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MCS-51单片机直流电机调速中的应用


成都市技师学院 2010 年毕业论文

MCSMCS-51 单片机直流电机调速中的应用

作者姓名: 作者姓名: 班 级: 指导老师: 指导老师: 联系电话: 联系电话:

牟 小



08 级预备技师电气班 刘 毅 东





............................................. (03) 摘要................................................ 03) .......................................... .......................... (03) 关键字.............................................. 03) ............................................. (03) 1 前言................................................ 03) ...................................... 2 系统设计............................................ 03) (03) 2.1 直流电机调速原理................................(04) 直流电机调速原理................................(04) ................................ 系统硬件组成原理................................ 04) ................................( 2.2 系统硬件组成原理................................(04) 直流电动机转速控制系统的工作原理 制系统的工作原理................. 05) 2.3 直流电动机转速控制系统的工作原理................. 05) ( 转速测量电路原理................................ 05) ................................( 2.4 转速测量电路原理................................(05) 直流电动机转速控制系统硬件设计.... 2.5 直流电动机转速控制系统硬件设计.... .............. 06) (06) 2.6 直流电动机转速控制系统软件设计...... ............ 07) 直流电动机转速控制系统软件设计...... (07) ........................................... .......................... 07) 3 结论................................................ 07) ( .................................................. 08) ..........................( 附录..................................................(08) ...................................... ........................... 15) 参考文献.............................................. 15) (

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MCS基于 MCS-51 单片机直流电机调速控制器的设计
作者:王德权 (0532110661 电子信息工程专业 0501 班)

·摘要
在电气时代的今天, 电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要 的作用。直流电机作为最常见的一种电机,具有非常优秀的线性机械特性、较宽 的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点,因此在社会的各个领域 中都得到了十分广泛的应用。 本文设计了直流电机控制系统的基本方案,阐述了该系统的基本结构、工 作原理、运行特性及其设计方法。本系统采用霍尔元器件测量电动机的转速,用 MCS-51 单片机对直流电机的转速进行控制,用 DAC0832 芯片实现输出模拟电压 值来控制直流电动机的转速。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法,从而 对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。

·关键词:直流电机 单片机 转速控制 关键词: 1 前言

圈数控制

PWM

电子技术的高速发展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别 是单片机技术的应用,使直流电机调速技术进入到一个新的阶段。 直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多 需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来 看,直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为 基础,采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的 硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电 动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使得许多 控制功能及算法可以采用软件技术来完成, 为直流电动机的控制提供了更大的灵 活性,并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统,可以节约人力资 源和降低系统成本,从而有效的提高工作效率。

2 系统设计
2.1 直流电机调速原理 图 1 所示电枢电压为 Ua,电枢电流为 Ia,电枢回路总电阻为 Ra,电机常数 Ca,励磁磁通量是¢。 根据 KVL 方程:电机转速 n=(Ua-IaRa)/Ca¢,其中,对于极对数 p,匝数为 N,电枢支路数为 a 的电机来说:电机常数 Ca=pN/60a,意味着电机确定后,该值 是不变的。而在 Ua-IaRa 中,由于 Ra 仅为绕组电阻,导致 IaRa 非常小,所以 Ua-IaRa 约等于 Ua。由此可见我们改变电枢电压时,转速 n 即可随之改变。

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2.2 系统硬件组成原理

图 2 调速系统硬件原理框图 直流电机调速系统硬件原理框图如图 2 所示, MCS-51 单片机为控制核心, 以 包括测速电路、电源电路、数模转换电机驱动电路、显示电路、键盘控制电路。 2.3 直流电动机转速控制系统的工作原理 直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。本系统用 DAC0832 控制输出到直流电动机的电压的方法来控制电动机的转速。 当电动机转速小于设 定值时,DAC0832 芯片的输出电压增大,当大于设定值时则 DAC0832 芯片输出电 压减小,从而使电动机以设定的速度恒速旋转。我们采用比例调节器算法。控制 规律:

Y=KP e(t)+KI 式中:Y---比例调节器输出,KP ---比例系数,KI ---积分系数 e(t)---调节器的输入,一般为偏差值。 系统采用了比例积分调节器,简称 PI 调节器,使系统在扰动的作用下,通 过 PI 调节器的调节器作用使电动机的转速达到静态无差, 从而实现了静态无差。 无静差调速系统中,比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快(无滞后) , 积分部分使系统消除静差。 2.4 转速测量电路原理

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转速是工程上一个常用的参数,旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其 单位为 r/min。 转速的测量方法很多, 由于转速是以单位时间内的转数来衡量的, 因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。 霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片,器件的长、宽、高分别为 l、b、 d。若在垂直于薄片平面(沿厚度 d)方向施加外加磁场 B,在沿 l 方向的两个端 面加以外电场,则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动,所以将受到一个 洛仑磁力,其大小为:fl=qVB 式中:fl――洛仑磁力,q――载流子电荷,V――载流子运动速度,B―― 磁感应强度。 这样使电子的运动轨迹发生偏移, 在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电 子积聚或电荷过剩,形成霍尔电场,霍尔元器件两个侧面间的电位差 UH 称为霍 尔电压。 霍尔电压大小为:UH=RH×I×B/d(mV) 式中:RH ---霍尔常数,d---元件厚度,B---磁感应强度,I---控制电流 设 KH= RH/d ,则 UH=KH×I×B (mV) KH 为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T),它表示该霍尔元件在单位磁感应强度 和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意,当电磁感应强度 B 反向时, 霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变,则霍尔感应电压将随外界磁场强度而 变化,根据这一原理,可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿, 转盘随被测轴旋转,磁钢也将跟着同步旋转,在转盘附近安装一个霍尔元件,转 盘随轴旋转时,霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响,故输出脉冲信号,其频率 和转速成正比,测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。 在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的 3000 系列霍尔开关传感器 3013,它是一种硅单片集成电路,器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、 放大器、 史密特触发器和集电极开路输出电路, 具有工作电压范围宽、 可靠性高、 外电路简单<输出电平可与各种数字电路兼容等特点。 2.5 直流电动机转速控制系统硬件设计

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图 3 直流电动机转速控制系统流程图 通过自制 5V 电源来确保工作电压正常,由霍尔元件及外围器件组成的测速 电路将电动机转速转换成脉冲信号,送至单片机的计数器 T1,由 T1 测出电动机 的实际转速,并与设定值比较形成偏差。根据比较结果,使 DAC0832 输出控制电 压增大或减小。 功放电路将 DAC0832 输出的模拟电压转换成具有一定输出功率的 电动机控制电压。 2.6 直流电动机转速控制系统软件设计 1、 编程思路:控制系统程序的功能是用 89C51 单片机的 T0、T1 测出电动 机的实际转速,并与给定值进行比较。根据比较结果,使 DAC0832 芯片的输出控 制电压增大或减小。30H 单元存放实际转速与设定值是否相等的标志。 “1”表示

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相等, “0”表示不相等。40H 单元存放送入 DAC0832 芯片的数字控制电压。7FFFH 为 DAC0832 地址。 2、 系统流程图如图 3 所示:

3 结论
本系统用单片机构成电动机转速的控制系统,采用比例积分调节器算法,效 率高,电路简单,使用也比较广泛。本测速系统采用集成霍尔传感器敏感速率信 号,具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理 后,通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控,并且充分利用了单片机的内部 资源,有很高的性价比。经过测试并对误差进行分析发现,该系统的测量误差在 5%以内,并且在测量范围内转速越高测量精度越高。所以该系统在一般的转速 检测和控制中均可应用。

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附录: 附录:

附图 1 电路总原理图

附图 2 电机测速及驱动部分

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附图 3 显示部分

编码盘— 附图 4 BCD 编码盘—手动控制转速部分

附图 5 系统电源部分

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附图 6 数模转换部分

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