单片机的直流电机调速系统

1、基于8051单片机直流电机调速系统2.1总体硬件电路设计本系统采用89C51控制输出数据，由PWM&号发生电路产生PW信号，送到 直流电机，直流电机通过测速电路，滤波电路，和A/D转换电路交数据重新送回 单片机，进行PI运算，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速 的目的。图2-1系统总体设计图2.1.2 8051单片机简介1. 8051单片机的基本组成8051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。其基本组成如下图所示：图2-2 8051基本结构图2. C

2、PU及部分部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的 只是前128个单元，其地址为00H 7FH通常说的内部数据存储器就是指这前 128个单元，简称内部RAM内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据 或表格，简称内部ROM定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并 且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断 2个和串行中断1个。3. 8051单片机引脚图P1.0Pl 18

3、05140YCCF0.0Pl.2Pl.3Pl 4Fl.535P0 1PO.Zf0.3Pl.6 34F0.5Pl.7RST/VPBESD/F3. 0 TXD/P3, 1 INT0/F3 2 IHT1/F3 3 T0/F3. 4 Tl/P3,5 WP3.6 矽F3” 了XTAL2 1CTWJ VSS 10111213141516171631301520292827262524232231一 EA/VTF ALE/PMPSENFZ 7 F2.G PZ 5 F2. 4 ?2.3P2.2F2. 1F2 0图2-3 8051单片机引脚图2.1.3单片机系统中所用其他芯片选型1.地址锁存器地址锁存器可以选择

4、多种，有地址锁存功能的器件有74LS373 8282、74LS273等，8282是地址锁存器，功能与 74LS373类似，但本系统选用74LS373 作为地址锁存器，考虑到其应用的广泛性以及具有良好的性价比，成为目前在单片机系统中应该较广泛的地址锁存器。74LS373片内是8个输出带三态门的D锁 存器当使能端呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实 现锁存。如果此时芯片的输出控制端为低， 也即是输出三态门打开，锁存器中的 地址信息便可以通过三态门输出。其引脚图如图 2-4所示：0E 1r、丁如ccIQ 2128Q1E TLr6D2D 一4177D英E74LS3731G7Q3Q

5、 E15一贺3B 7U6D41 E135E斗Q 12一 5QGNT 1J11G图2-4 74L373引脚图2.程序存储器存储器是单片机的又一个重要组成部分，其中程序存储器是单片机中非常重 要的存储器，但由于其存储空间不足，常常需要对单片机的存储器空间进行扩展， 扩展程序存储器常用芯片有 EPROM紫外线可擦除型)，如2716(2KB、2732(4KB、 2764 (8KB、27128 (16KB、27256 (32KB 等，另外还有+ 5V 电擦除 E2PRO, 如2816 (2KB、2864 ( 8KB等等。考虑到系统功能的可扩展性以及程序功能的 扩展，本系统采用16KB的27128作为程序

6、存储器扩展芯片，在满足系统要求的 前提下还存有一定的扩展空间，是本系统最合适的程序存储器扩展芯片。27128 的引脚图如图2-5所示:Kpp 18VccA12 22T一丽A7 32BA13AS 425A8A5524A9M 一623AUA3 T2712822一 0E吃e21AIDA1 920CEM 101907Op 11130G01 12170502131604GHD 141503图2-5 27128结构图3 数据存储器8051单片机有128BRAM当数据量超过128B也需要把数据存储区进一步扩 展。常用RAM芯片分静态和动态两种。静态 RAM有6116(2KB)、6264(8KB)等， 动态D

7、RAM2164(8KB等，另外还有集成IRAM和E2PROA/使用E2PRO作数据存储 器有断电保护数据的优点。数据存储器扩展常使用随机存储器芯片，用的较多的是In tel公司的6116容量为2KB和6264容量为8KB本系统采用容量8KB的6264作为数据存储器扩 展芯片。其引脚图如图2-6所示：JJC1Vee2271 WEA7 326一 CE2A6 42SA8AS 524j A9A4 一623AllA3 7S26422一 0EA2 -821_- A1OA1 90CE1AD 1019IOTIO o 1118106101 12171051021316104GHD 14151032.1.4805

8、1单片机扩展电 路及分析图2-6 6264引脚图XTAL1XTAL2RESET/VFDEA/VTDSO51E./mP3_ 7/E5ALE/FKJOGo12S4 52Z2Z22 F F F F F FO-1Z35R-TFrFFFFPFQ Q Q 0 _u_- 0 Q 9 lzllN 电弓&7L8 加OE 7 G1B2ES誥7CSErC-JTD CEI -SVcuma口 129 111A A A A5264图2-7 8051单片机扩展电路及分析接线分析：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 8051不带片外存储器，P0 口可以作为通用I/O

9、口使用， P0.7-P0.0用于传送CPU的I/O数据。第二种情况是8051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寸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。VCc为+5V电源线，VSs为接地线。ALE/PROG

10、 :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，8051CPU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/PROG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。EA/Vpp：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还 是片外ROM如果EA=1，那么允许使用片内ROM如果EA=0,那么允许使用片夕卜ROMXTAL1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80

11、51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8051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。2.2 PWM&号发生电路设计2.2.1 PWM的基本原理pw（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PWME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

12、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，PWI又被称为“开关驱动装置”。如图 2-8所示：tl2T图2-8 PWM方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，设占空比为D= tl / T ，则 电机的平均速度为Va = Vnax * D,其中W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；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，

13、我们可以将其近似地看成是线性关系。2.2.2 PWM信号发生电路设计UEU1+5VPL7Pl.6Fl.58051Pl.4P1.3Pl.2XTAL2Fl.IPkOpnABA3A2 AlB3AOB2BlA=BBQU399QBQTCLKWRSTQ34040+5VGND F3 T图2-9PWM言号发生电路PWM波可以由具有PWM&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PWI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

14、和一片12位串行计数器4040组成了 PWh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&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（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，Q2-Q9由

15、全“ T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 PW啲信号，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 PWh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PW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。223 PWM发生电路主要芯片的工作原理1.数据

16、比较器具有数据比较功能的芯片有 74LS6828, 74LS6838等8位数值比较器，4位 数值比较器4585等。本PWMg生电路通过两片4位数值比较器4585就可实现 PWMI号的产生，因此选用4585作为信号发生电路。芯片4585的引脚图：输出2串行计数器图2-10 4585引脚图系统PWMI号发生电路中还使用到一片串行计数器，有串行计数功能的芯片有4024、4040等，它们具有相同的电路结构和逻辑功能，但4024是7位二进制串行计数器，而芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主 从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入

17、端使用施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有限制， 所有的输入和输出均经过缓冲。本系统使用4040作为串行计数器，芯片 4040的引脚图如图2-11所示：QU 116 %Q5 215Q1O肌一3404014卵昶413Q7Q3 -512Q召02 611一 CRQ1 _710CP89Q0图2-11 4040引脚图2.3功率放大驱动电路设计功率放大驱动芯片有多种，其中较常用的芯片有 IR2110和EXB841但由于 IR2110具有双通道驱动特性，且电路简单，使用方便，价格相对 EXB841便宜， 具有较高的性价比，且对于直流电机调速使用起来更加简便， 因此该驱动电路采 用了 IR2110集成芯片

18、，使得该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。2.3.1 芯片IR2110性能及特点IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMO技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高 速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的圭寸装内，外接很少的分立元件 就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动 信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较 高，可以达到600V,其内设欠压封锁，成本低、易于调试。高压侧驱动采用外

19、 部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电 容的数目，使得 MOSFE和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对 MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。降低了产品成本和减少体积。2.3.2 IR2110的引脚图以及功能IR2110将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂 的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，是目前功率放大驱动 电路中使用最多的驱动芯片。其结构也比较简单，芯片引脚图如下所示：3 _1IR211014-空com :

20、13VssYcc ，312UN空_11SJ“ J510 Hilf69DDHO 76-空图2-12 IR2110引脚图2.4 主电路设计2.4.1 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琐时间间隔，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。2.4.2 主电路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

21、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&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H0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

22、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，Vcc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

23、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D=t1/T。设电源电压为V, 那么电枢电压的平均值为：Vout= t1 - ( T - t1 ) V / T=(2 t1 - T ) V / T=(2D - 1 )V定义负载电压系数为 入，入=Vout / V ,那么 入=2D - 1 ;当T为常 数时，改变HIN为

24、高电平的时间t1 ,也就改变了占空比D,从而达到了改变Vout 的目的。D在0 1之间变化，因此 入在1之间变化。如果我们联系改变 入, 那么便可以实现电机正向的无级调速。当入=0.5时，Vout=0,此时电机的转速为0;当0.5入1时，Vout为正，电机正转；当入=1时，Vout=V,电机正转全速运行。243输出电压波形系统电路经过单片机控制的 PW信号产生电路送来的PW信号，经过功率放 大电路，形成输出电压的波形图如下图如示：MN图2-14输出电压波形244系统总体电路图直流电机调速系统总体电路设计由单片机产生控制PWM言号发生电路产生PWM&号的数据，控制直流电机调速电路对电机进行调速。

25、PV1U1鬥4n 3in4040Fl. 2P3 7A3A2AlFl 1 Pl 0B3B2BlFl T Pl.SPl . 5ABQA2A1A0am a- iA3 2 10 0胡8+SV8051XTKL2图2-15系统总休电路图2.5测速发电机测速发电机是一种测量转速的微型发电机， 他把输入的机械转速变换为电压 信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比， 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

26、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。2.6滤波电路经整流后的单向直流或单向脉动直流电， 都是由强度不变的直流成分和一个 以上的交流成分叠加形成的。为了使脉动直流电变得较为平稳，把其中的交流成 分滤掉，叫做滤波。滤波有电容滤波、电感滤波等。本系统中对直流电采用电容 滤波的方式，使得直流电压变得更加平稳，调速更加精确。电路图如图2-15所示：图2-16滤波电路2.7 A/D转换能够进行A/D转换的芯片很多，其中AD系列的有8位A/D转换器ADC0809 AD570 AD

27、670 AD673 AD7574等, TLC系列的有TLC545等，其中较为常用的是 ADC0809和 TLC545 TLC545是美国TEXAS仪器公司新推出的一种开关电容结构 逐次逼近式8位A/D转换器，具有19个模拟输入端。而ADC0809是采样频率为 8位的、以逐次逼近原理进行模一数转换的器件。 其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8路模拟输入信号中的一个进行 A/D转换，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 OOH-FFH，转换时间为 100卩s,无须调零或者调整满量程。因

28、此本系统采用ADC080作为A/D转换芯片。2.7.2 ADC0809的引脚及其功能ADC0809有 28个引脚，其中INlIN 7接8路模拟量输入。ALE是地址锁存 允许，Vref、VrEf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-DB 7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，引脚详见图2-16。OE CLOCK Vcc 一GHB 一DDI1、*282

29、ADC0809326425524623T2282192010191115121713161415IH3 IH4IH5 IW6 IH7 START ED匚一DB3 IM2IN1IHOADDAADDBADDCALEDB7DBSDB5DB4IEOBB2图2-17 ADC0809引脚图3.系统软件部分的设计3.1 PI转速调节器原理图及参数计算按照典型II型系统的参数选择方法转速调节器调节器参数和电阻电容值关系如下:Kn = Rn/ ROr n = Rn/Cn Ton = 1/4 RO * Con参数求法： 电动机 P=10KW U=220V I=55A n=1000 转/分 电枢电阻R=0.5欧姆

30、取滤波电路中 Ro=40千欧Rn=470千欧Cn=0.2uF Con=1uF贝U:Umax=22OVUmin=（220/0.9 ）*0.5=122VYi-1=0 W=1000 转/分P=Kp=Rn/Ro=11.7I=Kp*T/Ti=1253.2 系统中的部分程序设计软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。3.2.1 主程序设计主程序主程序是一个循环程序， 其主要思路是， 先设定好速度初始值， 这个 初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用 PI 算法输出控制系 数给PWh发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。其程序流程图如图 所示。软件由 1 个主程序、 1 个中断子程序和 1 个 PI 控制算法子程序组成。主 程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1 口生数据送到PWMI号发生电路，然后用pi算法输出控制系数给pw恢生电路改变波形的占空比进而 控制电机的转速。主程序流程图如图 3-2 所示:3.2.2PI控制算法子程序设计/*PI控制算法子程序*/void PID_work()n egsu