基于MCS-51单片机直流电机调速控制器的设计

D/A转换、DAC外围放大电路
• 采用DAC0832作为D/A转换、DAC外围放大电路， DAC0832是一个八位并行的D/A转换器。其作用 是将单片机输出的数字信号转换为模拟量输出， 并将电流信号转化为电压信号输出，实现对电机 的电枢电压的控制。 • DAC0832直接与单片机相连，其内部没有运算放 大器使用时需要外接运算放大器，但这也提供了 设计的灵活性. • 此系统采用内部时钟方式，其原理图如图所示。 MCS-51单片机允许的晶振可在1.2~12MHz之间 选择，此系统选12MHz。则一个机器周期为1μs 。 C大小为30pF。
sbit S1=P2^6; sbit S2=P2^7; //按键 sbit J0=P1^0; sbit J1=P1^1; sbit J2=P1^2; sbit J3=P1^3; //74HC164与单片机的接口 sbit DA=P3^6; sbit CLK=P3^7; //共阴极数码管段码表 uchar code led_7seg[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f}; //8,9 //延时 void Delay(uchar i) { uchar j;
图3霍尔元件测速原理图一
图二
2.5 直流电动机转速控制系统硬件设 计
• 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。
· 关键词：直流电机 单片机 转速控 制 圈数控制 PWM
•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。
• 附录： 附图1电路总原理图
附图2显示部分-LED显示灯
附图3 BCD编码盘—手动控制转速 部分
附图4 系统电源部分
附图5 数模转换部分
附图6 内部时钟方式的时钟电路
附图7.内部时钟方式的时钟电路
复位电路
• 此系统复位电路采用上电按钮复位电路， 如图7所示。复位端高电平有效。C的典型 值为10μF。当按下开关一定时间，电容相 当于短路，电容开始充电，RST为高电平， 单片机复位，当电容两端电压等于5V时， RST呈现低电平，复位完成。
//0,1,2,3 //4,5,6,7
for(;i>0;i--)
for(j=0;j<125;j++) {;}
} //初始化 void Init(void) { TMOD=0x16; EA=1; EX0=1; IT0=1; ET0=1; ET1=1; TH0=0xFF; TL0=0xFF; TH1=0xFC; TL1=0x18; TR1=1; TR0=1;
2.4 转速测量电路原理
• • • 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。 霍尔元件是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。具有灵敏度高、线性 度好、稳定性高、体积小耐高温等特性。 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。
2、 系统流程图 如图4所示：
3 结论及优点
• 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。
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。
基于MCS-51单片机直流电机调速控 制器的设计
• · 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、制动性能，宜于在大范围内平滑调速, 良好的起动性以及简单的控制电路等优点，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。 • 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。主要包括：单片机、霍尔元件速 度采集电路、直流电机、DAC0832、8421拨码盘组成。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。并且把 DAC0832进行模数转换，把控制系统的数字量变为电压值输出，再 经过驱动放大电路对直流电机进行调速控制。并将转速显示出来。从 而实现快速的调节电机转速。
//边沿触发
} //74LS164写数据程序 void Write_74LS164(uchar wda) { uchar i; DA=0; CLK=0; for(i=0;i<8;i++) { DA=wda&0x80; wda<<=1; CLK=0; CLK=1; CLK=0; } } //主函数 void main(void) { uchar temp,seg; Init(); while(1)
{ temp=cnt0/100; seg=led_7seg[temp]; Write_74HC164(seg); S0=0; Delay(10); S0=1;
temp=cnt0%100/10; seg=led_7seg[temp]; Write_74HC164(seg); S1=0; Delay(10); S1=1;
•
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。
temp=cnt0%10; seg=led_7seg[temp]; Write_74HC164(seg); S2=0; Delay(10); S2=1; } }
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• 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。 • 霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿 过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。霍尔转速传感 器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信 号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩 形脉冲信号,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。 • 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。 • 霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转 动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化， 通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔 转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又 是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。
软件程序
/**************************************** 函数：Motor 功能：单片机控制电机转速并显示转速 ****************************************/ #include <reg52.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uint data cnt0,cnt1; uchar v=0; //定时器1溢出标志 uint flag=0; //1分钟计数溢出标志 uint t0=5,t1=5; //Pwm占空比标志 sbit pwm=P2^0; sbit S0=P2^5; //数码管位选通
图1
2.2 系统硬件组成原理
图2原理解释
• 直流电机调速系统硬件原理框图如图2所示， 以MCS-51单片机为控制核心，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。