單片機的直流電機調速系統

1、基于8051單片機直流電機調速系統2.1總體硬件電路設計系統總體設計框圖本系統采用89C51控制輸出數據，由PWMS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轉換電路交數據重新送回單片機，進行PI運算，從而實現對電機速度和轉向的控制，達到直流電機 調速的目的。主控芯片圖2-1系統總體設計圖單片機簡介1. 8051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2.

2、CPU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。內部數據存儲器：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00H 7FH通常說的內部數據存儲器就是指這前 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 據或表格，簡稱內部ROM定時器：8051片內有2個16位的定時器，用來實現定時或者計數功能， 并且以其定時或計數結果對計算機進行控制。中斷控制系統：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數中斷 2個和串行中斷1個。3. 8051單片機引腳圖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圖2-3 8051單片機引腳圖單片機系統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

4、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 中的地址信息便可以通過三態(tài)門輸出。其引腳圖如圖 2-4所示：0E 1J7 20IQ 2158Q1D 2LrSD2D 一斗177E2Q E74LS373167Q詢一e15一陰3

5、D 7U6D4D E135B4Q 一12一 5QGND 1011G圖2-474L373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，但因為其存儲空間不足，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2716V2KB、 2732V4KB、2764<8KB、27128<16KB、27256<32KB 等，另外還有+ 5V 電 擦除E2PROM如2816<2KB、2864<8KB等等?？紤]到系統功能的可擴展性以 及程序功能的擴展，本系統采用16KB的27128作為程

6、序存儲器擴展芯片，在滿 足系統要求的前提下還存有一定的擴展空間，是本系統最合適的程序存儲器擴 展芯片。27128的引腳圖如圖2-5所示：¥pp 1£8VccA12 22T一 FGMA7 326A13AE425A6A5524A9M 一623AllA3 T2712822一 CE吃821AIDA1 g20CEM 1019070(i 11IS0601 12170502131G04GHD141503圖2-5 27128結構圖3 數據存儲器8051單片機有128B RAM當數據量超過128B也需要把數據存儲區(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

7、>、6264(8KB> 等，動態(tài) DRAM2164(8KB等，另外還有集成IRAM和E2PR0M使用E2PR0作數 據存儲器有斷電保護數據的優(yōu)點。數據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本系統采用容量8KB的6264作為數據存儲器擴展芯片。其引腳圖如圖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單片機擴展電路及分析圖2-6 6264引腳圖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 電弓&7L8 加OE 7 G1B2ES誥7CSErC-JTD CEI -SVcum>a口 129 111A A A A5264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

9、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，用于傳送CPU的I/O數據。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據。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據。P3.7-P3.0 :這組引腳的第一功能為傳送用戶的輸入/輸出數據。它的第二功能作為控制用，每個引腳不盡相

10、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 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，以便空出引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器的讀寫數據。8051使用片內ROM一 =0，那么允許使列/Vpp：允許訪問片外存儲器/編程電源線，可以控制 還是片外ROM如果列=1,那么允許使用片內 ROM如果 用片外ROMXTAL1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8

11、051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&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，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中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并 且根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直

12、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，PW又被稱為“開關驅動裝置”。如圖 2-8所示：tl±2T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= tl / T ，則 電機的平均速度為 Va = Vmax * D，其中 W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 = t1 / T時，就可以得到不同的電機平均速度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，

13、我們可以將其近似地看成是線性關 系。信號發(fā)生電路設計+5VPL7Pl.6Fl.58051Pl.4P1.3Pl.2XTAL2Fl.IPkOpnA>BA3A2 AlB3AOB2BlA=BBQUEU3U199QBQTCLKWRSTQ34040+5VGND F3 T圖2-9PWM言號發(fā)生電路PWM波可以由具有PWM&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。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。在本系統內，采用了兩片4位數值比較器4585

14、和一片12位串行計數器4040組成了 PWMI號發(fā)生電路。兩片數值比較器4585,即圖上U2、U3的A組接12位串行4040計數輸出 端Q2-Q9,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位串行計數器4040的計數輸入端CLK接到單片機C51晶振的振蕩輸出 XTAL2計數器4040每來8個脈沖，其輸出Q2-Q9加1,當計數值小于或者等 于單片機P1端口輸出值X時，圖中U2的AB輸出端保持為低電平，而當計 數值大于單片機P1端口輸出值X時，圖中U2的AB輸出端為高電平。隨著 計數值的增加，Q2-Q9由全“

15、 1”變?yōu)槿?0”時，圖中U2的AB輸出端又 變?yōu)榈碗娖剑@樣就在 U2的AB端得到了 PWM勺信號，它的占空比為255 - X / 255 ) *100%,那么只要改變X的數值，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，單片機只需要根據調整量輸出X的值，而PWM9號由三片通用數字電路生成，這樣可以使得軟件大大簡化，同時也有利于單片機系統 的正常工作。因為單片機上電復位時P1端口輸出全為“ 1”，使用數值比較器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。223 PWM發(fā)生電路主要芯片的工作原理1.數據比

16、較器具有數據比較功能的芯片有 74LS6828 74LS6838等8位數值比較器，4位 數值比較器4585等。本PWMg生電路通過兩片4位數值比較器4585就可實現 PWMI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：輸出2.串行計數器圖2-10 4585引腳圖系統PWM言號發(fā)生電路中還使用到一片串行計數器，有串行計數功能的芯片有4024、4040等，它們具有相同的電路結構和邏輯功能，但4024是7位二進制串行計數器，而芯片 4040是一個12位的二進制串行計數器，所有計數器 位為主從觸發(fā)器，計數器在時鐘下降沿進行計數。當CR為高電平時，它對計數器進行清零，因為在時鐘輸入

17、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過緩沖。本系統使用4040作為串行計數器，芯片4040的引腳圖如圖2-11所示：QU 116 %Q5 215Q1O肌一3404014卵昶413Q7Q3 -512Q召02 611一 CRQ1 _710CP89Q0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但因為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

18、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 MOSFE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

19、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目，使得 MOSFET和 IGBT的驅動電路設計大為簡化，而 且它可以實現對 MOSFE和IGBT的最優(yōu)驅動，還具有快速完整的保護功能。與 此同時，IR2110的研制成功并且投入應用可以極大地提高控制系統的可靠性。 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：3 1IR211014一空com

20、 :13VssYcc .312UN空_11SJ“ J510 Hilf69DDHO 76-空圖 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，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

21、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!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

22、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。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

23、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，因為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 o 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 二t1 - ( T - t1 > V / T=(2 t1 - T > V / T=(2D - 1 >V定義負載電壓系數為 入，入=Vout / V ,那么 入=2D - 1 ;當T為常 數時，改變HI

24、N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0 1之間變化，因此 入在±1之間變化。如果我們聯系改 變入，那么便可以實現電機正向的無級調速。當入=0.5時，Vout=0,此時電機的轉速為0;當0.5<入<1時，Vout為正，電機正轉；當入=1時，Vout=V,電機正轉全速運行。輸出電壓波形系統電路經過單片機控制的PWM言號產生電路送來的 PWM信號，經過功率放大電路，形成輸出電壓的波形圖如下圖如示：MNUNoirr Vcc |'VccLILJ244系統總體電路圖圖2-14輸出電壓波形PWM言號發(fā)生電路產生直流電機調速系統總體電

25、路設計由單片機產生控制PWM&號的數據，控制直流電機調速電路對電機進行調速。+5V8051XTKL2GKDU1PV«n 3in4040Fl. 2P3 7A3A2 AlFl 1 Pl 0Fl T Pl. 6Pl . 5B3B2 BlBOA>Ba=B>BiaA2AlADam a- ha圖2-15系統總休電路圖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。改變旋轉方向時，輸出電動

26、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)電機又稱速度傳感器。測速發(fā)電機廣泛應用于 各種速度或者位置控制系統，在自動控制系統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.

27、7 A/D轉換芯片選型能夠進行 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 AD673 AD7574等, TLC系列的有 TLC545等，其中較 為常用的是ADC0809和 TLC545 TLC545是美國TEXA馭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一數轉換的器件。其內部有一個 8 通道多路開關，它可以根據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

28、入電壓的范圍為0V-+5V，其對應的數字量輸出為 00H-FFH轉換時間為100卩s,無須調零或者調整滿量程。因此本系統采用ADC0809作為A/D轉換芯片。的引腳及其功能ADC0809有28個引腳，其中ININ 7接8路模擬量輸入。ALE是地址鎖存 允許，創(chuàng)、創(chuàng) 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。STAR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-DB 7是數字量的輸出。 ADDA ADDB ADD（接地址線用以選定8路輸入中的一路，引腳

29、詳見圖2-16。IW3 一IH5IW6 IB7START EOCBB391011cua 匚 kVcc28IM227IM12SIH025ADDA24ADDE23ADDC22ALE21DB720DBS15DB5DB417IE016一 0 二"REF15ADC0809圖2-17ADC0809引腳圖3.系統軟件部分的設計3.1 PI轉速調節(jié)器原理圖及參數計算B0/2I1 I _! I 口 T1 Con按照典型II型系統的參數選擇方法速調節(jié)轉速調節(jié)器參數和電阻電容值關系 如下：Kn = Rn/ R0r n = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Con參數求法： 電動機 P=10KW

30、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貝U: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 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 系數給PWM發(fā)

31、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 口生數據送到 PWM信號發(fā)生電路，然后用PI算法輸出控制系數給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:開始圖3-2主程序流程圖3.2.2P是I控制算法子程序設計*p控制算法子程序/ 尸 *狡鍵是否按E是*讀取鍵值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。 / 存儲結果 CY=0。temp1=k3+k1 。 / 誤差積累， if(CY=1