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基于单片机(89C51)的双闭环直流调速系统
摘要:该文介绍89C51单片机在直流电机转速控制系统中的应用、实现方法、硬件结构等。本系统采用霍尔元器件测量电动机的转速,用89C51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。

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,采用运算广大器、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,阻碍了坦洲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。

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。
霍尔器件是具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=pVB
式中“fl—洛化磁力,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=RHχIχB/d(mV)
式中:RH—霍尔常数,d—元件厚度,B—磁感应强度,I—控制电流
设KH= RH /d,则UN=KHχIχB(mV)
KH为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T),它表示该霍尔元件在磁感应强度和单位控制输出霍尔电动势的大小。应注意,当电磁感应强度B反向时,霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变,则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化,根据这一原理,可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿,转盘随被测轴旋转,磁钢也将跟着同步旋转,在转盘附近安装一个霍尔元件,转盘随轴旋转时,霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响,故输出脉冲信号,其频率和转速成正比,测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。
3 直流电动机转速控制系统硬件设计
通过自制5V电源来确保工作电压正常,由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号,送至单片机的计数器T1,由T1测出电动机的实际转速,并与设定值比较形成偏差。根据比较结果,使DAC0832输出控制电压增大或减小。功放电路将DAC0832输出的模拟电压转换成具有一定输出功率的电动机控制电压。
4 直流电动机转速控制系统软件设计
1、编程思路:控制系统程序的功能是用89C51单片机的T0、T1测出电动机的实际转速,并与给定值进行比较。根据比较结果,使DAC0832芯片的输出控制电压增大或减小。30H单元存放实际转速与设定值是否相等的标志。“1”表示相等,“0”表示不相等。40H单元存放送入DAC0832芯片的数字控制电压。7FFFH为DAC0832地址。
2、系统流程图如图3所示:
5 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』e(t)dt
式中:Y一比例调节器输出,K 比例系数,K 一积分系数 e(t)一调节器的输入,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。

    调速系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流。结构原理图如图1所示,图中符号的意义分别为:ASR-转速调节器;ACR-电流调节器;TG-测速发电机;TA-电流互感器;UPE-电力电子变换器U*n;-转速给定电压;Un-转速反馈电压;U*i-电流给定电压;Ui-电流反馈电压。
7. 电流环与转速