基于MCS-51单片机直流电机调速控制器的设计

山东理工大学

电气与电子工程学院

课程设计说明书

设计题目：     专业方向综合课程设计 B                       

专业班级：        电信0501（1+3）                         

学生姓名：           王德权                       

学    号：          0532110661                      

指导教师：          孟繁玉                      

起止日期：     2009.01.05—2009.01.16                       

目  录

摘要................................................（03）

关键字..............................................（03）

1 前言................................................（04）

2 系统设计............................................（04）

2.1 直流电机调速原理................................（04）

2.2 系统硬件组成原理................................（04）

2.3 直流电动机转速控制系统的工作原理.................（05）

2.4 转速测量电路原理................................（05）

2.5 直流电动机转速控制系统硬件设计.... ..............（06）

2.6 直流电动机转速控制系统软件设计...... ............（07）

3 结论................................................（07）

附录..................................................（08）

参考文献..............................................（13）

基于MCS-51单片机直流电机调速控制器的设计

作者：王德权

（0532110661 电子信息工程专业0501班）

·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、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。 

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。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。

·关键词：直流电机  单片机  转速控制

The speed regulagting system of Dcmotor controlled by chip microcessor

Wang Dequan

Abstract: In electrical time's today, the electric motor is playing the very vital role in the industry and agriculture production with the people daily life. The direct current machine takes the most common one kind of electrical machinery, has the very outstanding linear physical characteristics, the wide governor deflection, the good starting as well as merits and so on simple control circuit, therefore obtained the very widespread application in society's each domain. 　 This article has designed the direct current machine control system's basic scheme, elaborated this system's basic structure, the principle of work, the operating characteristic and the design method. This system uses the Hall primary device to survey electric motor's rotational speed, carries on the control with the MCS-51 monolithic integrated circuit to direct current machine's rotational speed, realizes the output analogue voltage value with the DAC0832 chip to control direct current motor's rotational speed. This design main research direct current machine's control and measuring technique, thus to the electrical machinery the control precision, the speed of response as well as saves the energy and so on to have the important meaning. 

Key words: Direct current machine monolithic integrated circuit speed control

1  前言

电子技术的高速发展，促使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。

2.2 系统硬件组成原理

图2 调速系统硬件原理框图

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---磁感应强度，I---控制电流

设KH= RH/d ，则UH=KH×I×B (mV)

KH为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T),它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单<输出电平可与各种数字电路兼容等特点。

2.5 直流电动机转速控制系统硬件设计

图3 直流电动机转速控制系统流程图

通过自制5V电源来确保工作电压正常,由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机的计数器T1，由T1测出电动机的实际转速，并与设定值比较形成偏差。根据比较结果，使DAC0832输出控制电压增大或减小。功放电路将DAC0832输出的模拟电压转换成具有一定输出功率的电动机控制电压。

2.6 直流电动机转速控制系统软件设计

1、 编程思路：控制系统程序的功能是用C51单片机的T0、T1测出电动机的实际转速，并与给定值进行比较。根据比较结果，使DAC0832芯片的输出控制电压增大或减小。30H单元存放实际转速与设定值是否相等的标志。“1”表示相等，“0”表示不相等。40H单元存放送入DAC0832芯片的数字控制电压。7FFFH为DAC0832地址。

2、 系统流程图如图3所示：

3 结论

本系统用单片机构成电动机转速的控制系统，采用比例积分调节器算法，效率高，电路简单，使用也比较广泛。本测速系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。经过测试并对误差进行分析发现，该系统的测量误差在5％以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高。所以该系统在一般的转速检测和控制中均可应用。

附录：

附图1电路总原理图

附图2电机测速及驱动部分

附图3显示部分

附图4 BCD编码盘—手动控制转速部分

附图5 系统电源部分

附图6 数模转换部分

软件程序

/****************************************

函数：Motor

功能：单片机控制电机转速并显示转速

****************************************/

#include

#define uchar unsigned char 

#define uint unsigned int

uint data  cnt0,cnt1;

uchar v=0;             //定时器1溢出标志

uint  flag=0;        //1分钟计数溢出标志

uint t0=5,t1=5;        //Pwm占空比标志

sbit pwm=P2^0;

sbit S0=P2^5;       //数码管位选通

sbit S1=P2^6;

sbit S2=P2^7;

//按键

sbit J0=P1^0;

sbit J1=P1^1;

sbit J2=P1^2;

sbit J3=P1^3;

//74HC1与单片机的接口

sbit DA=P3^6;

sbit CLK=P3^7;

//共阴极数码管段码表

uchar code led_7seg[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,       //0,1,2,3

                         0x66,0x6d,0x7d,0x07,      //4,5,6,7

                         0x7f,0x6f};               //8,9

//延时

void Delay(uchar i)

{

    uchar j;

for(;i>0;i--)

     for(j=0;j<125;j++)

             {;}

}

//初始化

void Init(void)

{

   TMOD=0x16;

   EA=1;

   EX0=1;

   IT0=1;        //边沿触发

   ET0=1;

   ET1=1;

   TH0=0xFF;

   TL0=0xFF;

   TH1=0xFC;

   TL1=0x18;

   TR1=1;

   TR0=1;

}

//74HC1写数据程序

void Write_74HC1(uchar wda)

{

    uchar i;

    DA=0;

    CLK=0;

for(i=0;i<8;i++)

        {

           DA=wda&0x80;

     wda<<=1;

           CLK=0;

           CLK=1;

           CLK=0;

         }

}

//主函数

void main(void)

{

    uchar temp,seg;

    Init();

    while(1)

    {

            temp=cnt0/100;

            seg=led_7seg[temp];

            Write_74HC1(seg);

            S0=0;

            Delay(10);

            S0=1;

            temp=cnt0%100/10;

            seg=led_7seg[temp];

            Write_74HC1(seg);

            S1=0;

            Delay(10);

            S1=1;

            temp=cnt0%10;

            seg=led_7seg[temp];

            Write_74HC1(seg);

            S2=0;

            Delay(10);

            S2=1;        

        }

}

//按键处理

void Inter0() interrupt 0 using 2

{

    if(J0==0)           //加

        {

            t1++;

            if(t1==10)

                t1=5;

              }

    if(J1==0)           //减

        {

             t0++;

            if(t0==10)

                t0=5;

           }

    if(J2==0)            //停止

        {

            EA=0;

            pwm=1;

          }

    if(J3==0)           //启动

        EA=1;         

}

//PWM

void Pwm(void) interrupt 3 using 0

{

    TH1=0xFC;

    TL1=0x18;

    v++;

    flag++;

    if(v==t0)    pwm=1;

    if(v==t1)    pwm=0;

    if(v==t0&v==t1) v=0;

}

//计数转动圈数

void Counter(void) interrupt 1 using 1

{

    TH0=0xFF;

    TL0=0xFF;

    cnt1++;

    if(flag==60000)

        {

            cnt1=0;

            cnt0=cnt1;

          }    

}

参考文献：

1、尹耕钦，唐绪伟 城市交通信号灯模拟控制系统 微计算机信息 2005第10-1期

2、楼然苗，李光飞编著《51单片机设计实例》北京航空航天大学出版社 

3、余永权，汪，黄英编著《单片机在控制系统中的的应用》电子工业出版社

4、陈伯时 主编 电力拖动自动控制系统 机械工业出版社

5、杨靖《用单片机控制的直流电机调速系统》机床电路 2008.1

6、宋凤娟，廉文利，付云强  《单片机C51在直流调速控制系统中的应用》 

7.冯建华，赵亮编著《单片机应用系统设计与产品开发》 人民邮电出版社2004.11

8.陈正义 编著《单片机控制实习》 人民邮电出版社，2006.7