单片机直流电机调速系统设计

1、单片机直流电机调速系统设计近年来由于微型机的快速发展，国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。由于以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。所以微机数字控制系统在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到广泛的应用。随着科学的不断进步，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。本设计就是针对直流电动机的起动和调速性能好，过载能力强等特点设计由单片机控

2、制单闭环直流电动机的调速控制系统。本设计介绍的是用一台直流电动机，单片机构成的数字化直流调速系统。特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。最后进行软件编程、调试以及计算机仿真。实时控制结果表明，本数字化直流调速系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。同时介绍了使用单片机改造直流电机调速器中的模拟控制电路，由单片机系统完成对三相电压的同步，输出电源电压的采样，输出直流电压PI调节和三相全控桥式整流电路中可控硅的移相触发，相对

3、模拟控制电路，它减少了三相同步信号的滞后时间，提高了三相可控硅触发的对称性和可靠性，并通过软件实现多种控制方式的复合控制，提高了转速控制的精度。本设计还利用单片机设计了单片机最小系统构成直流电动机反馈控制系统的上位机，该上位机具有对外部脉冲信号计数和定时功能，能够将脉冲计数用软件转换成转速，同时在单片机最小系统中设计了4位键盘接口和液晶显示接口。利用设计了由单片机实现的直流电机控制电路，即直流电动机反馈控制系统的下位机，该下位机具有直流电机的反馈控制功能。上位机与下位机之间采用并行总线的方式进行连接，使控制变得十分方便。本系统能够实现直流电动机的自动起动、自动停止、速度自动控制、方向自动控制等

4、功能。设计中利用液晶显示将指定转数、实际转数、旋转方向、运行时间等参数显示出来。本系统操作简单、造价低、安全可靠性高、控制灵活方便，具有较高的实用性和再开发性。本次设计是设计一个“直流电动机速度的控制”，使其可以通过89s52单片机来控制直流电机的调速和正反转。主要思想是借助于89s52单片机, h型驱动电路，通过键盘电路控制单片机以此来控制电机的正反转。关键词 单片机,直流调速系统,数字方式ABSTRACTIn recent years, due to the rapid development of microcomputer foreign digital AC-DC system ha

5、s reached the practical stage as for the core microprocessor digital control system hardware circuit a high degree of standardization, the production of low cost, and not subject to the effects of temperature drift devies. Its control logic can determine the software and the complexity of computing

6、can be achieved is different from the general linear regulator optimized, adaptive, nonlinear and intelligent control law and so on. Therefore, computer numerical control system in all aspects of performance are far superior to analog control system and the application of more and more widely.DC mot

7、or in the metallurgical, mining, chemical, transportation, machinery, textiles, aviation and other fields has been widely applied，With the scientific advances in the application of DC motor more widely, especially in the application of intelligent robot. The design is for the DC motor and speed cont

8、rol performance and design features such as strong control by the single-chip single-closed-loop DC motor speed control system The design is described in a DC motor, consisting of single-chip digital DC drive system .Characterized by single-chip analog triggers to replace the current regulator, spee

9、d regulator and hardware devices such as logic switching Finally, software programming, debugging, as well as computer simulation. The results show that real-time control, the digital DC speed control system to achieve the current bit of feedback DC motor control Lower-bit machine with the parallel

10、bus between the methods used to connect, so that control has become very convenient. The DC motor system can achieve the automatic starting, automatic stop, the speed of automatic control, the direction of automatic control functions. The design of liquid crystal display using the specified number t

11、o the actual rotation, rotation direction, such as run-time parameter is displayed .The system is simple, low cost, security, high reliability and control flexibility, higher and further development of practical. The design is to design a "DC motor speed control", so that it can 89s52 sing

12、le chip to control the DC motor speed control and positive. The main idea is 89s52 With single-chip, h-type driving circuit, single-chip microcomputer through the keyboard control circuit to control the motor as positive.Key Words single-chip digital DC drive system.第一章 单片机的发展和应用1.1单片机的发展单片机是一种集成电路芯

13、片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(c p u)，随机存取数据存储器(ram)，只读程序存储器(r o m)，输入输出电路(i/o口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(s c i)，显示驱动电路(l c d或led驱动电路)，脉宽调制电路(p w m)，模拟多路转换器及a/d转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。单片机诞生于20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段， 1976年intel公司推出了mcs-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场，是单片机发展史上重要的里程碑。

14、 到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段 。80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了cpu、ram、rom、数目繁多的i/o接口、多种中断系统，甚至还有一些带a/d转换器的单片机，功能越来越强大，ram和rom的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kb。 九十年代以后，单片机获得了飞速的发展。1.2单片机的应用提起单片机的应用，首先提到的应是它的控制功能，即在于实现计算机控制,又在线控制应用方面，由于计算机身处系统之中，因此对计算机有体积小、功耗小、成本低价格廉以及控制功能强等要求，对这些要求真可谓是

15、非单片机莫属了。（1）家用电器领域（2）办公自动化领域（3）商业营销领域（4）工业自动化（5）智能仪表与集成智能传感器传统的控制电路第二章 硬件系统设计和原理2.1 单片机最小系统和整体框图2.11硬件整体框图总体设计方案的硬件部分详细框图如图1所示。图1硬件系统框图它由89s52单片机， h型驱动电路，键盘电路组成。89s52单片机是整个系统的核心，它负责pwm脉冲的产生，控制h型驱动电路，从而控制直流电机调速和正反转。键盘电路向单片机输入相应控制指令，由单片机通过p1.1与p1.0其中一口输出与转速相应的pwm脉冲，驱动h型桥式电路，实现电动机转向的控制。h型桥式驱动电路主要控制直流电机的

16、正反转2.12芯片89s52单片机最小系统由单片机89s52、复位电路、键盘电路组成图2 89s52芯片单片机输入接口电路（键盘电路）图3中基本系统中最多可连接4个键，选择的连接到p3.4，p3.5，p3.6，p3.7，有键被按下被连接的端口为低电平。无键按下由于上拉电阻的作用各端口为高电平。当开关k未被按下时，p3x输入为高电平，k闭合后，p3x输入为低电平。由于按键是机械触点，当机械触点断开、闭合时会有抖动，key输入端的波形如下图所示。而机械抖动的时间至少是毫秒级，对计算机而言，这已是一个“漫长”的时间了。图3 键盘电路2.13单片机输入接口电路（键盘电路）图3中基本系统中最多可连接4个

17、键，选择的连接到p3.4，p3.5，p3.6，p3.7，有键被按下被连接的端口为低电平。无键按下由于上拉电阻的作用各端口为高电平。     2.14复位电路Reset: 复位端（正脉冲有效，宽度>8 ms）图4  复位电路：2.2 p w m脉宽调制的工作原理pwm是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。pwm是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。直流电机脉冲宽度调制调速产生于20 世纪70 年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜、自动记

18、录仪表等的驱动。pwm系统在很多方面具有较大的优越性：主电路简单，所需功率器件少；低速性好，调速范围宽；开关频率高，快速响应性好；功率损耗小，装置效率较高；波形系数好，对电网功率因素高。 pwm变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单级式和受限单级式等多种电路。2.3 直流电机的工作原理2.3.1 工作原理在直流电机两个固定的永久磁铁北极(n)和南极(s)之间，有一个 铁制的圆 体(称为电枢铁心)。电枢铁心与磁极之间的间隙称为空气隙。它具有一个线圈，由导体ab和cd连接成，并敷设在电枢铁心表面上。线圈的首、末端分别连接到两片圆弧形的铜片(称为换向片)上。换向片固定于转轴上，换向片之间

19、以及换向片与转轴都互相绝缘。这种由换向片构成的整体称为换向器。整个转动部分称为电枢。为了把电枢和外电路接通，特别装置了两个电刷a和b。电刷在空间上是固定不动的。当电枢转动时，电刷a只能与转到上面的一片换向片相接触；而电刷b则只与下面的一片换向片相接触。这样使处于磁极下电流的方向能保持不变，从而保证电枢转时产生的电磁转矩的方向保持不变，实现电机的连续转动。2.3.2 直流电机的控制方式方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困

20、难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的h型pwm电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；h型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的pwm调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。2.3.3.受限单极性驱动方式 单片机控制受限单极性可逆pwm系统原理图，如图5所示 在要求电动机

21、正转时，开关管v1受pwm控制信号控制，开关管v4施加高电平使其常开；开关管v2、v3施加低电平，使它们全都截止。在要求电动机反转时，开关管v3受pwm控制信号控制，开关管v2施加高电平使其常开;开关管v1、v4施加低电平，使它们全都截止。下面以电动机在正转的情况下为例，介绍这种控制的特点。当要求电动机正转时，在每个pwm周期的0芒区间，v1导通，电流沿图5所示的虚线1流经电枢绕组，方向是ab，电动机工作在电动状态。在每个pwm周期的芒2区间，v1截止，电流在自感电动势的作用下，经v4和d2形成续流回路，如图5的虚线2，电动机继续工作在电动状态。2.3.4.受限倍频单极驱动方式 受限倍频单极驱

22、动方式是通过改变对开关管的控制方式，而使直流电动机 电枢两端获得比pwm控制信号频率高1倍的电压波。当要求电动机正转时，开关管v1、v4接pwm控制信号，开关管v1， v4所接的pwm控制信号的占空比和频率都相同，只是相位相差1800。对另2个开关管v2、v3施加低电平，使它们始终截止。这样的控制就会在电动机电枢两端产生2倍于pwm控制信号频率的电压波形，即所谓“倍频"。 电枢两端的电压波形与pwm控制信号波形的关系如图6(a)所示。当要求电动机反转时，占空比和频率相同而相位相差180。pwm控制信号加在开关管v2、v3上，而开关管v1、v4始终截止。在电动机电枢两端产生的倍频电压波

23、形如图6(b)所示。图6   pwm控制信号波形 受限倍频单极驱动方式的缺点是没有耗能制动能力；但是由于提高了电枢电压频率，从而解决了断流问题，并且电枢电流的波动也减小了1倍，因此多应用于大功率、可靠性要求较高的场合。2.4硬件电路图直流电机的控制由89s52单片机最小系统, h型驱动电路组成图8硬件电路图。单片机将pwm定向到p1.0引脚和p1.1引脚，另外通过改变p1.0引脚和p1.1引脚发出不同的电平来实现转向控制，规定其中p1.0高电平p1.1低电平代表正转，相反p1.0低电平p1.1高电平代表反转。从单片机输出的pwm信号和转向信号先经过光藕和自举电路再与各个开关管的栅极相

24、连。调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流。结构原理图如图1所示，图中符号的意义分别为：ASR-转速调节器；ACR-电流调节器；TG-测速发电机；TA-电流互感器；UPE-电力电子变换器U*n；-转速给定电压；Un-转速反馈电压；U*i-电流给定电压；Ui-电流反馈电压。电流环与转速环的设计    经过测量计算，确定系统的基本参数如下：直流电动机：Un=220V，1.16A，1500rmin，Ce=0.15，=1.3晶闸管装置放大倍数：Ks=63.3电枢回路总电阻：R=41.14 时间常数：Tm=0.04sTL=0.028s电流反馈系数：=3.3Inom=3.31.5=2.188转速反馈系数：=2.51500=0.0017电流环的设计确定时间常数整流装置滞后时间常数：三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。电流滤波时间常数：    由于主回路的电流是脉动直流，为了能取得电流的平均值，可采用多次采样取平均值等数字滤波方法，但考虑到系统的CPU时序安排紧张，决定采用加硬件滤波环节的办法，但其时间常数应该取得小一些，取电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取选择调节器结构 电流环按I型系统设计，电流调节器选用PI调节器，其传递函数(2) 电枢电流波形电枢电流波形在突加给定时，在双闭环的作用下迅