基于MC51单片机的直流电机PWM调速系统讲解

1、基于 MC51 单片机的直流电机 PWM 调速系统 摘要 本文介绍一种基于 MC51 单片机控制的 PWM直流电机脉宽调速系统， 并且系统采用转速与电流双闭环检测， 将直流电机的转速与电流信息及时 反馈给单片机， 借助于软件编程使单片机及时调整输出 PWM的占空比来对 直流电机进行工作范围内调速。系统以廉价的 MC51 单片机为控制核心， 以直流电机为控制对象。 从系统的角度出发， 对电路进行总体方案论证设 计，确定电路各个的功能模块之间的功能衔接和接口设置， 详细分析了各 个模块的方案论证和参数设置。 整个系统利用 51单片机的定时器产生 10K 左右的 PWM脉冲，通过带有功率驱动作用的

2、TLP250 光耦实现控制单元与 驱动单元的强弱电隔离，采用 2 片 IGBT 和 MOSFET 等一类电压型功率 开关管专用驱动芯片 IR2110，驱动 IGBT FGA25N120构成的 H桥电路 实现对直流电机的调速，利用 AH49E线性霍尔元件与 ADC0809制作成电 流与转速传感器分别测量电机的电枢电流与转速， 再配合利用 TL431、线 性光耦 PC817和 ADC0809实现系统的 PID 双闭环控制，提高整个系统的 智能化、自动化水平，为工业生产应用提供可能。 关键字 MC51，PWM ，光耦隔离， PID ，IR2110，IGBT Abstract This article

3、 describes the MC51M icrocontroller based DC motor PWM pulse width speed control system, and the system uses the speed and current dual-loop detection, the DC motor speed and current information and timely feedback to the microcontroller, by means of software programming the microcontroller to adjus

4、t the output PWMd uty cycle to work on the range of DCm otor speed control. Cheap MC51S CMs ystem as the control center for the control of a DC motor object. From the system point of view, the circuit design of the overall demonstration program to determine the function of each circuit module and th

5、e interface between the functional interface settings, detailed analysis of the demonstration program of each module and parameter settings. Microcontroller using the system timer 51 of about 10K PWM pulse generated by the role with a power drive control unit and TLP250 optocoupler drive unit to ach

6、ieve the strength of electrical isolation, the use of two IGBT and MOSFET, and other similar voltage power switch dedicated driver chips IR2110, driving IGBT-FGA25N120 H bridge circuit composed of DC motor speed control, the use of linear Hall element and ADC0809 AH49E made into current and speed se

7、nsors were used to measure the motor armature current and speed, coupled with the use of TL431, linear optocoupler PC817 and the ADC0809t o achieve double-loop PID control system to improve the whole system of intelligent, automated level of applications for industrial production possible. KeywordsM

8、C51, PWM, opto isolation, PID, IR2110, IGBT 目录 摘 要. 1 1. 前言. 5 1.1 数字直流调速的意义 5 1.2 研究现状综述 6 1.2.1 电气传动的发展现状 6 1.2.2 微处理器控制直流电机发展现状 6 1.3 直流电动机调速概述 7 1.3.1 直流电机调速原理 7 1.3.2 直流调速系统实现方式 9 2. 系统总体方案论证 . 11 2.1 系统方案比较与选择 11 2.2 系统方案描述 12 3. 硬件电路的模块设计 . 14 3.2 逻辑延时电路方案论证设计 19 3.3 驱动电路方案论证设计 20 3.3.1 驱动电路方

9、案、参数描述 20 3.3.2 IR2110 驱动电路中 IGBT抗干扰设计 22 3.3.3 IR2110 功率驱动介绍 24 3.3.3.1 IR2100 内部结构原理图及管脚说明 24 3.3.3.2 IR2110 的自举电路 25 3.3.3.3 IGBT H 桥驱动电路原理 26 3.4 隔离电路方案论证设计 31 3.4.1 TLP250 光耦隔离 31 3.5 稳压可调电源设计 32 3.6 速度反馈环设计 34 3.6.1 脉冲信号的获得 34 3.6.2 测速电路硬件电路设计 35 4.2 主要程序设计分析 46 4.2.1 定时器 0 中断服务函数 46 4.2.2 占空比

10、调节函数 46 4.2.3 PID 控制算法程序如下： 47 7. 参考文献 . 49 1. 前言 1.1 数字直流调速的意义 现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数 字化控制。从上世纪 80 年代中后期起， 世界各大电气公司如 ABB 、通用、 西屋、西门子等都在竞相开发数字式调速传动装置， 经过二十几年的发展， 当前直流调速已发展到一个很高的技术水平： 功率元件采用可控硅； 控制 板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制 1。特别是采用 了微处理器及其他先进电力电子技术， 使数字式直流调速装置在精度的准 确性、控制性能的优良性和抗干扰的性能有很大的提高和发展，

11、 在国内外 得到广泛的应用。 数字化直流调速装置作为目前最新控制水平的传动方式 显示了强大优势。 全数字化直流调速系统不断升级换代， 为工程应用和工 业生产提供了优越的条件。 采用微处理器控制， 使整个调速系统的数字化程度， 智能化程度有很 大改观；采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高， 操作维护变得简捷， 电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。 由于 微处理器具有较佳的性价比， 所以微处理器在工业过程及设备控制中得到 日益广泛的应用。近年来，尽管交流调速系统发展很快， 但是直流电机凭 借其良好的启动、制动性能，在金属切削机床、轧钢机、海洋钻机、挖掘 机、造纸机、矿井卷扬

12、机、电镀、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的 高性能可控电力拖动领域中仍得到了广泛的应用。 现阶段， 我国还没有自主的全数字化直流调速控制装置生产商， 而国 外先进的控制器价格昂贵， 且技术转让受限， 为此研究及更好的使用国外 先进的控制器， 吸收国外先进的数字化直流电机调速装置的优点， 具有重 要的实际意义和重大的经济价值。 1.2 研究现状综述 1.2.1 电气传动的发展现状 20世纪 70 年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。 整流器的更新换代， 以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动 机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进 1。同时，高集 成化、小型化

13、、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。使直流调 速系统的性能指标大幅提高， 应用范围不断扩大。 直流调速技术不断发展， 走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气 传动领域中仍然难以替代 1。 早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成， 由于模拟器件有其 固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直 流传动系统的控制精度及可靠性较低 2。随着计算机控制技术的发展，微 处理器已经广泛使用于直流传动系统， 实现了全数字化控制。 由于微处理 器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直 流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速

14、系统大大提高。所以， 直流传动控制采用微处理器实现全数字化， 使直流调速系统进入一个崭新 的阶段。 1.2.2 微处理器控制直流电机发展现状 微处理器诞生于上个世纪七十年代， 随着集成电路大规模及超大规模 集成电路制造工艺的迅速发展， 微处理器的性价比越来越高。此外，由于 电力电子技术的发展， 制作工艺的提升， 使得大功率电子器件的性能迅速 提高。为微处理器普遍用于控制电机提供了可能， 利用微处理器控制电机 完成各种新颖的、 高性能的控制策略， 使电机的各种潜在能力得到充分的 发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求 2 ，还促进了电机生产商研 发出各种如步进电机、 无刷直流电机、 开关磁阻电

15、动机等便于控制且实用 的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。 对于简单的微处理器控制电机， 只需利用用微处理器控制继电器、 电 子开关元器件， 使电路开通或关断就可实现对电机的控制。 现在带微处理 器的可编程控制器， 已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得 到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。 对于复杂的微处理器控制电机 , 则要利用微处理器控制电机的电压、 电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。通过微处理 器控制，可使电机的性能有很大的提高。 目前相比直流电机和交流电机他 们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器， 有机械磨损及

16、 换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机， 结构都比直 流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时， 它 们的速度不能方便而经济地调节 2 。 高性能的微处理器如 DSP （ DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即数 字信号处理器 ） 的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物 质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。 在先进的数控机床等数控位 置伺服系统， 已经采用了如 DSP等的高速微处理器， 其执行速度可达数百 万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算 2 。 1.3 直流电动机调速概述 1.3.1 直流电机调速原理 直流电动机根据励磁方式不

17、同，直流电动机分为自励和他励两种类 n UR内 T CcCrCc 型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。 但是对于直流电 动机的转速有以下公式： 其中： u 电压； R内 励磁绕组本身的电阻； 每极磁通 (Wb)； Cc电势常数； Cr转矩常量 3。由上式可知，直流电机的速度控制既可 采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。 磁场控制法控制磁通，其控制功 率虽然较小， 但低速时受到磁极饱和的限制， 高速时受到换向火花和换向 器结构强度的限制 4 ，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差 5。所 以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。 图 1-1 直流电机的工作原理图 电枢控制是在励

18、磁电压不变的情况下， 把控制电压信号加到电机的电 枢上，以控制电机的转速。 传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个 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 6 。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方 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 )调压等等。调压调速法具有平滑度高，能耗少，精度高等优点。 在 工业生产中广泛使用其中脉宽调制 (PWM )应用更为广泛。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”

19、和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“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”。 图 1-2 电枢电压占空比和平均电压的关系图 根据图 1，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax ，占空比 为 D= t1 /T，则电机的平均速度为： VD=Vmax*D ，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 7。 1.3.2 直流调速系统实现方式 、基于晶闸管作为主电路的调速系统 晶闸管的调速系统是采用分离元件设计的调速系统占用的空间大， 控 制角难于调整，且模拟器件的固有缺陷如：温漂、零漂电压等，

20、导致电机 的调速无法达到满意的结果。晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向， 给系统的可逆运行造成困难， 性能较差， 自动化控制程度差，调速过程较 为复杂，不利于工业生产和小功率电路中采用。 另一问题是当晶闸管导通 角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流， 从而引起电网 电压波动殃及同电网中的用电设备，造成 “电力公害 ”。 、基于 PWM 为主控电路的调速系统 与传统的直流调速技术相比较， PWM（ 脉宽调制技术 ）直流调速系统具 有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电 流容易连续， 谐波少，电机损耗和发热都较小； 低速性能好，稳速精度高， 因而调速范围宽

21、；系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主 电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。 PWM 信号的产生通常有两种方法 :一种是软件的方法； 另一种是硬件 的方法。 基于单片机类由软件来实现 PWM ：在PWM 调速系统中占空比 D 是 一个重要参数在电源电压 Ud 不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于 占空比 D 的大小，改变 D 的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调 速的目的。改变占空比 D 的值有三种方法： A、定宽调频法：保持t1不变，只改变 t，这样使周期（或频率）也随之改变 7。 （图 1） B、调宽调频法：保持 t 不变，只改变 t1 ，这样使周期 （或频率

22、） 也随之改变 7。（图 1） C、定频调宽法：保持周期 T（或频率）不变，同时改变 t1和t7。（图 1） 前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期 （或频率 ） ，当控制脉冲的 频率与系统的固有频率接近时， 将会引起振荡， 因此常采用定频调宽法来 改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。 利用单片机的定时计数器 外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路， 操作性强等优点。 2. 系统总体方案论证 2.1 系统方案比较与选择 方案一：采用专用 PWM 集成芯片、 IR2110 功率驱动芯片构成整个 系统的核心，现在市场上已经有很多种型号，如 Tl 公司的 TL494 芯

23、片， 东芝公司的 ZSK313I 芯片等。这些芯片除了有 PWM 信号发生功能外， 还 有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。这种专用 PWM 集成芯片可 以减轻单片机的负担，工作更可靠，但其价格相对较高， 难于控制工业成 本不宜采用。 方案二：采用 MC51 单片机、功率集成电路芯片 L298 构成直流调速 装置。L298是双 H 高电压大电流功率集成电路， 直接采用 TTL 逻辑电平 控制，可用来驱动继电器、 线圈、直流电动机、 步进电动机等电感性负载。 其驱动电压为 46V ，直流电流总和为 4A。该方案总体上是具有可行性， 但是 L298 的驱动电压和电流较小，不利于工业生产应用，无

24、法满足工业 生产实践中大电压、大电流的直流电机调速。 方案三：采用 MC51 单片机、 IR2110功率驱动芯片构成整个系统的 核心实现对直流电机的调速。 MC51 具有两个定时器 T0 和 T19 。通过控 制定时器初值 T0 和 T1，从而可以实现从任意端口输出不同占空比的脉冲 波形。 MC51 控制简单，价格廉价，且利用 MC51 构成单片机最小应用系 统，可缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。 IR2110 是专门 的 MOSFET 管和 IGBT 的驱动芯片，带有自举电路和隔离作用，有利于 和单片机联机工作，且 IGBT 的工作电流可达 50A ，电压可达 1200V10 适

25、合工业生产应用 综合上述三种方案， 本设计采用方案三作为整个系统的设计思路。 但 是由于系统要实现双闭环 PID 控制，所以测速中占用了两个定时器， T0 和 T1 ，如果再将 PWM 波形产生交给 MSC51 则会加大软件的任务，并且 影响整个系统的控制效果。 因此这里考虑单独设计一个 PWM 波形发生电 路，单片机对它只提供控制参数以改变其占空比。 2.2 系统方案描述 本系统采用 MC51 为控制核心，配以 2*3 键盘，通过 ADC0809 模数 转换器对主干驱动电路进行速度设定反馈， 电流设定和过电流保护。 同时 利用 MC51 以及 PWM 产生模块产生的 PWM 经过逻辑延迟电路

26、后加载到 以 IR2110 为驱动核心， IGBT 构成的 H 桥主干电路上实现对直流电机的 控制和调速，并且系统利用霍尔传感器制成速度与电流反馈环节来实现点 击的 PID 控制。本系统的控制部分为 5V 的弱电而驱动电路和负载电路为 110V 以上的直流电压因此在强弱电之间、数据采集之间分别利用了带有 驱动功能的光耦 TLP250 和线性光耦 PC817 实现强弱电隔离，信号串扰。 具体电路框图如下图 2-1 图 2-1 系统整体设计框图 3. 硬件电路的模块设计 3.1 PWM信号发生电路 3.1.1 PWM 的基本原理 PW（M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

27、 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： 图 3-1 PWM脉冲图 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，设占空比为 D= t1 / T， 则电机的平均速度为 Va = Vmax * D，其中 Va指的是电机的平均

28、速度； Vmax 是 指电机在全通电时的最大速度； D = t1 / T 是指占空比。 由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t1 / T 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 3.1.2 PWM 信号发生电路设计 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 PW

29、M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 Q2Q9，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 Q2Q9加 1，当计数值 小于或者等于单片机 P1 端

30、口输出值 X时，图中 U2的（ AB）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（AB） 输出端为高电平。随着计数值的增加， Q2Q9由全“ 1”变为全“ 0”时， 图中 U2 的（AB）输出端又变为低电平，这样就在 U2的（AB）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

31、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。 3.1.3 PWM 发生电路主要芯片的工作原理 （1）芯片 4585 芯片 4585 的用途： 对于 A和B两组 4位并行数值进行比较，来判断它们之间的大小是否 相等。 芯片 4585 的功能表： 输入 输出 比较 级取 A3、B3 A2、 B2 A1、B1 A0、 B0 AB AB A3B3 * * * * * 1 0 0 1 A3=B3 A2B2 * * * * 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1B1 *

32、 * * 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0B0 * * 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0=B0 0 0 1 0 0 1 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0=B0 0 1 0 0 1 0 A3=B3 A2=B2 A1=B1 A0B0 1 0 0 1 0 0 A3=B3 A2=B2 A1B1 * * * * 1 0 0 A3=B3 A2B2 * * * * * 1 0 0 A30.5 时， 为正，电动机正转； 当 0.5 时， 为负，电动机负转；当0.5时， =0，电动机停止。 双极式控制的电压平衡方程式 3 ： U s Rid Ld id /

33、dt E (0 t ton) US Rid Ldid /dt E(ton t T ) 电枢两端在一个周期内的平均电压都是： Ud Us 。其平均值方 程都可写成 3 ： U S RId E RId Cen 则机械特性方程 3 ： U S R R nId n0Id Ce Ce d 0 Ce d 用转矩表示 3 ： Us R R nTe n0Te Ce CeCmCeCm 式中， Cm 电机在额定磁通下的转矩系数， CmKmN 理想空载转速，与电压系数成 正比， U n0 0 Ce 3.4 隔离电路方案论证设计 3.4.1 TLP250 光耦隔离 隔离是整个设计的关键环节，如果隔离没有做好，将导致强

34、弱电互相 串扰，强电串到弱电的控制单元时会导致整个控制单元烧毁。 因为系统的 主电路电压均为高电压、大电流，而控制单元为弱电压，弱电流，所以它 们之间必须采取光电隔离措施， 以提高系统抗干扰措施， 综合考虑决定采 用带光电隔离的 MOSFET 驱动芯片 TLP25021。 图 3-17TLP 内部结构图 光耦 TLP250是一种可直接驱动小功率 MOSFET和 IGBT 的功率型光 耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达 1.5A 21 。TLP250 驱动主要 具备以下特征： 输入阈值电流 IF=5mA(max) ； 电源电流 ICC=11mA(max) ； 电源电压 (VCC)=10 3

35、5V； 输出电流 IO=0.5A(min) ； 开关时间 tpLH/tpHL=0.5 s(max) 。 选用 TLP250光耦既保证了功率驱动电路与 PWM脉宽调制电路的可靠 隔离，又具备了直接驱动 MOSFET 的能力，驱动电路简单。根据 TPL250 的数据手册要求在 2、3 脚的电压输入必须为 1.6v ，5、8 脚之间必修接 图 3-18 TLP250 光耦隔离电路 3.5 稳压可调电源设计 因为系统需要的不同电压值较多， 且由于电机在正常工作时对电源的 干扰很大， 如果只用一组电源难以防止干扰， 为此在设计时采用了两组可 调的稳压电源为系统控制单元和驱动单元单独供电。 在设计时首先考

36、虑到使用三端可调稳压集成芯片 LM317、和 LM337 。 LM317 系列稳压器输出连续可调的正电压， LM337 系列稳压器输出连可 调的负电压，可调范围为 1.2V37V ，最大输出电流 为 1.5A。稳压器内 部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用 方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可 调电压稳压电源。再利用 LM7805 、LM7905 三端稳压芯片即可形成一个 1.2V18V可调和 5V固定输出的稳压电源。具体设计电路图如下（图 3-13） 当 220V 交流电压经过变压器转换成双 18V 的交流电压，利用 B2 整流桥 实现

37、整流后，利用了 3300uf 大电容 C1、C2 整流，因为大容量电解电容 有一定的绕制电感分布电感， 易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压 器的输入、输出端常并入 103瓷介质小容量电容 C3、C4 用来抵消电感效 应，抑制高频干扰，利用 LM317 、LM337 稳压器实现 18V 和-18V 可调， 最后在经过 470uf 电解电容 C7、C8 滤波后给 LM7805 、LM7905 稳压后 再通过 C9、C10 滤波后输出 5V 直流固定电压。 图 3-19 稳压可调电源电路原理图 3.6 速度反馈环设计 系统利用速度反馈环的设计可以实现电机的闭环速度设定调节。 其原 理如下 当一块

38、通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时， 薄片的两 端就会产生电位差， 这种现象就称为霍尔效应。 两端具有的电位差值称为 霍尔电势 U，其表达式为 U=KI B/d 其中K为霍尔系数， I为薄片中通 过的电流， B 为外加磁场（洛伦慈力 Lorrentz）的磁感应强度， d 是薄片 的厚度。 由此可见， 霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正 比的关系。 霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如右图所示。 磁场由磁钢提 供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用霍尔传感器检测转速示意图如 下。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢， 霍尔传感器固定在圆盘外缘附 近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便

39、输出一个脉冲。 通过单片机测量产生 脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。 如下图示为测速原理图 图 3-20 霍尔元件测速 原理图 3.6.1 脉冲信号的获得 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 3-21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 3-21 CS3020 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得较为简单， 只

40、 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，就会不断地产生脉冲信号输出。 如果在圆周上粘上多粒磁钢， 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，在工业现场应用广泛。 3.6.2 测速电路硬件电路设计 测速的方法决定了测速信号的硬件连接， 测速实际上就是测频，因此， 频 率测量的一些原则同样适用于测速。 通常可以用计数法、测脉宽法和等精度法来进行测试。所谓计数法， 就是给定一个闸门时间， 在闸门时间内计数输入的脉冲

41、个数； 测脉宽法是 利用待测信号的脉宽来控制计数门， 对一个高精度的高频计数信号进行计 数。由于闸门与被测信号不能同步，因此，这两种方法都存在 1 误差的 问题，第一种方法适用于信号频率高时使用， 第二种方法则在信号频率低 时使用。等精度法则对高、低频信号都有很好的适应性。 图 2 是测速电路的信号获取部分，在电源输入端并联电容 C2 用来滤 去电源尖啸，使霍尔元件稳定工作。 HG 表示霍尔元件，采用 CS3020， 在霍尔元件输出端（引脚 3）与地并联电容 C3 滤去波形尖峰，再接一个 上拉电阻 R2，然后将其接入 LM324 的引脚 3。用 LM324 构成一个电压 比较器，将霍尔元件输出

42、电压与电位器 RP1 比较得出高低电平信号给单 片机读取。 C4用于波形整形，以保证获得良好数字信号。 LED 便于观察， 当比较器输出高电平时不亮，低电平时亮。微型电机 M 可采用型，通过 电位器 RP1分压，实现提高或降低电机转速的目的。 C1 电容使电机的速 度不会产生突变，因为电容能存储电荷。 电压比较器的功能： 比较两个电压的大小 （用输出电压的高或低电平， 表示两个输入电压的大小关系 ）： 当“ ”输入端电压高于“ ”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当“ ”输入端电压低于“ ”输入端时，电压比较器输出为低电平； 比较器还有整形的作用， 利用这一特点可使单片机获得良好稳定的输 出

43、信号，不至于丢失信号，能提高测速的精确性和稳定性。 图 3-22 测速反馈电路原理图 图 3-22 中将测速模块的输出端为数字信号可以直接接入 51 单片机进 行反馈调速。 3.7 电流反馈环设计 系统利用霍尔元件来实现对信号的检测 ,霍尔元件应用的基本原理也 是霍尔效应。霍尔效应是一种磁敏效应 ,例如在半导体薄片的长度方向上 施加磁感应强度为 B 的磁场,则在宽度方向上产生电动势 U H（称为霍尔 电压）, 其大小可表示为 : U=k I B/dK称为霍尔系数 ,与半导体材料有关 ,d 为半导体材料的厚度。 ）可见,霍尔电压与磁感应强度成正比 ,而磁感应强度 又与被测电流成正比 ,所以电压值

44、与被测电流值之间存在着正比关系 ,基于 这种正比关系可以实现对电机过电流的检测。 让信号检测模块的磁线圈与 电机绕组串联 ,流过绕组的电流在磁线圈中产生感应电势 ,霍尔元件输出霍 尔电压 ,当电机过电流时 ,霍尔电势急剧增加 ,对霍尔元件的输出电压进行 检测即可实现对电机过电流的保护以及反馈。 实际的霍尔电流传感器有两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。 零磁通式（也称为磁平衡式或反馈补偿式） 霍尔电流传感器用一环形导磁 材料作成磁芯， 套在被测电流流过的导线上， 将导线中电流感生的磁场聚 集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可 由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流

45、。 如下图所示将霍尔器件的输出电压进行放大， 再经电流放大后， 让这 个电流通过补偿线圈， 并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方 向相反，若满足条件 IoN1=IsN2，则磁芯中的磁通为 0，这时下式成立： Io=Is（N2/N1）（5） 式中，I1 为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流， N1 为 初级绕组的匝数， I2 为补偿绕组中的电流， N2 为补偿绕组的匝数。由式 可知，达到磁平衡时，即可由 Is 及匝数比 N2/N1 得到 Io。 图 3-33 整体霍尔元件测速原理图 图 3-34 霍尔零磁通电流传感器原理图 用霍尔元件 AN3503 和磁线圈构成信号检测电路。 AN350

46、3 由电压调 整器、霍尔电压发生器、线性放大器和射极跟随器组成 ,其输入是磁感应 强度,输出是和输入量成正比的电压。信号检测模块如下 图 3-36 霍尔电流传感器模块图 图 中,AN3503 的 1 脚接稳压器输出的 +5V 电源,2 脚接地 ,3 脚为电 压输出端。绕组电流从磁线圈的 A 端进入,B 端流出,与绕组串联相接。 在 电源为 +5V 时 , 霍尔元件静态输出电压为 2.5V,并有较高的灵敏度。磁场 N 极从背面接近 AN3503 ,当通过导线的电流增加时 ,输出电压增加。 A / D 转换器的输入电压为 05V,而霍尔元件的输出电压为 2.5V 左右,为此 ,不 需要设置放大电路

47、。 霍尔电流传感器的测流电路图取下所示： 图 3-37 霍尔电流传感器的测流电路图 图中由 AN3505传感器模块在测得电机的电枢电流之后一方面通过一个比 较器接入 51单片机的 INTO口作为过电流保护， 另一方面将测得的电枢电 流的模拟量通过 ADC0809转换为数字量之后送入 51 单片机作为速度反馈 环节进行脉宽调速。 3.8 键盘控制及其 LED显示速度与电流值电路 在比较复杂的控制系统中 , 单片机的 I/O 口线总是不多的 , 而外围 的芯片往往占用我们比较多的 I/O 端口,例如 A/D转换器,外围存储器 , 以便用于存放程序或表格 , 同时单片机中一些赋于其它功能的 I/O

48、复 用口(例如中断), 它们有更重要的用途 ,一般我们也不能把它们用作普 通的 I/O 口, 因为它们的资源更有用 ,我们也想利用最少引脚的单片机 来实现更多功能的控制 , 此时,我们就想利用简单便宜的扩展芯片来扩 展I/O 口.以下介绍的电路 ,可以使用任何一种具有富裕 7 个I/O 口线 来实现 21 个按键的键盘和四个七段数码管的控制电路。 我们选用价廉物美的 74LS164串入并出移位寄存器芯片来扩展这个电 路,分别与键盘和 6个七段数码管显示器连接 ,74LS164(1) 的串行输入 端与单片机相连 , 时钟端分别与另一 I/O 口连接, 单片机通过输入端向 74LS164发送字段码

49、 ,经移位转换后驱动 LED的字段, 同时,单片机通过 串行输入端向 74LS164(2)发送键盘扫描代码和 LED的位选代码 , 键盘 的列扫描代码由 74LS164(2)的数据输出端提供 , 位选信号经过驱动器 ( 三极管或驱动门电路 ) 驱动各位 LED,键盘的的三条行线直接由单片 机的 I/O 口提供, 向键盘扫描线分时提供扫描代码 . 图 3-38 键盘控制电路图 键盘共有 21个按键,我们可以定义为 0-9 十进制的数字键 ,还有11个 按键我们设置为功能键 , 其中前四个键分别为四个 LED的控制工作键，后 面七个键分别实现了电机的各项功能，“加速”，“减速”，“停止”， “正转

50、”，“反转”。“速度设定”，“电流设定”。最最后键盘有引脚 与单片机的 P1个端口相连。键值识别采用扫描方式即可获得 , 分时向 74LS164(2)发送键控码,使其一输出为低 ,然后逐个判断三个行线的电平 , 即可识别出哪个按键按下 .逐个进行识别 ,直到把 21 个按键全部扫描完毕 然后, 单片机向 74LS164(1)发送需要显示的字段码 ,同时向 74LS164(2)发 送分时选位通信号 ,使6个LED位分时选通,驱动 LED发光. 需要注意的是 , 由于键扫描或显示驱动均采用串行的方式向 74LS164 发送字段码信号 , 耗时比采用并行的方式较长 ,所以单片机使用的时钟频 率不能太

51、低 ,否则扫描的结果会出现 LED闪烁现象 , 效果不佳 , 同时考虑到 单片机仍要处理其它程序 , 采用的时钟频率以达到工程要求为准 . 4. 系统软件设计 4.1 程序流程图 系统程序为一个主程序（包括若干功能模块） ，中断子程序，以及若干 个子程序，共计三大部分构成。按照任务的定义， 每个功能模块都能完成 某一明确的任务， 实现具体的某个功能， 如测量、计算、显示、键盘扫描、 输出控制等。 本设计的总程序设计流程图及其部分主要子程序流程图。 如 图4-1系统总体流程图，如图 4-2 PWM输出子程序流程图，图4-3 A/D08009 据采集流程 开始 正转键按下 调节 PWM 设置 Y

52、反转键按下 为负电压 小于零 减去现在电流等 于零 N 调节 PWM 脉宽 Y 调节 PWM 设置为正 Y 电压 速度设定 键设定 键设定 Y Y 减去现在速度等 于零 大于零 加速键按下 减速键按下 加大占空比 减小占空比 终止 图 4-1 系统总体程序流程图 图 4-2 PWM 输出流程图 图 4-3 A/D0809 据采集流程 4.2 主要程序设计分析 4.2.1 定时器 0 中断服务函数 void timer0(void) interrupt 1 using 2 TR0=0; Pro_Count+; 轮转次数加 1 if (Pro_CountCycle) Pro_Count=1; if

53、 (Pro_Count=Pro_High) 输出高电平 Pwm_Out=0; else Pwm_Out=1; TH0=Th0; 重载定时器初始值 TL0=Tl0; TR0=1; 4.2.2 占空比调节函数 void Pwm_Set(uchar x) switch(x) case 0:break; 占空 case 1: if(Pro_High=900) Pro_High=Pro_High+100; 比加 100 break; case 2: if(Pro_High=990) Pro_High=Pro_High+10; 空比加 10 break; case 3:if(Pro_High=100) P

54、ro_High=Pro_High-100; 占空比 减 100 break; case 5:if(Pro_High=10) Pro_High=Pro_High-10; 占空比 减 10 break; case 6:if(Pro_High0)Pro_High-;占空比 减1 break; 4.2.3 PID 控制算法程序如下： void pid control(int motor_speed set ，unsigned char P，unsigned char i ，unsigned char d) int E ， tempMOTORSpeedl ，tempMOTORSpeed2， tempMO

55、TORSpeed3； unsigned char duty ； E=motorspeed set MOTORSpeed； while(E!0&MOTOR On) 一 E=motor_speed_set MOTORSpeed；求误差 tempMOTORSpeed2=MOTORSpeed； duty=P*E+i*tempMOTOR Speedl+d R-tempMOTOR Speed3；占空比表达式 DUTY=duty； output for the motor duty tempMOT艮O Speedl=MOTOR Speed+E； SIGMA(E) 误差积分 tempMOTORSpeed3=

56、MOTORSpeed； tempMOTORSpeed3=tempMOTORSpeed2一tempMOTOR_Spee；d3 DELTA(E)误差微 分 5结论 本论文通过通过系统的软件与硬件设计实现了利用 MCS51单片机产 生的 PWM波来对直流电机进行调速， 系统可以在直流电机的额定转速可调 范围内实现点击的平滑调速， 并且可以任意设定其速度， 系统应用 PTD算 法对直流电机实行过电流保护和稳定运行。 但是由于系统的软件系统过于 复杂，本论文只是列去了部分程序，而整体并没有实现仿真。 另外由于水 平有限，系统肯定还有诸多不合理和需要改进之处。 6. 致谢 经过两个多月对毕业设计课题的学习研究、设计调试和论文撰写，本次毕业设 计已经圆满结束。作为一个电子科学与技术专业的学生，我的毕业设计偏重自动控 制方向的设计，由于强电和电机工作原理等方面知识、经验较为匮乏，难免有许多 考虑不周全的地方，幸好有导师的督促指导，以及一起学习的同学们的给予我无私 的帮助，使我的毕业设计能够些许的成果呈现给大家，两个多月的毕业设计我感触 很多。 首先，我要感谢的是毕业设计的指导老师郭三明老师， 他给于我毕业 设计选题的最大自