三闭环电机控制系统设计

摘要

本文以详细阐述了MCS-8031为控制芯片，所构成的三闭环直流调速系统，三闭环即转速环，电流环，位置环。包括8031单片机控制电路、复位电路、振荡电路、速度给定电路、光电码盘测速测位置电路、PWM波驱动H桥电路等；在软件的实现上采用PID控制算法模拟ASR,ACR环的作用，并给出程序流程图和具体程序设计。

关键字：单片机直流调速 PID算法

第一章系统结构 (3)

第二章硬件设计 (4)

第一节8031的介绍和ROM扩展 (4)

第二节驱动电路 (5)

第三节给定输入电路 (6)

第四节增量式光电脉冲编码器测速位置 (6)

第五节霍尔传感器测电流 (8)

第六节转速显示电路 (8)

第七节时钟振荡器和复位电路 (9)

第八节电源电路 (10)

第三章系统软件设计 (12)

第一节PWM波产生 (12)

第二节给定速度程序设计 (14)

第三节转速测定 (16)

第四节位置测量 (17)

第五节电流测量程序 (18)

第六节速度显示程序 (18)

第七节PID控制算法 (19)

总结 (25)

参考文献 (26)

第一章系统结构

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一个新的阶段。采用单片机控制的调速系统，其控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，配置和参数调整简单方便，工作稳定。

本系统设计为三闭环调速，即包括电流环，转速环，位置环。测速及位置用固定在主轴上的光电码盘产生脉冲信号，脉冲信号送入8254计数芯片计数，再传输到单片机计算，M/T法可计算出即时速度。这个速度与设定的速度进行比较，得出差值。MCS8031对这个差值进行PID运算，得出控制增量，即用单片机，PID算法实现模拟电路ACR,ASR的功能。计算出PWM输出的占空比，去控制H桥驱动电路，其输出驱动直流电动机。系统硬件结构如下图所示：

第二章 硬件设计

硬件设计部分主要包括了，8031芯片的ROM 扩展， I/O 口的扩展设计，振荡电路和复位电路，H 桥驱动电路，给定输入电路，光电编码器测速、测位置电路，霍尔传感器测电流电路，稳压电源电路，

第一节 8031的介绍和ROM 扩展

本设计采用mcs-8031 单片机8031单片机是Intel 公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM 外，其余特性与MCS-51单片机基本一样，。其结构图如下：

313938373635343332212223242526272829

301110管脚功能介绍：

P0：1.外部扩展存储器时，当做数据总线2.外部扩展存储器时，当作地址总线3.不扩展时，可做一般的I/O 使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口:只做I/O 口使用：其内部有上拉电阻。

P2口：1.扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2.做一般I/O 口使用，其内部有上拉电阻；

P3口： 除了作为I/O 使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。

ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE 用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。ALE 有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE 是高电平时，允

许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0

口上的内容和锁存器输出一致。

在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。

由于无rom,所以必须外接扩展存储器芯片，所以我们采用了外接一个EPROM2764,其具有8kb容量，2764有正常和编程两种工作方式，vcc接+5v,编程电源在编程时接+5v,连接图如下：

74LS373是输出有三态门的锁存器，当使能端C为高电平时，锁存器的数据输出端Q的状态与与数据输入端D相同，当C端从高电平返回到低电平时，输入端的数据就被锁存在锁存器中，数据输入端D的变化不再影响Q端输出。ALE与C端相连,起地址锁存作用。

第二节驱动电路

基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．。直流电机控制使用H桥驱动电路，当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5导通，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q2、Q3同时导通，Q4导通，从而实现电机反向转动以及转速的控制。

第三节给定输入电路

运用A/D转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度的给定值，采用了ADC0809芯片。其连接电路图如下：由于外接存储器，单片机ALE输出为单片机的频率1/12，约为1Mhz，所以需加一个D锁存器，进行二分频，因为ADC0809的最高时间频率不得高于640khz。

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光电式编码器直接与电动机主轴连接，当电动机转动时，带动码盘旋转，输出一系列的脉冲信号。增量式编码器在码盘上均匀刻着一定数量的

光栅，当电动机旋转时，码盘随之一起转动，可通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，因此，在接收装置的输出端便得到了频率与转速成正比的方波序列，从而得以计算转速。

上面为光电编码器输出脉冲后，由于输出脉冲电平很小，所以经过运放放大后，再经过电平比较器LM339整形，输出与计数器8254所能接收的+5V 电平。脉冲从6口输出。

为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4，刚两组脉冲序列A 和B 的相位相差90度，正转时A 相超前B 相，反转时B 相超前A 相。

1.鉴别转向电路

可以采用一个D 锁存器，A 脉冲通入D 端，B 脉冲通入clk 这样，当正转时，Q=1,反转时，Q=0 2.脉冲计数电路

将A ，B 通入与门后，再输入到8254计数芯片计数

B

A

正转时