直流电机调速系统设计1

1、 直流电机 调速系统设计指导老师：彭辉制作人 ：陈曦专业班级：自动化017班直流电机调速系统设计 总体设计概述 系统硬件设计 系统软件设计 系统仿真总体设计概述 本系统将电位器的模拟给定电压值（05V）经8路A/D转换器的一个模拟通道输入到转换器中进行A/D转换，根据转换后的数字量D，查找数字量D控制电压V电机转速N对应表格，可得到相应的转速N1并暂存在单片机的内存单元中。转换后的数字量由P0口送入D/A转换器，转换后的模拟电压值输入调速电路的控制端，可控制电机的转速和转向。利用安装在电机转轴上的测速传感器可测得电机的实时转速。将转速测量信号反馈到单片机进行转速的换算，再经8279显示接口芯片

2、和LED发光二极管显示实时转速。同时测量的转速和转速给定值经PID运算后再作为给定量通过单片机对电机进行控制，以达到精确稳定的闭环控制。 总体设计概述显示电路单片机控制系统D/A转换电路电机控制电路A/D转换电路测速传感器电机电位器给定PID控制器1直流电机调速原理 电动机自然机械特性如下式所示UN、N额定电枢电压、额定磁通量Ra 电枢内电阻 由上式可知当分别改变UN、N和改变电枢回路串入的外电阻时都可达到调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机饱和的限制电动机的励磁电流和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速，而对于调节电枢外加电阻时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。所

3、以本系统采用改变电枢电压的方法来达到调速的目的。 2 脉冲宽度调制(PWM）调速原理 直流电机脉宽调速是通过改变控制电压的脉冲宽度来改变加在直流电机上的平均电枢电压的大小，从而达到改变直流电机的转速。 在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。脉冲宽度调制调速系统就是根据这个原理进行的 。Vd 电机的平均速度Vmax 电机的最大速度D=t1/t 占空比 由上式可知改变占空比D时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。下图为电枢电压占空比与平均电压的关系 严格的讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关

4、系，在一般的应用中可以近似的看作线性关系。t1t1T脉冲信号最大值平均值最小值3 PWM信号的产生 PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法，另一种是硬件的方法。下面将分别介绍。软件法：8051有两个定时器T0和T1，通过设定定时器初值，可实现从8051的任意口输出不同占空比的脉冲波形。 如果为定时方式1（16位计数结构的工作方式），晶振频率为6MHz定时器的定时初值与定时时间的关系如下：X定时初值、t定时时间 所以可以通过设定不同的定时初值X，改变定时时间从而改变占空比D，进而达到控制电机转速的目的。硬件法：其原理是从电位器中取出一电位，接到ADC0809一路模拟量输入通道，经过A/

5、D转换接到单片机的I/O接口，把模拟量电压信号转换成数字量作为给定，改变电位器电阻的大小就可改变占空比给定值的大小，以达到调速的目的 。本系统采用的就是这种硬件法来产生PWM信号。系统硬件设计1电机控制电路 由总体概述可知电位器输入的模拟量经A/D转换为数字量后再经由P0口送入D/A转换器，转换后的模拟电压值输入调速电路的控制端。本系统选用的DAC0832是电流型D/A转换器为得到电压输出值，使用时需在两个电流输出端接运算放大器。 本系统的D/A输出设计采用了两级741运算放大器。前级741是把D/A转换输出的电流量转换为电压量，8051输入DAC0832的数字量D与前级741输出的电压U1关

6、系为 U1=-DVref/FFH,若Vref=-5V，D的范围是0FFH，则对应的U1为05V； 后级741把单极性电压转换为双极性电压。此双极性电压输入到调速电路控制端，就可调节电机的转速与转向。 2转向控制电路 直流电机运转方向与电机两端所加的电源正负极性有关，因此控制流过电机的电流方向，即可改变电机的运转方向，为此本系统构造了由光电隔离芯片组成的小功率直流电机转向控制电路，如下图所示，其工作原理如下根据上述方向控制原理，将光电隔离器分为A、B两组，当P1.5输出为高电平时A组的两个光电隔离器导通，B组的两个光电隔离器截止，流过直流电机的电流方向为1-2，电机正转；当输出为低电时A组截止，

7、B组导通，流过直流电机的电流方向为2-1，电机反转，至此实现了电机运动方向的单片机控。3转速测量和显示电路将光码盘附着在电机转子上，光码盘产生的电脉冲信号经放大整形电路整形为标准的TTL信号输入到8051的计数器与8051的定时器联合使用实现对电脉冲频率的测量，然后再通过实验测量8051输出给D/A转换器的不同数字量D与电脉冲频率f的对应关系，再根据光码盘上的光栅数算出对应的转速N，得到N-f-D关系表，从而查表可得转速N的实测值，存入单片机的内存单元为PID运算做准备。 数据缓冲器中的数据写入显示存储区168的RAM内，8位数据每一位分别占用一个8位RAM单元。在调用显示子程序时数据输出到显

8、示缓冲器中，缓冲器的8个引脚OUTA03和OUTB03为显示器提供段控制数据，分别与显示器的字段码输入端a、b、c、d、e、f、g、和dp相接。8个LED需要8个位控制信号，本系统以SL0SL2作为位控制输出信号，经译码后接驱动器的输入端，驱动器的输出端作为8个显示器的位选线 。 系统软件设计下图为系统总程序流程图：总程序包括一个中断子程序，一个显示子程序和一个数字PID算法子程序。系统开始运行后，首先对各状态口和命令口进行初始化，然后使电机停转，确保零转速状态。然后手动调节电位器，改变输入模拟量的给定值，给定模拟量经模拟/数字转化后作为单片机的输入值，给定的数字量转化为对应的转速值后保存在5

9、2H单元，数字量输出后经数字/模拟量转换作为电机的驱动电压来驱动电机，电机运转后转速经测速传感器测量反馈到单片机经计数，单位换算后可得到实时转速值并保存到49H单元。转速值经8279显示接口芯片和LED显示。计算给定值与实测值的差值，如果误差在允许范围内则返回，若误差超过允许范围则进行PID运算，运算后的结果再进行电机驱动控制如此循环可达到稳定精确的调速效果。系统总流程图PID算法子程序式（1）和式（2）相减可得再根据式设计PID算法子程序，框图如下图所示开始取设定值r,实测值y计算ek存入4CH4EH计算ek存入4FH51H更新ek-1计算Iek存入4CH4EH计算ekIek存入4CH4EH计算