MCS_51单片机在直流电机闭环调速系统中的应用
收稿日期 :2006208221
文章编号 :100229026(2006) 0520092204
MCS - 51 单片机在直流电机闭环调速系统中的应用
李扬1 ,张喜验2
(1. 中国海洋大学 ,山东 青岛 266003 ;2. 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 ,山东 青岛 266001)
摘要 :针对目前直流电机闭环调速系统的成本和控制精度问题 ,通过探讨 MCS - 51 系列单片机的通用性和易
用性 ,提出了一种采用该系列单片机的直流电机闭环控制方案 ,并给出了该系统的设计思路、电路设计和采用
PI 控制算法的控制程序流程。该系统具有较好的控制精度和较低的成本价格 ,可以在直流电机闭环调速领
域中广泛应用。
关键词 :闭环直流调速系统 ;MCS - 51 单片机
中图分类号 :TM33 文献标识码 :B
直流电机调速性能好 ,可靠性高 ,机械特性强 ,在自动控制中的应用极为广泛。直流电机的调速系统多
种多样 ,但系统复杂 ,控制精度和成品价格难以兼顾。本文使用价格低廉、应用广泛的 MCS - 51 系列单片机
为控制芯片 ,以 PI 调节控制算法为基础 ,完成对直流电机转速的调节 ,达到了控制性能好 ,成本低的目的。
1 直流电机调速原理
图 1 所示电枢电压为 Va ,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 Φ[1] 。
图 1 直流电机原理图
那么根据 KVL 方程 :电机转速 n = Va - Ia Ra
Ca < ,其中 ,对于极对数为 p ,匝数为 N ,电枢支路数为 a 的电机
来说 :电机常数 Ca = pN
60 a ,意味着电机确定后 ,该值是不变的。
而在 Va - Ia Ra 中 ,由于 Ra 仅为绕组电阻 ,导致 Ia Ra 非常小 ,所以 Va - Ia Ra ≈Va 。
由此可见我们改变电枢电压时 ,转速 n 即可随之改变。
2 MCS - 51 系列单片机
MCS - 51 系列单片机是由 Intel 公司早期研发的单片机产品 ,后来很多厂商以各种方式与 Intel 合作 ,也
第 19 卷 第 5 期
2006 年 10 月
山 东 科 学
SHANDONG SCIENCE
Vol. 19 No. 5
Oct. 2006
推出了同类型的单片机。51 系列单片机引脚图见图 2 ,其优点是支持较为丰富而且简单的指令集 ,编程器通
用且兼容性好 ,具有单片机的典型代表性 ,因此该系列单片机在自动控制中应用最为广泛[4] 。
图 2 8051 单片机引脚图
3 系统组成及工作原理
系统组成框图见图 3 :
图 3 系统组成框图
本系统主要由主控开关 ,电机励磁电路、调速电路、测速电路、整流滤波电路、平波电抗器、制动电路组
成 ,系统采用闭环 PI 调节器控制。当开关闭合后 ,交流电经晶闸管调速电路控制后 ,又经过桥式整流、滤波、
平波电抗器后 ,获得脉冲小、连续的直流电提供给电机 ,同时 ,交流电通过励磁电路使电机获得励磁 ,开始工
作。
调节速度经过调节变阻器进行 ,当变阻器阻值变化时 ,单片机输出的控制角也相应变化 ,晶闸管导通角
随之变化 ,进而由主电路输出电压调节电机转速 ,同时测速电路输出电压也相应变化 ,经 PI 调节器作用后 ,
电机在设定的速度范围内稳定运转。
4 系统各部分电路设计
4. 1 主控电路设计
主控电路示意图见图 4。按下启动按钮后 ,接触器 KM 线圈通电 , KM 常开触点闭合 ,常闭触点打开 ,启
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动按钮自锁 ,主电路导通 , 晶闸管调速电路通过改变双向晶闸管控制角的大小来控制交流电输出 ,再经桥式
整流 ,滤波后 ,得到直流 , 同时 ,电机通过激磁电路整流后 ,获得励磁 ,开始工作[3] 。
图 4 主控电路示意图
为了限制直流电流脉冲 ,电路中接入平波电抗器 ,其并联电阻在主电路突然断电时 ,为平波电抗器提供
放电回路。电动机激磁由单独整流电路供电。
4. 2 触发电路设计
触发电路示意图见图 5。电压经变压器变压后 ,得到的电压经过桥式整流电路的整流 ,由 R1 和 R2 分压
后 ,经过三极管得到过零点的跳变电压。此跳变电压经过 51 单片机的 P1. 2 引脚输入单片机。51 单片机通过
检测跳变电压计算出跳变周期 ,作为直流电机转速的预设值。单片机根据预设值发出脉冲信号 ,经过 51 单
片机的 P1. 1 口输出 ,控制晶闸管的关断。
图 5 触发电路示意图
图中单片机 P1. 0 接受由测速电机回馈的电压脉冲信号 ,经计算后与预设值比较 ,再经 PI 算法后 ,把结果
经 P1. 1 输出 ,控制晶闸管。
4. 3 测速电路设计
该电路的设计是由附着在电机转子上的光码盘及电脉冲放大整形电路组成。电脉冲的频率与电机的转
速成固定的比例关系 ,光码盘输出的电脉冲信号经放大整形成为标准的 TTL 电平 ,从 51 单片机引脚 P1. 0 输
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入 ,通过内置计数器进行计数 ,从而算出转速 ,将这个转速与预置转速进行比较 ,得出差值 ,51 单片机通过对
该差值进行 PI 运算 ,得出控制增量 ,在 P1. 1 送出晶闸管控制角的大小 ,从而改变加在电机两端的有效电压 ,最
终达到控制转速的目的。
图 6 程序流程图
5 软件设计
系统的软件控制算法主要采用了 PI 控制算法。其增量式控制算法为 :
Td ( k) = Td ( k - 1) + a0 e ( k) - a1 e ( k - 1) = Td ( k - 1) + 0. 84 e ( k) - 0. 63e ( k - 1)
a0= Kp(1 + TI
Ti
)
其中 a1 = Kp , Kp 为控制器比例系数 , TI 为积分时间常数 , Ti 为采样周期。
程序流程图见图 6。
6 系统性能
图 7 给出了该系统速度时间相应曲线 ,可以看出该系统启动较快 ,转速稳定 ,机械
强度较高。在 t0 时刻系统突加扰动的情况下 ,可以在短时间内调整到初始速度 ,显示
了良好的抗干扰能力 ,体现出了 PI 闭环调节的优越性。经实践证明 ,本系统可以满足
一般的控制要求 ,在普通控制中得以广泛应用。
图 7 系统速度时间相应曲线
7 结束语
设计出的以 51 单片机作为双向晶闸管触发电路的调速系统 ,在中小型直流电机调速系统中具有结构简
单 ,运行可靠 ,调节范围宽 ,电流连续性好 ,响应快等特点 , 转速环采用 PI 控制算法 ,能有效地抑制转速超
调 ,此单片机的调速系统是一种可行的设计方案。
参考文献 :
[1] 李伯成. 基于 MCS - 51 单片机的嵌入式系统设计[M]. 北京 :电子工业出版社 ,2004.
[2] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京 :机械工业出版社 ,1992.
[3] 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 北京 :高等教育出版社 ,1998.
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