基于MCS-51单片机直流电机调速控制器的的设计.ppt

基于MCS-51单片机直流电机调速控制器的设计 ·摘要 在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、制动性能，宜于在大范围内平滑调速,良好的起动性以及简单的控制电路等优点，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 本文设计了直流电机控制系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。主要包括：单片机、霍尔元件速度采集电路、直流电机、DAC0832、8421拨码盘组成。本系统采用霍尔元器件测量电动机的转速，用MCS-51单片机对直流电机的转速进行控制，用DAC0832芯片实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。并且把DAC0832进行模数转换，把控制系统的数字量变为电压值输出，再经过驱动放大电路对直流电机进行调速控制。并将转速显示出来。从而实现快速的调节电机转速。 ·关键词：直流电机 单片机 转速控制 圈数控制 PWM 1 前言 直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术进入到一个新的阶段。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 2 系统设计 2.1 直流电机调速原理 图1所示电枢电压为Ua，电枢电流为Ia，电枢回路总电阻为Ra,电机常数Ca，励磁磁通量是￠。 根据KVL方程：电机转速n=(Ua-IaRa)/Ca￠,其中，对于极对数p，匝数为N，电枢支路数为a的电机来说：电机常数Ca=pN/60a,意味着电机确定后，该值是不变的。而在Ua-IaRa中，由于Ra仅为绕组电阻，导致IaRa非常小，所以Ua-IaRa约等于Ua。由此可见我们改变电枢电压时，转速n即可随之改变。 图1 2.2 系统硬件组成原理 图2原理解释 直流电机调速系统硬件原理框图如图2所示，以MCS-51单片机为控制核心，包括测速电路、电源电路、数模转换电机驱动电路、显示电路、键盘控制电路。 2.3 直流电动机转速控制系统的工作原理 直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。本系统用DAC0832控制输出到直流电动机的电压的方法来控制电动机的转速。当电动机转速小于设定值时，DAC0832芯片的输出电压增大，当大于设定值时则DAC0832芯片输出电压减小，从而使电动机以设定的速度恒速旋转。我们采用比例调节器算法。控制规律： Y=KP?e(t)+KI 式中：Y---比例调节器输出，KP?---比例系数，KI?---积分系数 e(t)---调节器的输入，一般为偏差值。 系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节器作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快（无滞后），积分部分使系统消除静差。 2.4 转速测量电路原理 转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为r/min。转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。 霍尔元件是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小耐高温等特性。 霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁场B，在沿l方向的两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：fl＝qVB 式中：fl――洛仑磁力，q――载流子电荷，V――载流子运动速度，B――磁感应强度。 这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差UH称为霍尔电压。 霍尔电压大小为：UH=RH×I×B/d(mV) 式中：RH ---霍尔常数，d---元件厚度，B---磁感应强