基于单片机控制的电机调速系统.doc
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1、基于单片机控制的电机调速系统的设计摘要该设计采用MSC51系列单片机控制进行直流电机转速的调控。本文介绍了调速系统的具体工作流程,给出了控制电机转速的各个模块的结构框图。通过测速发电机对电机速度进行测量反馈给主控制器单片机实现闭环控制,是的该系统的随动性能好,抗干扰能力强,稳定性好。为了减小调节器存在的精差值,不影响调节精度,采用了PID控制。在软件设计上,采用了C语言编程,实现直流电机的转速调节控制,使得该系统设计更加灵活,通用性得到提高。关键词:直流电机;51系列单片机;PID算法;电机调速The design of control system based on single-chip
2、mirocomputer control motor speedAbstractThis design uses MSC51 series microcontroller control dc motor speed control. This paper introduces the concrete work flow speed system are given, and control motor speed of each module structure diagram. For motor speed by tachogenerator measured feedback to
3、the main controller SCM realizing closed-loop control, yes this system with dynamic performance is good, strong anti-jamming capability, good stability. In order to reduce the fine difference value is existing regulators, do not affect regulation accuracy, adopted PID control. In software design, ad
4、opted the C programming language, realize dc motor speed regulation control, make the system design is more flexible and generality improved.Keywords: dc motor; 51 series microcontroller; PID algorithm; Motor speed目录第1章绪 论11.1系统背景11.2设计要求11.3发挥部分1第2章设计方案的论证与选择32.1系统基本方案32.2各模块电路的方案选择与论证32.2.1驱动模块32.
5、2.2数据采集处理模块42.2.3滤波电路模块4第3章系统的硬件设计53.18051单片机简介53.1.18051单片机的基本组成53.1.2单片机系统中所用其他芯片选型63.1.38051单片机扩展电路及分析83.2PWM信号发生电路设计93.2.2 PWM信号发生电路设计103.2.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理113.33.3 功率放大驱动电路设计123.3.1 芯片IR2110性能及特点123.3.2 IR2110的引脚图以及功能133.43.4 主电路设计133.4.1 延时保护电路133.4.2 主电路143.4.3 输出电压波形153.4.4 系统总体电路图163.5测速发
6、电机173.6滤波电路173.7A/D转换173.7.1芯片选型173.7.2 ADC0809的引脚及其功能18第4章系统的软件设计194.1PI 转速调节器原理图及参数计算194.2系统中的部分程序设计194.2.1 主程序设计194.2.2 PI控制算法子程序设计20第5章结束语22参考文献23附录24第1章 绪 论1.1 系统背景在工业生产和日常生活中,对电机速度的测量和控制占据着重要的地位,有着重要的意义。随着电力电子技术,计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代,测速和控速技术也得到很大的发展,朝着稳定和精确方向不断迈进。我国生产的电能60%用于电动机,电动机与人们的生活息息相关
7、,密不可分,所以要对电动机的调速有足够的重视。对直流电机速度的控制研究简单直观,对于更加复杂的速度控制能起到很好的示范作用,具有很强的实用性,越来越多的人也开始对电机速度测控进行研究。1.2 设计要求该设计以89C51单片机作为控制核心,并设计了相应的复位电路,时钟电路和串口电路。由PWM信号发生电路产生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。软件设计上对所设计的电路给出了相应的软件设计,包括PID程序和延时程序等。1.3 发挥部分该电机调速控制系统主要完成的功能是对电机
8、转速的调节控制,具体的功能如下所述:能够实时的测得电机转速控制系统所控制的对象的实时转速;转速调节控制效果好,经过实践的测控证明,本控制系统的控制精度较高。该控制系统调速控制过程如下:利用单片机实时对转速进行采集,并传输到控制器,控制器采用PID控制算法来对转速进行控制;主要是通过产生PWM信号输入到控制电路实现转速的控制,然后通过测速发电机将速度转换成电压信号经过滤波和转换送回单片机。第2章 设计方案的论证与选择2.1 系统基本方案在该电机调速系统的设计中,可以采取PWM波调速,也可以采用晶闸管调速,本设计采用PWM波调速方法,主要由8051单片机、PWM信号产生电路、直流电机、测速发电机、
9、滤波电路和A/D转换电路构成。总体方案如图2.1所示。主控芯片PWM信号的产生与放大直流电机测速发电机滤波电路A/D转换图2.1系统总体方框图2.2 各模块电路的方案选择与论证2.2.1 驱动模块 方案一:使用多个功率放大器件驱动电机通过使用不同的放大电路和不同参数的器件,可以达到不同的放大要求,放大后能得到较大的功率。由于电机的功率较大时运行起来会不稳定,而且电路的制作也比较复杂。 方案二:使用IR2110芯片驱动电机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
10、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,使得该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。所以该设计选用方案二。2.2.2 数据采集处理模块 方案一:采用直接数字控制当被控对象的属性模型能够确定时,可采用直接数字控制。所谓属性模型就是系统动态特性的数学表达式,它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。但是一般多用实验的方法测出刺痛的特性曲线,然后再由此曲线确定系统的数学模型。 方案二:采用数字化PID控制由于被控对象是复杂的,因此并非所有的系统均可以求出数学模型,有些即使可以求出来,但是由于被控对象环境的影响,许多参数经常变化,因此很难进行直接数字控制。此时最好选
11、用PID控制。在PID控制算法中,以位置型和增量型2种PID为基础,根据系统的要求,可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合,可以得到更圆满的控制系统,以满足各种不同控制系统的要求。由于运用PID算法可以消除静差值,调高调节精度,所以该设计选用方案二。2.2.3 滤波电路模块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。第3章 系统的硬件设计3.1 8051单片机简介3.1.1 80
12、51单片机的基本组成 1. 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3.1 8051的基本结构图2. 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00H7FH。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
13、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单片机引脚图图3.2 8051单片机引脚图3.1.2 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
14、。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: 图3.3 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E2PROM,如2816(2KB)、2864
15、(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: 图3.4 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)、6264(8KB)等,动态DRAM2164(8KB)等,另外还有集成IRAM和E2PROM。使用E2PROM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
16、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: 图3.5 6264引脚图3.1.3 8051单片机扩展电路及分析图3.6 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对片外存储器的读写数据。P
17、2.7-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/: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/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
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