基于单片机的直流调速系统设计

1、基于单片机的直流调速系统系统设计Design of DC Speed Regulation System Based on Single Chip Microcomputer摘 要本文的主题是单芯片微型计算机的DC速度控制系统的设计。早期直流电机的控制策略包含模拟电路、数字电路以及运算放大器等等。当前随着科学技术的快速发展，直流电机的控制策略也随之逐渐发展，已经实现了控制系统的数字化应用，直流电动机控制方式从模拟电路向数字电路的转换，特别是单芯片技术的应用提供了新的控制思路。直流电动机的速度控制系统的优点是高的起动性。在很多需要快速反应调速的领域中，都有它的一席之地。在当今的电子产品里面，直流

2、电机调速系统得到了广泛地应用。AT89S52单片机是本文的设计核心，我将通过两个方面完成此次系统的设计与调试，分别是单片机和C语言。科技越来越发达，单片机性能越来越好，有多种算法来控制不同种类的单片机，多种算法与控制的结合下产生了极高的灵活性与可操作性，高性能的系统也是越来越多。我通过单片机的操作系统，减少了很多人力与金钱的成本，有效地提高了效率。关键词：AT89S52单片机，控制系统，直流调速IVAbstractThe theme of this paper is the design of DC speed control system for single chip microcompu

3、ter. Early DC motor control strategies include analog circuits, digital circuits and operational amplifiers. At present, with the rapid development of science and technology, the control strategy of DC motor has been gradually developed. The digital application of control system has been realized. T

4、he conversion of DC motor control mode from analog circuit to digital circuit, especially the application of single chip technology, provides a new control idea. The speed control system of DC motor has the advantage of high startup. In many areas requiring rapid response speed regulation, it has it

5、s place. In today's electronic products, DC motor speed control system has been widely used.AT89S52 single chip computer is the design core of this paper. I will complete the design and debugging of this system in two aspects: single chip computer and C language. With the development of science

6、and technology, the performance of single-chip computer is getting better and better. There are many algorithms to control different kinds of single-chip computer. The combination of various algorithms and control results in high flexibility and operability, and more and more high-performance system

7、s. Through the operation system of single chip computer, I have reduced the cost of manpower and money, and effectively improved the efficiency.Key words: AT89S52 Single Chip Microcomputer,Control system , DC speed regulation目录第1章 绪论51.1 课题背景及意义51.2直流电机调速原理61.3系统方案与分析71.4总体硬件电路设计8第2章 PWM脉宽调制原理82.1 P

8、WM调速原理82.2 PWM调速方法92.3 PWM实现方式9第3章 硬件部分113.1 单片机的选型113.2驱动电路123.2.1 芯片IR2110性能及特点123.2.2 IR2110的引脚图以及功能133.2.3元器件的选择比较、选型133.3 H桥双极性主电路143.4 检测回路183.4.1光电编码器183.4.2 M/T法测速原理193.5 键盘及显示电路13.5.1键盘/显示芯片8279简介13.5.2 键盘设计13.5.3显示器设计23.6电源电路3第4章 系统软件设计54.1 PWM实现方式54.1.1 定时器/计数器54.1.2PWM产生程序54.2 系统程序设计64.2

9、.1 主程序及系统初始化模块64.2.2 中断程序设计74.2.3 中断子程序模块84.3 键盘/显示模块设计84.4 数字PID控制器104.4.1 PID控制器原理104.4.2 数字PID控制器流程图11第5章 系统的MATLAB仿真145.1系统的建模与参数设置145.2电机Matlab仿真16结论19参考文献20致 谢21第1章 绪论1.1 课题背景及意义直流电机诞生于一百四十多年前，自其问世以来，在各行业中得到了广泛应用。随之制造业规模的逐渐扩展和技术的不断革新，直流电源的普及和新材料的应用促使了直流电机产品的发展和完善，一系列不同规格型号的直流电机在生产生活的各个领域之中广泛应用

10、，且种类日益繁多。直流电机的额定功率在数瓦至数千万之内，具有良好的运行稳定性和可靠性，广泛应用于各行业领域之中。近年来，随着计算机技术在直流电机的设计和制造各个环节中均有所应用，为直流电机功能的完善奠定了坚实基础。就直流电机的演变历史角度层面来说，可发现直流电机的发展趋势和动向可分为几个阶段：从上世纪40年代到50年代之间, 直流电动机系统的电源主要的方案是采用M-G电动发电系统,时间来到60年代初, 水银整流器电源逐渐代替电动发电机系统电源, 慢慢来到60年代后期, 可控硅整流装置凭空出世, 并且得到空前的迅速发展, 可控硅整流电源已占据了统治地位。由于时代的发展，直流电源供电的方式不断更新

11、迭代, 尤其是近年来，技术的不断革新为直流电机功能的发展和完善奠定了坚实基础，促使直流电机功率和转速动能以及控制精确度不断提升。由于各行业领域的技术不断创新，特别是绝缘技术的发展，小型轻量是直流电机的发展方向。科学技术在时间的推进下不断进步，各种方向单片机的研究与深入探讨层出不穷，有全面发展的态势。也就是在这个时候，在1985年，一些具有良好创新意识的企业，像美国的创新铣床公司利用自身独特的优势生产出了HVM600高速加工的中心，它最大的优势在于最大速度可达76.2m/min，其他产品是很难超越这个最大速度的，最主要的原因是使用了永磁同步直线电机。随着时间的推进，直线电机速度的最高峰值不断变化

12、，但时间停留在1997年，150200 m/min是直线电机速度已经能够达到的最大值。由于现代技术的不断发展，不断地研制出更多的控制、冷却技术还有新型的磁性材料，从这个现状来看，我们能够得出，高速度机床企业正在广泛使用直线电机。如今，直流调速的发展前景受到了较大的冲击，变频技术的快速发展是重大的原因，能展示出交流调速的优势，但是直流调速系统的位置还是非常稳固的，因为从全局来看的话，从我们国家的实际情况来看，全数字化的直流天速系统正在崛起，很大幅度的提高了直流调速系统的可靠性和精度。在所有的系统里面，不管调速与加速、减速性能做得多好，稳速性能一直是最难提高的，相对于前面两个性能，稳速要求更难，稳

13、速的难点在于要以一个稳定的速度转动，与此同时，转动速度的波动范围要求很小，一定要具备应对干扰的能力。对于各个企业来说，同时把调速、增减速、稳速做的特别好，是非常难的，在科研、人力上需要投入巨大的精力，但是这也是各个企业的目标。直流电机在各行业领域中具有重要作用，评判直流电机性能优异与否的重要指标之一为直流电机的转速参数，就实际生产生活而言，设备的性能需要达到人们的需求预期，这对于提升生产效率降低劳动量而言具有重要意义，因而要测量电机的转速和调速，而且随着科技的不断发展,电机调速的新方式是PWM调速。伴随着技术的不断进步发展，控制系统的自动化是越来越多的行业开始采用的系统，电气传动中采用直流驱动

14、控制系统是现代化生产中越来越重要的主流系统。直流电动机系统在传动领域中变得如此重要的原因有几点，一是它控制性能好，二是调节方法非常简单，最重要的是能大范围地平滑调速，转速调节灵活。当今很多现代化企业工厂里面，有关于自动化控制的设备使用直流电动机已经是很常见的事情。随着社会生产得规模不断加大，直流电机的性能和需求量都会要求更新，需要更好的性能及机器。作为一名即将进入社会的自动化人员，直流电机系统的性能将会是我们以后工作的焦点，我们将会不断提高它的性能。1.2直流电机调速原理如下图所示为直流电机电路模型，在磁极、之间设有一个可自由转动的磁铁，磁铁表面固定有一个缠绕状的线圈。当电流经过线圈时，线圈将

15、受电磁力作用，将做旋转运动。根据左手定则我们可知，当流过线圈中的电流改变方向的时候，届时线圈方向也会改变，所以通过改变线圈的电路方向从而实现改变电机转动的方向。直流电机的模型见图1-1。图 1直流电动机电路模型社会上有几种不同的直流电机系统，他们各自有不同的机械特性曲线。以下公式对于直流电机都适用： （1-1）式 “-电枢供电电压； -电枢电流； -励磁磁通； -电枢回路总电阻； -系数；电磁对数；电枢并联支路数；导体数。现在介绍两种控制直流电机转速过大的策略，其一为枢电压控制方式；其二为励磁控制方式。前者实现控制的主要原理是定子磁场保持不变，其电枢电流可达到额定值，在电枢电流达到额定值后期输

16、出转矩也可相应达到额定值，这种方式也被称之为恒转矩调速方式；后者实现转速控制的主要原理是电机在额定电流下进行运行是会，其磁场近饱和，因而若要实现转速控制只有通过控制磁场的方式来实现，因此这种转速控制方式也被称之为恒功率调速方式。在工业生产中常见的直流电机所采用的转速控制策略为第一种，即电枢电压控制方法。在这之中，脉宽调制(PWM)即为保持频率不变，通过改变占空比来控制“占空比”百分比，来改变电枢电压的大小，从而完成对电动机转速改变的操纵。1.3系统方案与分析单片机里的AT89S52型号是本文用来调试系统的核心，改变占空比的方式有很多，我采用了通过脉宽调制的方式，来控制直流电机的速度。本人设计的

17、调试中，我将模拟PWM信号的集成，接着使用驱动电机，再利用光电编码器的功能，推算出电机的速度，最后将电压信号反馈给单片机，实现目的。单片机也将进行PID运算，利用单片机的功能，输出控制量，形成一个闭环控制，完成一个控制电机速度的控制。对于基于单片机的直流调速系统，作者是这样理解的：“直流电电机实现转速的平稳控制是利用基于单片机的直流调速系统来实现的。脉宽调制为保持频率不变，通过改变占空比来控制占空比，来改变电枢电压的大小，从而完成对电动机转速改变的操纵。”因此在本文所设计的直流电机调速系统中，脉宽调制的作用即为控制电动机的转速。控制过程为在固定频率的前提下，即保持周期不变的情况下，根据设计要求

18、来接通和断开电源，通过改变“接通”和“断开”时间的长短。因此，“开关驱动装置”也是PWM一个别称。作者根据脉宽调制原理，已单片机系统为基础，改变电枢电压占空比，从而实现改变直流电动机的速度。硬件与软件的控制缺一不可，硬件为整个系统提供一个稳定的平台；软件提供了系统所需的算法、分析功能，两者相辅相成，才能达到作者的目的。1.4总体硬件电路设计图 2直流电机PWM调速系统设计方框图第2章 PWM脉宽调制原理2.1 PWM调速原理脉宽调制主要原理是通过控制脉冲幅值来实现的，等效代换得到目标波形信息的技术。下式是计算占空比的公式： (2-1)占空比：在一个设定好的时间周期里，管道开关导通的时间与时间周

19、期的比值，其中占空比的变化范围是。从这个公式我们可以得出，如果电源电压不变，电枢电压平均值即为，所以如果想要改变电枢电压的话，我们可以改变占空比，从而达到控制直流电机的目的。如图所示： 图2-1 PWM信号的占空比根据上图，如果系统是一直接入直流电源，那么此时直流电动机有最大的转速，设定是。现在我们可以通过改变占空比来获得不同的转速，。所以当占空比变化的时候，转速也会变化，因此可通过这种控制策略来实现转速控制。2.2 PWM调速方法当前普遍使用如下三种方式来改变占空比，现对其进行一一介绍说明：(1)定宽调频法：即保持宽度不变而改变宽度，此时频率也会发生相应变化，也就是所谓的宽度的大小不变，调整

20、频率的大小；(2)调宽调频法：同定宽调频法相反，仅改变的宽度，此时频率也会发生相应变化，也就是所谓的调整宽度的大小和调整频率的大小；(3)定频调宽法：就是使（即频率）的宽度保持不变，改变的宽度，此时的宽度也会发生变化，也就是所谓的保持频率不变，调整宽度的大小。从以上三种方法的分析中，选择哪种方法将影响系统的性能，一二种方法比较类似，都是通过改变周期（即频率）的大小来控制占空比，但这样会出现一个问题，一旦系统的固有频率和选择的控制频率比较靠近时，就会引起不必要的振荡，一般很少采用，所以本系统用的是第三种方法。2.3 PWM实现方式方案A：利用一个定时器，为脉宽调制设定时间，自动的系统产生的脉冲宽

21、度将非常准确。方案B：在电脑编写一个程序，利用程序自动为电机延时产生脉冲。但是这种方案精度比不上方案A，作者将采用方案A。作者将使用闭环系统，闭环系统的优点在于反馈。当被控制量与预定值不符合的时候，可以通过反馈作用将偏差的地方修正。为实现直流电机的转速平滑控制，作者拟使用单片机作为核心控制模块来设计直流调速系统，该系统通过控制器产生一个PWM波经过驱动电路放大后形成一个可控制直流电机的脉宽调制，使用一个速度传感器，测量电机的转速，随后得出的速度信息传送到系统，系统反馈一个反馈信号，将调整PWM，实现调整，从而达到控制直流电机的效果。第3章 硬件部分3.1 单片机的选型作者在全方位考虑各类单片机

22、的性能与性价比后，决定采用AT89S52单片机。适用于常规的编写程序项目，芯片性能则越优秀。 AT89S52是一种低耗能、扩展性强、功能全面的CMOS 8位微处理器，4K字节闪存。随着微型处理器的到来，计算机的外观方面开始出现翻天覆地的改变。在生产生活的各领域之中，微型计算机的应用越来越广泛，将单片机置于一个控制系统的核心控制模块中可更为简单可靠的完成智能控制，这种系统被称之为嵌入式系统。单片机也被称之为微型控制器，是一种超大规模集成电路，具有一个计算机的完整功能，总的来说，单片机自身就是一个小型具有超强功能和信息计算处理能力的计算机，广泛应用于生产生活的各个领域之中。针对本文所设计基于单片机

23、的直流调速系统拟采用AT89S52单片机作为主控模块。AT89S52主要性能：1、与单片机等系列产品可实现兼容； 2、CMOS 8位微处理器，8K字节闪存； 3、其擦写周期为1000次；4、全可实现静态操作，其频率为：； 5、三级加密程序存储器 ；6、32个可编程输入输出接口 ；7、三个16位定时器/计数器 ；8、8个中断源 ；9、串行通道 ；10、具备掉电工作模式以及低功耗空闲工作模式； 11、掉电后可自动唤醒； 12、具有看门狗定时器 13、双数据指针 14、掉电标识符 AT89S52引脚图图3-1 单片机引脚图本文所设计基于单片机的直流调速系统中所应用的单片机具备6个中断源，分别为两个外

24、部中断，一个串行中断，其余为定时中断。系统中特殊寄存器可在特殊情况下实现对这些中断源的控制，除此之外还可实现一次性中断。本文所设计基于单片机的直流调速系统中所应用的单片机内部具备三个可编程定时器，以及十六个触发器，由此可知其最大计数规模为。可根据实际的技术范围和具体的工作需求来将其作为定时器或计数器予以适用，当定时器使用时可通过指令来予以设置，这就是通常所说的可编程。这种可编程是通过TMOD控制器来完成的。3.2驱动电路市面上有很多种类的功率放大驱动芯，IR2110是比较常见常用的芯片，IR2110电路简单，使用起来很方便，性价比极高，具有双通道驱动特性，所以我采用了该芯片。3.2.1 芯片I

25、R2110性能及特点IR2110是美国公司生产的一代高性能芯片，它的集成电路是高技术、高性能的代表，芯片性价比极高，作者非常看重性价比，性价比是工业生产中很重要的因素。3.2.2 IR2110的引脚图以及功能图3-2 IR2110管脚图应用了两种不同的工艺，其一为闩锁抗干扰工艺；其二为工艺，无论是何种不同工艺，其输出通道均是相互独立的；但是相较于标准而言，其具备相互兼容的逻辑输入；除此之外在电路中应用了悬浮电源，500V是它工作电压可以达到的最大值，du/dt=±50V/ns，当条件为小于等于15V时，其静态功耗为1.6mW；栅极驱动电压和逻辑电源电压的范围分别为以及，但后者具备可偏

26、差范围，且其电压偏移范围通常为。图3-3 IGBT驱动电路3.2.3元器件的选择比较、选型将采用IGBT，IGBT元件具备下述特征和优势：(1)处于正常工作状态时具有更低的导通电阻，且电流容量相对较大；(2)其输出电流以及跨导均大于通过尺寸功率的其他元件；(3)可承受很高的电压，因而可作为耐高压设备的组成元件；(4)可实现大漏极电流的关断。IGBT型号主要参照下述几个原则来予以选择：（1）正反向峰值电压： （3-1）考虑到实际情况下应当取一定的安全系数，900V可选IGBT的电压。（2）承受的峰值电流可依照下述公式予以计算: （3-2）如果按照额定电电压设置为220V供电电压，设置额定功率10

27、kVA。在计算出（或测出）最大电压后，再留有20%30%的裕量，选用的IGBT型号为三菱公司的CT60AM-18F，其耐压值为900V，最大峰值电流30A，完全满足设计要求。3.3 H桥双极性主电路根据上述原理介绍可知，高压级产生栅极驱动电压的先决条件是抵压级需要实现开关动作，且在高压期间为导通状态。由此可知在本文所设计的电路中，VT1，VT4或VT2，VT3分别实现不连续和连续导通。我们可以采用双PWM信号来控制直流电机的正向旋转及其速度。将IC1的HIN端连接到IC2的LIN端，并将IC1的LIN端连接到IC2的HIN端，这样两个芯片输出的信号正好相反。在HIN保持高电平时，导通，此时在直

28、流电动机施加正向工作电压。具体步骤如下：电源通过施加到直流电动机的正极，随后电流通过整个直流电动机并在VT4到达零电位，此时整个电路导通，电动机在该状态下正向旋转。在HIN保持低电平时，此时LIN端输入高电平，VT2、VT3为到庭状态，为直流电动机施加反向工作电压，具体步骤为：电源通过施加到直流电动机的负极，随后电流通过整个直流电动机并在VT2到达零电位，此时整个电路导通，电动机在该状态下反向旋转。因此，电枢上的工作电压不是单极矩形脉冲波形，而是双极矩形脉冲波形。由于机械惯性，电动机转速和转向的调节和控制则是由买充电呀的均值决定的。让PWM波周期设定为HIN的最高时间，同时忽略死去时间，HIN

29、信号占空比随之可以计算，将电源电压进行设定，并按下式计算电枢电压的平均值为： （3-3）随后对负载电压系数予以定义：即大概T为常数，对BIN高电平时间和占空比尽心改变后进而达到改变复杂电压的目的，负载电压系数取值在0-1之间变化,其最大值和最小值分别为+1和-1.若此时改变电路的接触状态，可实现直流电机的无极调速。此时电机初速度大小为0。当时，,转速为0；当时，为正，正转；当时，,高速运行。 图3-4 桥式可逆PWM变换器电路双极控制可逆PWM变换器4个不同的驱动电压波形图如下图所示：图3-5 PWM变换器的驱动电压波形它们的关系是：在开关周期期间，此时，晶体管，饱和度导通，此时关闭。那时，最

30、后期限，但不是立即，电枢电流，续流，此时。在正负相位的循环中，这是双极性PWM变换器的一个特性，其电压，电流波形如图2所示。电机正反转分别对应正极宽度和负极宽度，同时与驱动电压的脉冲大小也有一定相关性。驱动电压脉冲为正且脉冲宽度较大时电机正转；反之当驱动电压脉冲为负且脉冲宽度较窄时，直流电机此时将反转；若正脉冲和负脉冲相等且无输出电压，则电机处于停止工作状态。期平均输出电压可通过下式予以计算： (3-4)定义占空比为，电压系数为在双极式可逆变换器中电压系数可计算为：在对直流电机转速进行调节时电压系数的可调范围在01之间。此时认为选定的系数对电机转动具有促进作用，电机向前转动;当时,负极，电机反

31、转;那时，电机停了。然而，当电动机停止时，电枢电压是具有相等的正和负脉冲宽度的交流脉冲电压。它不等于零。由此还可以看出，电流也是交替的。因为存在相等和负脉冲宽度相等的条件，所以交流电的平均值等于零，因此不产生平均转矩。双极控制有一个很大的缺点，就是它会徒劳地增加电机。失利。虽然这个缺点是无法避免的,然而，它的好处仍然是显而易见的，即当电动机停止时存在高频微震电流。正因为如此，在正向和反向方向上有效地消除了静摩擦死区，并且获得了“动力润滑”的效果。名称。双极控制电桥可逆PWM变换器相较于传统的交换器而言具备下述优点：1）可实现在四象限的分别运行。2）具有良好的稳定性且不通过开关器件脉冲宽度较大，

32、有利于增强传导的可靠性。 3）输入电流需保证为连续。4）电机在停止时有微震电流，该电流具有消除静摩擦死区的作用。采样保持电路也被称之为保持放大器，其主要功能是实现数据采集，该电路是整个系统中最为关键的一部分，当完成模拟信号向数字信号的转变或数字信号转变为模拟信号时候需要一定的转换时间，同时在信号转换期间模拟信号为恒定的，这样它才能够在一定程度上直接决定数据采集系统的准确性。在本测量系统里面，需要采集各相的电流以及电压等相关参数，于是就选取使用了多路开关CD4051以及采样保持器来一同进行操作。A/D转换器在进行转换的过程当中，需要输入的模拟量不出现任何变动，以此来确保A/D转换的能够

33、精准的执行下去。所以，采样信号需要被传递到采样保持电路里面予以保持。采样保持器能够在一定程度上极大的影响到系统的精准性，尤其是对于那些瞬变模拟信号就更加的显著了。本系统所选取使用的采样保持器为LF398，它的价格相对比较低，在我们国内也得到了大量的使用。LF398所使用的是双结型场效应管技术，有着非常多的优点，比方说能耗比较低、工作电源范围相对较宽等等；具体如下图3.15。图3.15采样保持电路3.4 检测回路检测电路使用光电编码器将转速直接转换为数字信号并发送给MCU进行处理。3.4.1光电编码器 编码器的主要作用是将位移信号或转动信号通过传感器测量后将其转换为电信号，将角度转换为电信号的装

34、置称之为标尺，而将位移转换为电信号的装置则称之为码盘。若按照读取方法来完成编码器划分则可编码器分为两种不同类型，其一为非接触型编码器，其二为接触型编码器。前者接收元件为光敏元件，在非接触型号编码器中使用光敏元件时，不透明区域和透明区域通常用于指示代码的状态是“0”还是“1”;触点类型使用画笔接触，其导电区域代码指示“0”还是“1”。 同理，编码器如果按照工作原理来分的话可分为绝对式和增量式两种。绝对编码器的特征在于对应于每个位置的特定数字代码，因此其指示独立于测量的中间过程，但仅与测量的开始和结束位置有关。增量编码器同绝对编码器的原理不同。前者是将位移信号转化为电信号，随后将电信号在

35、编码器中予以处理，以周期性计数脉冲的形式输出，以脉冲数来表示位移量以及尺寸等信息。通过对增量编码器的优缺点以及其特征进行分析之后可知，我们可以确定设计可以使用增量式光电编码器对速度信号进行采样，如图3-6所示。增量编码器的最大优点是测量旋转角位移的累积量。下面以三相编码器为例介绍增量编码器的结构及其工作原理。图3-6 编码器原理图在光盘上定期刻有不透明和透光线是增量光电编码器的一个非常重要的特征，其中光敏元件和照明元件放置在光盘的两侧。一旦盘与电动机一起旋转，形成从光敏元件输出的脉冲，使得光敏元件接收的光增益与光传输线同步变化，并且输出波形成形为形成脉冲。编码轮上的方向标记每个z转弯输出一个脉

36、冲。码盘提供两个相位差为90°的脉冲信号，并用它来确定旋转方向。复位计数器使用编码器磁盘的z相脉冲输出，计数器每转复位一次。可以通过将A和B两相脉冲中的任何一个输入计数器来计数计数器。D输出信号Q的主要作用是确定旋转方向。 D触发器的时钟端子和D输入端子分别连接到形状A和B两相输出信号，A相脉冲的上升沿用于触发D翻转的CLK端子-flop。电动机的旋转方向如下确定。由于两相A和B脉冲相差90°，因此当直流电机处于反转状态时，B相脉冲滞后引导90°，随后D触发器在B脉冲中始终为低。当电机为正向转动时A相脉冲滞后引导90°，同时当B脉冲为高电平时为

37、触发。由此可知D-flip输出端Q为高。为了在很宽的速度范围内获得快速和高精度的数字速度测量，该设计每转使用1024线光电编码器，产生速度脉冲频率与电机速度的固定比率。频率信号通过M / T方法测量。确保速度检测的速度和精度的原因在于速度检测的速度和精度对电动机速度控制系统的静态和动态性能具有很大影响。3.4.2 M/T法测速原理测量速度的M / T方法原理为对光电编码器所输出的始终脉冲数量进行计算，同时计算并记录时钟脉冲数，该测速法原理如下图所示：图3-7 M/T法测速原理速度测量脉冲使速度测量时间同步，该速度测量脉冲如上图所示，从a点开始进行计数，达到点b，单片机发出停止命令，计数器此时仍

38、为时钟，脉冲到达c点后可使用速度脉冲上升沿触发数字电路进而使计数器停止，表示速度脉冲周期时间。同时对时钟 频率予以设定，光电编码器转发p脉冲时，转速可根据下式进行计算 （3-5）由于上述方法的计数值和均受到时间变量影响而变化，当电机处于高速运转状态时该方法等同于M法测速，在电机处于最低速度运转时，等同于自动输入T方法。因此，M / T方法可以应用于速度测量的速度范围，速度测量是广泛使用的速度测量方法。期望以低速获得高精度的速度测量值，因此在光学编码器A和B中彼此相位相差90°的两相脉冲的两相脉冲通过以下方式输出： XOR门两次。此时，用于计算转速的公式被修改为： (3-6)

39、 3.4.3 变压器的差动保护变压器的主要保护是按照循环电流基本原理实现对变压器的差动保护的，在接近于电源端出现故障以后无法立即切断。为了能够确保产生故障的一瞬间切断变压器，我们能够选取使用纵联差动保护装置。图3.18所表示的就是它的具体原理。图3.18 纵联差动保护原理图把变压器两端的电流互感器相同极性串联到一块，以使得电流继电器能够跨接到两个联线之间。这样一来的话，流经继电器的电流即为两端电流互感器2次电流的差值，也就是=-。如果能够选取好两端电流互感器的变化以及连接方式，以使得流经继电器的电流接近于0，那么保护装置就不会动作；如果保护区里面的变压器出现了故障的话，那么就会由于两端电流互感

40、器流通电流的差值过大而流入继电器的电流上升，保护装置工作，变压器两侧的断路器瞬间跳闸以保护设备。变压器的差动保护具有以下特点：首先，高低压不同，因此不能选择相同类型的电流互感器;其次，绕组的布线是不同的，因此除了电流之外，高低电压是不同的。203.5 键盘及显示电路按键电路的加入，是为了让操作系统的用户，能够自己就能设置出自己想要控制参数。在单片机系统中，对键盘输入内容进行扫描是单片机中央处理器的重要工作内容之一，当中央处理器在处理不同任务时怎样平衡键盘输入与键盘的工作方式又密切相关性，在实际情况下选择键盘的工作模式应当根据中央处理器是否空闲来进行确定，其选择原则为保证系统对关键命令的相应，且

41、不能占据更多的CPU空间。3.5.1键盘/显示芯片8279简介键盘/显示模块的核心控制器使用Intel的8279.如图12所示。它是一个专用的智能芯片，可实现分段数字显示和键盘输入控制。正是由于它的两个功能，它可以减轻CPU的负担，并且可以大大简化微控制器控制系统的硬件和软件设计，因此本设计采用了这种芯片。以下是其功能简介：（1）常规情况可实现16个数码管的同时管理；（2）能按先进先出的方式实现不同键值的缓冲； （3）可实现键盘按键的自动防抖；（4）可实现两种不同的工作方式，即中断和查询； （5）同单片机等微处理器连接较为简单。其引脚定义如下: DB0DB7:双向数据总线 RL0RL7: 检测

42、输入线 SL0SL3: 矩阵扫描线 IRQ:中断请求信号 /RD、/WR:读写选通信号 /CS:片选信号 /BD: 显示消隐信号 CLK:时钟信号 RESET:复位信号 SHIFT: 扩展键位的换档信号 CTRL/STB: 控制键输入/选通信号输入 A0:命令/状态或数据识别信号A=1,为写命令或读状态; A=0,为数据3.5.2 键盘设计采用4*4式键盘，分数字部分和控制部分，如下表所示。数字部分用于输入给定的速度，控制部分用于控制电机的运行。0123456789取消确认测速停车 图3-8显示器图输入给定速度时应注意几个问题：（1）当速度小于四位时，在前面加0表示四位数；（2）当速度输入错误

43、时，按取消按钮，显示清除，重新输入值；（3）速度输入完成后，按确认键。 3.5.3显示器设计共阴极LED用于显示4位十进制显示，并且在操作期间显示当前实际速度值。如上图所示。 8279的外围接线和MCU，键盘和显示屏如图3-9所示。 图 3-9显示器/键盘驱动电路由于该芯片具有自动分时功能，因此可与单片机的中央处理器一起工作并减少其工作负荷，且具有显示稳定、程序简单等诸多优势。3.6电源电路电源电路图如图3-10所示：图3-10 78系列的电源电路78XX,XX表示输出电压值，除此之外还有多79××系列负电压输出和78××系列正电压输

44、出。根据命名差异可知，用于电压调节的集成电路具备统一标准，并且只有三个引脚输出，即接地端子，输出端子和输入端子。由于它具有两个突出的优点，首先，电路内部存在过流，过热和调整电路保护电路。其次，它只需要很少的外部元件，因此就上述系列三端稳压器可用于形成稳压器电源，不同标号表示的含义有所不同，如7909代表输出电压为-9V，7806则说明输出电压为+6V。另外，集成稳压IC型号在78或79的中间，有时会有一个L或M，如79L24或78M12，这个字母有其固有的含义，用来区分不同分装形式和输出电流。当然，在实际应用中仍有一些问题需要注意。例如，在高功率条件下，必须在三端集成稳压器电路上安装足够大的散

45、热器。小功率的话就不需考虑这个问题了。另外,还存在齐纳管的温度过高的情况，并且齐纳管的电压调节性能将恶化。此时稳压管损坏也很有可能出现。第4章 系统软件设计4.1 PWM实现方式固定频率调节，固定宽度频率调制和以及宽调节频率调制。在本文中选择固定频率的调整方法，采用固定频率的调整方法可实现还留电动机的稳定运行，同时在产生PWM脉冲上的实现也较为方便。4.1.1 定时器/计数器MCU的内部定时器位PWM信号软件实现的必要保证。就定时器而言，选择不同的MCU，并且定时器的特性通常是不同的。即使相同型号的MCU工作方式不同，或者所选择的晶体振荡器不同，那么定时器的初始值与定时时间之间的关系也会不同。

46、然后，定时器的初始值与定时时间之间的关系是首先要确定的。现在，如果定时器/计数器位于微控制器的位和时钟频率，那么定时时间和定时器的初始值之间的关系是： （4-1） 式中，-个机器周期的时钟数； -定时器定时初值。通常，取决于模型，值将不同。在实际设计过程中，通常选择特定的模型，然后给出相应的值。在这个设计中，我们选择了频率为12MZ的微控制器。总之，我们知道要控制电机的速度，我们需要控制占空比，并达到控制占空比的目的，我们只需要通过设置不同的定时初始值来改变占空比。4.1.2PWM产生程序#include<reg52.h>#define uchar unsigned charuch

47、ar num;sbit PWM=P10;void init() TMOD=0x01; TH0=(65536-500)/256; TL0=(65536-500)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1;void T0_timer() interrupt 1 TH0=(65536-500)/256; TL0=(65536-500)%256; num+;void main() init(); while(1) if(num=4) PWM=PWM; num=0; 4.2 系统程序设计4.2.1 主程序及系统初始化模块单片机在完成初始化之后会实现显示刷新，通常而言，主机和其他外接设备的通行用于一

48、些对实时性要求不高的功能，如下图所示。子程序的初始化主要是实现运行参数和变量设定，同时对硬件工作模式进行设置，如下图4-2所示。 图4-1主程序流程图 图4-2 初始化子序 主程序要完成的主要任务有三个方面：变量初始化，内部定时器/计数器T0，T1速度测量和键盘/显示芯片8279。该程序有2个中断源：外部中断0用于电机故障处理，外部中断1用于键盘输入处理。4.2.2 中断程序设计外部中断0模块设计外部中断0是具有最高优先级的故障中断。当电机出现问题时，向CPU申请中断。中断中断后，PWM输出被阻止以停止电机。外部中断1模块设计外部中断1是键盘输入中断，具有高优先级。当键盘具有输入值时，8279

49、请求来自CPU的中断。读取键值并根据其实际功能进行操作。内部定时器T0溢出中断设计测量旋转速度作为M / T型编码器盘速度，并测量在给定时间内编码器盘输出的脉冲数。 T0用于定时，T1用于计数，T0和T1均以模式1运行.T0时序为50ms，MCU的时钟频率为12MHz，机器周期为1us。4.2.3 中断子程序模块终端服务子程序的主要功能是对系统运行起保护作用，如故障保护、状态检测等等。由中断源应用产生，CPU实时响应。 图4-3 转速调节中断子程序框图 图4-4故障保护中断子程序框图当故障保护引脚电平出现变化时速度调整适用定时终端，在上述两种不同的终端服务中，故障保护的优先级最高，速

50、度调整中断级为第二级。 4.3键盘/显示模块设计4.3 键盘/显示模块设计键盘/显示模块的核心控制装置为8279.软件设置为8个字符，左端送入，代码扫描键盘为双键互锁，内部时钟频率设置为100KHz。键操作由终端导入，静态显示模式。图4-5 显示子程序图4-6测速子程序4.4 数字PID控制器4.4.1 PID控制器原理PID控制即比例、积分、微分控制。这种控制方法较为实用且性价比高，具有结构简单，性能强大等诸多优势，可根据实际情况实现对温度参量的精确控制，应用十分广泛。在工程实践中应用最为广泛的控制方式为PID控制，PID控制方式也被称之为PID调节。该控制方法从提出到现在已历经七

51、十余年，在控制系统中该控制方式具有结构简单运行可靠等诸多优势，已经成为工业控制领域中的核心技术之一。当不能掌握受控对象参数时便不能获取精确模型，当传统的控制理论不适用时，可采用该控制方式来实现。在实践中还有其他两种控制方式分北纬PI和PD控制。PID控制方式实现控制的主要原理是基于系统产生的误差并使用比例积分微分三个数学计算过程来完成控制量的计算可输出，比例控制是当前可实现的最为简单的控制方法，采用该方法时控制器输出与输入信号误差为正相关关系，当系统中仅包含比例控制时系统输出可能存在稳态错误。积分（I）控制中控制器输出同输出之间的误差信号积分为比例关系，就自动控制系统而言，若进入稳态后存在错误

52、，则称控制系统为稳态错误系统。为了有效消除稳态误差需要在控制器中引入“积分项”。积分项同误差与事件的积分值会随着时间改变而改变，由此可知，即使当前误差很小，在一段时间以后积分项也会随时间的增加而变大，这会使控制器输出增大，继而反过来使误差继续增大。为了降低稳态误差，引入比例+积分（PI）控制器。差分（D）控制中控制器输出和输入误差值成比例，在调整期间，控制系统可能存在失稳，其主要原因是存在较大的延迟分量，且变化滞后于误差。解决这一问题的方案为抑制误差超前，当误差接近于零时抑制效果应当也接近于零，由此可知对于大惯性售空对象，可采用比例+微分（PD）控制器予以改善。4.4.2 数字PID控制器流程

53、图 数字PID控制算法可分为两种类型，其一为位置式PID控制算法；其二为增量式PID控制算法。 将模拟的PID算式 (4-2)用求和的方式代替积分；用增量的方式代替微分.则可作如下近似 (k=0, 1 ,2,.) (4-3) 进行离散处理有 (4-4)这是增量PID算法。由于PID的每个输出都与过去相关，因此在计算期间累积Ek，因此工作量很大。因此，通常不使用位置PID。三个公式的略微推导产生以下公式 式中 (4-5) (4-6)由上式可知，若采用恒定采样周期，则确定ABC使用前三次测量的偏差，即可控制增量，其流程图如下所示第5章 系统的MATLAB仿真该系统利用MATLAB7.0进行仿真，其仿真方法如下，首先利用系统传递函数，采用Simulink模块进行仿真。5.1系统的建模与参数设置结合本设计的特点，转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图图，如图5-1 图5-1无静差直流闭环调速系统的框图 下面将给出闭环速度控制系统不通过环节传递函数 和闭环速度控制系统传递函数。1直流电机的传递函数等效电路如图5-2所示： 图5-2直流电动机等效电路动态电压方程为： （5-1）电动机轴上的动力学方程为： 电磁转矩 （5-2）式中 负载转矩（）。飞轮惯量（）。转矩系数（）