8098单片机调速系统

有很多场所对转速的精度要求较高，譬如，某些精密仪器、精密机床等。那末，怎样解决转速精度问题呢？除选用硬度特性较好的电动机外，电动机控制系统也是应该考虑的问题。比如，生产中常采用的滑差电动机调速系统、变频变压调速系统等。本文介绍的8098单片机直流电机调速系统，就是一种经济实用的电动机控制系统。

整个电路组成框图如图1所示，其中晶振单元、复位单元、程序存储与地址、数据分割单元是保证8098系统能够运行的必要附属部分；8255扩展单元是为8098更好地实现其功能而进行的扩展；其它各单元电路与8255扩展单元共同实现调速功能。

系统的控制原理

图2为系统硬件图。系统通过拨盘输入给定转速，由高速输入口HSI1进行现行速度检测，现行速度通过显示器显示。本系统通过现行转速与给定转速的差值占给定转速的比例实现比例调节。通过外部输入中断EXINT口获得同步输入脉冲，计算出移相角和HSO各口的输出时间，从而调节电动机的电压。8255A接口的PA6控制运行，当PA6脚为高电位时系统即运行；PA6脚为低电位时系统处于等待状态。系统通过检测8255A接口的PA7脚电位的高低感知过电流，PA7脚为高电位时即进行过电流时间计算，把扫描PA7脚一次所用的时间进行累加，与给定允许过电流时间比较，累积时间大于允许时间，PWM即输出高电位，使继电器J1失电，断开主电路；累积时间不到允许时间，即过流消失，系统将对时间累加寄存器清零。

1.系统的运行过程

系统给电后即工作，此时，接触器J1闭合，主电路接通，系统扫描PA6脚的状态，当开关K闭合时，电动机启动，达到给定转速。本系统能够显示电动机的现行转速，需要改变转速时，只需改变拨盘输入值即可。整个运行过程中，系统一直对PA6脚的状态扫描检测，需停车时，断开开关K即可。整个运行过程中，系统同样对PA7脚扫描检测，当PA7脚为高电位时，系统即认为过流故障，当故障时间超过允许时间时，系统通过PWM口输出信号，并通过接触器J1断开主回路。

2.硬件电路简介

（1）HSI1接口电路 当电动机运行时，红外发光二极管发出的红外线经过电动机轮上的孔，照射在光敏三极管上，使光敏三极管饱和导通，输出一个脉冲波形，经施密特触发器整形，利用积分式单稳态触发器使周期不等、脉宽不等的信号整形为周期不等、脉宽相等的一系列方波，由反相器输出脉冲信号，这种积分式单稳态触发器，具有较高的抗干扰能力，能很好地抑制尖峰脉冲。其原理框图如图3所示。

（2）PWM口输出电路 给定直流电源，接触器J1的线圈即得电，接通主电路。7407是一个具有驱动功能的跟随器。当系统停车或发生过电流时，PWM脚输出高电位，7407接到PWM信号后，驱动发光二极管发光。TIL117是一个光电隔离元件，二极管发出的红外线使光敏三极管饱和导通，接触器J1失电，断开主电路。图中的二极管为接触器J1的线圈提供一个快速放电通道，有利于保护电子元件。

(3)EXINT接口同步整形电路 同步整形电路如图4所示。当同步变压器的Uuo作为同步电压输入至同步整形电路时，波形由正变负的瞬间，同步整形电路输出一个脉冲。由于采用正反馈电路，使脉冲在过零点附近迅速形成，系统产生的信号接近同步信号，并以此作为六个晶闸管所需触发脉冲的基准。由于两个反向并联二极管的作用，输入电压始终在0.7V以下，有利于减少功耗和延长电子元件的使用寿命。

（4）HSO口脉冲的产生和移相 六路脉冲的波形如图5所示，系统的输出脉冲为宽脉冲，脉冲宽度为80度。六路脉冲分别由高速输出端HSO.0～HSO.5产生。每个输出端先输出一个高电平，延时80度再变成低电平。每个脉冲的上升沿的电角度对应相应晶闸管的角。对于VT1管，上升沿位于同步脉冲的α+30度，下降沿则位于同步脉冲的α+30+80度。依此类推，C点为α+30+60度；D点为α+30+60+80度；E点为α+30+120度；F点为α+30+120+80度；G点为α+30+180度；H点为α+30+180+80度；I 点为α+30+240度；J点为α+30+240+80度；K点为α+30+300度；L点为α+30+300+80度。为了减少累积误差，每次VT1管脉冲时间的计算以同步脉冲为基准，而不采用VT6管上升沿为基准。在设定触发事件时，由于中断屏蔽寄存器容纳不下12个触发事件，首先在EXINT产生同步中断时，设定7个触发事件，使第7个触发事件既是图中G点又产生中断，带出后面的5个触发事件，从而使12个触发点连贯起来，实现较准确的全控桥整流。CD4049是一个驱动功能的反相器。8098单片机通过HSO高速输出端口输出脉冲信号后，经CD4049提高驱动电流，再经TIL117光隔离，从LM386低频功率放大器得到最后的输出脉冲，这样可以提高输出脉冲上升沿陡度。

（5）8098单片机的功能扩展电路 由于8098单片机内部功能部件不能满足系统使用，所以，通过8098单片机的P3口、 P4口和WR脚、RD脚分别扩展了一片2732EPROM、1片8255A并行接口，2732用于存放程序，其片选端由P4.4给定。8098单片机又通过8255A接口扩展了拨盘输入电路、控制信号电路和过电流检测电路以及现行速度显示电路。集成电路74LS373是一个8位数据锁存器，用于8098单片机P3口的地址和数据分割，P4.6是8255A的片选，BCI 8718、74LS145在电路中起隔离和驱动作用，所选用的拨盘开关为8421制，拨盘1、拨盘2、拨盘3分别代表给定输入的个位数、十位数、百位数，它们组合的最大数据为999，最小数据为零。开关K为一个单刀双掷开关。当K掷于电源端时，系统开始运行；当K掷于接地端时，系统即停止运行。与PA7脚相连的是过流继电器J2的一对接点。当系统过电流时，J2的常开接点闭合，常闭接点断开，系统记录过电流时间；当系统不出现过电流时，J2的常开断开，常闭接地，PA7脚为低电位，系统正常运行。用七段码显示器来显示现行速度，七段码显示器组合的最大显示值为999 n/min，最小显示值为0。

（6）8098单片机的振荡电路、复位电路 本系统的复位电路具有上电自动复位和按键AN复位的功能。它能使8098单片机和8255A接口同步复位。按键复位原理如下：正常情况下1μF电容器的正极充电，使与它相连的7406输入端为正，即处于高电位，于是它的输出端为低电位，再经过一个7406非门电路后，输出为高电位，此时复位无效。当按下AN键时，1μF电容器迅速放电，使7406输入端接地，处于低电位状态，经两个7406非门电路后，RST仍处于低电位状态，此时复位有效。自动复位电路原理为：正常情况下，RST处于高电位，即复位无效状态，断开后，RST仍保持原状态，当重新上电时，由于51kΩ电阻的影响，1μF电容器需要较长的充电时间，使第一个7406输入端暂时处于低电位，它经非门输出一个低电位至RST端，使系统复位，二极管1N4148为复位电容在掉电的情况下提供一条迅速放电的通路，这样可使芯片在反复上电的情况下得到可靠复位的保证。8098单片机的外部振荡电路设定为12MHz晶振，由于8098内部不设程序存储器。因此EA脚接地。

主电路简介

KK开关是一个刀熔开关，在主电路中，当设备长期不运行或停电检修时，KK开关可以断开主电源与其它部分的连接，起安全隔离作用。同时，由于KK开关带有熔断器，在设备运行中，又有短路保护的作用。J1为接触器，在给定12V直流电源后，接触器J1的线圈得电，常开触点闭合，接通主电路；当得到PWM输出的高电平信号时，接触器J1的线圈失电，常开接点断开，同时断开主电路。J2是一个过电流断电器，它的线圈并接于CT的端子上，当系统过电流时，一次电流反应到电流互感器CT的二次侧，使过电流继电器J2动作，PA7脚处于高电位，这时程序开始积累过电流时间，隔离变压器主要是将直流电路与系统以外的其它电路隔离开来，以免影响其它电路的供电质量，同时，当主电源的电压不符合直流电动机的额定电压时，可以通过选择变压器来实现电动机所需要的直流电压。采用的整流电路为三相全控桥式，每个晶闸管的触发电路直接接于8098单片机高速输出口给出的触发端上。加装平波电抗器，由于大感负载的存在，使系统在制动过程中呈现逆变状态，这有利于快速制动，也有利于实现系统的跟随性。

系统抗干扰措施

本系统为常年运行的控制装置，采用转速反馈控制的闭环系统，本身具有良好的抗扰性，为保证系统的可靠性和稳定性，又采取了其它一些抗干扰措施，具体有以下几点：

（1）适当布局，合理走线和正确接地，对强电输出部分进行隔离和屏蔽，现场输出信号也采用了光电隔离和驱动措施。

（2）交流电源使用双层隔离变压器，对各主要芯片采用独立稳压电源供电。

（3）系统在断电后，能够自动复位，重新运行。

软件编程

图6、7、8、9给出了软件流程图，在本刊的网站上给出了源程序，供读者参考。