掌握脈寬調(diào)制調(diào)速的原理與方法，學(xué)習(xí)頻率/周期測量的方法，了解閉環(huán)控制的原理。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

單片機(jī)測控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)?zāi)K

Keil開發(fā)環(huán)境

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三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1. 編寫程序，能夠在數(shù)碼管上顯示一個(gè)數(shù)值。

2. 固定向P1.1輸出0，然后測量每秒鐘電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)，將其顯示在數(shù)碼管，每秒刷新一次即可。

3. 使用脈寬調(diào)制的方法，動(dòng)態(tài)調(diào)整向P1.1輸出的內(nèi)容，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)定值附近，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

4. 根據(jù)輸入修改電機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)速目標(biāo)值：低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速。

5. 每隔一秒鐘讀取兩個(gè)開關(guān)的狀態(tài)，如果S1按下，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定到低轉(zhuǎn)速目標(biāo)值附近，如果S2按下，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定到高轉(zhuǎn)速目標(biāo)值附近。交替顯示目標(biāo)值和當(dāng)前轉(zhuǎn)速值。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1. 建立工程，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1

參考輔助材料，學(xué)習(xí)8031匯編語言使用和直流電機(jī)原理。

2. 編寫中斷程序，測量電機(jī)轉(zhuǎn)速

本程序需要使用定時(shí)器定時(shí)，并使用中斷來同步。中斷程序的典型例子如下：

ORG 0000H

LJMP START

ORG 000BH

LJMP T0IN ;中斷向量表

ORG 0040H

START： 。。.;初始化

。。.

T0IN： 。。.;中斷程序

。。.

RETI ;中斷返回

END

3. 完成控制轉(zhuǎn)速程序

按照脈寬調(diào)制的原理，再添加一個(gè)快速的定時(shí)中斷（0.1ms左右），在這個(gè)中斷里面動(dòng)態(tài)改變P1.1的輸出，宏觀上輸出有效（0）的比例就是預(yù)定的控制變量。這個(gè)控制變量增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速就應(yīng)該提高，但由于各種內(nèi)部和外部因素，它們之間不存在簡單的函數(shù)關(guān)系，因此必須根據(jù)測量出來的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

首先將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在一個(gè)預(yù)定數(shù)值附近，在每一個(gè)1秒鐘中斷測量出當(dāng)前轉(zhuǎn)速之后，將其與目標(biāo)值相對比，如果不夠則增加控制變量，否則減少之，這樣就能逐步達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的目的。同時(shí)將速度顯示出來。

4. 完成整體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在上面程序的基礎(chǔ)上，再加上根據(jù)開關(guān)狀態(tài)改變預(yù)定轉(zhuǎn)速的代碼。同時(shí)，在主程序中交替顯示目標(biāo)值和當(dāng)前轉(zhuǎn)速值，顯示一個(gè)內(nèi)容之后等待一段時(shí)間（可以由延時(shí)代碼實(shí)現(xiàn)），然后再顯示另一個(gè)并延時(shí)。要顯示的內(nèi)容都是在中斷中被修改的。

五、實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)示意電路原理圖（圖中的P1.3應(yīng)改為P1.1）：

對于直流電機(jī)來說，其轉(zhuǎn)速由輸入電壓決定，因此具有平滑調(diào)速的效果；相比而言，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速由交流電頻率和電機(jī)結(jié)構(gòu)決定，難以改變速度。當(dāng)然，交流電機(jī)構(gòu)造簡單，沒有換向器，所以容易制造高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機(jī)；而直流電機(jī)一般用在負(fù)荷小，但要求轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)的場合，如伺服電機(jī)。

脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）是一種能夠通過開關(guān)量輸出達(dá)到模擬量輸出效果的方法。使用PWM可以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制、電壓調(diào)制等效果，并且需要的外圍器件較少，特別適合于單片機(jī)控制領(lǐng)域。這里只關(guān)心通過PWM實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)制，從而控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的效果。也稱作脈寬調(diào)制調(diào)速。

PWM的基本原理是通過輸出一個(gè)很高頻率的0/1信號，其中1的比例為δ（也叫做占空比），在外圍積分元件的作用下，使得總的效果相當(dāng)于輸出δ×A（A為高電平電壓）的電壓。通過改變占空比就可以調(diào)整輸出電壓，從而達(dá)到模擬輸出并控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的效果。

使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM，就是根據(jù)預(yù)定的占空比δ來輸出0和1，這里δ就是控制變量。最簡單的辦法就是以某個(gè)時(shí)間單位（如0.1ms，相當(dāng)于10kHz）為基準(zhǔn)，在前N段輸出1，后M-N段輸出0，總體的占空比就是N/M。這種方法由于0和1分布不均勻，所以要求基準(zhǔn)頻率要足夠高，否則會出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象。

要達(dá)到更穩(wěn)定的效果，可以采用累加進(jìn)位法如果將總的周期內(nèi)的0和1均勻分散開。設(shè)置一個(gè)累加變量x，每次加N，若結(jié)果大于M，則輸出1，并減去M；否則輸出0。這樣整體的占空比也是N/M。在實(shí)驗(yàn)中取M=256可以使程序更加簡單。

另外，由于本實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)，輸出0使電機(jī)工作。因此對于本實(shí)驗(yàn)，上面所說的0和1要翻轉(zhuǎn)過來用。

在本實(shí)驗(yàn)板中，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，與之相連的偏心輪將遮擋光電對管一次，因此會產(chǎn)生一個(gè)脈沖，送到INT0。要測量轉(zhuǎn)速，既可以測量相鄰兩次中斷之間的時(shí)間；也可以測量一秒種之內(nèi)發(fā)生的中斷次數(shù)。顯然，后一種方法更加簡單。

進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時(shí)，涉及到三個(gè)變量：預(yù)期轉(zhuǎn)速，實(shí)際轉(zhuǎn)速和控制變量。這里控制變量就是占空比。我們并不能夠預(yù)先精確知道某個(gè)控制變量的值會導(dǎo)致多少的實(shí)際轉(zhuǎn)速，因?yàn)檫@里有很多內(nèi)部和外部因素起作用（如摩擦力，慣性等），但可以確定就是隨著控制變量的增加，實(shí)際轉(zhuǎn)速會增加。

反饋控制的基本原理就是根據(jù)實(shí)際結(jié)果與預(yù)期結(jié)果之間的差值，來調(diào)節(jié)控制變量的值。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于預(yù)期轉(zhuǎn)速時(shí)，我們需要減少控制變量，以降低速度；反之則需要調(diào)高控制變量。

本實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速控制可以使用簡單的比例控制算法，也就是當(dāng)轉(zhuǎn)速S大于預(yù)定值時(shí)，將輸出0的個(gè)數(shù)減少；當(dāng)轉(zhuǎn)速小于預(yù)定值時(shí)，將輸出0的個(gè)數(shù)增加。改變值正比于測量出的差值。也可自行使用其他更加復(fù)雜的算法。

實(shí)驗(yàn)中采用的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速在200轉(zhuǎn)/s左右，轉(zhuǎn)速小于40轉(zhuǎn)/s左右將不穩(wěn)定，可能會停轉(zhuǎn)。

六、一點(diǎn)想法

在本次實(shí)驗(yàn)中，PWM脈寬調(diào)制是通過改變低電平（0，存在61H中）和高電平（1，存在60H中）的輸入比例實(shí)現(xiàn)的。初始時(shí)，高低電平均為100次（可以隨便設(shè)置，高低電平次數(shù)也可以不同），比例為1:1。當(dāng)當(dāng)前轉(zhuǎn)速低于目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，增加低電平輸入次數(shù)，減少高電平輸入次數(shù)（兩者總和不變，還是200次），增加了低電平的占空比，轉(zhuǎn)速提高。當(dāng)當(dāng)前轉(zhuǎn)速高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，減少低電平輸入次數(shù)，增加高電平輸入次數(shù)（兩者總和不變，還是200次），降低了低電平的占空比，轉(zhuǎn)速降低。

60H+61H的和（高低電平輸入總和）影響轉(zhuǎn)速調(diào)整精度和速度，值越大，精度越高（擺動(dòng)越?。?，轉(zhuǎn)速調(diào)整越慢；相反，值越小，轉(zhuǎn)速調(diào)整越快，但精度越低（擺動(dòng)越大）。

轉(zhuǎn)速調(diào)整的速度和精度還可以通過每次轉(zhuǎn)速調(diào)整時(shí)，60H（高電平輸入次數(shù)）和61H（低電平輸入次數(shù)）調(diào)整的幅度來調(diào)控。幅度越大，轉(zhuǎn)速調(diào)整越快，但精度越低，幅度越小，精度越高，轉(zhuǎn)速調(diào)整越慢。

60H和61H中的數(shù)可以隨便（為正即可）取，但在整個(gè)過程中，61H+60H的值一定為一個(gè)定值，這樣才能確定改變的是占空比。