双闭环直流电动机数字调速系统设计 - 图文

微型计算机控制技术课程设计任务书

双闭环直流电动机数字调速系统设计

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，单片机产生PWM波形的程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现，M法数字测速及动态LED显示程序设计，A/D转换程序及动态扫描LED显示程序和故障检测程序及流程图。

关键词： PWM信号 直流调速 双闭环 PI调节

前 言

本文主要研究了利用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。 本文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。 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）。

主要技术数据和设计要求

1、 系统控制对象的确定

主要技术数据：

直流电动机（对象）的主要技术参数如下：

直流电机型号：Z2-41型 Ped=3kW Ued=220V Ied=17.3A ned=1500r/min

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电枢回路总电阻 R=2.50?

电动机回路电磁时间常数 TL=0.017s 电动机机电时间常数 TM=0.076s 电动机电势常数 Ce=0.1352V/r·min 晶闸管装置放大倍数 Ks=53

晶闸管整流电路滞后时间 Ts=0.0017s

主要技术指标：速度调节范围 0-1500 r/min，速度控制精度 0.1%（额定转速时），电流过 载倍数为1.5倍。

主要要求：直流电动机的控制电源采用晶闸管装置，在其输入电压为0-5伏是可以输出

0-264伏电压，为电机提供最大25安培输出电流。速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器），且假定其输出的A、B两相脉冲经光电隔离辨向后获得每转1024个脉冲的角度分辨率和方向信号。电流传感器采用霍尔电流传感器，其原副边电流比为1000：1，额定电流为50安培。采用双闭环环（速度环和电流环）控制方式。计算机则要求采用51内核的单片机实现控制。

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V—M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，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。但又不是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。

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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1－1.1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Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。

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WASR(s)和WACR(s)分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

WASR(s)?Kn?ns?1?ns?is?1?is （1-1）

WACR(s)?Ki （1-2）

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Id显露出来。

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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0~5V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。

位置给定 数字式+ -位置控数字式速度控A/D转换 PWM功率放大器 + 数字式电流控数字式PWM信号发生器 数字式速度测量计数器 信号转换滤波放大 . 霍尔元件 M 位置可逆计数器 光电隔离倍频变向 PG 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

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图1-1.4 数字式双闭环直流调速系统硬件结构图

1.1.6 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。 1．8051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

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成如下图所示：

图1-1.5 8051单片机基本组成

2．CPU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00H—7FH。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80H—FFH。

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/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。 3．8051单片机引脚图

1-1.6 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220V，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Δ/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：U2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

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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公式： 电动机Ce=0.1352

Udm=2.34*U2>Ce*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=(0.1352*1500+1.5*17.3*2.5)/(0.95*2.34)= 120.41V

整流器视在功率：

Sn=3u2I2=3*17.3*1.5*120.41=9.37 KVA 故I1?SN3u1，变压器一次侧电压一般由供电电源决定取 u1=220V

SN3u1I1?=9.37*1000/(3*220)=14.20 A

故变压器应选择220V/220V视在功率为40KVA 1.2.2 开关器件IGBT参数计算与选择

由经验公式得额定电压为440V时开关器件IGBT的耐压应选1200V的 反向最大电压：

U=1200V

I=1.5Id=1.5*9.37=14.06A

1.2.3电阻、电容的选择 由限流电阻计算公式：

R0= Ud02/Pe= (Ce*Nn+Idn*R) 2 / Pe =220 2/15000=3.23Ω

滤波电容器由经验公式求得：

C1=C2=4uF/V* Ud0=4*220=880uF

并联电阻一般取56-100kΩ,则有： R1=R2=56kΩ

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(2)*U2

通态电流值：

Ita=（1.5-2）Ivt=(1.5-2)*17.3/sqr(3)/1.57 选取功率二极管数据为：900V/50A 1.2.5 平波电抗器的选择及计算

平波电抗器：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=17.3A 因此：L=0.693×U2/1.73 又因为U2=120.41V 所以：L=36.09mH

1.2.6 快速熔断器的选择及计算

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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=π*Ita/2 (A)

其中Ita为晶闸管的额定通态平均电流，即为28.9A。 因此：Itn=45.4A。

快速熔断器的额定电压Utn可用下列公式计算：

Utn≧Kut*Uv /1.4

Uv =U2=120.41V；

Kut为元件电压计算系数,查表得2.45。 因此：Utn≧501.7V

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： α= 10V/nN=0.0066 min/r

电流反馈系数： β= U*im/Idm=10/(1.5*17.3)=0.385/A 1.3.1 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=4ms=0.004s。

3） 电流环小时间常数之T∑i近似处理，取T∑i =Ts+Toi=0.0057s。 4） 电枢回路电磁时间常数Tl Tl＝0.017s

5）电力拖动系统时间常数Tm Tm=0.076s 6)Ks=40

1.3.2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（τis +1）/τis

Ki-------电流调节器的比例系数； τi------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 /T∑I =0.017s/0.0057s=2.98,参照教材中表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：

τi=Tl=0.017s

电流环开环增益：

要求σi≤5％时,查表得KIT∑i=0.5,因此

KI=0.5/0.0057s=87.71s-1

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于是，ACR的比例系数为： Ki=KIτiR/Ksβ=17.54 电流环采样角频率：

Wsi=10Wci=877.1s-1

电流环采样时间：

Ti=1/(Wsi/2pi)=0.007s

1.3.4 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KIT∑i=0.5，则

1/KI＝2T∑i＝2×0.0057s＝0.0114s 2）转速时间常数Ton。取Ton=0.01s

3）转速小时间常数 T∑n。按小时间常数近似处理，取 T∑n＝1/KI＋Ton＝0.0214s 1.3.5 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，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（τns +1）/τns

Kn-------转速调节器的比例系数； τn------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

τn=hT∑n=5×0.0214s=0.107s

转速开环增益：

KN=(h+1)/2h2T∑n2=6/(2×52×0.02142)=263.03s-2

ASR的比例系数为：

Kn=(h+1)βCeTm/2hαRT∑n=18.28 转速环采样角频率：

Wsn=10Wcn=280.37s-1

电流环采样时间：

Tn=1/(Wsn/2pi)=0.0224s

第四节 PWM信号发生电路设计 一、PWM控制器设计

1-1 PWM信号发生电路设计

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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Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。只要改变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Q2—Q9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（A>B）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（A>B）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2—Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255 -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。

1-2 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，来判断它们之间的大小是否相等。 （2）芯片4585的功能表：

输入 比较

输出 级取 10

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A3、B3 A2、B2 A1、B1 A0、B0 A3>B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3B2 A2=B2 A2=B2 A2=B2 A2=B2 A2=B2 A2=B2 A2B1 * * * AB 1 1 1 1 1 0 0 * * * AB 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 A1=B1 A0>B0 A1=B1 A0=B0 A1=B1 A0=B0 A1=B1 A0

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：-0.5V—18V

输入电压范围：-0.5V—VDD+0.5V 输入电流范围：±10mA

贮存温度范围：-65°C—150°C （2）芯片4040引出端功能符号：

CP: 时钟输入端 CR：清除端 Q0—Q11：计数脉冲输出端 VDD: 正电源 VSS: 地端 （3）芯片4040功能表：

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输入 输出 CP ↑ ↓ * （4）芯片4040的引脚图： CR L L H 保持 计数 所有输出端均为L

图1-4.4 4040的引脚图

1-3驱动电路设计

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）。

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图1-5.2 IR2112S的控制逻辑

二、转速检测电路设计

转速的测量使用编码盘。光电式旋转编码器在数字测速中常用作为转速或转角的检测元件。由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。本系统选用M法测速。

2-1旋转编码器的原理及选择

电编码器来采样转速信号。增量式编码器是专门用来测量转动角位移的累计量。

图1-7.1

增量式光电编码盘结构及信号输出

这里以三相编码器为例介绍增量式编码器的工作原理及其结构。增量式光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条。在圆盘两侧放发光元件和光敏元件。当圆盘随电机旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲。码盘上有相标志，每转一圈Z相输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90o的两路脉冲信号，如图1-7.1所示。

转速及转向信号处理：将A、B两相脉冲中任何一相输入计数器中均可使计数器进行计数。编码盘输出的Z相脉冲用于复位计数器，每转一圈复位一次计数器；编码盘的旋转方向可以通过D触发器的输出信号Q来判断。整形后的A、B两相输出信号分别接到D触发器的时钟端和D输入端，D触发器的CLK端在A相脉冲的上升沿触发。由于A、B两相的脉冲相位相差90°，当电机正转时（假设B相脉冲超前时为正转，反之为反转），B相脉冲超前A相脉冲90°，触发器总是在B脉冲为高电平时触发，这时D触发器的输出端Q输出为高电平。如图1-7.2所示。当电机反转时，A相脉冲超前B相脉冲90°，则D触发器总是在B脉冲为低电平时触发，这时Q输出端输出为低电平。由此确定电机的转动方向。

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图1-7.2

电机运转方向判别

2-2 M法测速的实现

在系统中，使用单片机的T/C0和T/C1分别记数高频时钟脉冲个数M2和同时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1。由于T/C0还要给8279给定时钟信号，因此工作于计数器方式，时钟信号为单片机时钟的1/2分频即4MHZ，定时器初值设为80H。T/C0溢出中断后，记录T/C1的数值M1，并将单片机PB0清零，延时5个时钟之后，置位PB0口后重新开始记数，再次溢出中断时：如果测速容许，再次记录T/C1的数值M1，否则将单片机PB0清零，延时之后置位PB0口，重新记数。这样循环，T/C0完成了记数高频时钟脉冲个数M2和8279脉冲信号的输出。那么，电动机的转速为： 60M1f0pM2n?

式中，高频时钟频率f0=4×106HZ； 旋转编码器的光栅数P=1024；

M2=64.

三、电流检测电路设计

1-1直流电流检测电路

图 直流电流检测电路

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1-2直流电流检测电路主要芯片的工作原理

1、UGN-3501M:集成霍尔传感器

UGN-3501M原理图

2、AD522集成模数转换器

AD522功能管脚

4、A/D转化及芯片选择

3-1 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100μs，无须调零或者调整满量程。

3-2 ADC0809的引脚及其功能

ADC0809有28个引脚，其中IN0---IN7接8路模拟量输入。ALE是地址锁存允许，VREF、VREF接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D转换。EOC是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。OE是输出允许端。CLK是时钟端。DB0---DB7是数字量的输出。ADDA、ADDB、ADDC

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??

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接地址线用以选定8路输入中的一路，详见下图。

ADDC 0 0 0 0 1 1 1 1 5、键盘显示单元

按键控制与LED显示单元完成系统参数（占空比和转速）的实时显示，以及通过键盘输入系统的给

定（占空比）。本系统中通过8279芯片来扩展键盘和显示接口。INTEL8279 可以显示8位或16位LED显示器，可以和具有64个按键或传感器的阵列相连，通过编程可以实现

多种工作方式。8279的引脚图如下：

10113RDWRCLKOUTB0OUTB1OUTB2OUTB3OUTA3OUTA2OUTA1OUTA0BDSL0SL1SL2SL3RL0RL1RL2RL3RL4RL5A0RL6RL7SHIFTCNTL/S3130292824252627233233343538391256783637ADDB 0 0 1 1 0 0 1 1 ADDA 0 1 0 1 0 1 0 1 选通输入通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 图1-6.1 ADC0809引脚图及功能表 1213141516171819422DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7IRQCS219RESET 图1-8.1 8279的引脚图

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8279的主要功能如下： 键盘与显示器同时工作； 扫描式键盘工作方式； 扫描式传感器工作方式；

用选通方式送入输入信号带有8字符的键盘； 先入先出存储器FIFO；

触点回弹时两键封锁或N键巡回； 双排8字或单个16字的数字显示器；

RAM工作方式可由单片机编程可编程扫描定时，键盘送入时有中断输出。

8279与DB0-DB7与8051的PB.3～PB.7、PD.1、PD.2口相连。8279的IRQ经非门接到的INT0管脚上，可以实现键盘查询或键盘中断。由PB.0口为8279输出定时时钟。RD、WR与PD.5、PD.6相连，访问8279时，8051给出相应的电平。8051的PD.4作为8279的片选（CS）信号。并且PD.7与8279的A0相连。因此8279的地址分别为：数据口：7EFFH；命令口或状态口：7FFFH。8279与4个共阴极显示器和一个12键的小键盘连接。SL0-SL3的扫描按编码方式经74LS139译码输出作为键盘的行扫描线，同时经驱动器75451接LED显示器的COM端作为显示器位扫描驱动信号。OUTA与OUTB经驱动器74LS244与显示器的段码线相连，直接控制显示字型，RP200A为8个200欧姆/0.5W上拉电阻。键盘的列扫描县送会扫端RL0-RL3上。

由8051单片机向它写入命令后，它会自动扫描键盘；有键按下时，会判断键号，将键号存入内部的FIFO缓冲器，并向8051单片机申请中断。于是8051单片机只要发出读FIFO的命令，将键号读入即可。要显示数据，8051单片机只要向8279发出“写显示RAM”命令，将字型码写入，8279会自动进行动态扫描显示

6、泵生限制电路设计

随着电力电子技术的不断发展和完善，交流变频调速技术日益显现出优异的控制和调速性能，加上其高效率、易维护的特点，使其在机械设备的调速领域中应用日益广泛。随之而来的制动问题越来越受到人们的关注，在变频调速系统中，异步电机的减速或停止是通过逐渐降低变频器的输出频率来实现的，随着变频器输出频率的降低，电机的同步转速降低，但是由于机械惯性的存在，电机转子的转速不会突变。当同步转速小于转子转速时，电机便处于再生发电状态，从而产生反馈电流。 1 变频器再生运行

图1所示为变频器再生运行状态，当其运行在Ⅱ、Ⅳ象限时，其转矩方向与旋转方向相反，为再生运转。由于通用

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变频器前级多采用不可控二极管整流，逆向功率流流向电网的通道被阻断，少量的再生能量在电动机和变频器中消耗掉，大多数能量会储存到电力电容器中，导致直流环节泵升电压UDC持续升高，若不采取措施，势必会造成变频器过电压保护动作或者主电路器件因过压击穿或烧毁，因此大量的再生能量就必须另寻出路。能耗制动单元配合制动电阻可以很好地实现对再生能量的消耗，达到变频器制动的目的。这种方法具有结构简单，制动方便的特点。 2 能耗制动工作方式

能耗制动是利用制动电阻将再生能量转换为热量消耗掉的制动方式，制动电阻连接在制动回路上，能量流动的路径是：机械设备的机械能—电动机发电电能—逆变器—直流回路—制动电阻—热能。

能耗制动单元接线原理如图2所示。

其中的制动电阻与绝缘门双极晶体管IGBT组成的制动单元串联连接，然后并联在直流回路上。这是一种处理再生能量最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能。制动单元控制目标，使直流电压在允许的范围内波动。当再生发电制动运行时，回馈到直流回路的电能积累在电容器内，导致电容器端直流电压上升，再生发电功率越大，电压上升速度越快，即上升斜率越大。当直流电压上升到制动运行时的电压上限UDH时，制动单元的控制电路使制动开关器件Q1导通，电阻被并联在直流回路上，开始工作。当直流电压下降到制动运行电压下限UDL时，制动单元控制电路使Q 1截止，同时电阻被截止。

能耗制动电路的设计涉及制动电阻阻值、功率、控制方式等几个方面的分析与确定。制动电阻阻值一方面关系到最大制动能力的问题，另一方面涉及到逆变器瞬间电流大小的问题。因此，制动电阻是制动单元的重要参数；制动单元的控制方式则涉及是否能够有效地控制和实现控制过程的问题.

3 制动控制单元设计

3.1 直流电压上下限的确定

工程上，泵升电压抑制电路的参数计算和选择原则：(1)泵升电压必须低于主电路电容器和功率器件的电压定额，一般可选择130% UC(0)作为上限 (其中,UC(0)为正常运行时电容C上的电压值)。(2)泵升电压抑制电路动作结束时，为使系统能再次迅速电动运行，不应使直流侧电压降得过低，必须等于或略大于正常运行时UC(0)，一般可选择110% UC(0)作为下限。

三相电网电压为380V，经三相整流后，整流电压的平均值UO：

U1—负载两端线电压

UP—负载两端相电压

当正常运行时，UC(0)=UO=514.8V。

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制动电路的上限电压值UDH =514.8×130%=670V。 制动电路的下限电压值UDL=514.8×110%=566V。

但是，在选择制动电路的下限时，考虑到电网波动的影响，三相电网电压为380V，设电网波动为±15%，则三相整流后电力电容器上的最大直流电压约为620V。在制动运行时，直流电压的最低值应该不低于620V，所以在此我们选择UDL=620V。 3.2 泵升电压控制电路

泵升电压检测和控制电路如图3所示，当电解电容C两端的电压Uin大于泵升电压下限UDL时，U1B输出高电平，三极管Q 2导通，A点电势变为高电平。如果电压继续上升，当Uin达到泵升电压上限UDH时，U1A输出高电平，晶闸管Q 3导通，B点电势变为高电平，从而使三极管Q 4导通，经门极限流电阻.. Rg使IGBT导通，制动回路动作。当.. Uin下降至UDH与UDL之间时，由于晶闸管Q 3的作用，制动回路依旧导通。直至电压降至UDL以下时三极管Q 2截止，A点电势降至0V，从而使晶闸管Q 3与三极管Q 4截止，最终切断制动回路。 4 制动电阻的计算

4.1 制动电阻最小值

制动单元由制动电阻和制动功率管组成，构成的制动回路中，其最大电流受功率管Q 1最大电流的限制，最小制动电阻：.. (2)

RBmin=UDL/IQmax

UDL—制动运行时，直流电压下限值

IQmax—制动控制功率管最大工作电流(取决于所选功率管型号) 4.2 制动电阻最大值

4.2.1根据变频器额定电流计算

再生发电能量流回直流回路时，是通过逆变器的。电阻上流过的瞬间电流，一部分来自逆变器，一部分来自电容器，因此，通过逆变器的电流必然不大于电阻中流过的电流。若电阻上的瞬间电流不超过变频器的额定电流，那么对于变频器来说，肯定是安全的。电阻上的瞬间电流在直流电压处于上限时最大，按照欧姆定律得，制动电阻最大值： (3)

RBmax=UDH/Ievf

UDH—制动运行时，直流电压上限值

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Ievf—变频器额定电流(取决于所选功率管型号)

当选择制动电阻时，阻值在RBmin和RBmax之间进行选 取，即：.. RBmin＜RB＜RBmax。

4.3 制动电阻功率计算

制动电阻的工况属于短时工作，即每次通电时间都很短，在通电时间内，其温升远远达不到稳定温升，而在每次断电以后的停歇时间又较长，其温度可以降至与周围环境温度相同。因此，制动电阻的标称功率可以大大小于通电时消耗功率，一般用下式计算：

式中λB为选用系数。通常可取0.3～0.5。..

7、故障检测电路设计

7-1电流故障检测

图 电流故障检测电路

7-2温度检测电路

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图 温度检测电路

7-3电压检测电路

图 电压检测电路

8、故障保护

第二章系统软件程序设计

数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所有的硬件也必须由软件实施管理。单片机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序、初始化子程序、中断服务子程序等。 第一节主程序设计

主程序流程图如图2-1.1所示。在主程序中，主要完成对各个可编程芯片进行初始化和键盘参数设置的处理。键盘参数设置的处理主程序中的重要部分，这部分程序设计采用程序的模块化，有效的解决了复杂的多重分支问题。启动功能键按下时，系统开始启动采样定时并进入实时控制阶段，每次中断返回时若有复位键和新的参数设置键按下则返回键处理程序。

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开始 系统初始化 系统初始化 设定定时器工作方式 有键按下？ NO YES 按键处理 参数及变量初始化 设定I/O、键盘和显示接口的工作方式 刷新显示 数据通讯 返回

图2-1.1 主程序的流程图图2-1.2 初始化子程序流程图

如图2-1.2，系统初始化包括中断始化、各存储单元赋初值、键盘显示器的各数据程序表赋常数、各种限定值装入数据存储器、设定堆栈指针、给主程序标志寄存器送初始值、控制器设定初值等。 主程序：

0000 AJMP START START：CLR PSW.4

CLR PSW.3 ；选中工作寄存器0组 CLR C

MOV R0 ，4FH MOV A ，30H CLEAR1：CLR A INC A

DJNZ R0 ，CLEAR1 ；清零30-7FH

SETB TR0 ；定时器/计数器0工作 MOV TMODE ，#01H ；定时器/计数器工作在方式1 SETB EA ；总中断开放

SETB IT0 ；置INTO为降沿触发 SETB IT1 ；置INT1为降沿触发 LJMP MAIN LJMP CTCO LCALL SAMPLE . . .

Fosc=12MHZ，用一个定时器/计数器定时50ms，用R2作计数器，置初值14H，到定时时间后产生中断，每执行一次中断服务程序，让计数器内容减1，当计数器内容减为0时，则到1s。

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第二节 中断子程序流程图

中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。

1转速调节中断服务子程序 2电流调节中断服务子程序 3故障保护中断服务子程序 保护现场保护现场封锁PWM 输出 读入转速给定读入电流反馈 分析、判断 故障原因 计算转速电流调节 显示故障转速调节PWM生成原因 允许测速启动A/D转换 故障报警 恢复现场恢复现场 等待系统 复位 中断返回中断返回 1 2 3

第三节 PI控制子程序设计

为了安全起见，系统对转速调节器和电流调节器实行限幅，当转速调节中断服务子程序或电流调节中断服务子程序进行到“转速调节”或“电流调节”时，便进入PI控制子程序（如图2-2.1）。 PI程序：

SETB EX1 ；开放中断1

MOV R0，90H ；P1口（W）送R0,预设 MOV R1，80H ；P0口（Y）送R1，实测 MOV A，R0 ；W给A MOV B，R1 ；Y给B SUBB A，B ；ei给A MOV 7FH，A ；ei 给7FH MOV 7EH，#00H ；ei-1=0给7EH

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MOV 7BH，Umax MOV 7AH, Umin

AJMP IN ；积分项 AJMP P ；比例项 MOV A，R2 ；Pi给A ADD A，R3 ；Pi+Pp给A MOV 7DH，#00H ；Ui-1=0给7DH

ADD A，7DH ；Ui-1+Pi+Pp=Ui给A MOV 7CH,A ；Ui给7CH MOV 7DH，7CH ；Ui给Ui-1

MOV A，7BH CJNE A，#Ui，LOOP2 MOV A，#Ui

CJNE A，7AH，LOOP3 MOV 90H，7CH LOOP2：MOV A，7CH CLR C

SUBB A，#Umax RETI

LOOP3：MOV A，7CH CLR C

SUBB A，#Umin RETI

IN：MOV 6FH，#I

MOV A，6FH MOV B，7FH MUL AB MOV R2，A RETI

P：MOV 6EH，#P CLR C

MOV A，7FH SUBB A，7EH MOV 7EH，7FH MOV B，6EH

MUL AB MOV R3，A RETI

；Umax给A

；Ui〉Umax转移 ；Ui

；Pi=I*ei给A ；Pi给R2 ；ei给A ；ei-ei-1给A ；ei给ei-1 ；（ei-ei-1）*P给A ；Pp给R3

@@@@@@@@@@@

2-2.1 PI控制子程序框图（见课本P109）24

图

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第四节 PWM程序设计

第五节 M法数字测速及动态LED显示程序设计

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保护现场 容许中断吗？ N 容许中断吗？ 保护现场 Y 开放T/C1和T/C0 关闭T/C1 禁止策速 禁止捕捉中断 开放捕捉中断 恢复现场 恢复现场 中断返回 中断返回

图2-3.1捕捉中断服务子程序框图图2-3.2测速时间中断服务子程序框图

测速软件由捕捉中断服务子程序(图2-3.1)和测速时间中断服务子程序（图2-3.2）构成，转速调节中断服务子程序中进行到“容测速许”时，开放捕捉中断，但只有到T/C0计数值为零时，旋转编码盘脉冲计数器T/C1和T/C0同时开始计数，同时禁止捕获中断，使之不在干扰计数器计数。待T/C0溢出时发出停止测速信号，再次开放捕捉中断，计数器T/C1计数。测速软件完成M1，转速计算是在转速调节中断服务子程序只完成。 程序：

因为8051得外部中断源有限，在进行M发测速时，可以扩展外部中断来满足要求，相应的设置程序设置如下所示，此程序可跟据情况设定时时间，测得的脉冲个数将通过数码管显示 1S定时，测量外部脉冲输入个数程序 D_TMP EQU 35H COUNT1 EQU 36H COUNT2 EQU 37H ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT0 ORG 000BH LJMP TT0 ORG 0030H MA

电机测速计程序 D_TMP EQU 35H COUNT1 EQU 36H COUNT2 EQU 37H ORG 0000H LJMP MAIN

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ORG 0003H LJMP INT0 ORG 000BH LJMP TT0 ORG 0030H MAIN:

MOV 30H,#00H ;显示缓冲单元30H~33H MOV 31H,#00H MOV 32H,#00H MOV 33H,#00H

mov 20h,#00h ;计数标志位20H

MOV R6,#00H ;脉冲计数单元R6\\R7 MOV R7,#00H MOV P0,#00H MOV P1,#00H MOV P2,#0FFH MOV P3,#0ffH

MOV COUNT1,#50 ;1S定时计数值 MOV COUNT2,#60 ;1分定时计数值 MOV TMOD,#01h

MOV TL0,#00H ;20ms定时初值 MOV TH0,#70H SETB TR0 SETB ET0 SETB EX0 SETB IT0 SETB PT0 SETB EA

LOOP:LCALL DISPLAY ;调用显示程序

JNB 00h,LOOP ;计数标志位为0,则等待

LCALL HEXTOBCDD ;调用十六进制数十十进制子程序 LCALL bcd ;BCD码子程序 CLR A

MOV R6,A ;脉冲计数单元清0 MOV R7,A

CLR 00h ;计数标志位清0 SJMP LOOP ;继续循环 INT0: ;中断0程序 MOV A,R7 ADD A,#1 MOV R7,A MOV A,R6 ADDC A,#0 MOV R6,A

CJNE R6,#27H,NEXT ;计数最大值9999

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CLR A

MOV R6 , A MOV R7 , A NEXT:RETI

TT0: DJNZ count1,NEXT1 ;T0中断程序 ;MOV COUNT1,#50 ;分转速计 ;DJNZ COUNT2,NEXT1 CLR EA

SETB 00H ;计数标志位置1,则执行计数 MOV COUNT1,#50 ;MOV COUNT2,#60 SETB EA

NEXT1:MOV TL0,#00H MOV TH0,#70H RETI

HEXTOBCDD:MOV A , R6 ; PUSH ACC MOV A , R7 PUSH ACC MOV A , R2 PUSH ACC CLR A

MOV R3 , A MOV R4 , A MOV R5 , A MOV R2 , #10H

HB3: MOV A , R7 ; RLC A

MOV R7 , A MOV A , R6 RLC A

MOV R6 , A

MOV A , R5 ; ADDC A , R5 DA A

MOV R5 , A MOV A , R4 ADDC A , R4

DA A ; MOV R4 , A MOV A , R3 ADDC A , R3 DJNZ R2 , HB3

由十六进制转化为十进制 将十六进制中最高位移入进位位中 每位数加上本身相当于将这个数乘以2 十进制调整 28

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POP ACC MOV R2 , A POP ACC MOV R7 , A POP ACC MOV R6 , A RET

BCD: MOV R0 , #30H MOV A , R5

ANL A , #0FH ; MOV @R0 , A ; MOV A , R5 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; SWAP A ;R5 ANL A , #0FH ; INC R0 ; MOV @R0 , A ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; MOV A , R4 ;R4 ANL A , #0FH ; INC R0 ; MOV @R0 , A ; MOV A , R4 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; SWAP A ;R4 ANL A , #0FH ; INC R0 ; MOV @R0 , A ; RET

DISPLAY: ; MOV A,30H LCALL MM MOV P0,A CLR P2.0 LCALL DELAY MOV A,31H LCALL MM MOV P0,A CLR P2.1 LCALL DELAY MOV A,32H LCALL MM MOV P0,A

屏蔽R5中的低4位

存回以30H为地址的房间

高低4位互换 屏蔽R5中的低4位 存储地址加1指向31H 存回以31H为地址的房间

中的内容存A 屏蔽低4位

存储地址加1指向32H 存回以32H为地址的房间

高低位互换

屏蔽R5中的低4位 存储地址加1指向33H 存回以31H为地址的房间 显示程序 29

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CLR P2.2 LCALL DELAY MOV A,33H LCALL MM MOV P0,A CLR P2.3 LCALL DELAY RET

MM: MOV P2,#0FFH MOV P0,#00H MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR RET

TAB: DB 03FH , 06H , 5BH , 4FH , 66H , 6DH , 7DH , 07H , 7FH , 6FH ;DELAY: MOV D_TMP,#90; 100us延时 LCALL DELAY1 DELAY1: DJNZ D_TMP,$ RET END 第六节 A/D转换程序

说明见单片机实验课本P101最后一段 ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0030H

MAIN:MOV DPTR,#8600H LOOP:MOV A,#00H MOVX @DPTR,A MOV R2,#15H LCALL DELAY MOVX A ,@DPTR MOV P1,A SJMP LOOP DELAY: PUSH 02H LP1 : PUSH 02H LP2 : PUSH 02H LP3 : DJNZ R2,LP3

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七段码表

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POP 02H DJNZ R2,LP2 POP 02H DJNZ R2,LP1 POP 02H DJNZ R2,DELAY RET END

第七节故障保护程序设计 程序：故障保护

实时采集各路电压信号，并利用电压比较器将比较后得电压信号采集到单片机中故障综合部分用加入与非芯片，实现线与的功能，同时利用外部中断，一旦线与值出现低电平，触发外部中断，则在中断程序中利用0809采集四路电压信号并与设定值比较，匹配时转到相应处理部分

//启动A/D转换函数：StartADC() void StartADC(uchar Address) { { {

PinC = (bit) (Address & 0x04); PinB = (bit) (Address & 0x02); PinA = (bit) (Address & 0x01); PinSTART = 0; } void WaitADCEnd(void) while(!PinEOC) ; }

uintReadData(void) uint temp; WaitADCEnd(); PinOE = 0; nNop(2);

temp = PinData& 0xff; return(temp); }

voidInitIO() {

PinData = 0xff;

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PinA = 0; PinB = 0; PinC

= 0;

PinSTART = 0; PinOE = 0; PinEOC = 1; } voidchuli()

{ uint temp; InitIO(); while(1)

{

for(i=0;i<4;i++) {

StartADC(4);

temp[i] = ReadData();

} } }

void display()

{

} //数据送液晶显示器显示流程图如图2-4.1所示

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温度过高？

N 关触发脉冲，自由停车并显示故障类型 N 关触发脉冲，自由停车并 显示故障类型 Y 电枢电流值高? N 关触发脉冲，自由停车 并显示故障类型 Y 主电路电流值高? N Y 给脉冲，开IGBT 并显示故障类型 Y 电压检测高? 进入中断 图2-4.1 故障保护程序流程图

第三章 系统MATLAB仿真

本次系统仿真采用控制系统仿真软件MATLAB7.0，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的

主要方法有两种：一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算

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中断返回 微型计算机控制技术课程设计任务书

机仿真研究；另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用前一种方法。 第一节 系统的建模与参数设置

3.1.1直流电动机的数学模型

在本设计中讨论的是直流电动机拖动恒转巨负载的自动控制系统，直流电动机本身是一个电-磁相互作用的非线性系统，在这里将其近似为一个线性系统，得到直流电动机的传递函数为：

Wd(s)?n(s)Ud0(s)?Ce2?1TlTmS?TmS?1

3.1.2转速电流双闭环调速系统的数学模型

求取双闭环调速系统的数学模型一般采用由内到外，逐环求取。对转速电流双闭环系统，首先求取电流环传递函数，再将其视为转速环中的一个环节，在求取转速环的传递函数，由于检测信号中含有交流分量或其他高频干扰。故对转速电流信号均经过T型滤波，再加到调节器的输入端，为了补偿这些滤波环节带来的惯性作用，在给定信号中也加入一个相同时间常数的给定滤波环节。 1、电流环传递递函数的求取

由于系统中机电时间常数Tm远大于电磁时间常数Tl，反电动势E的变化过程相对缓慢，因此在电流环中，可忽视反电动势的影响，又由于TS和Toi比Tl小得多，可以当作小惯性环节近似处理，故取

T?i?Ts+Toi。

由于电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在土家控制作用时不希望有超调，而且当Tl/Ti?10时，典型?型系统的抗恢复时间还是可以接受的，故采用PI调节器将电流环

?的控制对象校正成典型?型系统，其中

PI调节器传递函数为：WACR=KiKi?is?1?is。

故电流环的闭环传递函数为

Wdi(s)?S(T?iS?1)1?S(TKi?iS?1)?1T?iKiS?2SKi?1

2、转速环的传递函数

有上式已知电流环的闭环传递函数，又由于转速环的截止频率?cn一般较低，因此电流内环?cli(s)可等效为一阶环节。

Wcli(s)?11KIS?1

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其近似条件为： ?cn?13KiT?I 的两个小惯性环节合并起来，形成一个时间常数为T?n同样的，再将时间常数为Tcn和2T?I的惯性环

节，则??n?2??i??on

基于系统稳态无静差的条件，转速环应校正成典型??型系统，而且典型??型系统的抗扰动性能好。由于将转速环校正成了典型??型系统，故ASR有必将采用PI调节器，其传递函数为：WASR?S??Kn?ns?1?ns。

3.1.3 建立仿真模型

转速双闭环直流调速系统的传递函数模型主要由给定环节、ASR、ACR、限幅函数、速度反馈环等部分组成。采用传递函数图方法构成的双闭环系统仿真模型如图3-1.1所示：

图3-1.1 双闭环系统仿真模型

第二节 仿真结果

仿真波形如图3-2.1所示：

图3-2.1 仿真波形

如图3-2.1所示，在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额

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微型计算机控制技术课程设计任务书

定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，?Un极性发生了变化，?Un?0，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。

结论

本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片微机8051为核心的，而通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。而在软件方面，采用PI算法来确定闭环控制的补偿量也是由数字电路组成的直流电机闭环调速系统所不能及的。曾经也试过用单片机直接产生PWM波形，但其最终效果并不理想，在使用了少量的硬件后，单片机的压力大大减小，程序中有充足的时间进行闭环控制的测控和计算，使得软件的运行更为合理可靠。

因为本系统采用了双闭环系统，所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI调节器），使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。

总结 200wenzi 参考文献

[1] 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统—运动控制系统。第3版 机械工业出版社，2007 [2] 王兆安，黄俊主编。电力电子技术。第4版。北京：机械工业出版社，2000 [3] 任彦硕主编。自动控制原理。机械工业出版社，2006

[4] 李荣生主编，电气传动控制系统设计指导，机械工业出版社

[5] 吴守箴，臧英杰 编著， 电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社 ［6］孟庆春，电力拖动自动控制系统。沈阳：东北大学出版社，2005.12。 [7]沈文，Eagle lee 詹卫前 AVR单片机——C语言开发入门指导. 2003 [8]万福君 潘松峰 单片微机原理系统设计与应用 第二版， 2004 [9]李仁定 电机的微机控制 机械工业出版社 2004

[10]周渊深 交直流调速系统与MATLAB仿真 中国电力出版社 2007

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定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，?Un极性发生了变化，?Un?0，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。

结论

本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片微机8051为核心的，而通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。而在软件方面，采用PI算法来确定闭环控制的补偿量也是由数字电路组成的直流电机闭环调速系统所不能及的。曾经也试过用单片机直接产生PWM波形，但其最终效果并不理想，在使用了少量的硬件后，单片机的压力大大减小，程序中有充足的时间进行闭环控制的测控和计算，使得软件的运行更为合理可靠。

因为本系统采用了双闭环系统，所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI调节器），使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。

总结 200wenzi 参考文献

[1] 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统—运动控制系统。第3版 机械工业出版社，2007 [2] 王兆安，黄俊主编。电力电子技术。第4版。北京：机械工业出版社，2000 [3] 任彦硕主编。自动控制原理。机械工业出版社，2006

[4] 李荣生主编，电气传动控制系统设计指导，机械工业出版社

[5] 吴守箴，臧英杰 编著， 电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社 ［6］孟庆春，电力拖动自动控制系统。沈阳：东北大学出版社，2005.12。 [7]沈文，Eagle lee 詹卫前 AVR单片机——C语言开发入门指导. 2003 [8]万福君 潘松峰 单片微机原理系统设计与应用 第二版， 2004 [9]李仁定 电机的微机控制 机械工业出版社 2004

[10]周渊深 交直流调速系统与MATLAB仿真 中国电力出版社 2007

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