1、2.直流调速系统 202.1 直流调速系统概述 202.2 单闭环直流调速系统 202.3 开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较 22总结 29致谢 30参考文献 题目:基于单片机实现步进电机PWM调速系统1. 系统硬件电路的设计1.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计1.1.1 系统总体设计框图图1.1系统总体设计框图1.1.2 8051单片机简介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。其基本组成如下图所示:图1.2 8051单
2、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/O口:8051芯片内部有4个8位的I/O口(P0,P1,
3、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单片机引脚图图1.3 8051单片机引脚图1.1.3 单片机系统中所用其他芯片简介1.地址锁存器74LS37374LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。其结构如下图所示:图
4、1.4 74LS373片内三态门的D锁存器当使能端G呈高电平时,锁存器中的内容可以更新,而在返回低电平的瞬间实现锁存。如果此时芯片的输出控制端为低,也即是输出三态门打开,锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。以下是其引脚图:图1.5 74LS37引脚图2.程序存储器27128(1)芯片引脚图1.6程序存储器27128引脚图(2)功能表 引脚 工作方式(片选)(允许输出)VPP(编程控制)输出读LVCCH数据输出维持*高阻编程数据输入编程校验编程禁止表1.1功能表3数据存储器6264图1.7 数据存储器6264芯片引脚(2)芯片功能表 引脚I/O0I/O7未选中输出禁止写表1.2 芯片功能表1
5、.1.4 8051单片机扩展电路及分析图1.8 8051单片机扩展电路接线分析P0.7-P0.0:这8个引脚共有两种不同的功能,分别使用于两种不同的情况。第一种情况是8051不带片外存储器,P0口可以作为通用I/O口使用,P0.7-P0.0用于传送CPU的I/O数据。第二种情况是8051带片外存储器,P0.7-P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址,然后传送CPU对片外存储器的读写数据。P2.7-P2.0:这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合,用于输出片外存储器的高8位地址,共同选中片外存储器单元,但是并不能像P0口那
6、样还可以传送存储器的读写数据。P3.7-P3.0:这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。它的第二功能作为控制用,每个引脚不尽相同,如下表所示:P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2外中断0输入P3.3外中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6外部RAM写选通信号P3.7外部RAM读选通信号表1.3 P3口功能表 VCC为+5V电源线,VSS为接地线。ALE/:地址锁存允许/编程线,配合P0口引脚的第二功能使用,在访问片外存储器时,8051CPU在P0.7-P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在
7、ALE/线上输出一个高电位脉冲,其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器,以便空出P0.7-P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。在不访问片外存储器时,8051自动在ALE/线上输出频率为1/6 fOSC的脉冲序列。该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。/ VPP:允许访问片外存储器/编程电源线,可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。如果=1,那么允许使用片内ROM;=0,那么允许使用片外ROM。片外ROM选通线,在执行访问片外ROM的指令MOVC时,8051自动在线上产生一个负脉冲,用于片外ROM芯片的选通。其他情况下,线均为高电平封
8、锁状态。RST/VPD:复位备用电源线,可以使8051处于复位工作状态。XTAL1和XTAL2:片内振荡电路输入线,这两个端子用来外接石英晶体和微调电容,即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。石英晶振起振后,应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波,以便于8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡,电容C1、C2可以帮助起振,调节它们可以达到微调fOSC的目的。1.2 PWM信号发生电路设计1.2.1 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
9、度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中,按一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。通过改变步进电机电枢上电压的“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1.9 时序图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 = Vmax * D,其中Va指的是电机的平均速度;Vmax 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
10、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。1.2.2 PWM信号发生电路设计图1.10 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,它对步进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
11、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
12、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,从而进行步进电机的转速控制。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。1.2.3 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,来判断它们之间的大小是否相等。(2)芯片
13、4585的功能表:输入比较级取A3、B3A2、B2A1、B1A0、B0AA3B31A3=B3A2B2A2=B2A1B1A1=B1A0B0A0=B0A0A1A2A3表1.4 芯片4585的功能表(3)芯片4585的引脚图:图1.11芯片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
14、。(1)芯片4040的极限值:电源电压范围:-0.5V18V输入电压范围:-0.5VVDD+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 Q0Q11:计数脉冲输出端 VDD: 正电源 VSS: 地端(3)芯片4040功能表:CPCR保持计数所有输出端均为L表1.5芯片4040功能表(4)芯片4040的引脚图:图1.12芯片4040的引脚图1.3 功率放大驱动电路设计该驱动电路采用了IR2110集成芯片,该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。1.3.1 芯片IR2110性能及特点IR2110是美国国际整流器公司利
15、用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术,于1990年前后开发并且投放市场的,IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内,外接很少的分立元件就能提供极快的功耗,它的特点在于,将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号,可以驱动同一桥臂的两路输出,驱动能力强,响应速度快,工作电压比较高,可以达到600V,其内设欠压封锁,成本低、易于调试。高压侧驱动采用外部自举电容上电,与其他驱动电路相比,它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目,使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简
16、化,而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动,还具有快速完整的保护功能。与此同时,IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。降低了产品成本和减少体积。1.3.2 IR2110的引脚图以及功能引脚1(LO)与引脚7(HO):对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端,使用中,分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极,为了防止干扰,通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10K的电阻。引脚2(COM):下通道MOSFET驱动输出参考地端,使用中,与引脚13(Vss)直接相连,同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。引脚3(Vcc):直接接
17、用户提供的输出极电源正极,并且通过一个较高品质的电容接引脚2。引脚5(Vs):上通道MOSFET驱动信号输出参考地端,使用中,与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。与引脚6(VB):通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管,与用户提供的输出极电源相连,对Vcc的参数要求为大于或等于0.5V,而小于或等于+20V。引脚9(VDD):芯片输入级工作电源端,使用中,接用户为该芯片工作提供的高性能电源,为抗干扰,该端应通过一高性能去耦网络接地,该端可与引脚3(Vcc)使用同一电源,也可以分开使用两个独立的电源。引脚10(HIN)与引脚12(LIN):驱动逆变桥中同桥臂上下两个
18、功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。应用中,接用户脉冲形成部分的对应两路输出,对此两个信号的限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V,这里Vss 与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13(Vss)与引脚9(VDD)端的电压值。引脚11(SD):保护信号输入端,当该引脚为高电平时,IR2110的输出信号全部被封锁,其对应的输出端恒为低电平,而当该端接低电平时,则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。引脚13(Vss):芯片工作参考地端,使用中,直接与供电电源地端相连,所有去耦电容的一端应接该端,同时与引脚2直接相连。引脚8、引脚14、引脚4:为空引脚。芯片参数:1IR2110的极限参数和
19、限制:最大高端工作电源电压VB: -0.3V至525V门极驱动输出最大(脉冲)电流IOMAX:2A最高工作频率fmax:1MHz工作电源电压Vcc:-0.3V至25V贮存温度Tstg:-55至150工作温度范围TA:-40至125允许最高结温Tjmax:150逻辑电源电压VDD:-0.3V至VSS+25V允许参考电压Vs临界上升率dVs/dt:50000V/s高端悬浮电源参考电压Vs:VB-25V至VB+0.3V高端悬浮输出电压VHO:Vs-0.3V至VB+0.3V逻辑输入电压VIN:Vss-0.3V至VDD+0.3V逻辑输入参考电压Vss:Vcc-25V至Vcc+0.3V低端输出电压VLO:
20、-0.3V至Vcc+0.3V功耗PD:DIP-14封装为1.6W2IR2110的推荐工作条件:高端悬浮电源绝对值电压VB:Vs+10V至Vs+20V0至Vcc低端工作电源电压Vcc:10V至20V Vss+5V至Vss+20V逻辑电源参考电压Vss: -5V至+5V图1.13 IR2110芯片1.4 主电路设计1.4.1 延时保护电路利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。R2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时,保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔,因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源
21、直通路的危险。1.4.2 主电路从上面的原理可以看出,产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作,在高压侧截止期间低压侧必须导通,才能够给自举电容提供充电的通路。因此在这个电路中,Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。我们可以采取双PWM信号来控制步进电机的正转以及它的速度。将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连,而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连,这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。在HIN为高电平期间,Q1、Q4导通,在步进电机上加正向的工作电压。其具体的操作步骤如下:当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候,Q2截止,C1上的电压经过VB、IC内
22、部电路和HO端加在Q1的栅极上,从而使得Q1导通。同理,此时IC2的HO为低电平而LO为高电平,Q3截止,C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上,从而使得Q4导通。电源经Q1至电动机的正极经过整个步进电机后再通过Q4到达零电位,完成整个的回路。此时步进电机正转。在HIN为低电平期间,LIN端输入高电平,Q2、Q3导通,在步进电机上加反向工作电压。当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候,Q2导通且Q1截止。此时Q2的漏极近乎于零电平,Vcc通过D1向C1充电,为Q1的又一次导通作准备。同理可知,IC2的HO为高电平而LO为低电平,Q3导通且Q4截止,Q3的漏极近乎于零电平
23、,此时Vcc通过D2向C3充电,为Q4的又一次导通作准备。电源经Q3至电动机的负极经过整个步进电机后再通过Q2到达零电位,完成整个的回路。此时,步进电机反转。因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形,由于存在着机械惯性的缘故,电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。设PWM波的周期为T,HIN为高电平的时间为t1,这里忽略死区时间,那么LIN为高电平的时间就为T-t1。HIN信号的占空比为D=t1/T。设电源电压为V,那么电枢电压的平均值为:Vout= t1 - ( T - t1 ) V / T = ( 2 t1 T ) V / T = ( 2D 1 )V定义负载电压系数为,= Vout / V, 那么 = 2D 1 ;当T为常数时,改变HIN为高电平的时间t1,也就改变了占空比D,从而达到了改变Vout的目的。D在01之间变化,因此在1之间变化。如果我们联系改变,那么便可以实现电机正向的无级调速。当=0.5时,Vout=0,此时电机的转速为0;当0.51时,Vout为正,电机正转;当=1时,Vout=V,电机正转全速运行。图1.14 主电路1.4.3 输出电压波形图1.151.5 测速发电机测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机,分为直流与交流两种。其绕组和磁路经过精确设计,输出电动势E和转速n成线性关系,即E=kn,其中k是常数。改
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