三闭环电机控制系统设计

摘要

本文以详细阐述了MCS-803伪控制芯片，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,ACF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

总结. 参考文献 .

第一章 系统结构 . 第二章 硬件设计 .

第一节 第二节 第三节

第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 8031的介绍和ROM T 展 ....... 驱动电路 ...................

给定输入电路 ............. 增量式光电脉冲编码器测速位置

霍尔传感器测电流 ........... 转速显示电路 ............... 时钟振荡器和复位电路 ....... 电源电路 .................. 4 5 6 6 8 8 9 10 第三章 系统软件设计 . 12 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 PWM 波产生......

给定速度程序设计 转速测定 ....... 位置测量 ....... 电流测量程序 ... 速度显示程序 ... PID 控制算12 14 16 17 18 18 19 25 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。MCS803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,AS的功能。计算出PW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ROMT 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 T 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， U 样，0其结构图如下：

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

除无片内ROM 外，其余特性与MCS-51单片机基本一 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 -P10 -P11 i P12

口 P13 口 P14 口

P15 -P16 -P17 -RST ・ P3.0 i P3.1 P 3.2 P 3.3 -P3.4

『

P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 39 38 37 36 35 34 33 32 18 19 9 20

・X2 ・X1

口

RESET

P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27

E A/VP

21 22 23 24 25 26 27 28 31

FXD TXD ALE/P P SEN

10 11 30 29

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

EPROM276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：

U?

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. 流电机控制使用H 桥驱动电路，当PWM 为低电平,通过对PWM 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PWM 为高电平,通过对PWM 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。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 .P10 .P11 P12 .P13 .P14 .P15 .P16 P 仃 .RST .P3.0 .P3.1 P 3.2 P 3.3 -P3.4 .P3.5 .P3.6 .P3.7 18 19 9 20

.X2 -X1 -RESET .VSS

P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07

P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27

EA/VP 1 I

21 22"^^ 23—X

27 ■2

31 RXD TXD ALE/P P SEN

10 11 30

8031

。直 <4

\7 <8

U? 11 12 13 15 16 仃 18 19