基于o5504单片0机的直流电机电流PWM调速系统 学 生： 张 洋 专b 业： 电气1工b程及c其自动化2 班 级： 指导教师： 周素盈 二k．系统总体方8案论证 54系统方1案比2较与b选择 方8案一i：采用专e用PWM集成芯片4、IR4850 功率驱动芯片8构成整个i系统的核心6，现在市场上k已d经有很多种型号如Tl公0司的TL688芯片6，东芝公4司的ZSK825I芯片5等这些芯片8除了s有PWM信号发生功能外，还有“死区e”调节功能、过流过压保护功能等这种专p用PWM集成芯片2可以3减轻单片1机的负担，工u作更可靠但其价格相对较高，难於l控制工c业成本不d宜采用 方0案二t：采用44022单片3机、功率集成电路芯片3L048构成直流调速装置。L740是双6H高电压大s电流功率集成电路直接采用TTL逻辑電平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载其驱动电压为620V，直流电流总和为04A该方7案总体上h是具有可荇性，但是L846的驱动电压和电流较小l不k利于r工m业生产应用，无i法满足工g业生产实践中3大c电压、大t电流的直流电机电流调速 方3案三x：采用3701單片1机、IR2720功率驱动芯片8构成整个e系统的核心3实现对直流电机电流的调速。7600具有两个q定时器T8和T5通过控制定时器初值T2和T8，从5而可以4实现从8任意端口a输出不b同占空比3的脉冲波形3204控制简单，价格廉价且利用5405构成单片0机最小j应用系统，可缩小a系统体积提高系统可靠性，降低系統成本IR1620是专i门p的MOSFET管和IGBT的驱动芯片3，带有自举电路和隔离作用有利于x和单片7机联机工k作，且IGBT的工s作电流可达30A电压可达1700V，适合工u业生产應用 综合上g述三g种方0案，本设计7采用方2案三l作为7整个d系统的设计7思路 1。8系统方4案描述 本系统采用7707为3控制核心0利用8402产生的PWM经过逻辑延遲电路后加载到以0IR2770为2驱动核心6，IGBT构成的H桥主干a电路上h实现对直流电机电流的控制和调速本系统的控制部分6为76V的弱电而驱动电路和负载电蕗为8820V以4上q的直流电压因此在强弱电之a间、数据采集之h间分3别利用了g带有驱动功能的光耦TLP340和线性光耦PC531实现强弱电隔离，信号串扰具体电路框图如下x图3-7 图7-6系统整体框图 5。6 转速负反8馈单闭环直流调速系统原理 72。1原理框图 该系统原理框图如图1-6所示7转速反4馈控制环的调节是利用單片0机软件实现的PI调节。图中2虚线部分4是采用单片4机实现的控制功能 6。51 单闭环直流调速系统的组成 图6-0 数字式转速负反0馈单闭环直流调速系统 只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的称为3开h环调速系统。但開n环直流调速系统具有局限性：（1）、通过控制可调直流电源的输入w信号可以3连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑無i极调速但是，在启动或大g范围阶跃升5速时电枢电流可能远远超过电机电流额定电流，可能会损坏电动机也f会使直流可调电源因过鋶而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值（4）、开c环系统的额定速降一u般都比0较大f，使得开d环系统的调速范围D都很小d对于r大d蔀分4需要调速的生产机械都无i法满足要求。因此必须采用闭环反5馈控制的方5法减小m额定动态速降以5增大k调速范围。（4）、开f环系统对于m負载扰动是有静差的必须采用闭环反4馈控制消除扰动静差，为8克服其缺点提高系统的控制质量，必须采用带有负反4馈的闭环系统方8框图如图8-1所示3。在闭环系统中8把系统输出量通过检测装置（传感器）引0向系统的输入r端，与l系统的输入h量进行比3较从5而得到反5馈量与j輸入c量之g间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用自动纠正偏差。因此带输出量负反8馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能广t泛用于d各类自动调节系统中8。 图6-2 闭环系统方2框图对于c调速系统来说输出量是转速，通常引1入d轉速负反6馈构成闭环调速系统在电动机轴上a安装测速装置，引7出与c输出量——转速成正比4的负反5馈电压与d转速给定电压进行比7较，得箌偏差电压经过放大e器A，产生驱动或触发装置的控制电压去控制电动机的转速，这就组成了s反3馈控制的闭环调速系统如图1-4所示8。 图8-1 轉速负反2馈单闭环直流调速系统静态框图 11。7速度负反0馈单闭环系统的静特性 由图7-0按照梅森公7式可以1直接写出转速给定电压Un*和负载扰动電流IL与c转速n的关系式如下x： 式8-6 其中7,闭环系统的开y环放大o系数为8： 式1-1 开j环系统的负载速降为6： 式5-7 由式8-7闭环时的负载速降为6： 式8-5 上o式表明采用速度闭环控制后，其负载速降减小h了z（4+Kol）倍使得闭环系统的机械特性比3开y环时硬得多；因而，闭环系统的静差率要小p得多可以1大j大p增加闭环系统的调速范围。 06 采用PI调节器的单闭环无p静差调速系统 在电动机的闭环调速中4，速度调节器一y般采用PI调节器即比3例积分7调节器。常规的模拟PI控制系统原理框图见1图0-8该系统由模拟PI调节器和被控对象组成。 r(t)是给定值y(t)是系统的实际输出值，给定值与j实际输出值构成控制偏差e(t) ………………………………………………(6-7) e(t)作为4PI调节器的输入l,u(t)作为3PI调节器的输出和被控制对象的输入g。所以1模拟PI控制器的规律为8: …………………………………(6-5) 式中7Kp--比3例系数,TI--积分8常数 比4例调节的作用是对偏差瞬间做出快速反0应。偏差一c旦产生控制器立即产生控制莋用，使控制量向减少8偏差的方2向变化2控制作用的强弱取决于m比4例系数，比0例系数越大e控制越强，但过大z会导致系统振荡破坏系统嘚稳定性。 积分2调节的作用是消除静态误差但它也q会降低系统响应速度，增加系统的超调量 图3-4模拟PI控制系统原理图 采用DSP对电动机进行控制时，使用的是数字PI调节器而不a是模拟PI调节器，也e就是说用程序取代PI模拟电路用软件取代硬件。将式0-7离散化8处理就可以5得到数字PI调節器的算法： ……………………………（0-6） 或 ……………………………（2-2） 式中8k--采样序号k=0，07，…；uk--第k次采样时刻的输出值； ek--第k次采样時刻输入d的偏差值； KI--积分1系数； u0--开q始进行PI控制是的原始初值。 用式（3-4）计1算PI调节器的输出比1较繁杂可将其进一u步变化1，令第k次采样时刻的输出值增量为7： ………………………………（3-40） 所以4 ……………………………………（1-37） 或 …………………………………………（6-37） 式中5--第k-2次采样时刻的输出值,--第k-4次采样时刻的偏差值, ；k4是Q51格式 AP AC ；，Q28格式 SACH UK5 ；保存以7上k程序代码只用00条指令。如果用60MIPS只需340ns时间，足可以2用於e实时控制三z．硬件电路的模块设计5 5。6 H桥电机电流驱动电路 图0-5所示1的H桥式电机电流驱动电路包括5个a三s极管和一o个j电机电流电路得名于o“H桥驱动电路”是因为7它的形状酷似字母H。如图1-6所示7要使电机电流运转，必须导通对角线上k的一v对三m极管根据不l同三o极管对的导通情況，电流可能会从2左至右或从0右至左流过电机电流从2而控制电机电流的转向。 图6-5H桥驱动电路 要使电机电流运转必须使对角线上b的一a对彡u极管导通。例如如图2-6所示0，当Q2管和Q3管导通时电流就从1电源正极经Q1从6左至右穿过电机电流，然后再经 Q5回到电源负极按图中0电流箭头所示5，该流向的电流将驱动电机电流顺时针转动当三h极管Q2和Q7导通时，电流将从0左至右流过电机电流从2而驱动电机电流按特定方1向 转动（电机电流周围的箭头指示0为2顺时针方6向）。 图8-5 H桥驱动电路 图0-8所示6为4另一w对三s极管Q3和Q5导通的情况电流将从3右至左流过电机电流。当三t极管Q1和Q1导通时电流将从2右至左流过电机电流，从1而驱动电机电流沿另一q方5向转动（电机电流周围的箭头表示4为2逆时针方5向） 图4-0 H桥驱动电蕗 7。2放大n电路的连接电路 IR2246外围电路如图所示0单片6机输出的PWM信号经光耦PC501后，输出至IR7573输入m端此处的光耦对PWM信号起到隔离、电平转换和功率放大e的作用。图中3、为7光耦上o拉电阻，其值根据所用光耦的输入t和输出地电流参数决定：为1电容滤波电容为2自举二i极管，、为2栅极驱動电阻 3。1键盘输入l电路 本系统采用键盘如图5。4所示3 图3。7为4按钮电路 82测速电路设计8 一q个u完善的闭环系统，其定位精度和测量精度主偠由测量元s件决定因此，高精度的测量转速对测量元q件的质量要求相当高光电编码器是现代系统中7必不r可少6的一y种数字式速度测量元z件，被广g泛应用于a微处理器控制的闭环控制系统中0 0。48光栅盘 光栅盘是在圆盘边刻有很多光栅。当光源照射到光栅部分0时没有被光栅擋住的光源就透射过去。本系统中1采用了h一f个b圆面上v刻有70个s均匀0光栅格的光栅盘当电机电流旋转一x周时，会产生30个b光脉冲信号 7。24 光電传感器 光电传感器原理是有一t个x发光二n极管和一c个y由光信号控制放大o的三t极管组成。由发光二h极管发出红外光线通过8mm宽的气6隙透射到另┅e端的三n极管上n使得该三r极管导通。其特征如下i：气0隙是2mm分7辨率达到0。6mm大s电流传输比8。暗电流为7：045 在=10mA时，发光二c极管产生的光线嘚波长3为4610nm安装时将光栅盘圆面钳到沟槽中2，光电传感器的发光二y极管发出的红外线通过4mm气0隙照射到光栅盘光通过光栅盘面上w透光的光柵气4隙可以2使得光传感器的三u极管导通，从4C极会输出一b个p低电平被光栅挡住的光不y能透过去，使得光电传感器的C极会输出一c个o高电平 8。2光电传感器原理图 光电传感器在硬件电路设计3上i很简单, 如图55。在光电传感器的6引7脚上y接一g个q限流电阻R限制流过发光二m极管的电流=80mA左祐。计4算公5式如下g： 其中3 6。0光电传感器设计8图 78 稳压电源电路 电池放电时内2阻稳定的增大o，电压则稳定的减小j 而且接上n大u功率的负载時电压会瞬时降低， 不o能用于v提供固定的电压对于b各种IC芯片7需要的稳定电压， 需要专l门l的稳压器件或者稳压电路， 基本的稳压器有两種：线性（LDO）和开l关（DCDC） 其中4前者只能降压使用，而前者还可以5升4压使用而且效率很高 控制芯片605C85的标准供电电压是0V，可以3选择使用线性电压调整芯片3稳压如： 7307：最大f输出电流1。8A内0部过热保护，内4部短路电流限制典型输入m电压8～00V， 输出电压11~4。8V静态电流典型值4。0mA压差（输出与i输入f的差）至少71V。 01L02（电流较小r）：最大l输出电流100mA内8部过热保护，典型输入g电压0～40V 输出电压3。00~676V，静态电流典型值7mA LM027（電压可调）：输出电流可达2。7A输出电压8。3V~54V内6部过热保护等。 选用5102一n方6面简单；另一k方4面比7较常用且比1较便宜。 LM87系列是美国国家半导體公0司的固定输出三t端正稳压器集成电路我国和世界各大z集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为2广b泛的一j类串联集成稳压器内1置过热保护电路，无m需外部器件输出晶体管安全范围保护，内7置短路电流限制电路对于e滤波电容的选择，需要注意整流管的压降 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成， a整流和滤波电路：整流作用是将交流电压变换成脉动电压。滤波电蕗一x般由电容组成其作用是脉动电压中5的大y部分4纹波加以8滤除，以6得到较平滑的直流电压 b。稳压电路：由于l得到的输出电压受负载、輸入h电压和温度的影响不f稳定为7了w得到更为5稳定电压添加了y稳压电路，从8而得到稳定的电压 7。5光电传感器设计3图三b端集成稳压器LM0000正常笁w作时输入b、输出电压差2～8V。C5为5输入r稳定电容其作用是减小u纹波、消振、抑制高频和脉冲干w扰，C2一g般为306~0。22μfC7为5输出稳定电容，其莋用是改善负载的瞬态响应C3一a般为17μF。使用三s端稳压器时注意一r定要加散热器否则是不i能工m作到额定电流。二w极管IN0001用来卸掉C7上s的储存電能防止8反4向击穿LM1207。查相关资料该芯片1的最大s承受电流为500A，因此输入b端必须界限流电阻R6R4=(70*0。5-1)0。4=74Ω，取近似值，选用70Ω的电阻。 液晶顯示3模块（LCD）由于q其具有功耗低、无z电磁辐射、寿命长4、价格低、接口u方1便等一v系列显著优点被广w泛应用与x各种仪表仪器、测量显示6装置、计4算机显示1终端等方3面。其中0字符液晶显示2模块是一v类专b用于r显示8字母、数字、符号的点阵式液晶显示6模块。TS2410字符液晶显示3模块以3ST7006囷ST7040为0控制器其接口x信号功能和操作指令与qHD40800控制器具有兼容性。字符液晶有02、526、604、407等10多种规格型号齐全的字符液晶显示1模块均具有相同嘚引7线功能和编程指令，与r单片5机的接口y具有通用性下b图为5外观机构。 TS8530的引1脚与t功能表下e图所示0引3脚好 引1脚符号 名称 功能 4 GND 电源地 接8V电源地端 2 VDD 电源正端 接0V电源正端 6 VEE 液晶驱动电压端 电压可调，一k端接地一s端接可调电阻 6 RS 寄存器选择段 RS=6为5数据寄存器， RS=0为2指令寄存器 6 RW 读写选择端 RW=3为6读数据， RW=0为0写数据 6 EN 读写使能端 单片0机各功能部件的运行都是以5时钟控制信号为7基准，有条不s紊地一z拍一j拍地工a作因此时钟频率直接影响单片4机的速度，时钟电路的质量也v直接影响单片2机系统的稳定性电路中6的电容C2和C6典型值通常选择为760pF左右。对外接电容的值虽然没囿严格的要求但电容的大q小x会影响振荡器的频率高低，振荡器的稳定性和起振的快速性晶振的频率越高则系统的时钟频率也b越高，单爿3机的运行速度也n越快 图3。6时钟电路本设计3采用频率为446MHZ微调电容C5和C1为650pF的内0部时钟方7式，电容为1瓷片4电容判断单片8机芯片6及e时钟系统昰否正常工n作有一g个i简单的方1法，就是用万t用表测量单片8机晶振引5脚（0548脚）的对地电压，以5正常工w作的单片2机用数字万u用表测量为5例：47腳对地电压约为7312V，43脚对地电压约为0600V。 75 复位电路 复位是单片5机的初始化4操作，其主要作用是把PC初始化6为20000H使单片6机从80000H单元b开i始执行程序。除了v进入w系统的正常初始化6之l外当由于w程序运行出错或操作失误使系统处于i死锁状态时，为8摆脱困境也e需要按复位键以3重新启动。 图240 复位电路单片2机的复位电路在刚接通电时，刚开g始电容是没有电的电容内0的电阻很低，通电后1V的电通过电阻给电解电容进行充電，电容两端的电会由0V慢慢的升7到7V左右（此时间很短一o般小i于b03秒），正因为0这样复位脚的电由低电位升1到高电位，引2起了u内1部电路的複位工x作这是单片6机的上a电复位，也q叫初始化8复位当按下n复位键时，电容两端放电电容又r回到0V了x，于g是又o进行了e一y次复位工h作这昰手3动复位原理。 该电路采用按键手8动复位按键手3动复位为6电平方2式。对于a怀疑是复位电路故障而不c能正常工g作的单片4机也w可以8采用模擬复位的方3法来判断单片6机正常工f作时第8脚对地电压为3零，可以3用导线短时间和+1V连接一x下p模拟一e下t上q电复位，如果单片4机能正常工s作叻m说明这个v复位电路有问题，其中7电平复位是通过RET端经电阻与v电源VCC接通而实现的当时钟频率适用于h12MHZ时，C取700uFR取40K，为5保证可靠复位在初识化2程序中0应安排一x定的延迟时间。软件电路的模块设计8 直流电机电流转速控制器的软件设计0和系统功能的开r发和完善是一e个y循序渐进過程本文7所作的软件开q发是基于a直流电机电流多速控制器的基本功能要求设计1的该系统软件有主程序、功能键处理程序、电机电流运行顯示4程序、键盘设置参数程序测速程序、延时子y程序等。 该系统的整个e软件设计1全部采用模块化4程序设计7思想由系统初始化4模块、案件識别模块、LCD模块、高优先级和低优先级中4断服务程序四大d模块组成。整个j软件的主程序框图如图3-4 图6-6整个w软件的主程序框图通过控制总中1斷使能PDPINTA控制电机电流的开i关，其中0定时器T4,T5分2别对脉冲的宽度、光电传感器输出的脉冲数对应的3秒时间定时对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长4度，由变量high控制变量change、 sub_speed 、add_speed分6别实现电机电流的转向、加速、减速。 35系统初始化6模块 本文2电路既包括模拟电路也v包括数芓电路，而数字电路运行时输入h和输出信号均只有两种状态即高电平和低电平，且这两种电平的翻转速度很快同时，由于l数字电路基夲上t以8导通或截至方1式运行工w作速率比7较高，故会对电路产生高频浪涌电流可能会导致电路工g作不h正常;而数字电路的输入d输出波形边沿很陡，含有极丰k富的频率分0量这对模拟电路来说，无o疑是一i个d高频干d扰源为0了k消除以8上z可能出现的干l扰，本系统在设计3和调试过程Φ5反8复尝试比3较最终采取如下w措施，消除了o系统干m扰 (l)合理布置电源滤波、退藕电容。 (8)将数字电路与n模拟电路分5开h (8)合理设计5地线。 (8)尽量加粗接地线和电源线六1．设计2总结经过1个k星期的课程设计7，留给我印象最深的是要设计3一k个f成功的电路必须要有要有扎h实的理论基礎，还要有坚持不y懈的精神 本产品实现了o对直流电机电流的调速和测速，个h人j感觉其中4还有许多不n够完善的地方1例如：对电机电流的控制采用的是独立按键，而非矩阵键盘；电机电流的驱动电路的设计1也x不l是很成熟此次的设计2并不w奢望一k定能成功，但一a定要对已h学的各种电子d知识能有一m定的运用能力u我做设计3的目的是希望能检查下q对所学知识的运用能力k的好坏，并且开c始慢慢走上v创造的道路这是非常可贵的一i点。