８０９８單片機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

王清良

有很多場所對轉(zhuǎn)速的精度要求較高，譬如，某些精密儀器、精密機(jī)床等。那末，怎樣解決轉(zhuǎn)速精度問題呢？除選用硬度特性較好的電動(dòng)機(jī)外，電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)也是應(yīng)該考慮的問題。比如，生產(chǎn)中常采用的滑差電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)等。本文介紹的8098單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，就是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。

整個(gè)電路組成框圖如圖1所示，其中晶振單元、復(fù)位單元、程序存儲與地址、數(shù)據(jù)分割單元是保證8098系統(tǒng)能夠運(yùn)行的必要附屬部分；8255擴(kuò)展單元是為8098更好地實(shí)現(xiàn)其功能而進(jìn)行的擴(kuò)展；其它各單元電路與8255擴(kuò)展單元共同實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。

系統(tǒng)的控制原理

圖2為系統(tǒng)硬件圖。系統(tǒng)通過撥盤輸入給定轉(zhuǎn)速，由高速輸入口HSI1進(jìn)行現(xiàn)行速度檢測，現(xiàn)行速度通過顯示器顯示。本系統(tǒng)通過現(xiàn)行轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值占給定轉(zhuǎn)速的比例實(shí)現(xiàn)比例調(diào)節(jié)。通過外部輸入中斷EXINT口獲得同步輸入脈沖，計(jì)算出移相角和HSO各口的輸出時(shí)間，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電壓。8255A接口的PA6控制運(yùn)行，當(dāng)PA6腳為高電位時(shí)系統(tǒng)即運(yùn)行；PA6腳為低電位時(shí)系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。系統(tǒng)通過檢測8255A接口的PA7腳電位的高低感知過電流，PA7腳為高電位時(shí)即進(jìn)行過電流時(shí)間計(jì)算，把掃描PA7腳一次所用的時(shí)間進(jìn)行累加，與給定允許過電流時(shí)間比較，累積時(shí)間大于允許時(shí)間，PWM即輸出高電位，使繼電器J1失電，斷開主電路；累積時(shí)間不到允許時(shí)間，即過流消失，系統(tǒng)將對時(shí)間累加寄存器清零。

1.系統(tǒng)的運(yùn)行過程

系統(tǒng)給電后即工作，此時(shí)，接觸器J1閉合，主電路接通，系統(tǒng)掃描PA6腳的狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)K閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)能夠顯示電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)行轉(zhuǎn)速，需要改變轉(zhuǎn)速時(shí)，只需改變撥盤輸入值即可。整個(gè)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)一直對PA6腳的狀態(tài)掃描檢測，需停車時(shí)，斷開開關(guān)K即可。整個(gè)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)同樣對PA7腳掃描檢測，當(dāng)PA7腳為高電位時(shí)，系統(tǒng)即認(rèn)為過流故障，當(dāng)故障時(shí)間超過允許時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)通過PWM口輸出信號，并通過接觸器J1斷開主回路。

2.硬件電路簡介

（1）HSI1接口電路當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線經(jīng)過電動(dòng)機(jī)輪上的孔，照射在光敏三極管上，使光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出一個(gè)脈沖波形，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形，利用積分式單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使周期不等、脈寬不等的信號整形為周期不等、脈寬相等的一系列方波，由反相器輸出脈沖信號，這種積分式單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，具有較高的抗干擾能力，能很好地抑制尖峰脈沖。其原理框圖如圖3所示。

（2）PWM口輸出電路給定直流電源，接觸器J1的線圈即得電，接通主電路。7407是一個(gè)具有驅(qū)動(dòng)功能的跟隨器。當(dāng)系統(tǒng)停車或發(fā)生過電流時(shí)，PWM腳輸出高電位，7407接到PWM信號后，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光。TIL117是一個(gè)光電隔離元件，二極管發(fā)出的紅外線使光敏三極管飽和導(dǎo)通，接觸器J1失電，斷開主電路。圖中的二極管為接觸器J1的線圈提供一個(gè)快速放電通道，有利于保護(hù)電子元件。

(3)EXINT接口同步整形電路同步整形電路如圖4所示。當(dāng)同步變壓器的Uuo作為同步電壓輸入至同步整形電路時(shí)，波形由正變負(fù)的瞬間，同步整形電路輸出一個(gè)脈沖。由于采用正反饋電路，使脈沖在過零點(diǎn)附近迅速形成，系統(tǒng)產(chǎn)生的信號接近同步信號，并以此作為六個(gè)晶閘管所需觸發(fā)脈沖的基準(zhǔn)。由于兩個(gè)反向并聯(lián)二極管的作用，輸入電壓始終在0.7V以下，有利于減少功耗和延長電子元件的使用壽命。

（4）HSO口脈沖的產(chǎn)生和移相六路脈沖的波形如圖5所示，系統(tǒng)的輸出脈沖為寬脈沖，脈沖寬度為80度。六路脈沖分別由高速輸出端HSO.0～HSO.5產(chǎn)生。每個(gè)輸出端先輸出一個(gè)高電平，延時(shí)80度再變成低電平。每個(gè)脈沖的上升沿的電角度對應(yīng)相應(yīng)晶閘管的角。對于VT1管，上升沿位于同步脈沖的α+30度，下降沿則位于同步脈沖的α+30+80度。依此類推，C點(diǎn)為α+30+60度；D點(diǎn)為α+30+60+80度；E點(diǎn)為α+30+120度；F點(diǎn)為α+30+120+80度；G點(diǎn)為α+30+180度；H點(diǎn)為α+30+180+80度；I 點(diǎn)為α+30+240度；J點(diǎn)為α+30+240+80度；K點(diǎn)為α+30+300度；L點(diǎn)為α+30+300+80度。為了減少累積誤差，每次VT1管脈沖時(shí)間的計(jì)算以同步脈沖為基準(zhǔn)，而不采用VT6管上升沿為基準(zhǔn)。在設(shè)定觸發(fā)事件時(shí)，由于中斷屏蔽寄存器容納不下12個(gè)觸發(fā)事件，首先在EXINT產(chǎn)生同步中斷時(shí)，設(shè)定7個(gè)觸發(fā)事件，使第7個(gè)觸發(fā)事件既是圖中G點(diǎn)又產(chǎn)生中斷，帶出后面的5個(gè)觸發(fā)事件，從而使12個(gè)觸發(fā)點(diǎn)連貫起來，實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的全控橋整流。CD4049是一個(gè)驅(qū)動(dòng)功能的反相器。8098單片機(jī)通過HSO高速輸出端口輸出脈沖信號后，經(jīng)CD4049提高驅(qū)動(dòng)電流，再經(jīng)TIL117光隔離，從LM386低頻功率放大器得到最后的輸出脈沖，這樣可以提高輸出脈沖上升沿陡度。

（5）8098單片機(jī)的功能擴(kuò)展電路由于8098單片機(jī)內(nèi)部功能部件不能滿足系統(tǒng)使用，所以，通過8098單片機(jī)的P3口、 P4口和WR腳、RD腳分別擴(kuò)展了一片2732EPROM、1片8255A并行接口，2732用于存放程序，其片選端由P4.4給定。8098單片機(jī)又通過8255A接口擴(kuò)展了撥盤輸入電路、控制信號電路和過電流檢測電路以及現(xiàn)行速度顯示電路。集成電路74LS373是一個(gè)8位數(shù)據(jù)鎖存器，用于8098單片機(jī)P3口的地址和數(shù)據(jù)分割，P4.6是8255A的片選，BCI 8718、74LS145在電路中起隔離和驅(qū)動(dòng)作用，所選用的撥盤開關(guān)為8421制，撥盤1、撥盤2、撥盤3分別代表給定輸入的個(gè)位數(shù)、十位數(shù)、百位數(shù)，它們組合的最大數(shù)據(jù)為999，最小數(shù)據(jù)為零。開關(guān)K為一個(gè)單刀雙擲開關(guān)。當(dāng)K擲于電源端時(shí)，系統(tǒng)開始運(yùn)行；當(dāng)K擲于接地端時(shí)，系統(tǒng)即停止運(yùn)行。與PA7腳相連的是過流繼電器J2的一對接點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)過電流時(shí)，J2的常開接點(diǎn)閉合，常閉接點(diǎn)斷開，系統(tǒng)記錄過電流時(shí)間；當(dāng)系統(tǒng)不出現(xiàn)過電流時(shí)，J2的常開斷開，常閉接地，PA7腳為低電位，系統(tǒng)正常運(yùn)行。用七段碼顯示器來顯示現(xiàn)行速度，七段碼顯示器組合的最大顯示值為999 n/min，最小顯示值為0。

（6）8098單片機(jī)的振蕩電路、復(fù)位電路 本系統(tǒng)的復(fù)位電路具有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵AN復(fù)位的功能。它能使8098單片機(jī)和8255A接口同步復(fù)位。按鍵復(fù)位原理如下：正常情況下1μF電容器的正極充電，使與它相連的7406輸入端為正，即處于高電位，于是它的輸出端為低電位，再經(jīng)過一個(gè)7406非門電路后，輸出為高電位，此時(shí)復(fù)位無效。當(dāng)按下AN鍵時(shí)，1μF電容器迅速放電，使7406輸入端接地，處于低電位狀態(tài)，經(jīng)兩個(gè)7406非門電路后，RST仍處于低電位狀態(tài)，此時(shí)復(fù)位有效。自動(dòng)復(fù)位電路原理為：正常情況下，RST處于高電位，即復(fù)位無效狀態(tài)，斷開后，RST仍保持原狀態(tài)，當(dāng)重新上電時(shí)，由于51kΩ電阻的影響，1μF電容器需要較長的充電時(shí)間，使第一個(gè)7406輸入端暫時(shí)處于低電位，它經(jīng)非門輸出一個(gè)低電位至RST端，使系統(tǒng)復(fù)位，二極管1N4148為復(fù)位電容在掉電的情況下提供一條迅速放電的通路，這樣可使芯片在反復(fù)上電的情況下得到可靠復(fù)位的保證。8098單片機(jī)的外部振蕩電路設(shè)定為12MHz晶振，由于8098內(nèi)部不設(shè)程序存儲器。因此EA腳接地。

主電路簡介

KK開關(guān)是一個(gè)刀熔開關(guān)，在主電路中，當(dāng)設(shè)備長期不運(yùn)行或停電檢修時(shí)，KK開關(guān)可以斷開主電源與其它部分的連接，起安全隔離作用。同時(shí)，由于KK開關(guān)帶有熔斷器，在設(shè)備運(yùn)行中，又有短路保護(hù)的作用。J1為接觸器，在給定12V直流電源后，接觸器J1的線圈得電，常開觸點(diǎn)閉合，接通主電路；當(dāng)?shù)玫絇WM輸出的高電平信號時(shí)，接觸器J1的線圈失電，常開接點(diǎn)斷開，同時(shí)斷開主電路。J2是一個(gè)過電流斷電器，它的線圈并接于CT的端子上，當(dāng)系統(tǒng)過電流時(shí)，一次電流反應(yīng)到電流互感器CT的二次側(cè)，使過電流繼電器J2動(dòng)作，PA7腳處于高電位，這時(shí)程序開始積累過電流時(shí)間，隔離變壓器主要是將直流電路與系統(tǒng)以外的其它電路隔離開來，以免影響其它電路的供電質(zhì)量，同時(shí)，當(dāng)主電源的電壓不符合直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓時(shí)，可以通過選擇變壓器來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)所需要的直流電壓。采用的整流電路為三相全控橋式，每個(gè)晶閘管的觸發(fā)電路直接接于8098單片機(jī)高速輸出口給出的觸發(fā)端上。加裝平波電抗器，由于大感負(fù)載的存在，使系統(tǒng)在制動(dòng)過程中呈現(xiàn)逆變狀態(tài)，這有利于快速制動(dòng)，也有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的跟隨性。

系統(tǒng)抗干擾措施

本系統(tǒng)為常年運(yùn)行的控制裝置，采用轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)，本身具有良好的抗擾性，為保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，又采取了其它一些抗干擾措施，具體有以下幾點(diǎn)：

（1）適當(dāng)布局，合理走線和正確接地，對強(qiáng)電輸出部分進(jìn)行隔離和屏蔽，現(xiàn)場輸出信號也采用了光電隔離和驅(qū)動(dòng)措施。

（2）交流電源使用雙層隔離變壓器，對各主要芯片采用獨(dú)立穩(wěn)壓電源供電。

（3）系統(tǒng)在斷電后，能夠自動(dòng)復(fù)位，重新運(yùn)行。

軟件編程

圖6、7、8、9給出了軟件流程圖，在本刊的網(wǎng)站上給出了源程序，供讀者參考。