單片機的直流電機調速系統(tǒng)

1、基于8051單片機直流電機調速系統(tǒng)2.1 總體硬件電路設計2.1.1系統(tǒng)總體設計框圖本系統(tǒng)采用89C51控制輸出數(shù)據(jù)，由PWM信號發(fā)生電路產生PWM信號，送到直流電機，直流電機通過測速電路，濾波電路，和A/D轉換電路交數(shù)據(jù)重新送回單片機，進行PI運算，從而實現(xiàn)對電機速度和轉向的控制，達到直流電機調速的目的。主控芯片PWM信號的產生與放大直流電機測速發(fā)電機濾波電路A/D轉換圖2-1系統(tǒng)總體設計圖2.1.2 8051單片機簡介18051單片機的基本組成8051單片機由CPU和8個部件組成，它們都通過片內單一總線連接，其基本結構依然是通用CPU加上外圍芯片的結構模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功

2、能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示： 圖2-2 8051基本結構圖2CPU及部分部件的作用功能介紹如下中央處理器CPU：它是單片機的核心，完成運算和控制功能。內部數(shù)據(jù)存儲器：8051芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H7FH。通常說的內部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內部RAM。內部程序存儲器：8051芯片內部共有4K個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內部ROM。定時器：8051片內有2個16位的定時器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結果對計算機進行控制。中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定

3、時/計數(shù)中斷2個和串行中斷1個。38051單片機引腳圖圖2-3 8051單片機引腳圖 2.1.3 單片機系統(tǒng)中所用其他芯片選型1 地址鎖存器地址鎖存器可以選擇多種，有地址鎖存功能的器件有74LS373、8282、74LS273等，8282是地址鎖存器，功能與74LS373類似，但本系統(tǒng)選用74LS373作為地址鎖存器，考慮到其應用的廣泛性以及具有良好的性價比，成為目前在單片機系統(tǒng)中應該較廣泛的地址鎖存器。74LS373片內是8個輸出帶三態(tài)門的D鎖存器。當使能端呈高電平時，鎖存器中的內容可以更新，而在返回低電平的瞬間實現(xiàn)鎖存。如果此時芯片的輸出控制端為低，也即是輸出三態(tài)門打開，鎖存器中的地址信息

4、便可以通過三態(tài)門輸出。其引腳圖如圖2-4所示： 圖2-4 74L373引腳圖2程序存儲器存儲器是單片機的又一個重要組成部分，其中程序存儲器是單片機中非常重要的存儲器，但由于其存儲空間不足，常常需要對單片機的存儲器空間進行擴展，擴展程序存儲器常用芯片有EPROM（紫外線可擦除型），如2716（2KB）、2732（4KB）、2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）等，另外還有5V電擦除E2PROM，如2816（2KB）、2864（8KB）等等?？紤]到系統(tǒng)功能的可擴展性以及程序功能的擴展，本系統(tǒng)采用16KB的27128作為程序存儲器擴展芯片，在滿足系統(tǒng)要求的前提下還存有一定

5、的擴展空間，是本系統(tǒng)最合適的程序存儲器擴展芯片。27128的引腳圖如圖2-5所示： 圖2-5 27128結構圖3數(shù)據(jù)存儲器8051單片機有128B RAM，當數(shù)據(jù)量超過128B也需要把數(shù)據(jù)存儲區(qū)進一步擴展。常用RAM芯片分靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)RAM有6116(2KB)、6264(8KB)等，動態(tài)DRAM2164(8KB)等，另外還有集成IRAM和E2PROM。使用E2PROM作數(shù)據(jù)存儲器有斷電保護數(shù)據(jù)的優(yōu)點。數(shù)據(jù)存儲器擴展常使用隨機存儲器芯片，用的較多的是Intel公司的6116容量為2KB和6264容量為8KB。本系統(tǒng)采用容量8KB的6264作為數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片。其引腳圖如圖2-6所示：

6、圖2-6 6264引腳圖2.1.4 8051單片機擴展電路及分析圖2-7 8051單片機擴展電路及分析接線分析：P0.7-P0.0：這8個引腳共有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同的情況。第一種情況是8051不帶片外存儲器，P0口可以作為通用I/O口使用，P0.7-P0.0用于傳送CPU的I/O數(shù)據(jù)。第二種情況是8051帶片外存儲器，P0.7-P0.0在CPU訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。P2.7-P2.0：這組引腳的第一功能可以作為通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片

7、外存儲器單元，但是并不能像P0口那樣還可以傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。P3.7-P3.0：這組引腳的第一功能為傳送用戶的輸入/輸出數(shù)據(jù)。它的第二功能作為控制用，每個引腳不盡相同。VCC為+5V電源線，VSS為接地線。ALE/：地址鎖存允許/編程線，配合P0口引腳的第二功能使用，在訪問片外存儲器時，8051CPU在P0.7-P0.0引腳線上輸出片外存儲器低8位地址的同時還在ALE/線上輸出一個高電位脈沖，其下降沿用于把這個片外存儲器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出P0.7-P0.0引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。/VPP：允許訪問片外存儲器/編程電源線，可以控制8051使用片內

8、ROM還是片外ROM。如果=1，那么允許使用片內ROM；如果=0，那么允許使用片外ROM。XTAL1和XTAL2：片內振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調電容，即用來連接8051片內OSC的定時反饋電路。石英晶振起振后，應能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波，以便于8051片內的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩，電容C1、C2可以幫助起振，調節(jié)它們可以達到微調fOSC的目的。2.2 PWM信號發(fā)生電路設計2.2.1 PWM的基本原理PWM（脈沖寬度調制）是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，改變負載兩端的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調整方法。PWM可以應用在許多方面，

9、比如：電機調速、溫度控制、壓力控制等等。在PWM驅動控制的調整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。如圖2-8所示：圖2-8 PWM方波設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，設占空比為D= t1 / T，則電機的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機的平均速度；Vmax 是指電機在全通電時的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可見，當我們改變占空比D =

10、t1 / T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調速的目的。嚴格來說，平均速度Vd 與占空比D并非嚴格的線性關系，但是在一般的應用中，我們可以將其近似地看成是線性關系。2.2.2 PWM信號發(fā)生電路設計圖2-9PWM信號發(fā)生電路PWM波可以由具有PWM輸出的單片機通過編程來得以產生，也可以采用PWM專用芯片來實現(xiàn)。當PWM波的頻率太高時，它對直流電機驅動的功率管要求太高，而當它的頻率太低時，其產生的電磁噪聲就比較大，在實際應用中，當PWM波的頻率在18KHz左右時，效果最好。在本系統(tǒng)內，采用了兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計數(shù)器4040組成了PWM信號發(fā)生電路。兩片數(shù)值比

11、較器4585，即圖上U2、U3的A組接12位串行4040計數(shù)輸出端Q2Q9，而U2、U3的B組接到單片機的P1端口。只要改變P1端口的輸出值，那么就可以使得PWM信號的占空比發(fā)生變化，從而進行調速控制。12位串行計數(shù)器4040的計數(shù)輸入端CLK接到單片機C51晶振的振蕩輸出XTAL2。計數(shù)器4040每來8個脈沖，其輸出Q2Q9加1，當計數(shù)值小于或者等于單片機P1端口輸出值X時，圖中U2的（A>B）輸出端保持為低電平，而當計數(shù)值大于單片機P1端口輸出值X時，圖中U2的（A>B）輸出端為高電平。隨著計數(shù)值的增加，Q2Q9由全“1”變?yōu)槿?”時，圖中U2的（A>B）輸出端又變?yōu)榈?/p>

12、電平，這樣就在U2的（A>B）端得到了PWM的信號，它的占空比為（255 -X / 255）*100%，那么只要改變X的數(shù)值，就可以相應的改變PWM信號的占空比，從而進行直流電機的轉速控制。使用這個方法時，單片機只需要根據(jù)調整量輸出X的值，而PWM信號由三片通用數(shù)字電路生成，這樣可以使得軟件大大簡化，同時也有利于單片機系統(tǒng)的正常工作。由于單片機上電復位時P1端口輸出全為“1”，使用數(shù)值比較器4585的B組與P1端口相連，升速時P0端口輸出X按一定規(guī)律減少，而降速時按一定規(guī)律增大。2.2.3 PWM發(fā)生電路主要芯片的工作原理1數(shù)據(jù)比較器具有數(shù)據(jù)比較功能的芯片有74LS6828，74LS68

13、38等8位數(shù)值比較器，4位數(shù)值比較器4585等。本PWM發(fā)生電路通過兩片4位數(shù)值比較器4585就可實現(xiàn)PWM信號的產生，因此選用4585作為信號發(fā)生電路。芯片4585的引腳圖：圖2-10 4585引腳圖2串行計數(shù)器 系統(tǒng)PWM信號發(fā)生電路中還使用到一片串行計數(shù)器，有串行計數(shù)功能的芯片有4024、4040等，它們具有相同的電路結構和邏輯功能，但4024是7位二進制串行計數(shù)器，而芯片4040是一個12位的二進制串行計數(shù)器，所有計數(shù)器位為主從觸發(fā)器，計數(shù)器在時鐘下降沿進行計數(shù)。當CR為高電平時，它對計數(shù)器進行清零，由于在時鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，故對脈沖上升和下降時間沒有限制，所有的輸入和輸出均經

14、過緩沖。本系統(tǒng)使用4040作為串行計數(shù)器，芯片4040的引腳圖如圖2-11所示：圖2-11 4040引腳圖2.3 功率放大驅動電路設計功率放大驅動芯片有多種，其中較常用的芯片有IR2110和EXB841，但由于IR2110具有雙通道驅動特性，且電路簡單，使用方便，價格相對EXB841便宜，具有較高的性價比，且對于直流電機調速使用起來更加簡便，因此該驅動電路采用了IR2110集成芯片，使得該集成電路具有較強的驅動能力和保護功能。2.3.1 芯片IR2110性能及特點IR2110是美國國際整流器公司利用自身獨有的高壓集成電路以及無閂鎖CMOS技術，于1990年前后開發(fā)并且投放市場的，IR2110是

15、一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅動的單片式集成驅動器。它把驅動高壓側和低壓側MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點在于，將輸入邏輯信號轉換成同相低阻輸出驅動信號，可以驅動同一橋臂的兩路輸出，驅動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，可以達到600V，其內設欠壓封鎖，成本低、易于調試。高壓側驅動采用外部自舉電容上電，與其他驅動電路相比，它在設計上大大減少了驅動變壓器和電容的數(shù)目，使得MOSFET和IGBT的驅動電路設計大為簡化，而且它可以實現(xiàn)對MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅動，還具有快速完整的保護功能。與此同時，IR21

16、10的研制成功并且投入應用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了產品成本和減少體積。2.3.2 IR2110的引腳圖以及功能IR2110將輸入邏輯信號轉換成同相低阻輸出驅動信號，可以驅動同一橋臂的兩路輸出，驅動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，是目前功率放大驅動電路中使用最多的驅動芯片。其結構也比較簡單，芯片引腳圖如下所示：圖2-12 IR2110引腳圖2.4 主電路設計2.4.1 延時保護電路利用IR2110芯片的完善設計可以實現(xiàn)延時保護電路。IR2110使它自身可對輸入的兩個通道信號之間產生合適的延時，保證了加到被驅動的逆變橋中同橋臂上的兩個功率MOS器件的驅動信號之間有一互瑣時間間隔，

17、因而防止了被驅動的逆變橋中兩個功率MOS器件同時導通而發(fā)生直流電源直通路的危險。2.4.2 主電路從上面的原理可以看出，產生高壓側門極驅動電壓的前提是低壓側必須有開關的動作，在高壓側截止期間低壓側必須導通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。因此在這個電路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導通的。我們可以采取雙PWM信號來控制直流電機的正轉以及它的速度。將IC1的HIN端與IC2的LIN端相連，而把IC1的LIN端與IC2的HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號恰好相反。在HIN為高電平期間，Q1、Q4導通，在直流電機上加正向的工作電壓。其具體的操作步驟如下：當IC1的LO為

18、低電平而HO為高電平的時候，Q2截止，C1上的電壓經過VB、IC內部電路和HO端加在Q1的柵極上，從而使得Q1導通。同理，此時IC2的HO為低電平而LO為高電平，Q3截止，C3上的電壓經過VB、IC內部電路和HO端加在Q4的柵極上，從而使得Q4導通。電源經Q1至電動機的正極經過整個直流電機后再通過Q4到達零電位，完成整個的回路。此時直流電機正轉。在HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，Q2、Q3導通，在直流電機上加反向工作電壓。其具體的操作步驟如下：當IC1的LO為高電平而HO為低電平的時候，Q2導通且Q1截止。此時Q2的漏極近乎于零電平，Vcc通過D1向C1充電，為Q1的又一次導通作準備。

19、同理可知，IC2的HO為高電平而LO為低電平，Q3導通且Q4截止，Q3的漏極近乎于零電平，此時Vcc通過D2向C3充電，為Q4的又一次導通作準備。電源經Q3至電動機的負極經過整個直流電機后再通過Q2到達零電位，完成整個的回路。此時，直流電機反轉。因此電樞上的工作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉向和轉速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。設PWM波的周期為T，HIN為高電平的時間為t1，這里忽略死區(qū)時間，那么LIN為高電平的時間就為T-t1。HIN信號的占空比為D=t1/T。設電源電壓為V，那么電樞電壓的平均值為：Vout= t1 - ( T - t1 ) V / T

20、= ( 2 t1 T ) V / T = ( 2D 1 )V定義負載電壓系數(shù)為，= Vout / V， 那么 = 2D 1 ；當T為常數(shù)時，改變HIN為高電平的時間t1，也就改變了占空比D，從而達到了改變Vout的目的。D在01之間變化，因此在±1之間變化。如果我們聯(lián)系改變，那么便可以實現(xiàn)電機正向的無級調速。當=0.5時，Vout=0，此時電機的轉速為0；當0.5<<1時，Vout為正，電機正轉；當=1時，Vout=V，電機正轉全速運行。圖2-13 系統(tǒng)主電路2.4.3 輸出電壓波形系統(tǒng)電路經過單片機控制的PWM信號產生電路送來的PWM信號，經過功率放大電路，形成輸出電壓

21、的波形圖如下圖如示：圖2-14 輸出電壓波形2.4.4 系統(tǒng)總體電路圖直流電機調速系統(tǒng)總體電路設計由單片機產生控制PWM信號發(fā)生電路產生PWM信號的數(shù)據(jù)，控制直流電機調速電路對電機進行調速。圖2-15 系統(tǒng)總休電路圖2.5 測速發(fā)電機測速發(fā)電機是一種測量轉速的微型發(fā)電機，他把輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉速成正比，分為直流與交流兩種。其繞組和磁路經過精確設計，輸出電動勢E和轉速n成線性關系，即E=kn，其中k是常數(shù)。改變旋轉方向時，輸出電動勢的極性即相應改變。當被測機構與測速發(fā)電機同軸連接時，只要檢測出輸出電動勢，即可以獲得被測機構的轉速，所以測速發(fā)電機又稱速度傳感

22、器。測速發(fā)電機廣泛應用于各種速度或者位置控制系統(tǒng)，在自動控制系統(tǒng)中作為檢測速度的元件，以調節(jié)電動機轉速或者通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。2.6 濾波電路經整流后的單向直流或單向脈動直流電，都是由強度不變的直流成分和一個以上的交流成分疊加形成的。為了使脈動直流電變得較為平穩(wěn)，把其中的交流成分濾掉，叫做濾波。濾波有電容濾波、電感濾波等。本系統(tǒng)中對直流電采用電容濾波的方式，使得直流電壓變得更加平穩(wěn)，調速更加精確。電路圖如圖2-15所示：圖2-16 濾波電路2.7 A/D轉換2.7.1芯片選型能夠進行A/D轉換的芯片很多，其中AD系列的有8位A/D轉換器ADC0809、AD570、AD670、AD6

23、73、AD7574等，TLC系列的有TLC545等，其中較為常用的是ADC0809和TLC545，TLC545是美國TEXAS儀器公司新推出的一種開關電容結構逐次逼近式8位A/D轉換器，具有19個模擬輸入端。而ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模數(shù)轉換的器件。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換，具有地址鎖存控制的8路模擬開關，應用單一的+5V電源，其模擬量輸入電壓的范圍為0V-+5V，其對應的數(shù)字量輸出為00H-FFH，轉換時間為100s，無須調零或者調整滿量程。因此本系統(tǒng)采用ADC0809作為A/D轉換

24、芯片。2.7.2 ADC0809的引腳及其功能ADC0809有28個引腳，其中IN0-IN7接8路模擬量輸入。ALE是地址鎖存允許，、接基準電源，在精度要求不太高的情況下，供電電源就可以作為基準電源。START是芯片的啟動引腳，其上脈沖的下降沿起動一次新的A/D轉換。EOC是轉換結束信號，可以用于向單片機申請中斷或者供單片機查詢。OE是輸出允許端。CLK是時鐘端。DB0-DB7是數(shù)字量的輸出。ADDA、ADDB、ADDC接地址線用以選定8路輸入中的一路，引腳詳見圖2-16。圖2-17 ADC0809引腳圖3. 系統(tǒng)軟件部分的設計3.1 PI 轉速調節(jié)器原理圖及參數(shù)計算圖3-1 PI 轉速調節(jié)器

25、原理圖按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法， 轉速調節(jié)器參數(shù)和電阻電容值關系如下:Kn = Rn/ R0 n = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Con參數(shù)求法： 電動機 P=10KW U=220V I=55A n=1000轉/分 電樞電阻R=0.5歐姆 取濾波電路中Ro=40千歐 Rn=470千歐 Cn=0.2uF Con=1uF 則：Umax=220VUmin=（220/0.9）*0.5=122VYi-1=0 W=1000轉/分P=Kp=Rn/Ro=11.7I=Kp*T/Ti=1253.2 系統(tǒng)中的部分程序設計軟件由1個主程序、1個中斷子程序和1個PI控制算法子程序組成。3.2.1

26、 主程序設計主程序主程序是一個循環(huán)程序，其主要思路是，先設定好速度初始值，這個初始值與測速電路送來的值相比較得到一個誤差值，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進而控制電機的轉速。其程序流程圖如圖所示。軟件由1個主程序、1個中斷子程序和1個PI控制算法子程序組成。主程序主程序是一個循環(huán)程序，其主要思路是由單片機P1口生數(shù)據(jù)送到PWM信號發(fā)生電路，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比進而控制電機的轉速。主程序流程圖如圖3-2所示：圖3-2 主程序流程圖3.2.2 PI控制算法子程序設計/*PI控制算法子程序*/void PID_work()negsum=0;possum=0;if(BJ=0) possum+=k1; temp2=temp2+temp0; else negsum+=k1; temp2=temp2-temp0; k3=temp2/10; if(possum>negsum) k2=possum-negsum; /存儲結果 CY=0; te