基于单片机的直流电动机转速控制系统设计.docx
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基于单片机的直流电动机转速控制系统设计
河南机电高等专科学校
毕业设计(论文)
基于单片机的直流电动机转速控制系统设计
系 部:
自动控制系
专 业:
电气自动化技术
班 级:
自111班
姓 名:
学 号:
指导老师:
田效伍
二零一四年四月
摘 要
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,且单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等优点,现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱之一。
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。
本设计以AT89S52单片机为控制核心,按照控制要求,自动地对直流电机的转速进行控制。
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。
本数字化直流调速系统实现了电机转速的调节,并具有结构简单,控制精度高等特点,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,满足现代生产的需要。
关键词:
单片机控制;速度检测;速度控制
ABSTRACT
Asthefastdevelopmentofmicrocomputer,AC/DCspeedcontrolsystemfordigitizationhasreachedtheappliedstageoverseas.Sincethehardwarecircuitofdigitalcontrolsystemcenteredbymicroprocessorpossessestheadvantagesthatithashigherstandardizationandlowercost,anditdoesn’tbeinfluencedbytemperaturedriftofdevices.Singlechipcomputerhasbeenbecomingtheocratoffactory automaticandallkindsofcontrollingfield becauseofitsgoodfunction,smallvolume,andgoodreliability.
Furthermore,thecontrolsoftwareofdigitalcontrolsystemcancarrythroughlogicaljudgmentandsophisticatedoperation,andithasthecontrollawsofoptimality,adaptivetrait,nonlinearandintelligence,whicharedifferentfromtheordinarylinearadjustability.Ineveryaspectsthefunctionofdigitalcontrolsystemhasexceededanalogcontrolsystemandisbeingusedwidely.
Thisdesignisbasedwith AT89S52 singlechipcomputerandcontrolsautomaticallytherotationalspeedofthedirectcurrentelectricmachinery. whichhasthecharacteristicthattheanalogtrigger,currentregulator,rotationregulator,logicalhandoffandotherdeviceswerereplacedbysingle-chipcomputer;andfinallyputthroughthesoftwareprogrammer,testingandcomputersimulation.TheresultofrealtimecontrolindicatesthatthedigitalDCspeedcontrolsystemrealizedtheconstantspeedadjustabilityofthedoubleclosed-loopofelectriccurrentandrotatespeed.Thissystemalsohasthespecialtiessuchassimplestructure,highcontrolaccuracy,lowcostandeasinesstobespread.Inaddition,itsentireperformanceindexisbetterthananalogDCspeedcontrolsystem.Asaresult,thedigitalDCspeedcontrolsystemcouldbeappliedintoproductionandordinarylifetosatisfytheneedsofmodernmanufacture.
Keywords:
Single chipmicrocomputercontrolsystem ;checktherotationalspeed; controltherotationalspeed
目 录
1绪论
1.1 选题背景
1.2 选题的科学依据、意义
1.3 选题的研究内容2
2 直流调速控制电路设计5
2.1 控制电路总体设计5
2.2 控制器电路设计
2.2.1时钟电路设计7
2.2.2A/D转换电路设计
2.2.3D/A转换电路设计
2.2.4 人机界面电路设计
2.2.5 触发电路设计
2.2.6 报警电路设计25
2.2.7电源电路设计26
3 直流调速控制主回路设计27
3.1 三相桥式全控整流电路设计27
3.2 反馈传输电路设计29
3.3 保护电路设计30
4 系统的软件设计33
4.1 系统软件程序设计33
4.2PID的控制算法设计34
5 系统的抗干扰措施39
5.1 系统中系统的抗干扰设计39
5.2 系统的抗干扰措施主要方面39
5.2.1 供电系统的抗干扰措施39
5.2.2 过程通道的抗干扰措施39
参考文献40
致谢41
附录42
第1章绪论
1.1选题背景
在电气时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。
无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中,还是在日常生活中的家用电器中,都大量地使用着各种各样的电动机。
据资料统计,现在有90%以上的动力源来自于电动机。
我国生产的电能大约有60%用于电动机。
可见,电动机与人们的生活息息相关、密不可分。
我们知道,动力和运动是可以相互转换的。
从这个意义上讲,电动机是最常用的运动源。
对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。
因此,常常通过对电动机的控制来实现运动控制。
实际上,现在国外已将电动机控制改名为运动控制。
对电动机的控制一般可分为简单控制和复杂控制两种:
简单控制是指对电动机进行启动、制动和顺序控制,这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现;复杂控制是指对电动机的转速、转角、转矩、电压和电流等物理量进行控制,而且有时往往需要非常精确。
以前对电动机简单控制的应用比较多,但是现在人们对电动机控制的水平要求越来越高,使电动机的复杂控制逐渐成为应用主流,其应用领域极为广泛。
例如;事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航、卫星姿态的控制等;业生产中的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、塑料机械、印刷机械、纺织机械、新型制衣机械、泵和压缩机、工业轧机等设备的控制;公和商务设备中的磁带机、绘图仪、扫描仪、打印机、传真机、复印机等设备的控制;家用电器中的DVD、DC、DV、音响、洗衣机、冰箱、空调、电动自行车、家用汽车等设备的控制。
这些设备中绝大多数采用的是直流电动机,所以本课题在这里将研究采用单片机对直流电动机进行复杂控制。
1.2选题的科学依据、意义
以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制,现在单片机已经开始取代模拟电路作为电机控制器。
它有如下特点:
(1)使电路更简单:
在模拟电路中,为了实现控制逻辑需要采用许多电子元件,电路比较复杂。
采用单片机后,绝大多数控制逻辑可以通过软件实现。
(2)可以实现比较复杂的控制:
单片机有更强的逻辑运算功能,运算速度快、精度高,一般都有大容量的存储单元,因此有能力实现复杂的控制等。
(3)灵活性和适应性:
单片机的控制方式是由软件完成的。
如果需要修改控制规律,一般不需要改变系统的硬件电路,只需要修改程序即可。
在系统调试和升级的时候,可以不断尝试选择不同的参数,非常方便。
(4)无零点漂移,控制精度高:
数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。
无论被控量的大或小,都可以保证足够的控制精度。
(5)多机联网工作,提供人机界面:
新型单片机内多嵌有各种总线,可以方便地进行联网通信,实现多机联网工作;能够和上位机进行通信,提供可视化人机界面,方便进行控制和调节。
本课题主要设计和研究采用单片机作为晶闸管触发器和电机控制器,最初的电机控制器都是采用分立元件的模拟电路,后来随着电子技术的进步,集成电路甚至专用电机控制集成电路被大量在中应用。
这些技术大大提高了电机控制器的灵活性、可靠性和抗干扰能力,又缩短了新型电机控制器的产品开发周期,降低了研发费用,因而近年来发展很快。
但专用成电路之间并无统一标准,因而产品极其分散,且不断有新产品出现。
为满足一次设计的需要,往往要花很大的力气和时间去收集整理资料。
当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化,现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求,为此可考虑开发电机的新型单片机控制器。
现在市场上通用的电机控制器大多采用单片机和DSP。
但是以前单片机的处理能力有限,对采用复杂的反馈控制的系统,由于需要处理的数据量大,实时性和精度要求高,往往不能满足设计要求。
近年来出现了各种单片机,其性能得到了很大提高,价格却比DSP低很多。
其相关的软件和开发工具越来越多,功能也越来越强,但价格却在不断降低。
现在,越来越多的厂家开始采用单片机来提高产品性价比。
1.3选题的研究内容
本设计采用AT89S52单片机对直流电动机反馈控制系统进行设计和研究。
主要分为两部分:
控制回路设计部分和主回路设计部分。
控制回路设计部分主要包括:
信号采集部分,模拟量与数字量互相转换部分,速度显示部分,同步信号为锯齿波的触发电路部分。
主回路设计部分包括三相桥式全控整流电路部分和直流电动机部分。
通过控制回路和主回路的有机组合达到对电机转速的自动有效的控制要求。
第2章 直流调速控制电路设计
2.1控制电路总体设计
控制电路原理图如图2-1所示
图2-1控制电路原理图
控制电路以AT89S52为基础实现对速度的控制、检测、显示。
DAC0832实现了把数据量转化为模拟量,本身是电流输入型,输出的电流信号需要经过运算放大器转化为电压信号,此电压为触发电路提供控制电压Uoc,触发电路有三个基本环节:
脉冲的形成与放大,锯齿波的形成、脉冲的移相,同步环节,触发电路为主回路提供电压和电流。
8279是一种可编程、显示器接口芯片,能完成键盘输入和显示控制两种功能。
2.2控制器电路设计
(1)AT89S52单片机管脚及片外总线结构
图2-2 AT89S52 外部管脚结构
按其引脚功能可分为三部分
1)I/O口线:
P0、P1、P2、P3共4个8位口
2)控制口线:
PSEN(片外取指令控制)ALE(地址锁存控制)EA(片外存储器选择)RESET(盘位控制)
3)电源及时钟:
VCC VSS;XTAL1 XTAL2
(2)AT89S52单片机管脚及片外总线结构
1)管脚
I/O口线不能都用作用户I/O口线,P0口可驱动8个TTL门电路:
P1、P2、P3则只能驱动4个TTL门电路;P3口是双重功能口中。
2)总线扩展
图2-3总线结构图
地址总线(AB)地址总线宽度为16位,因此起其外部存储器直接地址范围为64K字节。
16位地址总线由P0口经地址锁存器提供低8位地址(A0—A7);P2口直接提供高八位地址(A8—A15)。
数据总线(DB):
数据总线宽度为8位,由P0供给。
控制总线(CB):
由部分P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESETEAACEPSEN组成。
2.2.1时钟电路设计
AT89S52单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到:
内部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器,就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
内部振荡方式的外部电路如图2-5所示。
图2-5中,电容器C0l,C02起稳定振荡频率、快速起振的作用,其电容值一般在5-30pF。
晶振频率的典型值为12MHz采用6MHz的情况也比较多。
内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定,实用电路中使用较多。
外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。
这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。
外部振荡方式的外部电路如图2-6所示。
图2-5 内部振荡方式
图2-6外部振荡方式
由图2-6可见,外部振荡信号由XTAL1引入,XTAL2接地。
为了提高输入电路的驱动能力,通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL1。
2.2.2A/D转换电路设计
1.A/D转换的一般步骤
(1)采样-保持
为了能不失真的恢复原模拟信号,采样频率应不小于输入模拟信号的频谱中最高频率的两倍,这就是采样定理,即
fs≥fmax (2-1)
由于A/D转换需要一定的时间,所以在每次采样结束后,应保持采样电压在一段时间内不变,直到下一次采样的开始。
实际中采样-保持是做成一个电路。
(2)量化与编码
模拟信号经采样-保持电路后,得到了连续模拟信号的样值脉冲,他们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值,并不是数字信号。
还要把每个样值脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。
以上为A/D转换的一般步骤,在本电路中由ADC0809芯片完成。
2.ADC0809内部功能与引脚介绍
分辨率和精度在第一章中已作了相应的计算和分析。
ADC0809八位逐次逼近式A/D转换器是一种单片CMOS器件,包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。
8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。
1)ADC0809主要性能:
(1)逐次比较型
(2)CMOS工艺制造
(3)单电源供电
(4)无需零点和满刻度调整
(5)具有三态锁存输出缓冲器,输出与TTL兼容
(6)易与各种微控制器接口
(7)具有锁存控制的8路模拟开关
(8)分辨率:
8位
(9)功耗:
15mW
(10)最大不可调误差小于±1LSB(最低有效位)
(11)转换时间(ƒCLK=500KHz)128us
(12)转换精度:
±0.4%
2)引脚排列及各引脚的功能,引脚排列如图2-10所示。
图2-10ADC0809引脚
各引脚的功能如下:
IN0~IN7:
8个通道的模拟量输入端。
可输入0~5V待转换的模拟电压。
D0~D7:
8位转换结果输出端。
三态输出,D7是最高位,D0是最低位。
A、B、C:
通道选择端。
当CBA=000时,IN0输入;当CBA=111时,IN7输入。
ALE:
地址锁存信号输入端。
该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中,从而选通8路模拟信号中的某一路。
START:
启动转换信号输入端。
从START端输入一个正脉冲,其下降沿启动ADC0809开始转换。
脉冲宽度应不小于100~200ns。
EOC:
转换结束信号输出端。
启动A/D转换时它自动变为低电平。
OE:
输出允许端。
CLK:
时钟输入端。
ADC0809的典型时钟频率为640kHz,转换时间约为100μs。
REF(-)、REF(+):
参考电压输入端。
ADC0809的参考电压为+5V。
VCC、GND:
供电电源端。
ADC0809使用+5V单一电源供电。
当ALE为高电平时,通道地址输入到地址锁存器中,下降沿将地址锁存,并译码。
在START上升沿时,所有的内部寄存器清零,在下降沿时,开始进行A/D转换,此期间START应保持低电平。
在START下降沿后10us左右,转换结束信号变为低电平,EOC为低电平时,表示正在转换,为高电平时,表示转换结束。
OE为低电平时,D0~D7为高阻状态,OE为高电平时,允许转换结果输出。
3.ADC0809与AT89S52单片机的接口方法
ADC0809与AT89S52单片机的硬件接口有3种形式,分别是查询方式、中断方式和延时等待方式,本题中选用中断接口方式。
由于ADC0809无片内时钟,时钟信号可由单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。
ALE引脚的脉冲频率是AT89S52时钟频率的1/6。
该题目中单片机时钟频率采用6MHz,则ALE输出的频率是1MHz,二分频后为500KHz,符合ADC0809对频率的要求。
由于ADC0809内部设有地址锁存器,所以通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。
通道基本地址为0000H~0007H。
其对应关系如表2-1所示。
表2-10809输入通道地址
地址码
输入
通道
C
B
A
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
控制信号:
将P2.0作为片选信号,在启动A/D转换时,由单片机的写信号和P2.0控制ADC的地址锁存和启动转换。
由于ALE和START连在一起,因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。
在读取转换结果时,用单片机的读信号RD和P2.0引脚经或非门后,产生正脉冲作为OE信号,用来打开三态输出锁存器。
其接口电路如图2-11所示。
图2-11 ADC0809与AT89S52的接口
START信号和OE信号的逻辑表达式为
(2-2)
当AT89S52通过对0000H~0007H(基本地址)中的某个口地址进行一次写操作,即可启动相应通道的A/D转换;当转换结束后,ADC0809的EOC端向AT89S52发出中断申请信号;AT89S52通过对0000H~0007H中的某个口地址进行一次读操作,即可得到转换结果。
注:
ADC0809的基准电压可通过基准电压芯片供给,如MAX875,可供给5V基准电压。
图2-12 ADC0809时序图
2.2.3D/A转换电路设计
由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”,因此为了将数字量转换成模拟量,就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量,然后再将代表各位的模拟量相加,即可得到与该数字量成正比的模拟量,这就是构成D/A变换器的基本思想。
DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与AT89S52单片机相连接,其主要特性如下:
(1)分辨率8位;
(2)电流输出,稳定时间为1微秒;
(3)可缓冲、单缓冲或直接数字输入;
(4)单一电源供电;
(5)只需在满量程下调整其线性度;
(6)低功耗,20mW。
1)DAC0832引脚结构及逻辑结构
DAC0832的引脚图如图2-13所示。
图2-13 DAC0832引脚图
各引脚的功能定义如下:
CS:
片选端,当CS为低电平时,本芯片被选中。
ILE:
数据锁存允许端,高电平有效。
WR1:
第一级输入寄存器写选通控制,低电平有效。
XFER:
数据传输控制,低电平有效。
WR2;DAC寄存器写选通控制,低电平有效。
DI7~DI0 :
8位的数据输入端,DI7为最高位。
IOUT1 :
模拟电流输出端1,当DAC寄存器中数据全为1时,输出电流最大,当DAC寄存器中数据全为0时,输出电流为0。
IOUT2 :
模拟电流输出端2,IOUT2与IOUT1的和为一个常数,即IOUT1+IOUT2=常数。
RFB :
反馈电阻引出端,DAC0832内部已经有反馈电阻,所以RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端,这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。
VREF :
参考电压输入端,此端可接一个正电压,也可接一个负电压,它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度,VREF范围为(+10~-10)V。
VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。
Vcc:
芯片供电电压,范围为(+5~15)V。
AGND:
模拟量地,即模拟电路接地端。
DGND:
数字量地。
2)DAC8032与AT89S52的接口电路如图2-14所示。
图2-14DAC8032与AT89S52的接口电路
2.2.4人机界面电路设计
8279可编程键盘/显示器接口芯片。
Intel 8279是一种通用的可编程序的键盘、显示接口器
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