基于单片机实现直流电机调速系统.docx

基于单片机实现直流电机调速系统.docx

《基于单片机实现直流电机调速系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机实现直流电机调速系统.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于单片机实现直流电机调速系统

基于单片机实现直流电机PWM调速系统

摘要：

利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制；采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形。

关键词：

PWM信号；直流电机；调速；占空比；单片机

一、系统总体设计框图

图1系统总框图

近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。

直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。

采用传统的调速系统主要有以下缺陷：

模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。

另外，由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。

PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。

二、外设电路设计

1、AT89C51单片机

（1）AT89C51单片机的基本组成

AT89C51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

（2）AT89C51单片机引脚图及功能介绍

P0.7---P0.0：

这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。

第一种情况是AT89C51不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。

第二种情况是AT89C51带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

P2.7---P2.0：

这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。

它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

P3.7---P3.0：

这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。

它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同，如下表所示：

P3口的位

第二功能

注释

P3.0

RXD

串行数据接收口

P3.1

TXD

串行数据发送口

P3.2

外中断0输入

P3.3

外中断1输入

P3.4

T0

计数器0计数输入

P3.5

T1

计数器1计数输入

P3.6

外部RAM写选通信号

P3.7

外部RAM读选通信号

表1AT89C51芯片引脚P3口第二功能及说明

VCC为+5V电源线，VSS为接地线。

ALE/

：

地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，AT89C51CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/

线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。

在不访问片外存储器时，AT89C51自动在ALE/

线上输出频率为1/6fOSC的脉冲序列。

该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。

/VPP：

允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制AT89C51使用片内ROM还是片外ROM。

如果

=1，那么允许使用片内ROM；如果

=0，那么允许使用片外ROM。

：

片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，AT89C51自动在

线上产生一个负脉冲，用于片外ROM芯片的选通。

其他情况下，

线均为高电平封锁状态。

RST/VPD：

复位备用电源线，可以使AT89C51处于复位工作状态。

XTAL1和XTAL2：

片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接AT89C51片内OSC的定时反馈电路。

石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于AT89C51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

2、PWM信号发生电路设计

（1）PWM的基本原理

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。

PWM可以应用在许多方面，比如：

电机调速、温度控制、压力控制等等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。

通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。

也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

如下图所示：

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为

，则电机的平均速度为

，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；

是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比

时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。

严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

（2）PWM信号发生电路图

PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。

当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。

在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。

两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。

只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。

12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。

计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2—Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端为高电平。

随着计数值的增加，Q2—Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255-X/255）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。

使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。

由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。

图2PWM信号发生电路图

（3）功率放大驱动电路设计

该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。

IR2110的引脚图以及功能

引脚1（LO）与引脚7（HO）：

对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10KΩ的电阻。

引脚2（COM）：

下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（Vss）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。

引脚3（Vcc）：

直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。

引脚5（Vs）：

上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。

与引脚6（VB）：

通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管，与用户提供的输出极电源相连，对Vcc的参数要求为大于或等于—0.5V，而小于或等于+20V。

引脚9（VDD）：

芯片输入级工作电源端，使用中，接用户为该芯片工作提供的高性能电源，为抗干扰，该端应通过一高性能去耦网络接地，该端可与引脚3（Vcc）使用同一电源，也可以分开使用两个独立的电源。

引脚10（HIN）与引脚12（LIN）：

驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。

应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V，这里Vss与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13（Vss）与引脚9（VDD）端的电压值。

引脚11（SD）：

保护信号输入端，当该引脚为高电平时，IR2110的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。

引脚13（Vss）：

芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接相连。

引脚8、引脚14、引脚4：

为空引脚。

芯片参数：

1．IR2110的极限参数和限制：

最大高端工作电源电压VB：

-0.3V至525V

门极驱动输出最大（脉冲）电流IOMAX：

2A

最高工作频率fmax：

1MHz

工作电源电压Vcc：

-0.3V至25V

贮存温度Tstg：

-55至150°C

工作温度范围TA：

-40至125°C

允许最高结温Tjmax：

150°C

逻辑电源电压VDD：

-0.3V至VSS+25V

允许参考电压Vs临界上升率dVs/dt：

50000V/μs

高端悬浮电源参考电压Vs：

VB-25V至VB+0.3V

高端悬浮输出电压VHO：

Vs-0.3V至VB+0.3V

逻辑输入电压VIN：

Vss-0.3V至VDD+0.3V

逻辑输入参考电压Vss：

Vcc-25V至Vcc+0.3V

低端输出电压VLO：

-0.3V至Vcc+0.3V

功耗PD：

DIP-14封装为1.6W

2．IR2110的推荐工作条件：

高端悬浮电源绝对值电压VB：

Vs+10V至Vs+20V

低端输出电压VLO：

0至Vcc

低端工作电源电压Vcc：

10V至20V

逻辑电源电压VDD：

Vss+5V至Vss+20V

逻辑电源参考电压Vss：

-5V至+5V

（4）主电路设计

A延时保护电路

利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。

IR2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。

B主电路图及功能说明

从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。

因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。

我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。

将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。

在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加正向的工作电压。

其具体的操作步骤如下：

当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。

同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。

电源经Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。

此时直流电机正转。

在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流电机上加反向工作电压。

其具体的操作步骤如下：

当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候，Q2导通且Q1截止。

此时Q2的漏极近乎于零电平，

通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通作准备。

同理可知，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时Vcc通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通作准备。

电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成整个的回路。

此时，直流电机反转。

因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。

设PWM波的周期为T，HIN为高电平的时间为t1，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为T-t1。

HIN信号的占空比为

。

设电源电压为V，那么电枢电压的平均值为：

定义负载电压系数为

，

那么

；当T为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到了改变

的目的。

D在0—1之间变化，因此λ在±1之间变化。

如果我们联系改变λ，那么便可以实现电机正向的无级调速。

当

时，

此时电机的转速为0；

当

时，

为正，电机正转；

当

时，

电机正转全速运行。

图3主电路图

C输出电压波形

图4输出电压波形

（5）测速发电机

测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机，分为直流与交流两种。

其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势E和转速n成线性关系，即E=kn，其中k是常数。

改变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。

当被测机构与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，即可以获得被测机构的转速，所以测速发电机又称速度传感器。

测速发电机广泛应用于各种速度或者位置控制系统，在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或者通过反馈来提高系统稳定性和精度。

（6）滤波电路图

图5滤波电路图

（7）A/D转换

ADC0809是8位、逐次比较式A/D转换芯片，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一的+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V---+5V，其对应的数字量输出为00H---FFH，转换时间为100μs，无须调零或者调整满量程。

ADC0809的引脚及其功能

ADC0809有28个引脚，其中IN0---IN7接8路模拟量输入。

ALE是地址锁存允许，

、

接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。

START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D转换。

EOC是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。

OE是输出允许端。

CLK是时钟端。

DB0---DB7是数字量的输出。

ADDA、ADDB、ADDC接地址线用以选定8路输入中的一路，详见左图。

图6ADC0809芯片图

三、系统软件设计

（1）程序流程图

（2）系统中部分程序设计

a）单片机资源分配

工作寄存器0组

RO-R700H-07H

数据缓冲区30H-7FH

PSW.4（RS1=0）PSW.3（RS0=0）；选中工作寄存器0组

P0口地址80H

P1口地址90H

P2口地址A0H

P3口地址B0H

堆栈（SP）81H

定时器/计数器控制TCON88H

定时器/计数器方式控制TMOD89H

定时器/计数器0低字节TL08AH高字节TH08CH

定时器/计数器1低字节TL18BH高字节TH18DH

中断1——PI采样（ui）

中断0——A/D采样P1口预置W

P0口测量值（实测Y）

主程序：

0000AJMPSTART

START：

CLRPSW.4

CLRPSW.3；选中工作寄存器0组

CLRC

MOVR0，4FH

MOVA，30H

CLEAR1：

CLRA

INCA

DJNZR0，CLEAR1；清零30-7FH

SETBTR0；定时器/计数器0工作

MOVTMODE，#01H；定时器/计数器工作在方式1

SETBEA；总中断开放

SETBIT0；置INTO为降沿触发

SETBIT1；置INT1为降沿触发

LJMPMAIN

LJMPCTCO

LCALLSAMPLE

Fosc=12MHZ，用一个定时器/计数器定时50ms，用R2作计数器，置初值14H，到定时时间后产生中断，每执行一次中断服务程序，让计数器内容减1，当计数器内容减为0时，则到1s。

b）PI控制算法:

令

则

T——采样周期，

，

PI程序：

SETBEX1；开放中断1

MOVR0，90H；P1口（W）送R0,预设

MOVR1，80H；P0口（Y）送R1，实测

MOVA，R0；W给A

MOVB，R1；Y给B

SUBBA，B；ei给A

MOV7FH，A；ei给7FH

MOV7EH，#00H；ei-1=0给7EH

MOV7BH，Umax

MOV7AH,Umin

AJMPIN；积分项

AJMPP；比例项

MOVA，R2；Pi给A

ADDA，R3；Pi+Pp给A

MOV7DH，#00H；Ui-1=0给7DH

ADDA，7DH；Ui-1+Pi+Pp=Ui给A

MOV7CH,A；Ui给7CH

MOV7DH，7CH；Ui给Ui-1

MOVA，7BH；Umax给A

CJNEA，#Ui，LOOP2；Ui〉Umax转移

MOVA，#Ui

CJNEA，7AH，LOOP3；Ui

MOV90H，7CH；输出Ui到P1口

LOOP2：

MOVA，7CH；Ui给A

CLRC

SUBBA，#Umax

RETI

LOOP3：

MOVA，7CH；Ui给A

CLRC

SUBBA，#Umin

RETI

IN：

MOV6FH，#I

MOVA，6FH；I给A

MOVB，7FH；ei给B

MULAB；Pi=I*ei给A

MOVR2，A；Pi给R2

RETI

P：

MOV6EH，#P

CLRC

MOVA，7FH；ei给A

SUBBA，7EH；ei-ei-1给A

MOV7EH，7FH；ei给ei-1

MOVB，6EH

MULAB；（ei-ei-1）*P给A

MOVR3，A；Pp给R3

RETI

四、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PI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。

曾经也试过用单片机直接产生PWM波形，但其最终效果并不理想，在使用了少量的硬件后，单片机的压力大大减小，程序中有充足的时间进行闭环控制的测控和计算，使得软件的运行更为合理可靠。

五、参考书目

[1]李荣生主编，电气传动控制系统设计指导，机械工业出版社，2007

[2]吴守箴，臧英杰编著，电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社,2006

[3]陈伯时主编,自动控制系统---电力拖动控制,中央广播电视大学出版社,2008

[4]王离九，黄锦恩编著，晶体管脉冲直流调速系统，华中理工大学出版社出版，2007

[5]各类网站

六、附图

本文是通过网络收集的资料，如有侵权请告知，我会第一时间处理。

.