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直流电机调速控制系统电子07230704093250设计：杨永康指导教师：赵艳启七点•本人公司及岗位情况•设计缘由•系统概况•系统原理•系统设计•结论•致谢•我所在的是EC工段，一个国内少数几家能够生产EC的化工厂之一，保密项目！•我的岗位是WW、EC岗。设计缘由•我们的小试室里的直流搅拌电机的速度尽然是不可控制的，所以......系统概况•该设计是以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。•包括测速电路、电源电路、数模转换电机驱动电路、显示电路、键盘控制电路系统原理•直流电机调速原理•直流电动机转速控制系统的工作原理•转速测量电路原理直流电机调速原理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=KPe(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---控制电流设KH=RH/d，则UH=KH×I×B(mV)KH为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T),它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下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。系统设计•直流电动机转速控制系统硬件设计•直流电动机转速控制系统软件设计直流电动机转速控制系统硬件设计•电源•电机测速及驱动部分•数模转换•8421BCD编码盘—手动控制转速部分•显示部分•系统心脏——AT89C51单片机•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。系统电源电源部分采用价格低廉简单易用的7805芯片，在7805的前端加了一个变压器，将220V的电压降至6V，然后通过桥式整流滤波电路加至7805输入端。如图2.1.1所示。图2.1.1系统电源电机测速及驱动部分测速在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单、输出电平可与各种数字电路兼容等特点。LM324，它价格便宜，带有真差动输入的四运算放大器。因为DAC0832输出的为电流，所以需要接一个运放，将信号转化为电压输出。数模转换DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位D/A转换器，其内部结构如图图2.1.3a所示:芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接。图2.1.3aDAC0832内部结构图Vcc:芯片电源电压,为：+5V～+15V；VREF：参考电压,为：-10V～+10V；RFB：反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端；AGND：模拟信号地；DGND：数字信号地；DI7~DI0：数字量输入信号，其中:DI0为最低位，DI7为最高位；ILE：输入锁存允许信号,高电平有效；CS：片选信号,低电平有效；WR1：写信号1，低电平有效；当ILE、CS、WR1同时有效时,LE=1，输入寄存器的输出随输入而变化；WR1在上升沿时,LE=0，将输入数据锁存到输入寄存器；XFER：转移控制信号，低电平有效；WR2：写信号2，低电平有效；当XFER、WR2同时有效时,LE2=1，DAC寄存器输出随输入而变化；WR1在上升沿时,LE=0，将输入数据锁存到DAC寄存器，数据进入D/A转换器，开始D/A转换；数模转换数模转换如图2.5.3b所示。其中DAC0832的DI0~DI78个数字量输入端接89C51单片机的P0.0~P0.7端。由于DAC0832采用了直通的方式，所以可以直接往其数据端口加上数值，就能从DAC0832后面的运放的输出端得到所需的模拟电压。由于其输出电压可根据公式：Vout=VREFXDin/n2计算得来，因而在需要输出某个电压值时，按该式求出对应的数值，通过P0端口输出，就可以得到所需的模拟电压。图2.1.3b数模转换BCD编码键盘—手动控制转速部分采用8421编码的键盘，“0”表示“0000”，“1”表示“0001”，……,“9”表示“1001”。如图2.1.4所示图2.1.48421BCD编码键盘显示部分采用74LS164串入并出的移位寄存器给出串行口扩展的3位LED显示接口电路，如图2.1.5所示图2.1.5显示部分系统心脏———AT89C51单片机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。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。•P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。直流电动机转速控制系统软件设计•编程思路•系统流程图编程思路•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。系统流程图结论•本系统用单片机构成电动机转速的控制系统，采用比例积分调节器算法，效率高，电路简单，使用也比较广泛。本测速系统采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。经过测试并对误差进行分析发现，该系统的测量误差在5％以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高。所以该系统在一般的转速检测和控制中均可应用。致谢•在此，我要衷心的感谢我的指导老师赵艳启老师在这次毕业设计中给我的指导和帮助。•如今在赵老师的指导下，我顺利的完成了我的毕业设计，再次感谢赵老师对我的指导和帮助。同时，也非常的感谢我的同学给我的帮助。•谢谢大家全文结束欢迎老师同学批评指正2010.6.9本文主要介绍了什么？•答：本文介绍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。核心技术是什么？答：采用集成霍尔传感器敏感速率信号，具有频率响应快、抗干扰能力强等特点。霍尔传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。有什么效果？答：该系统的测量误差在5％以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高。