1、I单片机控制 PWM 的直流电机调速系统的设计 摘 要：在国民生产中，随着现代技术的发展，电力电子技术已得到了全面的发展，其技术已应用到各个领域。在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能,直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面,最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术,具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点.而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段,数字控制系统硬件电路的标准化程度高,控制软件能够进行复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律,此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法
2、实现的功能关键字：AT89C51 单片机 ；PWM 技术；编码器；直流电动机IIThe Design Of PWM Controlled DC Motor Speed Control System Based On Single Chip Abstract：In the national production, along with the development of modern technology, electronic technology has been a comprehensive development, the technology has been applied in
3、 various fields. In all kinds of mechanical system, due to the dc motor has a good start, brake and the performance of speed, dc motor control system has been widely used in industry, spaceflight, most commonly used dc speed control technology is a pulse width modulation (PWM) dc speed control techn
4、ology, which has a high precision, fast response time, high speed range and width of the low loss characteristics and use of computer digital control has become a kind of method of dc speed control system, the hardware circuit of a high degree of standardization, control software to carry out comple
5、x operation can be realized, different from the general linear optimization and adjustment of the adaptive, nonlinear, intelligent control law, also have information storage, data communication and fault diagnosis cannot achieve such simulation systemKeywords: AT89C51 microcontroller; PWM technology
6、; encoder; DC MotorIII目 录1.引言 .12.系统方案论证 .22.1 系统总方案论证与选择 .22.2 设计模块方案比较与分析 .32.2.1 电机调速控制模块 .32.2.2 PWM 调速工作方式 .43 硬件部分 .43.1 单片机的选型 .43.2 PWM 控制技术 .83.3 驱动电路 .93.3.1 芯片 IR2110 性能及特点 .93.3.2 IR2110 的引脚图以及功能 .93.4 PWM 控制 H 桥双极性主电路 .113.5 检测回路 .133.5.1 光电编码盘 .143.6 键盘及显示电路 .153.6.1 键盘/显示芯片 8279 简介 .1
7、53.6.3 显示器设计 .164 模块的原理与应用 .174.1 PWM 调脉宽方式 .174.2 定时器/计数器 .174.3 直流电机调速原理 .184.4 PWM 基本原理及实现方法 .184.5 PWM 在直流调速中的应用 .184.6 桥式可逆 PWM 变换器 .194.7 M/T 法测速原理 .215 软件部分 .225.1 主程序及系统初始化模块 .225.2 模块程序设计 .235.2.1 外部中断 0 模块设计 .235.2.2 外部中断 1 模块设计 .235.2.3 内部定时器 T0 溢出中断设计 .235.3 中断子程序模块 .245.4 键盘/显示模块设计 .245
8、.5 数字 PID 流程图 .265.6 源程序 .29谢 辞 .35参考文献 .3611.引言在电气传动领域中，随着各项技术水平的不断提高，使得传统工艺有了深层次的提高，对人类的生产与生活，产生了深刻且深远的影响，已经与我们息息相关。由于直流电动机具有良好的起动、制动性能,适宜在大范围内平滑调速,因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且,从控制的角度来看,直流调速还是交流调速，都用到拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,由运算放大器、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, 触发精
9、度易受电网电压波动的影响，触发脉冲不对称度较大，调节器中的运算放大器，因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差，模拟器件老化也会引起运算误差，甚至使已经整定好的系统性能变差，这些都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,使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到了更高的性能,从而大大节约了人力资源,降低了系统成本,有效地提高了工作效率。因为单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、控制功能强等优点，用单片机取代模拟电路作为电动机的控制器，使电路更简单，模拟电路为了实现控
10、制逻辑需要许多电子元件,使电路复杂,使用单片机微处理器后,绝大多数控制逻辑可通过软件实现可以实现较复杂的控制,单片机有更强的逻辑功能,运算速度和精度高、有大容量的存储单元,因此有能力实现复杂的控制灵活性和适应性强,单片机的控制方式是由软件完成的,如果需要修改控制规律,一般不必改变系统的硬件电路,只需修改程序即可,在系统调试和升级时,可以不断尝试选择最优参数,非常方便无零点漂移,控制精度高、数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题,无论被控量的大小,都可以保证足够的控制精度可提供人机界面,多机联网工作等优点。所以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。利用单片机逻辑功能强和软件灵活的
11、优点，不仅可使很多控制硬件软件化，便于参数的设定和调整，而且可以同时对系统工作中的各种信息数据进行诊断、检测和及时处理，加强了实时维护和提高了2控制系统的可靠性。它的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。2.系统方案论证2.1 系统总方案论证与选择方案一：直接加直流电源来控制电机的转动速度；根据电动机在其额定电压时，电动机有一定的额定转速。根据其输入电压的减小，其转动速度也相应的减小。从而在传统的改变电动机的转速问题中，就是利用所给电动机的电压的不同，而达到人们所需要的大约速度。方案二：以单片机 AT89C51 为中心通过 D/A 转换器 ,将单片机数字量转换为模拟量，从而
12、起到控制电动机的转速问题。其中在单片机控制部分通过按键直接从程序中调出所需要速度的值，同时输到数码显示部分和 D/A 转换部分以实现电动机的调速。图 1 电路组成框图方案三：采用 AT89C51 单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成编码器采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。采用AT89C51 进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。输出速度的调节是通过键操作，显示速度。AT89C51 是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器.具有 4K 字节可编程闪烁存储器,可擦除的的只读存储器 (PERO
13、M), ATMEL 的键盘AT89C51单片机数码显示D/A0832转换 电动机3AT89C51 是一种高效微控制器. AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案. 三级程序存储器锁定、 128*8 位内部 RAM、32 可编程 I/O 线、两个 16 位定时器/计数器、5 个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和 电模式、片内振荡器和时钟电路：电路框图如图 2 接 口 电 路键 盘显示器P W M 控 制 驱 动 电 路单 片 机 电 动 机光 电 编 码 器图 2 电路组成框图方案分析：方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减小，此方案操作性差且
14、不安全。方案二不能及时的从电动机那里得到相应的转动速度，而是直接从程序哪儿调用相应的数值给数码显示。所以，此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。方案三在可操作性与实时性方面都都结合了本专业特点，从控制理论与控制技术出发，充分发挥与应用本学科特点。所以，设计采用方案三。2.2 设计模块方案比较与分析：2.2.1 电机调速控制模块：方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开
15、关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。4兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。2.2.2 PWM 调速工作方式：方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制
16、口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出 PWM 信号，两口的输出切换和对 PWM 的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制中，应用相对简单易于实现与操作，所以我们采用了单极性工作制。3 硬件部分3.1 单片机的选型：AT89S51 是 一 个 低 功 耗 ， 高 性 能 CMOS 8 位 单 片 机 ， 片 内 含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的 可 反 复 擦 写 1000 次 的 Flash 只 读 程 序 存 储 器
17、 ，器 件 采 用 ATMEL 公 司 的 高 密 度 、 非 易 失 性 存 储 技 术 制 造 ， 兼 容 标 准MCS-51 指 令 系 统 及 80C51 引 脚 结 构 ， 芯 片 内 集 成 了 通 用 8 位 中 央 处 理 器和 ISP Flash 存 储 单 元 ， 功 能 强 大 的 微 型 计 算 机 的 AT89S51 可 为 许 多 嵌 入式 控 制 应 用 系 统 提 供 高 性 价 比 的 解 决 方 案 。3.1.1 主要特性： 8031 CPU 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程 FLASH 存储器(寿命：1000 写/擦循环) 全静态工作：0Hz-24
18、KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8 位内部 RAM 32 条可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 6 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路图 3 单片机芯片3.1.2管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。
