由单片机控制的直流电机调速系统

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1、计算机世界 由单片机控制的直流电机调速系统 空军电讯工程学院( 710077) ? 陈树新 ? ? 摘? 要? 文章给出了一种由 8031、 8253 芯片构成的直流电机调速系统, 它不仅实现了对电机转 速的反馈控制, 而且对于电网干扰所造成晶闸管的误触发、 漏触发有很强的抑制作用。 关键词? 单片机? 直流调速? 晶闸管 一、 引 ? 言 电子技术的高度发展, 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 流电机调速技术又进入到一个新的阶段, 智能化、 高可 靠性已成为它发展的趋势, 直流电机调速系统就是顺 应这一潮流而产生的。本调速系统采用 8031 单片机

2、 作为中心处理器, 选用目前市场上较为流行的 8253 等 集成电路, 降低了系统的成本, 提高了系统的可靠性和 灵活性, 其优点主要表现在以下几个方面: 1. 良好的人机界面。可通过按键调节电机转速、 转向或按程序设置运行, 电机状态由数码管显示。 2. 高可靠性的晶闸管触发电路。应用软件、 硬件 手段消除电网干扰所造成晶闸管的误触发、 漏触发。 3. 电机运转状态可编程。可通过设置或改变原 运行程序使电机转速按某种曲线或规律进行变化, 拓 宽电机的应用领域。 4. 全数字化。从电机速度的设定、 触发脉冲的产 生, 到反馈转速的测定, 均采用集成电路(大部分为数 字电路) 构成, 因此彻底避

3、免了大量分离电路的引入而 造成系统性能的离散性。 二、 系统的组成及工作原理 ? ? 系统按其实现的功能划分构成的总体结构如图 1 所示。 ? ? ( 一)8031 单片机最小系统 由 8031、 2764、 74LS373 组成, 作用是协调控制整 个系统的工作, P1 口用于键盘输入及其它信号的检测 与控制, 程序固化在 2764 中。 ( 二)系统人机界面的设计 具有较好的人机界面是本系统的主要特点, 界面 设计成功与否直接影响使用者对设备的利用, 以及充 分发挥设备的潜能, 为此, 我们设计了一个具有 7 个按 键, 4位数码显示人机界面, 具体设计过程如下: 1. 7 个按键: 占用

4、 8031 P1. 0- P1. 2, 按键经 8?3 编码器 74LS148 输出。这 7 个按键为正转、 反转、 增 1、 减 1、 编程、 自动/手动、 停车。 ( 1) 正转? 编程时此键为电机正转状态的设置, 自动运行时此键无效, 手动运行时此键的有效将确定 电机正转状态; ( 2) 反转? 编程时此键为电机反转状态的设置, 自动运行时此键无效, 手动运行时此键的有效将确定 电机反转状态; ( 3) 增 1? 在编程或手动运行时每按一下显示器 个位( 时间分的个位) 增一, 按下超过五秒后每秒显示 器十位( 时间分的十位)增一, 按下超过十秒后每秒显 示器百位( 时间小时的个位) 增

5、一, 按下超过十五秒后 图 1? 系统总体结构框图 8(56) 电子技术!1997 年第 2 期 每秒显示器千位( 时间小时的十位)增一, 自动运行时 此键无效; (4) 减 1? 操作规范与增 1 键类似, 只是每次减 一; (5) 编程? 该键为开关键, 每按一下状态变换一 次, 它用于设置电机自动运行的规范。进入该方式, 显 示器处于闪烁状态, 同时通过增 1 键或减 1 键输入时 间, 再按一下编程键可通过正转键、 反转键、 增 1 键、 减 1 键设置对应时刻电机的运行状态, 再按一下编程键 又可继续输入时间、 状态。如此反复, 直到遇到自动/ 手动键有效系统即开始自动运行, 本系统

6、可输入 12 个 时间段; (6) 自动/手动 ? 在编程时按此键电机进入自动 运行方式, 否则按此键电机进行手动运行方式, 这时可 通过正转键、 反转键、 增 1 键、 减 1 键控制电机运行状 态; (7) 停车? 该键为开关键, 每按一下状态变换一 次, 它用于暂停电机运行或释放暂停状态。 2. 四位数码显示? 8031 的六位数据线用作四位 数码显示, 其中低四位以 BCD 码形 式输入到四个 MC4511 芯片, 实现 BCD 码到七段码的转换, 高两位 经 74LS138选择对应的 MC4511, 并将显示内容锁存, 实现锁存方式显示, 数码显示的选通由 P2. 7 控制。显 示分

7、两种情况, 当显示为闪烁方式时, 表示此时为编程 方式, 否则为运行方式。显示时间( 小时: 分钟) 时第二 位数码管的小数点亮, 显示速度时小数点不亮, 显示的 内容为每分钟多少转。2个发光指示灯指示电机当前 运行状态(正转、 反转、 停车) 。 (三) 电机转向与转速的控制 直流电机运转方向与电机两端所加电源的正负极 性有关, 因此控制流过电机的电流方向, 即可改变电机 的运转方向, 为此我们构造了由光电隔离芯片组成的 小功率直流电机转向控制电路, 其工作原理如下: 根据上述方向控制原理, 将光电隔离器分为两组 即A 组和 B 组, 当 P1. 5 输出为高电平时 A 组两个光 电隔离器导

8、通, B 组两个光电隔离器截止, 流过直流电 机的电流方向为 1 2, 电机正转; 当输出为低电平时 A 组截止, B 组导通, 流过直流电机的电流方向为 2 1, 电机反转, 至此实现了电机转动方向的单片机控制。 电机调速实际是调节电机两端电压幅度的平均值 与以实现, 从系统结构图上可以看到, 该电压值是由 24V 交流电压经晶闸管全波整流得到的, 调节晶闸管 的控制角?的大小, 即可改变晶闸管全波整流输出电 压的平均值, 实现系统对电机转速的控制。控制角 ? 的控制是由 8253 可编程定时器实现的。 电机速度的测定是通过一套光电系统实现的。在 电机轴上安放一片带有一个小孔的薄金属片, 它

9、随电 机轴一起转动, 在圆孔对应位置固定安装一组红外对 管, 红外线正好通过此孔, 当电机转动时薄金属片随之 转动, 红外对管不动, 因此电机每转一周, 红外对管可 接收一个脉冲, 经整形处理被 8253 可编计数器接收, 单位时间内的脉冲个数, 即可实现对电机转速的测定。 三、 晶闸管触发脉冲的产生及修正 直流电机调速实际是调节电机两端电压幅度的平 均值, 而该电压是由 24V 交流电压经晶闸管全波整流 得到, 对于晶闸管全波整流装置, 触发电路的基本作用 是在确定的时刻向晶闸管控制极提供电流使其导通, 这个确定时刻即?角由众多因素来决定, 同时晶闸管 触发脉冲必须与交流信号同步, 否则晶闸

10、管有可能失 控。为此微机控制技术使晶闸管触发电路具有智能自 动识别的功能, 这无疑对提高晶闸管触发电路的准确 性和可靠性都具有很大的益处, 特别是可编程计数/ 定 时器 8253 芯片的引入, 使晶闸管触发电路变得更简 化、 可靠, 控制更加灵活、 准确。 ( 一)可编程计数/ 定时器 8253 的工作原理 8253是具有三个功能相同的 16 位减计数( 定时) 器, 每个计数( 定时) 器的工作方式和计数( 定时) 常数 可分别用软件编程和设计, 可进行二进制或 BCD 码方 式计数或定时, 最高计数时钟可达 2. 6MHz。其工作 方式有六种, 它们是: 1. 方式 0(计数结束中断方式)

11、; 2. 方式 1( 可编程单稳态方式) ; 3. 方式 2( 频率发生器 方式) ; 4. 方式 3( 方波发生器方式) ; 5. 方式 4( 软件触 发选通方式) ; 6. 方式 5(硬件触发选通方式) 。使用单 片机实现对 8253 的控制, 基准输入脉冲由 455KHz 晶 体产生, 因此定时精度很高。对于 50Hz 的交流电其 分辨率可由下式计算: 分辨率= 360#/ ( 1/ 50) 455 1000 = 0. 04# 根据此分辨率选用定时器 8253, 其最大相移角为: ?max= 0. 04 # 216= 2621. 44 # 因此, 远大于移相范围 180 #, 满足系统要

12、求。 ( 二)晶闸管触发脉冲的产生及修正过程 在整流电压确定时, 晶闸管触发脉冲的相位角 ? 将决定电机的转速, ?角的准确确定与否直接影响到 系统调速性能的优劣, 因此我们有必要分析与?有关 的两大决定性因素, 首先, 交流过零点脉冲的提取; 该 脉冲是确定相位角?的基准, 只有准确无误的捕获它, 才能正确确定?角, 单在实际工作过程中, 单纯的过零 点硬件采集电路往往由于电网上的干扰, 而产生误输 出或漏输出。其次, ?角在 0#- 180#之间变化要准确, 并有足够的分辨率。 1. 交流过零点脉冲产生? 交流过零点脉冲产生 电子技术!1997 年第 2 期( 57)9 电路通常由比较器构

13、成, 比较器的输入分别为经整流 交流电压和某一基准电压, 基准电压的幅度决定比较 器输出的脉冲脉宽, 而该脉冲即为交流过零点脉冲, 这 种由单纯硬件构成的电路最大缺点就是无法抑制电网 上的干扰, 使得比较器输出不能准确反映交流过零点, 这将极大地影响系统的性能。为此, 我们利用单片机 技术, 用软件对比较器输出的脉冲进行处理, 从而构成 了一个具有学习功能的交流过零点脉冲产生电路, 比 较器输出与 8031 的 P1. 4 相联, P1. 3 输出经软件处理 后的脉冲, 具体软件流程如图 2 所示。 图2? 系统软件流程框图 ? ? 经上述软件处理的交流过零点脉冲从根本上消除 了因电网上的干扰

14、造成的漏触发、 误解发现象, 8031 选用 12MHz晶体, 因此从 P1. 4 输入到 P1. 3 输出延时 小于 30?s, 相移不超过 0. 6#, 对系统触发晶闸管影响 很小, 能够满足系统要求。 2. 晶闸管触发脉冲的控制 ? 对于整流电路中的 单向晶闸管, 其导通条件是在控制极加一定宽度、 幅度 的脉冲, 导通后当交流电过零点时对应晶闸管又自动 截止, 因此可通过改变触发脉冲与交流电过零点的相 位, 即控制可控硅的导通角, 实现对整流幅度的平均值 进行控制, 达到对电机速度的控制。 在交流过零点脉冲已经得到的基础上, 选用 8253 可编程计数( 定时) 器, 软件设置其工作方式

15、为硬件选 通触发方式, 8253 的 GATE 端与 8031 的 P1. 3 相接, P1. 3 每来一个负脉冲, 8253 就开始定时, 定时参数可 用软件设置, 定时一到就输出一个负脉冲。假设 8253 定时长度为 T ( T % 10ms) , 则每个单向晶闸管的导通 时间均为 S= 10ms- T, S 越大导通角越大, 整流输出 幅度的平均值越大, 电机转速越快。至此实现了 8253 定时参数对电机转速的控制。为了确保触发脉冲的脉 宽、 电压和电流能使晶闸管导通, 8253 可编程计数( 定 时) 器的输出端不能与晶闸管的控制极直接相联, 必须 设计相应的接口电路, 根据文献提供的

16、参数, 结合实际 工作情况设计了以 74LS123 和光电隔离构成的接口 电路, 调节阻容元件的参数, 可使之产生所需的触发脉 冲。 四、 结束语 本调速系统具有较完备的硬件体系结构, 可以根 据实际工作的需要, 修改相应的软件。同时完备的晶 闸管触发脉冲电路, 使调速系统具有较为广阔的应用 领域。 (上接第 4 页) 用上述三种方式外, 还可在话务热点区域或覆盖欠佳 的盲区, 如话务密集的商业区, 街道, 或地铁车站, 甚至 建筑物内部或室内, 分别不同情况设置符合实际需要 的微蜂窝和微小蜂窝, 形成复合无线覆盖小区, 以达到 消除盲区和吸收话务的目的, 从而也可使无线系统获 得更大容量。 (五) 向更高频段扩展 随着技术进步和用户需求进一步增加, 利用双模 双频设备, 在现有 GSM 系统基础上增加 DSC 系统 ( 1. 8GHz)的兼容功能, 可使系统容量获得数倍的增 加。这实际上是从增加系统频点数来考虑的。 三、 结 ? 论 在目前大中城市频率资源有限、 用户密度很高的 情况下又必须满足用户数的增长, 尽可能扩充系统容 量。除采用小区分裂, 微蜂窝等辅助手段外