1、基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。1目 录摘要3前言4第一章 系统硬件电路的设计5第一节 系统方案选择与总体设计51.1.1 调速方案的选择51.1.2 双闭环直流调速系统电路原图61.1.3 双闭环直流调速系统动态数学模型 61.1.4 数字控制双闭环直流调速系统方图71.1.5 数字式双闭环直流调速系统硬件图81.1.6 8051 单片机简介9第二节 主电路设计与参数计算101.2.1 整流变压器的计算与设计101
2、.2.2 开关器件 IGBT 参数计算与选择111.2.3 电阻电容的选择111.2.4 整流功率二极管的选择111.2.5 平波电抗器的选择与计算111.2.6 快速熔断器的选择与计算11第三节 调节器的选择与计算121.3.1 确定电流调节器时间常数121.3.2 电流调节器结构的选择121.3.3 电流调节器参数计算131.3.4 确定转速调节器时间常数131.3.5 转速调节器结构的选择131.3.6 转速调节器参数计算14第四节 PWM 信号发生电计141.4.1 PWM 的基本原理141.4.2 PWM 信号发生电路设计151.4.3 PWM 发生电路主要芯片工作原理16第五节 功
3、率驱动模块及光耦隔离设计171.5.1 功率驱动模块171.5.2 光电耦合隔离18第六节 A/D 转换及芯片选择191.6.1 芯片 ADC0809 介绍191.6.2 ADC0809 引脚及其功能表19第七节 测速环节设计201.7.1 旋转编码器的原理及选择201.7.2 M 法测速的实现21第八节 键盘显示单元21第二章 系统软件程序的设计22第一节 主程序设计23第二节 PI 控制子程序设计24第三节 M 法数字测速程序26基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选
4、和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。2第四节 故障保护程序设计28第二章 系统 MATLAB 仿真32第一节 系统建模与参数设置323.1.1 直流电机的数学模型323.1.2 转速电流双闭环调速系统的数学模型323.1.3 建立仿真模型33第二节 仿真结果33结论35结束语36参考文献37基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。3摘 要本文主要研究了利用 MCS-51 系列单片机控制 PWM 信号从而实现对直
5、流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了 PWM 信号的发生系统，并且对 PWM 信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对 PWM 信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片 IR2112S 作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块来完成了在主电路中对直流电机的控制。另外，本系统中使用了光电编码器对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到 A/D 转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行 PI 运算，从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了 PI 运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。关
6、键词： PWM 信号 直流调速 双闭环 PI 运算基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。4前 言本系统利用 MCS-51 系列单片机，通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM 控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出
7、电压的大小，也可改变输出频率。PWM 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM 控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM 控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已经出现了多种 PWM 控制技术。PWM 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代
8、控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一。本系统就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了 PWM 信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用编码器测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给 A/D 转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行 PI 运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法
9、性和正确性。5第一章 系统硬件电路设计第一节 系统总体设计1.1.1 系统方案选择与总体结构设计调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量。根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。本系统采用直流双闭环调速系统，使系统达到稳态无静差，调速范围 0-1500r/min,电流过载倍数为 1.5 倍，速度控制精度为 0.1%（额定转速时） 。 1、 系统控制对象的确定本次设计选用直流电动机的额定参数直流电动机的额定参数PN=11kW、U N=230V、I N=47.8A、n N=1450 r/min，电枢回路电枢绕组电感La=2.8mH，电流过载倍数 =1.5。电枢回路总电阻可取
10、为 R=Ra+Rrec=1.8，系统机电时间常数 Tm=0.2015s，电磁时间常数 Tl=0.00278s，电动势系数Ce=0.1290V*min/r。2、 电动机供电方案选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有 3 种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称 G-M 系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称 V-M 系电压。通过调节触
11、发装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变 Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用 PWM，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。与 VM 系统相比，PWM 系统在很多方面有较大的优越性：一、主电路线路简单，需要的功率器件少；二、开端频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小：三、低速性能好，稳速精度该，调速范围宽，可达 1：10000 左右；四、若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；五、功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适当时，
12、开关损耗也不大，因而装置效率高；六、直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。本设计应脉宽调速要求，采用直流 PWM 调速系统。3、 晶体管 PWM 功率放大器方案选择方案一 单极性控制方式，这种控制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。6但又不是
13、固定其中一个桥臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频(载波频率)，而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。 方案二 双极性调制方式的特点是 4 个功率管都工作在较高频率(载波频率) ，双极性控制的桥式可逆 PWM 变换器有以下优点：1） 电流一定连续；2） 可使电机在四象限运行；3） 电机停止时有微振电流，可以消除静摩擦死区；4） 低速平稳性好，系统的调速范围可达 1：20000 左右；5） 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于
14、器件的可靠导。本设计选用双极性控制的桥式可逆 PWM 变换器。1.1.2 双闭环直流调速系统电路原理随着调速系统的不断发展和应用，传统的采用 PI 调节器的单闭环调速系统既能实现转速的无静差调节，又能较快的动态响应只能满足一般生产机械的调速要求。为了提高生产率，要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间，最好的办法是在过渡过程中始终保持电流（即动态转矩）为允许的最大值，使系统尽最大可能加速起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低，进入转矩与负载相平衡的稳态运行。要实现上述要求，其唯一的途径就是采用电流负反馈控制方法，即采用速度、电流双闭环的调速系统来实现。在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于
15、调节电流量，从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器，形成转速、电流双闭环调速控制。双闭环调速控制系统中采用了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实现串级连接。图 11.1 为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。图中两个调节器ASR 和 ACR 分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调节器输出都带有限幅，ASR 的输出限幅什 Uim 决定了电流调节器 ACR 的给定电压最大值 Uim，对就电机的最大电流；电流调节器 ACR 输出限幅电压
16、Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角 。基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。7图 1-1.1 双闭环直流调速系统电路原理图1.1.3 双闭环直流调速系统动态数学模型双闭环直流调速系统动态结构图如图 1-1.2 所示。图中 和 分ASR()WsCR()s别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用 PI 调节器，则有nASR1()sWKiCR()s为了引出电流反馈，在电动机的动态框图中必须把电枢电流 显露出来
17、。dI图 1-1.2 双闭环直流调速系统动态结构图1.1.4 数字控制双闭环直流调速系统方框图根据设计要求，本系统设计为全数字式控制方式，因此要求微型计算机完成：电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算，以及与它们相应的反馈信号的采样和数字信号处理。本系统采用霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器,其电流容量为 50A,转换比例为 1000：1。霍尔元件检测得到的弱电流信号经转换、滤波、放大后,变成与电枢电流成比例的 05V 的直流电压信号,再经 A/D 转换电路,将模拟电压转换成数字量,输入微型计算机。本系统选用光电脉冲信号发生器作为速度反馈的测量元件,光电脉冲信号发生器将电动机
18、转子的角位移量转换成脉冲序列,通过计数器定时计数即可得到电动机转速的数字式反馈量。本系统由微型计算机来实现整个系统的控制,用全数字方式来取代传统的模拟控制方式,不仅提高了系统的可靠性、灵活性,而且还为整个系统的多功能、智能化提供了必要条件。经上述考虑,本系统组成的方框图如图 1-1.3 所示。 基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。8数字式位置控制器数字式速度控制器数字式电流控制器数字式PWM 信号发生器PWM 功率放大器
19、M信号转换滤波放大A/D 转换.PG光电隔离倍频变向位置可逆计数器数字式速度测量计数器位置给定+-霍尔元件+图 1-1.3 数字式双闭环直流调速系统方框图1.1.5 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图数字式双闭环直流调速系统硬件结构图如图 1-1.4 所示图 1-1.4 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。91.1.6 8051 单片机简介本系统要求微型计算机完成电流环、速度环和位置环的
20、控制算法运算以及相应的反馈信号数字化测量和采样,接收和处理上位微型计算机送给伺服系统的指令,采集伺服系统的有关信息并反馈到上位微型计算机等。其中,电流环控制要求微型计算机有很快的响应速度,其采样频率比较高。另外,为了保证足够的控制精度和运算速度,对微型计算机字长和指令功能也有更高的要求。本系统选用我们比较熟悉的 8051 作为微型计算机。18051 单片机的基本组成8051 单片机由 CPU 和 8 个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用 CPU 加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示： 图 1-1.5 805
21、1 单片机基本组成2CPU 及 8 个部件的作用功能介绍如下中央处理器 CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051 芯片中共有 256 个 RAM 单元，能作为存储器使用的只是前 128 个单元，其地址为 00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128 个单元，简称内部 RAM。特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的 RAM 区，位于内部 RAM 的高 128 个单元，其地址为 80HFFH。内部程序存储器：8051 芯片内部共有 4K 个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部 ROM。并行 I/
22、O 口：8051 芯片内部有 4 个 8 位的 I/O 口（P0，P1，P2，P3） ，以实现数据的并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。定时器：8051 片内有 2 个 16 位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有 5 个中断源，即外部中断 2 个，定时/计数中断2 个和串行中断 1 个。振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成 8051 单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为 12MHz。38051 单片机引脚图基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档
23、资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。101-1.6 8051 单片机引脚图第二节 主电路的设计及参数计算由于给定直流电动机的额定电压为 230V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用 /Y 联结。1.2.1 整流变压器的计算与设计变压器二次侧电压：U 2的确定原则是要保证在电动机的整个起动过程中，整流装置都能够提供要求的最大电流值 1.5*Idnom，忽略 IGBT 压降和换相重叠压降后可列出下列
24、公式：电动机 Ce=0.1290Udm=2.34*U2Ce*Nn+Idm考虑到电网电压波动，取波动系数为 0 .95，则有:U2=(Ce*Nn+Idm*R)/2.34=(0.129*1450+1.5*47.8*1.8)/(0.95*2.34)= 142.2V整流器视在功率：Sn=3u2I2=3*142.2*1.5*47.8=30.59 KVA故 ，变压器一次侧电压一般由供电电源决定取 u 1=220V 13NSII1=Sn/(3*U1)=30.59*1000/(3*220)=46.34 A故变压器应选择 220V/150V 视在功率为 35KVA基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线
25、网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。111.2.2 开关器件 IGBT 参数计算与选择反向最大电压：U=1.3Uc=1.3*296.01=384.8VI=1.5Id=1.5*47.8=71.7A选取西门子的 BSM75GB60DLC 型 IGBT,耐压 600V，电流 75A，工作极限温度80oC。1.2.3 电阻、电容的选择由限流电阻计算公式：R0= Ud02/Pe=257.4*257.4/11000=6.0滤波电容器由经验公式求得：C1=C2=4uF/V* Ud0
26、=4*257.4=1029.6uF并联电阻一般取 56-100k,则有：R1=R2=56k吸收电阻： Rb=2.5Uc/1.5IdN=15.48，所以，滤波电容器采用两个 1100uF/300V 标称的铝电解电容串联。电阻取 R0=6.0,R1=R2=56 k,Rb=16 1.2.4 整流功率二极管的选择：选择功率二极管的耐压值：U=(2-3)Um=(2-3)*sqr(3)*110=380-520V通态电流值：Ita=（1.5-2）Ivt=(1.5-2)*47.8/sqr(3)/1.57=26.31-35.16A选取功率二极管数据为：600V/50A1.2.5 平波电抗器的选择及计算平波电抗器
27、：平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。对于三相桥式整流电路：（参考课程设计一数据）L=0.693U2/Idmin又因为一般 Idmin 为电动机额定电流的 5%10%，这里去 10%。In=47.8A因此： L=0.693U2/4.78又因为 U2=142.2V基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，
28、但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。12所以： L=0.693*142.2/4.78=20.62Mh1.2.6 快速熔断器的选择及计算熔断器作用： 当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。快速熔断器的额定电流的计算如下：Itn=*Ita/2 (A)其中 Ita 为晶闸管的额定通态平均电流，即为 35.16A。因此： Itn=55.2A。快速熔断器的额定电压 Utn 可用下列公式计算：UtnKut
29、*Uv /1.4Uv =U2=142.2V；Kut 为元件电压计算系数,查表得 2.45。 因此： Utn248.85V所以应选用的熔断器为：RT0100 型。第三节 调节器的选择与计算反馈系数的确定：电枢电流是双极性的，A/D 转换的结果为 10 位二进制数转速反馈系数： = 1V.min/r电流反馈系数： = U* im/Idm=1023/(71.7*2)=14.4/A1.3.1 确定电流调节器时间常数1） 整流装置滞后时间常数 Ts=0.0017s。2） 电流滤波时间常数 Toi:取 Toi=0.5ms=0.0005s。3） 电流环小时间常数之 Ti 近似处理，取 Ti =Ts+Toi=
30、0.0022s。4） 电枢回路电磁时间常数 TlTlL/R0.781/52.30.0167s5） 电力拖动系统时间常数 TmTm=40ms0.04s6) Ks=Uc-(-Uc)/fpwm=2*296.01/(100*1000)=0.005921.3.2 电流调节器结构的选择根据设计要求并保证稳态电流无差，可按典型 I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型电流调节器，其传递函数为WACR（S） =Ki（ is +1）/ is基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提
31、供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。13Ki-电流调节器的比例系数； i-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗干扰性能：Tl /TI =0.0167s/0.0022s=7.6,参照教材中表 2-3 的典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。图 1-3.1 电流环等效近似处理后校正成为典型 I 系统框图1.3.3 电流调节器参数计算电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.0167s电流环开环增益：要求 i5时,查表得 KITi=0.5, 因此KI=0.5/0.0022s=227.3s-1于是，ACR 的比例系数为： Ki=KIiR/Ks=227.3
32、 0.002781.8/(0.0059214.4)13.34电流环采样角频率：Wsi=10Wci=2273s-1电流环采样时间：Ti=1/(Wsi/2pi)=0.028s1.3.4 确定转速调节器时间常数1）电流环等效时间常数 1/KI已知 KITi=0.5，则1/KI2Ti20.0022s 0.0044s2）转速时间常数 Ton。取 Ton=0.001s3）转速小时间常数 Tn。按小时间常数近似处理，取Tn1/KITon0.0054s1.3.5 转速调节器结构的选择转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 II 系统，基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的
33、文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。14系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。图 1-3.2 转速环等效近似处理后校正成为典型 II 系统框图ASR 也应该采用 PI 调节器，其传递函数为：WASR（s） = Kn（ ns +1） / nsKn-转速调节器的比例系数； n-转速调节器的超前时间常数。1.3.6 转速调节器参数计算按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=5，则 ASR 的超前时间常数为n=hT n=50.0044s=0.027s转速开环增益：KN=(h+1)/2h2
34、Tn2=6/(25 20.00542)=4115.2s-2ASR 的比例系数为：Kn=(h+1)CeTm/2hRTn=614.40.12900.2015 /( 2511.80.0054)=23.10转速环采样角频率：Wsn=10Wcn=1111.1s-1电流环采样时间：Tn=1/(Wsn/2pi)=0.00565s第四节 PWM 信号发生电路设计1.4.1 PWM 的基本原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM 可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一
35、个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。15机的转速。也正因为如此，PWM 又被称为“开关驱动装置” 。如下图所示：图 1-4.1 PWM 原理波形设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，设占空比为 D= t1 / T，则电机的平均速度为 Va = V
36、max * D，其中 Va指的是电机的平均速度；V max 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T 是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t1 / T 时，就可以得到不同的电机平均速度 Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度 Vd 与占空比 D 并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。1.4.2 PWM 信号发生电路设计图 1-4.2 PWM 信号发生电路PWM 波可以由具有 PWM 输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用 PWM专用芯片来实现。当 PWM 波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太
37、低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM 波的频率在 18KHz 左右时，效果最好。在本系统内，采用了两片 4 位数值基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。16比较器 4585 和一片 12 位串行计数器 4040 组成了 PWM 信号发生电路。两片数值比较器 4585，即图上 U2、U3 的 A 组接 12 位串行 4040 计数输出端 Q2Q9，而 U2、U3 的 B 组接到单片机的 P1 端口。只要改变
38、 P1 端口的输出值，那么就可以使得 PWM 信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。12 位串行计数器 4040 的计数输入端 CLK 接到单片机 C51 晶振的振荡输出XTAL2。计数器 4040 每来 8 个脉冲，其输出 Q2Q9 加 1，当计数值小于或者等于单片机 P1 端口输出值 X 时，图中 U2 的（AB）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机 P1 端口输出值 X 时，图中 U2 的（AB）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2Q9 由全“1”变为全“0”时，图中 U2 的（AB）输出端又变为低电平，这样就在 U2 的（AB）端得到了 PWM 的信号，它的占空比为（255 -
39、X / 255）*100%，那么只要改变 X 的数值，就可以相应的改变 PWM 信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出 X 的值，而 PWM 信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时 P1 端口输出全为“1” ，使用数值比较器4585 的 B 组与 P1 端口相连，升速时 P0 端口输出 X 按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。1.4.3 PWM 发生电路主要芯片的工作原理1芯片 4585 （1）芯片 4585 的用途：对于 A 和 B 两组 4 位并行数值进行比较，来判断它们
40、之间的大小是否相等。（2）芯片 4585 的功能表：输入比较 级取输出A3、B3A2、B2A1、B1A0、B0AB ABA3B3 * * * * * 1 0 0 1A3=B3 A2B2 * * * * 1 0 0 1A3=B3 A2=B2 A1B1 * * * 1 0 0 1A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0B0 * * 1 0 0 1A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0=B0 0 0 1 0 0 1A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0=B0 0 1 0 0 1 0A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0B0 1 0 0 1 0 0A3=B3 A2=B2 A1B1 * * * *
41、 1 0 0A3=B3 A2B2 * * * * * 1 0 0基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。17A3B3 * * * * * * 1 0 0（3）芯片 4585 的引脚图：图 1-4.3 4585 的引脚图2芯片 4040 芯片 4040 是一个 12 位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。当 CR 为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用施密特触发器，故对脉冲上
42、升和下降时间没有限制，所有的输入和输出均经过缓冲。芯片 4040 提供了 16 引线多层陶瓷双列直插、熔封陶瓷双列直插、塑料双列直插以及陶瓷片状载体等 4 种封装形式。（1）芯片 4040 的极限值：电源电压范围：-0.5V18V输入电压范围：-0.5VV DD+0.5V输入电流范围：10mA贮存温度范围：-65C150C（2）芯片 4040 引出端功能符号：CP: 时钟输入端 CR：清除端 Q 0Q11：计数脉冲输出端 VDD: 正电源 V SS: 地端（3）芯片 4040 功能表：输入CP CR输出*LLH保持计数所有输出端均为 L（4）芯片 4040 的引脚图：基于单片机的双闭环直流调速
43、系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。18图 1-4.4 4040 的引脚图第五节 功率驱动模块及光耦隔离设计1.5.1 功率驱动模块电路中驱动采用的是 IR2112S 芯片，IR2112S 芯片是 IR 公司专为驱动功率开关管而设计的，是一种高电压高速的功率 MOSFET 和 IGBT 驱动器，它有两个独立的高端和低端输出通道，一个芯片可以驱动两个 MOSFET 管或 IGBT 管。输出的浮置通道可用来驱动高端接于 600V(最大)的 N 沟道电
44、力 MOSFET 或IGBT。 图 1-5.1 为 SOIC 封装的 IR2112S 的引脚排列。图 1-5.1 IR2112S 的引脚排列IR2112S 具有的特点是：(1)浮置通道具有自举电路，工作电压可达 600V，抗 dv/dt 干扰；(2)驱动电压为 10V 以上；(3)禁止直通逻辑(一个桥的上下臂不能直通) ； (4)两个传输通道延时相同； (5)高端输出与 HIN 输入相位相同，低端输出与/LIN 相位相同（如图 1-5.2）。基于单片机的双闭环直流调速系统免责声明：文档在线网中所有的文档资料均由文档在线网会员提供,该文档资料的版权属于提供者所有。文档在线网会对会员提供的文档资料
45、进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性和正确性。19图 1-5.2 IR2112S 的控制逻辑1-5.2 光电耦合隔离光藕起到隔离和电平转换的作用，因为单片机输出的是 TTL 电平(05V) ，而驱动部分采用的是 IR2112S，它的电源要求是 3V20V ，光耦部分电路中采用了 5V 电源，其输入电平在 05V 之间。在此选用高速光耦 6N136 芯片。因为 6N136 的绝缘电压是 2500V(最小值)，具有可兼容的 TTL 电路;逻辑低电平和逻辑高电平的传输延迟时间都是 0.5s(带宽 2MHz)，供电电压是0.5V15V，其耐压和速度都符合电路的要求。图 1-5.3 6N136 芯片引脚图第六节 A/D 转化及芯片选择1.6.1 芯片 ADC0809 介绍ADC0809 是 8 位、逐次比较式 A/D 转换芯片，具有地址锁存控制的 8 路模拟开关，应用单一的+5V 电源，其模拟量输入电压的范围为 0V-+5V，其对应的数字量输出为 00H-FFH，转换时间为 100s，无须调零或者调整满量程。1.6.2 ADC0809 的引脚及其功能ADC0809 有 28 个引脚，其中 IN0-IN7 接 8 路模
