單片機(jī)控制電機(jī)

-PAGE6-單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的應(yīng)用摘要：介紹89C51單片機(jī)在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)方法、硬件結(jié)構(gòu)等。本系統(tǒng)采用霍爾元器件測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，用89C51單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，用DAC0832芯片實(shí)現(xiàn)輸出模擬電壓值來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；單片機(jī)

；PWM；霍爾元器件；轉(zhuǎn)速控制一、前言直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。二、轉(zhuǎn)速的測(cè)量原理轉(zhuǎn)速是工程上一個(gè)常用的參數(shù)，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速常以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)表示。轉(zhuǎn)速是指作圓周運(yùn)動(dòng)的物體在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，它是電動(dòng)機(jī)極為重要的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。它的測(cè)量精度將直接影響電動(dòng)機(jī)其它有關(guān)參數(shù)和特性的測(cè)試，以及故障檢測(cè)與診斷的準(zhǔn)確性；在速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)速裝置屬于反饋環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)的快速性和精度將直接影響系統(tǒng)的控制效果和動(dòng)靜態(tài)性能，因此轉(zhuǎn)速的高精度測(cè)試具有重要的意義。其單位為r/min。轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有M法(測(cè)頻法)、T法(測(cè)周期法)和MPT法(頻率周期法)，該系統(tǒng)采用了M法(測(cè)頻法)。由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)衡量，在變換過(guò)程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤(pán)邊沿，轉(zhuǎn)盤(pán)隨測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤(pán)下方安裝一個(gè)霍爾器件，轉(zhuǎn)盤(pán)隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，霍爾器件輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。因此采用霍爾元器件測(cè)量轉(zhuǎn)速是較為常用的一種測(cè)量方法。脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：

(1)式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T為輸出方波信號(hào)周期根據(jù)式(1)即可計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速?；魻柶骷怯砂雽?dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁場(chǎng)B，在沿L方向的兩個(gè)端面加以外電場(chǎng)，則有一定的電流經(jīng)過(guò)。由于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為:f1=qvb式中：f1――洛侖磁力；q――載流子電荷；V――載流子運(yùn)動(dòng)速度；B――磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過(guò)剩，形成霍爾電場(chǎng)，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間的電位差UH稱為霍爾電壓。其大小和外磁場(chǎng)及電流大小成比例?；魻栭_(kāi)關(guān)傳感器由于其體積小、無(wú)觸點(diǎn)、動(dòng)態(tài)特性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，故在測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。霍爾電壓大小為：=式中：RH霍爾常數(shù)；d元件厚度；B磁感應(yīng)強(qiáng)度；I控制電流。設(shè)=，則=。為霍爾器件的靈敏系數(shù),它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化，根據(jù)這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤(pán)的邊沿，轉(zhuǎn)盤(pán)隨被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤(pán)附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤(pán)隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，故輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測(cè)出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。三、直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.脈寬調(diào)制（PWM）原理小功率直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，對(duì)小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機(jī)是極為方便的。其方法是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值（即占空比）來(lái)控制電機(jī)速度。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱PWM。小功率直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法是將電動(dòng)機(jī)電源接通一段時(shí)間，然后切斷電源，再次接通電源，改變電動(dòng)機(jī)通斷時(shí)間的比列，即可達(dá)到調(diào)速的目的。圖1PWM控制曲線圖1是直流電動(dòng)機(jī)PWM控制曲線。這種調(diào)速方法稱為脈寬調(diào)速。設(shè)脈沖寬度為t,脈沖周期為T(mén)，電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為=;式中,=稱為占空比，占空比越大，轉(zhuǎn)速越高，反之就越低。平均轉(zhuǎn)速為與占空比之間的關(guān)系如圖曲線1，由圖1可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比的關(guān)系非完全線性關(guān)系，但可以近似看成線性，如圖1中虛線2.對(duì)于特定的電機(jī)，其最大是確定的，因此控制平均轉(zhuǎn)速就要控制占空比。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制是很容易的，只要改變電機(jī)定子繞組電壓的通、斷電時(shí)間，即可達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由已知的平均速度及電機(jī)全通電時(shí)最大速度，通過(guò)公式=可求出占空比，由占空比進(jìn)一步求出脈沖寬度。圖2系統(tǒng)供電電源電路圖2.直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理DAC0832主要由兩個(gè)8位寄存器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器組成，使用兩個(gè)寄存器的好處是，能簡(jiǎn)化某些應(yīng)用中的硬件接口電路設(shè)計(jì)。主要的引腳含義如下：D0～D7—數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入線。ILE—數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)，高電平有效。/CS—輸入寄存器選擇信號(hào)，低電平有效。/XFER—數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移控制信號(hào)線，低電平有效。/WR1輸入寄存器的“寫(xiě)”選通信號(hào)，低電平有效。/WR2—DAC寄存器的“寫(xiě)”選通信號(hào)。IOUT1和IOUT2電流輸出線。IOUT1和IOUT2的和為常數(shù)，IOUT1隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化。一般在單極性輸出時(shí)，IOUT1接地；在雙極性輸出時(shí)接運(yùn)放。通過(guò)自制5V電源來(lái)確保工作電壓正常,由霍爾元件及外圍器件組成的測(cè)速電路將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T1，由T1測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定值比較形成偏差。根據(jù)比較結(jié)果，使DAC0832輸出控制電壓增大或減小。功放電路將DAC0832輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成具有一定輸出功率的電動(dòng)機(jī)控制電壓。PWM是單片機(jī)上常用的模擬量輸出方法，通過(guò)單片機(jī)控制外接轉(zhuǎn)換電路的DAC輸出，可將PWM波的占空比不同的脈寬轉(zhuǎn)換成不同的電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)從而得到不同的轉(zhuǎn)速，程序通過(guò)調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出模擬電壓。本系統(tǒng)用8051的P1.0接直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM輸入口。四、直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1、編程思路：控制系統(tǒng)程序的功能是用89C51單片機(jī)的T0、T1測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與給定值進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，使DAC0832芯片的輸出控制電壓增大或減小。30H單元存放實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值是否相等的標(biāo)志?！?”表示相等，“02、系統(tǒng)流程圖如圖4所示,圖3直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖五、直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的工作原理

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加于電動(dòng)機(jī)兩端的電壓大小有關(guān)。本系統(tǒng)用DAC0832控制輸出到直流電動(dòng)機(jī)的電壓的方法來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值時(shí)，DAC0832芯片的輸出電壓增大，當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)則DAC0832芯片輸出電壓減小，從而使電動(dòng)機(jī)以設(shè)定的速度恒速旋轉(zhuǎn)。我們采用比例調(diào)節(jié)器算法?？刂埔?guī)律：Y=KP

e(t)+KI(2)主程序中斷服務(wù)程序YYNYNYN開(kāi)始棧指針初始化給轉(zhuǎn)速設(shè)定值（30H）—0，（40H）—7FH延時(shí)（7FFFH）—（40H）設(shè)T0為方式1，T0定時(shí)100msT1為外部計(jì)數(shù)方式允許T0中斷啟動(dòng)T0、T1T1—0延時(shí)（30H）—0（30H）=1？結(jié)束進(jìn)棧禁止T0、T1計(jì)數(shù)取T1值、計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速（40H）—（40H）—1恢復(fù)T0初值(30H)—1轉(zhuǎn)速>定值？轉(zhuǎn)速<定值？（40H）—（40H）+1中斷返回（7FFFH）—（40H）圖4

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)流程圖式中：Y比例調(diào)節(jié)器輸出，KP

比例系數(shù)，KI

積分系數(shù),e(t)調(diào)節(jié)器的輸入，一般為偏差值。從式(2)可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出Y與輸入偏差值e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出現(xiàn)就產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)，這是一種最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律。比例調(diào)節(jié)作用的大小除了與偏差e(t)有關(guān)外，主要取決于比例系數(shù)Kp，比例調(diào)節(jié)系數(shù)愈大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性也越大。反之，比例系數(shù)越小，調(diào)節(jié)作用越弱。對(duì)于大多數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時(shí)將會(huì)引起自激振蕩。比例調(diào)節(jié)的主要缺點(diǎn)是存在靜差，對(duì)于擾動(dòng)的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時(shí)將會(huì)引起自激振蕩。對(duì)于擾動(dòng)較大，慣性也比較大的系統(tǒng)，若采