1 ；置INT1為降沿觸發(fā)LJMPMAINLJMPCTCOLCALLSAMPLEORG0034HPN1EQU30H ；PN1用來記脈沖的低二位數(shù)PN2EQU31H；PN2用來記脈沖的高二位數(shù)PN3EQU32H ；PN3用來做延時程序PN4EQU33H ；PN4用來做延時程序ORG100HMAIN：MOVB，#00H

CLRWMOVTMOD,#01H;T1和T0都是方式一計數(shù)MOVTL0,#18HMOVTH0,#0E0HMOVTL1,#0AFHMOVTH1,#3CHSETBEASETBET0;T0中斷允許SETBTR0SETBP3.4SETBET1;T1中斷允許SETBTR1SETBPT0；設(shè)置T1、T2為高級中斷SETBPT1MOVR1,#5H；默認(rèn)開始的時候速度為5檔SETBKK1SETBKK2MOVA,#00H；把PN1，PN2都清零MOVPN1,AMOVPN2,AMOVDPTR,#GRAPHEMICANLP1,#0FHANLP0,#00HMAINLINE：POS: JBP2.0,REV；正轉(zhuǎn)按鈕SETBTSETBWREV： JBP2.3,TT；反轉(zhuǎn)按鈕

SETBWTT： JNBW,POS;等待正反轉(zhuǎn)按鈕JBT,POSITIVEJNBT,REVERSEPOSITIVE：SETBP1.0;電機(jī)正轉(zhuǎn)CLRP1.1CLRP1.2SETBP1.3LCALLBIJIAO0；PWM調(diào)制LJMPMAINLINEREVERSE：CLRP1.0；電機(jī)反轉(zhuǎn)SETBP1.1SETBP1.2CLRP1.3LCALLBIJIAO0；PWM調(diào)制LJMPMAINLINEWAIT： MOVA,#00H；如果不開始，那么程序就在這里等待MOVP0,AWAIT1： SETBP0.6SETBP0.7ANLP1,#0FHSETBP1.4SETBP1.5SETBP1.6SETBP1.7SETBP3.6NOPCLRP3.6LCALLDELAYJBP2.5,WAIT1;開機(jī)等待SETBKG