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总体硬件电路设计系统总体设计框图本系统采用89C51控制输出数据，由PWMS号发生电路产生PWM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。主控芯片图2-1系统总体设计图单片机简介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.

2、CPU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 1

3、805140YCCF0.0Pl.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多种，有

4、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 1J7 20IQ 2158Q1D 2LrSD2D 一斗177E2Q E74LS373167Q詢一e15一阴3

5、D 7U6D4D E135B4Q 一12一 5QGND 1011G图2-474L373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，但因为其存储空间不足，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2716V2KB、 2732V4KB、2764<8KB、27128<16KB、27256<32KB 等，另外还有+ 5V 电 擦除E2PROM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

6、序存储器扩展芯片，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：¥pp 1£8VccA12 22T一 FGMA7 326A13AE425A6A5524A9M 一623AllA3 T2712822一 CE吃821AIDA1 g20CEM 1019070(i 11IS0601 12170502131G04GHD141503图2-5 27128结构图3 数据存储器8051单片机有128B RAM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

7、>、6264(8KB> 等，动态 DRAM2164(8KB等，另外还有集成IRAM和E2PR0M使用E2PR0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Intel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 -21_- A1OA1 9£0CE1AD 1019'I0T10 o 1118106101 12171

8、051021316104GHD 14151032.1.48051单片机扩展电路及分析图2-6 6264引脚图XTAL1XTAL2RESET/VFDEA/VTDSO51E./m'P3_ 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 -SVcum>a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

9、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 口使用，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

10、同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，8051CPU在 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，以便空出引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。8051使用片内ROM一 =0，那么允许使列/Vpp：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制 还是片外ROM如果列=1,那么允许使用片内 ROM如果 用片外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8

11、051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

12、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，PW又被称为“开关驱动装置”。如图 2-8所示：tl±2T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 = Vmax * 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。信号发生电路设计+5VPL7Pl.6Fl.58051Pl.4P1.3Pl.2XTAL2Fl.IPkOpnA>BA3A2 AlB3AOB2BlA=BBQUEU3U199QBQTCLKWRSTQ34040+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 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

14、和一片12位串行计数器4040组成了 PWMI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由全“

15、 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勺信号，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PWM9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。因为单片机上电复位时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.数据比

16、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PWM言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，因为在时钟输入

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但因为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，使得该集

18、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 CMOS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 MOSFE或 IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，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 MOSFET和 IGBT的驱动电路设计大为简化，而 且它可以实现对 MOSFE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 1IR211014一空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，才能够给自举电容提

21、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

22、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至电动机的负极经过整个直流电机后

23、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，因为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 o 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 二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HI

24、N为高电平的时间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。输出电压波形系统电路经过单片机控制的PWM言号产生电路送来的 PWM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：MNUNoirr Vcc |'VccLILJ244系统总体电路图图2-14输出电压波形PWM言号发生电路产生直流电机调速系统总体电

25、路设计由单片机产生控制PWM&号的数据，控制直流电机调速电路对电机进行调速。+5V8051XTKL2GKDU1PV«n 3in4040Fl. 2P3 7A3A2 AlFl 1 Pl 0Fl T Pl. 6Pl . 5B3B2 BlBOA>Ba=B>BiaA2AlADam a- ha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

26、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。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.

27、7 A/D转换芯片选型能够进行 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 AD670 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TEXA驭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

28、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100卩s,无须调零或者调整满量程。因此本系统采用ADC0809作为A/D转换芯片。的引脚及其功能ADC0809有28个引脚，其中ININ 7接8路模拟量输入。ALE是地址锁存 允许，创、创 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。STAR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 ADD（接地址线用以选定8路输入中的一路，引脚

29、详见图2-16。IW3 一IH5IW6 IB7START EOCBB391011cua 匚 kVcc28IM227IM12SIH025ADDA24ADDE23ADDC22ALE21DB720DBS15DB5DB417IE016一 0 二"REF15ADC0809图2-17ADC0809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B0/2I1 I _! I 口 T1 Con按照典型II型系统的参数选择方法速调节转速调节器参数和电阻电容值关系 如下：Kn = Rn/ R0r n = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Con参数求法： 电动机 P=10KW

30、U=220V I=55A n=1000 转/分 电枢电阻R=0.5欧姆 取滤波电路中 Ro=40千欧Rn=470千欧Cn=0.2uF Con=1uF贝U:Umax=220VUmin=<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PWM发

31、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 PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发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:开始图3-2主程序流程图3.2.2P是I控制算法子程序设计*p控制算法子程序/ 尸 *狡键是否按E是*读取键值void PID_work(>negsum=Q possum=0if(Bj=O>possum+=k1temp2=temp2+temp0 。 elsenegsum+=k1。 temp2=temp2-temp0 。 k3=temp2/10 。 if(possum>negsum> k2=possum-negsum。 / 存储结果 CY=0。temp1=k3+k1 。 / 误差积累， if(CY=1