單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)近年來(lái)由于微型機(jī)的快速發(fā)展，國(guó)外交直流系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。由于以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響。其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。所以微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)在各個(gè)方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬控制系統(tǒng)且應(yīng)用越來(lái)越廣泛。直流電動(dòng)機(jī)在冶金、礦山、化工、交通、機(jī)械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)就是針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能好，過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)設(shè)計(jì)由單片機(jī)控

2、制單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)介紹的是用一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)。特點(diǎn)是用單片機(jī)取代模擬觸發(fā)器、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器及邏輯切換等硬件設(shè)備。最后進(jìn)行軟件編程、調(diào)試以及計(jì)算機(jī)仿真。實(shí)時(shí)控制結(jié)果表明，本數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的恒速調(diào)節(jié)，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高，成本低，易推廣等特點(diǎn)，而且各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于模擬直流調(diào)速系統(tǒng)，從而能夠?qū)嶋H的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。同時(shí)介紹了使用單片機(jī)改造直流電機(jī)調(diào)速器中的模擬控制電路，由單片機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)三相電壓的同步，輸出電源電壓的采樣，輸出直流電壓PI調(diào)節(jié)和三相全控橋式整流電路中可控硅的移相觸發(fā)，相對(duì)

3、模擬控制電路，它減少了三相同步信號(hào)的滯后時(shí)間，提高了三相可控硅觸發(fā)的對(duì)稱性和可靠性，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)多種控制方式的復(fù)合控制，提高了轉(zhuǎn)速控制的精度。本設(shè)計(jì)還利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的上位機(jī)，該上位機(jī)具有對(duì)外部脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)和定時(shí)功能，能夠?qū)⒚}沖計(jì)數(shù)用軟件轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速，同時(shí)在單片機(jī)最小系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了4位鍵盤(pán)接口和液晶顯示接口。利用設(shè)計(jì)了由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)控制電路，即直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的下位機(jī)，該下位機(jī)具有直流電機(jī)的反饋控制功能。上位機(jī)與下位機(jī)之間采用并行總線的方式進(jìn)行連接，使控制變得十分方便。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)停止、速度自動(dòng)控制、方向自動(dòng)控制等

4、功能。設(shè)計(jì)中利用液晶顯示將指定轉(zhuǎn)數(shù)、實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)顯示出來(lái)。本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、造價(jià)低、安全可靠性高、控制靈活方便，具有較高的實(shí)用性和再開(kāi)發(fā)性。本次設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一個(gè)“直流電動(dòng)機(jī)速度的控制”，使其可以通過(guò)89s52單片機(jī)來(lái)控制直流電機(jī)的調(diào)速和正反轉(zhuǎn)。主要思想是借助于89s52單片機(jī), h型驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)鍵盤(pán)電路控制單片機(jī)以此來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。關(guān)鍵詞 單片機(jī),直流調(diào)速系統(tǒng),數(shù)字方式ABSTRACTIn recent years, due to the rapid development of microcomputer foreign digital AC-DC system ha

5、s reached the practical stage as for the core microprocessor digital control system hardware circuit a high degree of standardization, the production of low cost, and not subject to the effects of temperature drift devies. Its control logic can determine the software and the complexity of computing

6、can be achieved is different from the general linear regulator optimized, adaptive, nonlinear and intelligent control law and so on. Therefore, computer numerical control system in all aspects of performance are far superior to analog control system and the application of more and more widely.DC mot

7、or in the metallurgical, mining, chemical, transportation, machinery, textiles, aviation and other fields has been widely applied，With the scientific advances in the application of DC motor more widely, especially in the application of intelligent robot. The design is for the DC motor and speed cont

8、rol performance and design features such as strong control by the single-chip single-closed-loop DC motor speed control system The design is described in a DC motor, consisting of single-chip digital DC drive system .Characterized by single-chip analog triggers to replace the current regulator, spee

9、d regulator and hardware devices such as logic switching Finally, software programming, debugging, as well as computer simulation. The results show that real-time control, the digital DC speed control system to achieve the current bit of feedback DC motor control Lower-bit machine with the parallel

10、bus between the methods used to connect, so that control has become very convenient. The DC motor system can achieve the automatic starting, automatic stop, the speed of automatic control, the direction of automatic control functions. The design of liquid crystal display using the specified number t

11、o the actual rotation, rotation direction, such as run-time parameter is displayed .The system is simple, low cost, security, high reliability and control flexibility, higher and further development of practical. The design is to design a "DC motor speed control", so that it can 89s52 sing

12、le chip to control the DC motor speed control and positive. The main idea is 89s52 With single-chip, h-type driving circuit, single-chip microcomputer through the keyboard control circuit to control the motor as positive.Key Words single-chip digital DC drive system.第一章 單片機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用1.1單片機(jī)的發(fā)展單片機(jī)是一種集成電路芯

13、片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(c p u)，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram)，只讀程序存儲(chǔ)器(r o m)，輸入輸出電路(i/o口)，可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口(s c i)，顯示驅(qū)動(dòng)電路(l c d或led驅(qū)動(dòng)電路)，脈寬調(diào)制電路(p w m)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及a/d轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)最小然而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代，微電子技術(shù)正處于發(fā)展階段， 1976年intel公司推出了mcs-48單片機(jī)，這個(gè)時(shí)期的單片機(jī)才是真正的8位單片微型計(jì)算機(jī)，并推向市場(chǎng)，是單片機(jī)發(fā)展史上重要的里程碑。

14、 到了80年代初，單片機(jī)已發(fā)展到了高性能階段 。80年代，世界各大公司均競(jìng)相研制出品種多功能強(qiáng)的單片機(jī)，約有幾十個(gè)系列，300多個(gè)品種，此時(shí)的單片機(jī)均屬于真正的單片化，大多集成了cpu、ram、rom、數(shù)目繁多的i/o接口、多種中斷系統(tǒng)，甚至還有一些帶a/d轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，功能越來(lái)越強(qiáng)大，ram和rom的容量也越來(lái)越大，尋址空間甚至可達(dá)64kb。 九十年代以后，單片機(jī)獲得了飛速的發(fā)展。1.2單片機(jī)的應(yīng)用提起單片機(jī)的應(yīng)用，首先提到的應(yīng)是它的控制功能，即在于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制,又在線控制應(yīng)用方面，由于計(jì)算機(jī)身處系統(tǒng)之中，因此對(duì)計(jì)算機(jī)有體積小、功耗小、成本低價(jià)格廉以及控制功能強(qiáng)等要求，對(duì)這些要求真可謂是

15、非單片機(jī)莫屬了。（1）家用電器領(lǐng)域（2）辦公自動(dòng)化領(lǐng)域（3）商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)領(lǐng)域（4）工業(yè)自動(dòng)化（5）智能儀表與集成智能傳感器傳統(tǒng)的控制電路第二章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和原理2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)和整體框圖2.11硬件整體框圖總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖1所示。圖1硬件系統(tǒng)框圖它由89s52單片機(jī)， h型驅(qū)動(dòng)電路，鍵盤(pán)電路組成。89s52單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)pwm脈沖的產(chǎn)生，控制h型驅(qū)動(dòng)電路，從而控制直流電機(jī)調(diào)速和正反轉(zhuǎn)。鍵盤(pán)電路向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過(guò)p1.1與p1.0其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的pwm脈沖，驅(qū)動(dòng)h型橋式電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的控制。h型橋式驅(qū)動(dòng)電路主要控制直流電機(jī)的

16、正反轉(zhuǎn)2.12芯片89s52單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)89s52、復(fù)位電路、鍵盤(pán)電路組成圖2 89s52芯片單片機(jī)輸入接口電路（鍵盤(pán)電路）圖3中基本系統(tǒng)中最多可連接4個(gè)鍵，選擇的連接到p3.4，p3.5，p3.6，p3.7，有鍵被按下被連接的端口為低電平。無(wú)鍵按下由于上拉電阻的作用各端口為高電平。當(dāng)開(kāi)關(guān)k未被按下時(shí)，p3x輸入為高電平，k閉合后，p3x輸入為低電平。由于按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉合時(shí)會(huì)有抖動(dòng)，key輸入端的波形如下圖所示。而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí)，對(duì)計(jì)算機(jī)而言，這已是一個(gè)“漫長(zhǎng)”的時(shí)間了。圖3 鍵盤(pán)電路2.13單片機(jī)輸入接口電路（鍵盤(pán)電路）圖3中基本系統(tǒng)中最多可連接4個(gè)

17、鍵，選擇的連接到p3.4，p3.5，p3.6，p3.7，有鍵被按下被連接的端口為低電平。無(wú)鍵按下由于上拉電阻的作用各端口為高電平。     2.14復(fù)位電路Reset: 復(fù)位端（正脈沖有效，寬度>8 ms）圖4  復(fù)位電路：2.2 p w m脈寬調(diào)制的工作原理pwm是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度，以調(diào)節(jié)輸出量值和波形的一種調(diào)制方式。pwm是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制調(diào)速產(chǎn)生于20 世紀(jì)70 年代中期，最早用于自動(dòng)跟蹤天文望遠(yuǎn)鏡、自動(dòng)記

18、錄儀表等的驅(qū)動(dòng)。pwm系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性：主電路簡(jiǎn)單，所需功率器件少；低速性好，調(diào)速范圍寬；開(kāi)關(guān)頻率高，快速響應(yīng)性好；功率損耗小，裝置效率較高；波形系數(shù)好，對(duì)電網(wǎng)功率因素高。 pwm變換器有不可逆和可逆兩類(lèi)，可逆變換器又有雙極式、單級(jí)式和受限單級(jí)式等多種電路。2.3 直流電機(jī)的工作原理2.3.1 工作原理在直流電機(jī)兩個(gè)固定的永久磁鐵北極(n)和南極(s)之間，有一個(gè) 鐵制的圓 體(稱為電樞鐵心)。電樞鐵心與磁極之間的間隙稱為空氣隙。它具有一個(gè)線圈，由導(dǎo)體ab和cd連接成，并敷設(shè)在電樞鐵心表面上。線圈的首、末端分別連接到兩片圓弧形的銅片(稱為換向片)上。換向片固定于轉(zhuǎn)軸上，換向片之間

19、以及換向片與轉(zhuǎn)軸都互相絕緣。這種由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為電樞。為了把電樞和外電路接通，特別裝置了兩個(gè)電刷a和b。電刷在空間上是固定不動(dòng)的。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷a只能與轉(zhuǎn)到上面的一片換向片相接觸；而電刷b則只與下面的一片換向片相接觸。這樣使處于磁極下電流的方向能保持不變，從而保證電樞轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向保持不變，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.3.2 直流電機(jī)的控制方式方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困

20、難。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的h型pwm電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；h型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的pwm調(diào)速技術(shù)。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案三。2.3.3.受限單極性驅(qū)動(dòng)方式 單片機(jī)控制受限單極性可逆pwm系統(tǒng)原理圖，如圖5所示 在要求電動(dòng)機(jī)

21、正轉(zhuǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)管v1受pwm控制信號(hào)控制，開(kāi)關(guān)管v4施加高電平使其常開(kāi)；開(kāi)關(guān)管v2、v3施加低電平，使它們?nèi)冀刂?。在要求電?dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)管v3受pwm控制信號(hào)控制，開(kāi)關(guān)管v2施加高電平使其常開(kāi);開(kāi)關(guān)管v1、v4施加低電平，使它們?nèi)冀刂?。下面以電?dòng)機(jī)在正轉(zhuǎn)的情況下為例，介紹這種控制的特點(diǎn)。當(dāng)要求電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在每個(gè)pwm周期的0芒區(qū)間，v1導(dǎo)通，電流沿圖5所示的虛線1流經(jīng)電樞繞組，方向是ab，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)pwm周期的芒2區(qū)間，v1截止，電流在自感電動(dòng)勢(shì)的作用下，經(jīng)v4和d2形成續(xù)流回路，如圖5的虛線2，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作在電動(dòng)狀態(tài)。2.3.4.受限倍頻單極驅(qū)動(dòng)方式 受限倍頻單極驅(qū)

22、動(dòng)方式是通過(guò)改變對(duì)開(kāi)關(guān)管的控制方式，而使直流電動(dòng)機(jī) 電樞兩端獲得比pwm控制信號(hào)頻率高1倍的電壓波。當(dāng)要求電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)管v1、v4接pwm控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)管v1， v4所接的pwm控制信號(hào)的占空比和頻率都相同，只是相位相差1800。對(duì)另2個(gè)開(kāi)關(guān)管v2、v3施加低電平，使它們始終截止。這樣的控制就會(huì)在電動(dòng)機(jī)電樞兩端產(chǎn)生2倍于pwm控制信號(hào)頻率的電壓波形，即所謂“倍頻"。 電樞兩端的電壓波形與pwm控制信號(hào)波形的關(guān)系如圖6(a)所示。當(dāng)要求電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，占空比和頻率相同而相位相差180。pwm控制信號(hào)加在開(kāi)關(guān)管v2、v3上，而開(kāi)關(guān)管v1、v4始終截止。在電動(dòng)機(jī)電樞兩端產(chǎn)生的倍頻電壓波

23、形如圖6(b)所示。圖6   pwm控制信號(hào)波形 受限倍頻單極驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)是沒(méi)有耗能制動(dòng)能力；但是由于提高了電樞電壓頻率，從而解決了斷流問(wèn)題，并且電樞電流的波動(dòng)也減小了1倍，因此多應(yīng)用于大功率、可靠性要求較高的場(chǎng)合。2.4硬件電路圖直流電機(jī)的控制由89s52單片機(jī)最小系統(tǒng), h型驅(qū)動(dòng)電路組成圖8硬件電路圖。單片機(jī)將pwm定向到p1.0引腳和p1.1引腳，另外通過(guò)改變p1.0引腳和p1.1引腳發(fā)出不同的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，規(guī)定其中p1.0高電平p1.1低電平代表正轉(zhuǎn)，相反p1.0低電平p1.1高電平代表反轉(zhuǎn)。從單片機(jī)輸出的pwm信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)先經(jīng)過(guò)光藕和自舉電路再與各個(gè)開(kāi)關(guān)管的柵極相

24、連。調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，圖中符號(hào)的意義分別為：ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR-電流調(diào)節(jié)器；TG-測(cè)速發(fā)電機(jī)；TA-電流互感器；UPE-電力電子變換器U*n；-轉(zhuǎn)速給定電壓；Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓；U*i-電流給定電壓；Ui-電流反饋電壓。電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)    經(jīng)過(guò)測(cè)量計(jì)算，確定系統(tǒng)的基本參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：Un=220V，1.16A，1500rmin，Ce=0.15，=1.3晶閘管裝置放大倍數(shù)：Ks=63.3電樞回路總電阻：R=41.14 時(shí)間常數(shù)：Tm=0.04sTL=0.028s電流反饋系數(shù)：=3.3Inom=3.31.5=2.188轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=2.51500=0.0017電流環(huán)的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s。電流濾波時(shí)間常數(shù)：    由于主回路的電流是脈動(dòng)直流，為了能取得電流的平均值，可采用多次采樣取平均值等數(shù)字濾波方法，但考慮到系統(tǒng)的CPU時(shí)序安排緊張，決定采用加硬件濾波環(huán)節(jié)的辦法，但其時(shí)間常數(shù)應(yīng)該取得小一些，取電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 電流環(huán)按I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)(2) 電樞電流波形電樞電流波形在突加給定時(shí)，在雙閉環(huán)的作用下迅