基于MCS-51单片机直流电机调速控制器的设计.ppt

基于MCS-51单片机直流电机调速控制器的设计
·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、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,良好的起动性以及简单的控制电路等优点,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。
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。主要包括:单片机、霍尔元件速度采集电路、直流电机、DAC0832、8421拨码盘组成。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。并且把DAC0832进行模数转换,把控制系统的数字量变为电压值输出,再经过驱动放大电路对直流电机进行调速控制。并将转速显示出来。从而实现快速的调节电机转速。
·关键词:直流电机单片机转速控制圈数控制 PWM
1 前言
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
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。
图1
系统硬件组成原理
图2原理解释
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。
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。
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。
霍尔元件是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小耐高温等特性。
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