基于单片机的PWM直流调速控制系统设计

基于单片机的PWM直流调速控制系统设计

王󰀂珣,杜茂华,卢培进

(昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650093)

DesignofPWMDirectCurrentSpeedRegulatingControllingSystemBasedontheMCU

WANGXun,DUMao󰀁hua,LUPei󰀁jin

(FacultyofMechanicalandElectricalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China)

󰀂󰀂摘要:为了在电机调速时,得到比采用传统的晶闸管控制更可靠的电机调速性能,并降低成本和缩短开发周期,设计了以80C51单片机为控制芯片的

双闭环调速系统,包括系统的硬件电路以及软件设计两方面,实现键盘接入、电机转速显示、电流采样、电机驱动、脉宽调制信号生成、转速模数转换及电机转速检测的功能。运用比例积分的调节方法,理论上可实现对转速自动而可靠的调节。

关键词:单片机;双闭环;硬件电路;软件系统;比例积分

中图分类号:TP273;TM301.2文献标识码:A

文章编号:1001󰀁2257(2011)03󰀁0050󰀁03

Abstract:Inordertomakethemotorspeedregulatingpropertyofthemotormorereliablethanthatcontrolledbythetraditionalthyristorsystemandtoreducethecostandthetimeofdevelopingthemotorcontrollingsystem,adoubleclosedloop

收稿日期:2010󰀁11󰀁09

speedregulatingsystem,usingthe80C51micro󰀁controllerunit(MCU)asthecontrolchip,isde󰀁signed.Boththehardwareandsoftwareofthe

MCUcontrollingsystemaredesignedtorealizesuchallfunctionsastheaccesstokeyboard,thedisplayofthespeedofmotor,themeasureofthecurrentofthemotor,thedriveofthemotor,thegenerationofthewaveformofPWM,theconver󰀁sionofanaloguesignalstodigitalonesandthemeasurementofthespeed.Thiscontrollingsys󰀁tem,usingthemethodofproportionalintegral(PI)regulation,theoreticallycanreachthegoalofspeedregulationautomaticallyandreliably.

Keywords:MCU;doubleclosedloop;hard󰀁ware;software;PI

0󰀂引言

随着电力电子器件的快速发展,使得采用全控参考文献:

[1]󰀂郭晓松,祁󰀂帅,于传强,等.工程机械的节流调速液压

回路仿真分析[J].机床与液压,2009,(6):206-208.[2]󰀂余佑官,龚国芳,胡国良.AMESim仿真技术及其在液

压系统中的应用[J].液压气动与密封,2005,(3):28-31.

[3]󰀂余锐平,肖世耀,罗成辉.基于AMESim的液压增压缸

的仿真分析[J].佛山陶瓷,2010,(2):30-32.[4]󰀂付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真

从入门

到精通[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.作者简介:袁玉比󰀂(1985-),男,云南宣威人,硕士研究生,

研究方向为流体传动与控制;袁锐波󰀂(1968-),男,云南昆明人,副教授,研究方向为流体传动与控制。

此后保持稳定高压状态,达到最大位移时主缸最大输出压力为2.0󰀁107N。

4󰀂结束语

利用建模仿真软件AMESim对双作用增压器增压回路系统进行仿真分析。

AMESim基于物理模型的图形化建模方式,非常直观,便于掌握。通过反复调整仿真模型中各个元件的参数值,可以得到最优化的系统,对实际增压回路的设计具有参考作用。由于建模时采用溢流阀代替顺序阀,对模型的动态特性有一定的影响,有待改进。

50 !机械与电子∀2011(3)

基于单片机的PWM直流调速控制系统设计

自动控制与检测

型的开关功率元件进行PWM调速成为可能。但是由于电力电子器件实现调速时的硬件部分非常复杂,功能单一,调试困难,逐渐被计算机控制所取代。数字计算机在自动控制中的应用,为控制系统在结构上、性能上带来了根本性的变革。单片机是在一块芯片上集成了一台计算机所需的基本部件的微型计算机,它以功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,在自动控制领域中得到了广泛应用[1]。本设计采用了80C51单片机作为控制芯片,由LM629产生PWM信号实现对直流电机的调速。

示电路和运动控制电路进行了设计。复位电路采用手动复位的方式,时钟电路通过采用外接12MHz晶振并由单片机内部振荡电路产生振荡频率的方式来实现。

2.1.1󰀂电源电路的设计

单片机的工作电压一般是5V的直流电,设计中采用全控型的整流桥来获得单片机及其它芯片的工作电压,电源电路如图2所示。采用%/Y󰀁11接法的整流变压器,可有效地抑制整流时产生的奇次谐波对电网的不利影响。为了对晶体管进行有效保护,使器件能长期可靠的运行,采用了阻容保护和压敏电阻保护2种保护措施,可以有效地在电路中出现操作过电压和浪涌过电压时对晶闸管进行保护。

[2]

1󰀂PWM的调速原理

脉冲宽度调制分为单极型和双极型2种,单极型在调速中电机电枢电压的波动较大,冲击也就较大,所以系统选用双极型PWM调速。

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为:

Ud=

tonT-ton

Us-Us=

TT

2ton

-1UsT

=(2󰀁-1)Us󰀁=

ton

为PWM信号的占空比,Us为电机电枢T

图2󰀂电源电路

两端电压。当󰀁>0.5时电机正转,当󰀁<0.5时电机反转,当󰀁=0.5时电机停转。但电动机停止时电枢电压并不等于零,而是由于交变的PWM电压信号的正负脉宽相等,因而电流也是交变的。交变电流的平均值为零,不产生平均转矩,徒然增大电动机的损耗,这是双极式控制的缺点。但它也有好处,在电动机停止时仍有高频微振电流,从而消除了正反向转换时的死区,起着所谓#动力润滑∃的作用。

2.1.2󰀂键盘显示电路的设计

在单片机应用系统中,通常需要有人机对话功能,它包括人对应用系统的状态干预、数据的输入,需要用到键盘电路;以及应用系统向人报告运行状态与运行结果,需要显示电路[2]。

非编码式键盘只简单地提供行和列的矩阵,与全编码键盘相比,它更加经济实用且简化了硬件的外围电路;行列式键盘占用的I/O口也较少,使用起来比独立式键盘方便。因此,系统选用非编码式键盘。此处选用3󰀁8阵列,第1行是8个命令键和状态输入,它们分别是:启动键、停车键、读拨盘键和1个备用状态;第2,3行16个状态则作为电动机转速值的BCD码输入[2]。

系统的显示部件仅用于显示速度值,所以采用了耗电省、成本低廉、线路简单、耐振动和寿命长的LED显示器而不采用CRT接口方式[2]。显示器是5位LED数码管,它包括1位状态符号位和4个数据位,均采用动态显示方式。

8279芯片是一种通用可编程的键盘显示接口

51 2󰀂单片机调速系统设计

2.1󰀂系统硬件电路设计

基于单片机的PWM直流调速系统结构如图1所示。系统主要对硬件电路中的电源电路、键盘显

图1󰀂单片机调速系统结构

!机械与电子∀2011(3)自动控制与检测

基于单片机的PWM直流调速控制系统设计

芯片,单块芯片即可完成2种功能,使用它可以简化系统的软硬件电路设计,充分提高单片机的工作效率。由于它在初始化后就能自动实现对传感器阵列进行扫描和刷新显示,所以80C51单片机既能及时从传感器阵列接收输入的转速值,又不会加重单片机的负担。8279的中断请求信号端子IRQ是悬空的,如果此时状态信息发生变化,它就得不到清除中断的硬件信号。为了防止新的状态信息进不了8279状态寄存器,可采用软件方法清除中断,只要每读完1次传感器阵列状态,8051单片机向8279写1次清除中断的控制字,就能保证随后的新状态信息能进入8279状态寄存器,当8051下次查询时就能读入最新状态信息。2.1.3󰀂运动控制电路设计

增量式光电编码盘与其它测速器件相比,有原理构造简单易于实现、机械寿命长和抗干扰能力强等优点,所以系统采用增量式光电编码盘来检测电机的实时转速[3]。检测得到的转速值经过ADC0809的模数转换后送到单片机中,这就构成了双闭环中的转速环[4]。

LM629具有生成PWM信号的功能,根据输入的占空比值可以生成要求的PWM信号,因而减轻了单片机的负担。LMD18200本身具有电流采样功能,可以对单片机的电枢电流进行采样,同时可以把信号放大驱动电机的运行,这样就使得系统的硬件电路简化了,减少了外围芯片的数量。同时,由LM629,LMD18200和ADC0809构成了双闭环中的电流环。

单片机把电流环测得值、速度环测得值和设定值三者进行比较,若电流环与速度环的采样值与设定值相对应,则电机以现在的转速值继续运行,否则,单片机会通过占空比󰀁的改变来控制电机电枢电压的高低,并最终达到控制电机转速自动调节的目的。

2.2󰀂控制电路软件设计

控制系统的软件部分主要由主程序、外中断服务程序组成。主程序实现的主要功能是:上电初始化、设堆栈指针、80C51和主要芯片初始化、查询传感器阵列的状态并按查到的命令键设置相应的控制命令标志位以及等待外中断等。

外中断服务程序主要是读按键值中断、LM629速度值反馈中断、ADC0809的电流值模数转换中断

52 和紧急停车中断。源程序在此略,电流环的程序流

程如图3所示。

图3󰀂主程序流程

3󰀂结束语

系统用单片机构成电动机转速的双闭环控制系统,从理论上来说,采用速度环和电流环可实现对电机运行的有效监测,采用PWM调速方式使得对电动机自动控制的实现更为方便,适用于工业、农业和国防等领域,实现对设备的自动控制。参考文献:

[1]󰀂高安邦.机电一体化系统设计实例精讲[M].北京:机

械工业出版社,2008.

[2]󰀂张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术[M].

北京:国防工业出版社,2004.

[3]󰀂王󰀂峰,张󰀂波,丘东元.交流电机的虚拟光电编码盘

测速技术[J].中国电机工程学报,2005,25(6):102-106.

[4]󰀂周冠军,毕祥丽.LMD18200T的直流伺服电动机驱动

器的设计[J].电子工业专用设备,2006,35(11):71-74.

作者简介:王󰀂珣󰀂(1986-),男,河南荥阳人,硕士研究生,

研究方向为数字化设计与制造;杜茂华󰀂(1968-),女,山西忻州人,博士,副教授,研究方向为数字化设计与制造。

!机械与电子∀2011(3)