直流电机调速控制器的设计.doc

成绩 山东理工大学电气与电子工程学院课程设计说明书设计题目： 直流电机调速控制器的设计 专业班级： 电气 班 学生姓名： 学 号： 指导教师： 孟繁玉 起止日期： 2010.6.21-2010.7.4 直流电机调速控制的设计摘要：本课程设计介绍了直流电机的调速原理，在此基础上，以MCS-51单片机为控制核心，设计了直流电机调速控制系统的外围电路：用8255A芯片进行I/O口扩展，用DAC0832芯片进行D/A转换，经DAC外围放大电路改变输出电压，从而对直流电机进行转速控制，利用霍尔元件对直流电机的转速进行采集，并送到单片机。此外，还有对速度给定的矩阵式键盘和速度显示电路。利用以上各个部分实现了对直流电动机速度设定、显示、采集及快速平滑控制的功能。软件的实现上采用P I（比例-积分）控制算法，使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差调速。最后，给出系统程序流程图。利用MCS-51单片机进行直流电机调速具有简化系统结构，降低成本，提高系统可靠性和实用性具有重要意义。关键字：直流电机 MSC-51单片机 PI控制 Abstract：This course introduces the design principle of DC motor speed control，on this basis, to MCS-51 microcontroller as the control center designed DC motor speed control system of the external circuit: The 8255A chip I / O port expansion, with the DAC0832 chip D / A converter, the external amplifier to change by the DAC output voltage, thus DC motor speed control, use of the Hall element of the DC motor speed were collected and sent to the microcontroller. In addition, given the speed and the speed of the keyboard matrix display circuit. Using the above realization of the various parts of DC motor speed setting, display, acquisition and control functions quickly and smoothly. Software implementations using PI (proportional - integral) control algorithm, so that the motor speed to static non-poor to achieve the speed difference between the static-free. Finally, system program flow chart is given.MCS-51 microcontroller using DC Motor with simplified system structure, reduce costs, increase system reliability and availability is important. Keywords: DC motor MCS-51 Microcontroller PI Control目录1.前言 (03)2系统总体设计原理 (03)3转速采集电路设计 (05)4单片机小系统设计 (07)5键盘与显示电路设计 (08)6 D/A转换电路及DAC外围电路设计 (10)7转速PI控制设计 (12)8软件流程图 (13)9结论 (16)10致谢 (16)11参考文献(16)1、前言当今，自动化控制系统在各行各业得到了广泛应用和发展。而直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。本设计是研究对直流电机调速的自动控制装置，是直流电机实现平滑准确调节速度达到预设值。本课题主要是利用单片机来构成控制系统。主要包括：单片机、霍尔元件速度采集电路、直流电机、DAC0832、键盘、显示器等几部分组成。首先对预定速度进行设置，并通过数码管显示出来。利用霍尔元件对直流电机的转速进行实时测量采集，送入单片机利用软件技术与给定的转速进行比较控制。软件的实现上采用P I（比例-积分）控制算法，使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。把校正后的结果经过DAC0832进行模数转换，把控制系统的数字量变为电压值输出，再经过驱动放大电路对直流电机进行调速控制。并将转速显示出来。从而实现快速的调节电机转速。2、系统总体设计原理2.1调速原理由直流电机的速度公式n=(Ua-IaRa)/Ce,其中n是电机转速，Ua是电枢电压，Ia是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电极常数，是电机的励磁磁通。对于极对数是p，匝数是n，电枢支路数为a的电机来说Ca是常数。由于Ra为电枢回路电阻故其值很小，通过调节电阻改变转速的效果不明显。如果通过调节磁通量，对于它励电机其有外接的电源电压决定。故一般通过改变电枢电压来达到调节转速的目的。直流电机原理图如下：图2.1 直流电机原理图2.2系统总体组成原理框图系统的原理框图如下图所示，主要包括：单片机、霍尔元件速度采集电路、直流电机、DAC0832、键盘、显示器等几部分组成。图2.2 直流电机调速系统的总体设计框图2.2.1 单片机这里利用的是MSC-51单片机，实现速度测量计算、输入设定机系统控制、PI运算控制。速度测量利用T1作为计数来计有霍尔元件送来的脉冲数，T0作为定时器。则定时T0产生50ms定时中断，在T0的中断程序中也采用软件计数器对中断次数计数。当软件计数器值为20时（即中断20次为1s），读出读出此脉冲计数值计算出转速并送显示器显示，用此转速与设定的转速值进行比较。所得到的误差经过PI调节，若实际速度大于设定值则输出电压值下降，反之则增加输出电压值，实现对电机的调速。2.2.2 键盘此处键盘使用的是矩阵式键盘，用扩展的8255的PC0、PC1、PC2、PC3作为其行输入口，PC4、PC5、PC6作为其列输出口。由于只显示09十个数字故只需用34的矩阵式键盘即可。2.2.3显示器在此选用四个共阴极数码管显示转速，将其连接到I/O口芯片8255A，其中PA口为段口，PB口的前四个作为位选。采用动态扫描显示。当有键盘输入中断产生时，显示键盘输入的给定转速，其余情况下显示电机实际转速。2.2.4 D/A转换、DAC外围放大电路采用DAC0832作为D/A转换、DAC外围放大电路，DAC0832是一个八位并行的D/A转换器。其作用是将单片机输出的数字信号转换为模拟量输出，并将电流信号转化为电压信号输出，实现对电机的电枢电压的控制。为了实现直流电机的正反转采用双极性输出电路。DAC0832直接与单片机相连，其内部没有运算放大器使用时需要外接运算放大器，但这也提供了设计的灵活性，并在此时将输出的电流信号变为双极性电压信号输出。2.2.5 霍尔元件速度采集电路 霍尔元件是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小耐高温等特性。将一块永久磁钢固定在直流电机转轴上的转盘边沿，转盘随转轴旋转，磁钢也跟着同步旋转。在转盘附近安装一个霍尔开关传感器，当转盘随转轴同步旋转时，受磁钢产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，器脉冲信号的频率和转速成正比。这样只要测出脉冲信号的频率或者周期即可求出直流电机的转速。3 转速采集电路设计3.1 转速测量原理 - 测频法转速常以每分钟的转数来表示，其单位为r/min。转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。转速测量原理- 测频法：标准时间发生器产生准确的时间间隔T，计测在T时间间隔内有N个脉冲信号, 每转产生z个电脉冲信号。计算式为:(当z=60,T=1时, n=N)3.2霍尔转速传感器的工作原理霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁场B，在沿l方向的两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：flqVB式中：fl洛仑磁力，q载流子电荷，V载流子运动速度，B磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差UH称为霍尔电压。霍尔电压大小为：UH=RHIB/d(mV)式中：RH -霍尔常数，d-元件厚度，B-磁感应强度，I-控制电流设KH= RH/d ，则UH=KHIB (mV)KH为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T),它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号,其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。图3.1 霍尔元件测速原理图在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单、输出电平可与各种数字电路兼容等特点。4 单片机小系统设计MCS-51单片机最小系统包括:单片机、晶振电路、复位电路等。时钟、复位电路设计如下： 4.1时钟电路此系统采用内部时钟方式，其原理图如图4所示。MCS-51单片机允许的晶振可在1.224MHz之间选择，此系统选12MHz。则一个机器周期为1s 。C3、C4大小为30pF。图4.1 内部时钟方式的时钟电路4.2 复位电路此系统复位电路采用上电按钮复位电路，如图5所示。复位端高电平有效。C的典型值为10F。当按下开关一定时间，电容相当于短路，电容开始充电，RST为高电平，单片机复位，当电容两端电压等于5V时，RST呈现低电平，复位完成。 图4.2 上电按钮复位电路5键盘与显示电路设计此系统选用一片扩展8255芯片与键盘和显示电路相连，8255的数据通讯口与单片机的P0口连接，8255的读、写控制口分别与单片机的读、写控制口相连。A0、A1及片选端口分别于单片机的P2.0、P2.1、P2.7相连，则8255的PA口的地址为7CFFH，PB口地址为7DFFH，PC口地址为7EFFH，控制端口地址为7FFFH。PA口作为数码显示电路的段选口，PB口的前四个作为数码显示电路的位选口。PC口的低四位作为键盘的行输入口，PC4、PC5、PC6作为其列输出口。则8255的控制字是10000001B。为了中断响应键盘按键则可以把键盘的列输出通过一个与门与单片机的口相连，则有键盘按下时，列输入口会呈现低电平，相应的就会产生中断。5.1键盘的设计用软件管理键盘的具体过程如下：(1)当单片机有中断响应时则可能有键盘按下，为了消抖动此时应该延时一段时间，若还有外部中断0仍为低电平则有按键按下。(2)判断按键的具体位置。采用粗扫描的方法逐行输出0，读列的值。如果读的列值为全1，则被按键不在该行上，再让下一行为0；否则说明被按键在该行上。(3)计算被按键的键值，以确定要完成的功能。在此处采用的算法为将行值和列值合并为一个字节，并按照一定的顺序形成一个键值表。在设计键值表时将行值作为高四位，列值作为低四位中的高三位。当找到所按的键对应的键值表时则进行相应的键处理。此处键处理采用查表的方式，从S1到S10对应的键操作为显示数字0到9，S11和S12对应的操作为空操作。图5.1 键盘电路5.2 显示电路的设计此系统的显示采用动态扫描方式。当有键盘按下时则数码管显示按键的内容。将键盘四次按键后要显示的内容送到显示缓存区并将全部按键内容存放在50H到53H中（高位地址存放高字节）。若无按键下则数码管显示的是有霍尔元件采集而来的转速，即将30H、31H的内容送到显示缓冲区40H到43H中（高位地址存放高字节），因为30H、31H中为实际转速对应的十六进制数故应先将其转化为对应的十进制数再送到显示缓存区，并将其存放在54H到57H中（高位地址存放高字节）。在查表得到要显示内容的显示代码，送到PA口进行显示，此处用到一个计数器计四次数分别对应不同的位码依次显示转速的千位、百位、十位和个位。其中千位、百位、十位和个位对应的位选分别为7FH、0BFH、0DFH、0EFH。图5.2 显示电路6 D/A转换电路及DAC外围放大电路设计本系统通过改变电枢电压来调节转速，故选用DA转换芯片DAC0832来实现。6.1 DAC0832简介DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出，若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。为方便电机正反转，DA0832应为双极性输出。6.2 DAC外围放大电路设计外围放大电路的输出值如下：即 当数字D=Dmax=11111111B时，由上式可得Uout=Uout max+5v当数字D=Dmin=00000000B时可得Uout=Uout min-5v当数字在0到11111111B之间变化时，电路输出电压就在-5V到+5V之间连续变化，实现了DAC。 NPN晶体管8050与PNP晶体管8550组成互补射随器。忽略PN结正向压降，可以认为电机输入端电压亦等于Uout，即微型直流电机电枢绕组可以获得-5V到+5V连续变化电压，电动机可也在反向最大转速到正向最大转速之间连续调节。图6.1 D/A转换电路及DAC外围电路7 转速PI控制设计为了使电动机的转速达到静态无差，在软件的实现上采用P I（比例-积分）控制算法。 PI调节器能实现比例、积分两种调节功能，既具有比例调节器较好的动态响应特性，又具有积分调节器的静态无差调节功能。只要输入有一微小信号，积分就进行，直至输出达到限幅值为止；在积分过程中，输入信号突然消失（变为零），其输出还始终保持输入信号消失前的值不变。这种积累、保持特性，使积分调节能消除控制系统的静态误差。 P I控制器的控制规律如下： u (t) =Kp e ( t)+式中：u ( t)-比例调节器输出，Kp-比例系数，Ti- 为积分系数e(t)-调节器的输入，一般为偏差值。若单片机的采样周期为T,则上式可近似为:u ( k ) =Kpe(k) + e(j) =Kp e(k) +Kie(j)T上式即为位置式PI控制算法。此系统我们采用其增量式控制算法,根据递推原理如下: u (k-1) = Kpe(k-1) +Kie(j) T则增量式控制算法为:u(k) =u(k)- u(k-1) = Kpe(k)-e(k-1)+Kie(k) 其中:Kp 为控制器比例系数,Ki 为积分时间常数。由于系统在软件的实现上采用了比例积分调节器，使系统在扰动的作用下,通过PI调节器的调节作用使电动机的转速达到静态无差,从而实现了静态无差。无静差调速系统中,比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快 (无滞后 ) ,积分部分使系统