单片机的直流电机控制

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1、MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文 章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生 方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等 均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放 大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。 另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测 量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对 直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了

2、 PI运算程序，初始化程序等的 编写思路和具体的程序实现。关键词：PWM信号，测速发电机，PI运算摘要II一. 引言 11.1 开发背景 11.2 选题的目的和意义 11.3 研究方法 2二. 总体设计概述 22.1 总体硬件电路设计 22.1.1 系统总体设计框图 22.1.2 8051单片机简介 32.1.3 单片机系统中所用其他芯片选型 42.2 PWM信号发生电路设计 7221 PWM的基本原理7222 PWM信号发生电路设计 82.2.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理92.3 功率放大驱动电路设计 102.3.1芯片IR2110性能及特点102.3.2 IR2110的引脚图以及功

3、能112.4主电路设计 112.4.1 延时保护电路112.4.2 主电路 122.4.3 输出电压波形 132.4.4系统总体电路图 142.5 测速发电机 152.6 滤波电路 152.7 A/D 转换162.7.1 芯片选型 162.7.2 ADC0809的引脚及其功能 16三. 系统软件部分的设计 173.1 PI 转速调节器原理图及参数计算 173 .2系统中的部分程序设计 183.2.1 主程序设计 183.2.2 PI控制算法子程序设计 18四. 系统调试 194.1 软件调试 204.2系统仿真 20结论 21致谢 21参考文献 2223附录. 引言1.1开发背景现代工业生产中

4、，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量 采用晶闸管（即可控硅）装置向电动机供电的 KZD 拖动系统，取代了笨重的发电动一 电动机的FD系统，又伴随着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。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于 交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的 一种 PWM 脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。PWM 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的

5、制约，在 上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代，随着全控型电力电子器件 的出现和迅速发展， PWM 控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术 和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想 的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制 技术。1.2选题的目的和意义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

6、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。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容 易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性 能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

7、目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着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。 1.3研究方法本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方 法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广 泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之 间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发 展的主要方向之一。本文就是利用这种控制方式来改变电压的

8、占空比实现直流电机速度的控制。文章中 采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用直流 测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给 A/D 转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行 PI 运算，输出控制量完成闭环控制，实现电 机的调速控制。二. 总体设计概述单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。 PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到 控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来 接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通 和 断开 时

9、间的长短。通过改变直 流电机电枢上电压的 占空比 来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此， PWM 又被称为 开关驱动装置 。本系统以 89C51 单片机为核心，通过单片机控制， C 语言编程实现对直流电机的平滑调速。系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速 的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机 的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所 研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个 系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对

10、硬件端口所体 现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器 自动对电机速度的有效控制。2.1总体硬件电路设计2.1.1系统总体设计框图本系统采用89C51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直 流电机，直流电机通过测速电路，滤波电路，和A/D转换电路交数据重新送回单片机， 进行PI运算，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。主控芯片A/D滤波测速转换A电路发电机图2-1 系统总体设计图2.1.2 8051 单片机简介18051 单片机的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构 依然是

11、通用 CPU 加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄 存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：图 2-2 8051 基本结构图2. CPU及部分部件的作用功能介绍如下中央处理器CPU:它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前 128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元， 简称内部 RAM。内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格, 简称内部 ROM。定时器：8051 片内有 2 个 16 位的定时器，用来实现定时或者计数功

12、能，并且以其 定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有 5 个中断源，即外部中断 2 个，定时 /计数中断 2 个和串 行中断 1 个。38051 单片机引脚图P1. 140VCC0051Pl. 1 239F0. 0P1.2338F0. 1P1.3437F0.2F1.4536F0.3P1.5 635F0.4F1.6734P0.5F1.7833F0. 6RST/VPD 932P0. 7EXD/F3.0 1031一 EA/VPFTXD/P3.11130ALE/FR0G工町讥3. 21229FSE1T工町1/F3. J1328F2.7T0/F3.41427P2. 6T1/P3.5 1

13、526F2.5WVF3.6 一1625F2.4M/P3. 7 1724F2. 3XTAL2 1823F2.2XTAL1 1922P2. 1VSS2021P2. 0图 2-3 8051 单片机引脚图2.1.3 单片机系统中所用其他芯片选型1地址锁存器地址锁存器可以选择多种，有地址锁存功能的器件有 74LS373、8282、74LS273 等，8282是地址锁存器，功能与74LS373类似，但本系统选用74LS373作为地址锁存器， 考虑到其应用的广泛性以及具有良好的性价比，成为目前在单片机系统中应该较广泛的 地址锁存器。74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。当使能端呈高电平时，锁存器中

14、的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存 如果此时芯片的输出控制端为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可以 通过三态门输出。其引脚图如图2-4所示：0E IQ ID 一2D 2Q 3Q 3D 4D 4Q GNB 20191774LS373161514131211Vcc8Q8D7D7Q6Q6D5D5Q图 2-4 74L373 引脚图2程序存储器存储器是单片机的又一个重要组成部分，其中程序存储器是单片机中非常重要的存 储器，但由于其存储空间不足，常常需要对单片机的存储器空间进行扩展，扩展程序存 储器常用芯片有EPROM(紫外线可擦除型)，如2716(2KB )、2732(4KB)、2764(8KB)、 27128 (16KB)、27256 (32KB，等，另外还有 +5V 电擦除 E2PROM，女口 2816 (2KB)、 2864 (8KB)等等。考虑到系统功能的可扩展性以及程序功能的扩展，本系统采用16KB 的27128作为程序存储器扩展芯片，在满足系统要求的前提下还存有一定的扩展空间， 是本系统最合适的程序存储器扩展芯片。 27128的引脚图如图2-5所示：Vpp 一128VccA