基于单片机的直流电机调速系统的课程设计.docx
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基于单片机的直流电机调速系统的课程设计
前言
在现代电子产品中,自动控制系统、电子仪器设备、家用电器、电子玩具等方面,直流电机都得到了广泛的应用。
大家熟悉的录音机、电唱机、电子计算机等,都不能缺少直流电机。
所以,直流电机的控制是一门很实用的技术。
直流电机大体上可分为四类:
几相绕组的步进电机、永磁式环流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机。
直流电机具有良好的启动性能和调速特性,它的特点是启动转矩大,最大转矩大,能在宽广的范围内平滑,经济的调速,转速控制容易,调速后效率很高。
与交流调速相比,直流电机结构复杂,生产成本高,维护工作量大。
电子技术的高速发展,促使直流电机的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,是直流电机的调速技术进入了一个新阶段。
传统的晶闸触发器多数还是采用分立元件组成的,这使得控制回路的硬件设备极其复杂,安装调试困难,相对故障率较高。
而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。
本设计使用价格低廉应用广泛的MCS—51系列单片机AT89C51作为控制芯片,以PI(比例—积分)调节控制算法为基础,完成对直流电机转速的调节,达到了较好的控制性能,而且成本低廉。
第1章:
硬件设计
1、直流电机调速原理
直流电动机根据励磁方式不同,分为自励和它励两种类型,其机械特性曲线有所不同。
但是对于直流电动机的转速,总满足下式:
式中u——电压;
——励磁绕组本身的内阻;
——每极磁通(wb);
——电势常数;
——转矩常数。
由上式可知,直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。
磁场控制法控制磁通,其控制功率虽然较小,但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制,高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。
电枢控制法在励磁电压不变的情况下,把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。
传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻,通过调节电阻改变电枢电压,达到调速的目的,这种方法效率低,平滑度差,由于串联电阻上要消耗电功率,因而经济效益低,而且转速越慢,能耗越大。
随着电力电子的发展,出现了许多新的电枢电压控制法。
如:
由交流电源供电,使用晶闸管整流器进行相控调压;脉宽调制(PWM)调压等。
调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点,在工业生产中广泛使用,其中PWM应用更广泛。
脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开,并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短,即改变直流电机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电动机的转速,因此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
根据图1,如果电机始终接通电源是,电机转速最大为Vmax,占空比为
,则电机的平均速度为:
,可见只要改变占空比D,就可以得到不同的电机速度,从而达到调速的目的,严格的讲,平均速度占空比D并不是严格的线性关系,在一般的应用中,可将其近似看成线性关
2、系统的总体设计方案
本系统选用MCS--51系列的单片机主控器,以霍尔元件为核心组成测速电路,采用PWM控制电路,单片机控制D/A转换输出不同的电压改变PWM电路的输出占空比,从而控制电机输出不同的速度。
其系统总框图如下:
系统总框图
3.电源电路
3.1芯片介绍
电子产品中常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78XX系列和负电压输出的79XX系列。
顾名思义,三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出,分别是输入端、接地端和输出端。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流过热及调整管的保护电路。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如7806表示输出电压为正6V,7909表示输出电压为负9V。
有时在数字78或79后面有一个M或L,如78M12或79L24,用来区别输出电流和封装形式等,其中78L系列的最大输出电流为100mA,78M系列最大输出电流为1A,78系列最大输出电流为1.5A。
在实际应用中,应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器(当然小功率条件下不用)。
当稳压管温度过高时,稳压性能将变差,甚至损坏。
3.2电路原理图
电源电路采用78系列芯片产生+5V,+15V。
电路图如图2:
图278系列的电源电路
4.主控芯片
AT89系列单片机是美国Atmel公司的8位Flash单片机产品。
它最大的特点是在片内含有Flash存储器,Flash存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储去(简记为FPEROM),在系统开发过程中可以十分容易的进行程序的修改,使开发调试更为方便。
AT89系列单片机以8031为内核,是与8051系列单片机兼容的系列,Atmel89系列单片机有许多型号,可分为标准型号、低档型号和高档型号3类。
基于设计要求,选用标准型AT89C51即符合要求。
AT89C51在内部含有4KB或8KB可重复编程的Flash存储器,可进行1000次擦写操作。
全静态工作为0~33MHz,有3级程序存储器加密锁定,内部含有128~256字节的RAM、32条可编程的I/O端口、2~3个16位定时器/计数器、6~8级中断,此外有通用串行接口,低电压空闲模式及掉电模式。
AT89C51引脚图如下图:
引脚功能:
Vss(20脚):
接地
Vcc(40脚):
正常操作及对EPROM编程和验证时接+5V电源。
XTAL1(19脚):
接外部晶体的一端。
在单片机内部,它是一个反向放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。
XTAL2(18脚):
接外部晶体的另一端。
在单片机内部,接至上述反向放大器的输出端。
RESET/VPD(9脚):
当振荡器运行时,在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平,将使单片机复位;Vcc掉电期间,此引脚可接备用电源,以保证内部RAM的数据不丢失;当Vcc低于规定水平,而VPD在其规定的电压范围(
)内,VPD向内部RAM提供备用电源。
(30脚):
当访问外部存储器是,MCS-51系列单片机即用P0作为低8位地址输出口,又作为数据输入/输出口。
(29脚):
是外部程序存储器的读选通信号。
(31脚):
当
端保持高电平时,访问内部程序存储器,但在PC值超过OFFFH或1FFFH时,将自动转向访问外部存储器。
当
端保持低电平时,不管是否有内部存储器,则只访问外部程序存储器。
P0口(P0.0~P0.7共8条引脚,即39~32脚):
是双向8位三态I/O。
在访问外部存储器时,可分为时用做低8位地址线和8位数据线;在EPROM编程时,它输入指令字节,而在验证程序时,则输出指令字节。
P0口能驱动8个LSTTL输入。
P1口(P1.0~P1.7共8条引脚,即1~8脚):
P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在EPROM编程和程序验证时,它接收低8位地址,能驱动4个LSTTL输入。
P2口(P2.0~P2.7共8条引脚,即21~28脚):
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在访问外部存储器时,它送出高8位地址。
在对EPROM编程和程序验证时,它能接收高8位地址,能驱动4个LSTTL输入。
P3口(P3.0~P3.7共8条引脚,即10~17脚):
P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在MCS-51单片机中,这8个引脚都有各自的第二功能,在实际工作中,大多数情况下都使用P3口的第二个功能,下表表示出了P3口的第二功能。
口线
第二功能
名称
P3.0
RXD
串行数据接收端
P3.1
TXD
串行数据发送端
P3.2
INT0’
外部中断0申请输入端
P3.3
INT1’
外部中断1申请输入端
P3.4
T0
定时器0计数输入端
P3.5
T1
定时器1计数输入端
P3.6
WR’
外部RAM写选通
P3.7
RD’
外部RAM读选通
5.键盘模快
在计算机控制系统中,除了与产生过程进行信息传递的过程输入输出设备以外,还有与操作人员进行信息交换的常规输入设备和输出设备。
键盘是一种最常用的输入设备,它是一组按键的集合,从功能上可分为数字键和功能键两种,作用是输入数据与命令,查询和控制系统的工作状态,实现简单的人机对话。
键盘接口电路可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。
编码键盘采用硬件编码电路来实现键的编码,每按下一个键,键盘便能自动产生按键代码。
编码键盘主要有BCD码键盘、ASCⅡ码键盘等类型。
非编码键盘仅提供按键的通或断状态,按键代码的产生于识别由软件完成。
编码键盘的特点是使用方便,键盘码产生速度快,占用CPU时间少,但对按键的检测与消除抖动干扰是靠硬件电路来完成的,因而硬件电路复杂,成本高。
非编码键盘硬件电路简单,成本低,但占用CPU的时间较长。
5.1根据设计要求,优先选择非编码键盘。
非编码键盘可以分为两种结构形式:
独立式按键和行列式按键。
这里因为按键结构简单,而且按键的数量比较少,故选用独立式按键。
5.1.1独立式按键
独立式按键是指直接用I/O口线构成单个按键电路,每个按键占用一条I/O口线,每个按键的工作状态不会产生相互影响。
图3是一种独立式按键电路,当途中的某一个键闭合式,相应的I/O口线变成低电平。
当程序查询到为低电平的I/O口线时,就可以确定处于闭合状态的键。
独立式按键的结构和处理程序简单,扩展方便,但其占用的I/O口线相对较多,不适合在按键数量较多的场合下采用。
图3独立式按键电路
5.1.2行列式键盘
将I/O口线的一部分作为行线,另一部分作为列线,按键设置在行线和列线的交叉点上,这就构成了行列式键盘。
行列式键盘中按键的数量可达行线数n乘以列线数m,如4行,4列行列式键盘的按键数可以达到4*4=16个。
由此可以看到行列式键盘在键盘较多时,可以节省I/O口线。
图4为4*4行列式键盘的电路原理图。
8条I/O口线分为4条行线和4条列线,按键设置在行线和列线交点上,即按键开关的两端分别接在行线和列线上。
行线通过一个电阻接到+5V电源上,在没有按键下时,行线处于高电平状态。
图4行列式键盘的电路原理
判断是否有按键下的方法是:
向所有的列线I/O口输出低电平,然后将行线的电平状态读入累加器A中,若无键按下,行线仍将保持高电平状态,若有键按下,行线至少应有一条为低电平。
当确定有键按下后,即可进行求键码的过程。
其方法是:
一次从一条列线上输出低电平,然后检查各行线的状态,若全为高电平,说明闭合键不在该列(输出低电平);若不全为1,则说明闭合键在该列,且在变为低电平的行的交点上。
在键盘处理程序中,每个键都赋予一个键号,由从列线I/O口输出的数据和从行线I/O口读入的数据可以求出闭合键的键合。
根据设计要求选择非编码键盘中的独立键盘,设置3个主要功能按键:
上调、下调、确定。
5.2按键电路和消除抖动
键盘中按键的开关状态,通过一定的电路转换为高、低电平状态,如图5所示。
按键闭合过程在相应的I/O口形成的一个负脉中,如图6所示。
闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定,这一过程是出于高、低电平之间的一种不稳定状态,称为抖动。
抖动持续时间的长短与开关的机械特性有关,一般在5ms~10ms之间。
为了避免CPU多次处理按键的一次闭合,应采取措施消除抖动。
消除抖动的方法有两种,一种是采用硬件电路来实现,如用滤波电路和双稳态电路等;另一种是利用软件来实现,即当发现有键按下时,延时10~20ms再查询是否有键按下,若没有键按下,说明上次查询结果为干扰或抖动;若有键按下,则说明闭合键已稳定,即可判断其键码。
图5按键电路图6
6、LED显示模块
单片机应用系统中,常用的显示器件有LED(发光二极管)和LCD(液晶显示器)。
这两种器件都具有成本低廉,配置灵活,与单片机接口方便的特点。
本设计要求使用LED显示。
6.1、LED显示器结构与原理
LED显示快是由发光二极管显示字段的显示器件,也可称为数码管。
在单片机应用系统中通常使用的是7端LED。
这种显示快有共阴极与共阳极两种,如图所示。
共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地,如图所示,当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮;共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接,如图所示,当某个发光二极管的阴极为低电平时,发光二极管点亮。
管脚图
图77段LED显示块
通常的7段LED显示块中有8个发光二极管,故也称为8段显示器。
其中的7个发光二极管构成7笔自行“8”;一个发光二极管构成小数点的“.”。
7段发光二极管,再加上一个小数点,共计8段,因此提供给LED显示器的字型数据正好一个字节。
其对应关系如下:
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
dp
g
f
e
d
c
b
a
LED显示块与单片机接口非常容易,只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。
8位并行输出口输出不同的字节数据可显示不同的数字或字符,如表1所示。
通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码或称字形码,公共极称为位选线。
共阳极与共阴极的段选码互为补数。
表17段LED的段选码
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
0
3FH
C0H
c
39H
C6H
1
06H
F9H
d
5EH
A1H
2
5BH
A4H
E
79H
8bH
3
4FH
B0H
F
71H
8EH
4
66H
99H
P
73H
8cH
5
6DH
92H
U
3EH
C1H
6
7DH
82H
Γ
31H
CEH
7
07H
F8H
y
6EH
91H
8
7FH
80H
8.
FFH
00H
9
6FH
90H
“灭”
00H
FFH
A
77H
88H
b
7CH
83H
6.2LED显示器与显示方式
在单片机应用系统中,经常要使用LED显示块构成N位LED显示器。
N位LED显示器有N根位选线和8
N根段选线。
根据显示方式不同,位选线与段选线连接方式不同。
段选线控制要显示什么样的字符,而位选线则控制在哪一位显示这个字符。
LED显示有静态和动态两种方式。
6.3LED显示模块设计
根据课题要求,选用两块4位LED显示器,一块用于显示设定值,一块用于显示测速电路测得的电机实际转速。
7D/A转换器
7.1D/A转换器工作原理
现以4位D/A转换器为例说明其工作原理,如图8所示:
假设D3、D2、D1、D0全为1,则BS3、BS2、BS1、BS0全部与“1”端相连。
根据电流定律,有
由于开关BS----BS0的状态是受要转换的二进制数D3、D2、D1、D0控制的,并一定全是“1”。
因此可以得到通式:
考虑到放大器反向端虚地,故:
选取
=R,可以得到
对于n位D/A转换器,它的输出电压除了与输入的二进制数有关,还与运算放大器的反馈电阻以及基准电压有关。
7.2D/A转换器性能指标
D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数,也是选用DA芯片型号的依据。
主要性能指标有:
(1)分辨率
(2)转换精度(3)偏移误差(4)稳定时间
(1)分辨率
分辨率——是指DA转换器能分辨的最小输出模拟增量,即当输入数字发生单元数码变化时所对应的输出模拟量的变化量,它取决于能转换的二进制位数,数字量位数越多,分辨率也就越高。
其分辨率与二进制位数n呈下列关系:
(2)转换精度
转换精度——转换后所得的实际值和理论值的接近程度。
它和分辨率是两个不同的概念。
对于分辨率很高的DA转换器并不一定具有很高的精度。
(3)稳定时间
稳定时间——是描述DA转换速度的一个参数值从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差1/2LSB时所需的时间。
显然,稳定时间越大,转换速度越低。
对于输出是电流的DA来说,稳定时间是很快的,约为几微秒,而输出是电压的DA其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。
7.3DA转换器的选择
根据设计要求,选用8位DAC0832芯片。
8PWM信号发生电路
选用SG1731PWM专用集成电路。
该芯片内有三角波发生器、偏差信号放大器、比较器及桥式功放等电路。
此线路的原理是将一个直流信号电压与三角波电压叠加后形成脉宽调制波,再经桥式功放输出。
它具有外触发保护、死区调节和
100mA电流的输出能力;其震荡频率为100Hz~350KHz可调,适用于单极性PWM控制,是直流电动机专用的PWM控制集成电路。
该集成电路需要两组电源:
一组电源
Vs(
3.5~
15V)(接16脚和9脚),用于控制芯片的控制电路;另一组电源
Vo(
3.5~
22V)(接14脚和11脚),用于桥式功放电路。
此功放级输出电流可达
100mA(功放输出12脚和13脚)。
SG1731中三角波振荡器的作用是在CT上输出一个等幅的三角波
。
SG1731中的偏差放大器,也可称为调节器,正反输入端和输出端分别为3、4、5管脚,通过配置不同的输入回路阻抗和反馈回路阻抗,可以构成不同的调节器。
系统中,输入回路阻抗为电阻R,反馈回路阻抗为电阻
,构成一个比例调节器,比例系数为K=
。
给定信号电压为Vi,转速反馈电压为
控制电压为Uc,比例调节器输出电压为K(Ui-
)=2Uc。
三角波电压和偏差放大器输出的电压进行叠加后,在经过除法器,此电压送往比较器,与正负门槛电压+
或者—
进行比较,输出PWM电压,如图9所示:
图9SG1731控制的无死区单极性PWM的生成
9霍尔测速电路
9.1霍尔传感器的选择
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件,常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等,这种传感器是一个3端器件,外形与三极管相似,只要接上电源、地,即
可工作,输出通常是集电极开路(OC)门输出,工作电压范围宽,使用非常方便。
如图10所示是CS3020的外形图,将有字面对准自己,三根引脚从左向右分别是Vcc,地,输出。
图10CS3020外形图
使用霍尔传感器获得脉冲信号,其机械结构也可以做的较为简单,只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢,让霍尔开关靠近磁钢,就有信号输出,转轴旋转时,就会不断产生脉冲信号输出。
若在圆周上粘上多粒磁钢,就可以实现旋转一周,获得多个脉冲输出。
在粘磁钢时要注意,霍尔传感器对磁场方向敏感。
粘之前可以先手动接近一下传感器,如果没有信号输出,可以换一个方向再试。
这种传感器不怕灰尘油污,现场应用广泛。
第2章.软件部分
见附录1
第三章.小结.
本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片微机AT89C51为核心的,而通过单片机来实现电机调整又有多种途径,相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整,采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本,它能够充分发挥单片机的效能,对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。
而在软件方面,采用PID算法来确定闭环控制的补偿量也是由数字电路组成的直流电机闭环调速系统所不能及的。
经过2个星期的课程设计,留给我印象最深的是要设计一个成功的电路,必须要有要有扎实的理论基础,还要有坚持不懈的精神。
此次的设计并不奢望一定能成功,但一定要对已学的各种电子知识能有一定的运用能力,我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏,并且开始慢慢走上创造的道路,这是非常可贵的一点。
第四章.参考文献:
1.李明学等.计算机控制技术.哈尔滨工业大学出版社
2.赵晶.电路设计与制版:
Protel99入门与提高.人民邮电出版社
3.何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计(系统配置与接口技术).北京航天航空大学出版社
4.张友德等.单片微型机原理、应用与实验(第三版).复旦大学出版社
5.王晓明.电动机的单片机控制.北京航空航天大学出版社
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- 基于 单片机 直流电机 调速 系统 课程设计