用单片机控制的直流电机调速系统
用单片机控制的直流电机调速系统
杨 靖 (广西机电工程学校 , 530001)
摘要 :本文介绍直流电机的调速原理 ,在此基础上 ,以 AT89C51单片机为控制核心 ,设计了直流电机调速控制系
统的外围电路 ,软件的实现上采用 P I(比例 - 积分 )控制算法 ,给出程序流程图。该调速系统容易实现 ,成本低廉 ,具
有很好的实用价值。
关键词 :单片机 ;直流电机调速 ; AT89C51; PI控制算法
中图分类号 : TP36811; TM33 文献标识码 : B 文章编号 : 1004 - 0420 (2008) 01 - 0045 - 03
The speed regulating system of DC m otor controlled by chip m icroprocessor
YANG Jing
(GuangxiMachinery and Electricity Engineering School, 530001)
Abstract: This paper introduces the theory ofDC motor’s speed regulating, and then its peripheral circuit is designed by
89C51 chip m icroprocessor in hardware. On the other hand, P I( scale2integral) control algorithm is used in software. Finally,
all its program flow diagram s are presented. It can be showed that this system have the advantages of implementation easily,
lower cost and better use value.
Key words: chip m icrop rocessor; DC motor speed regulating; AT89C51; PI control algorithm
0 前言
电子技术的高速发展 ,促使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一个新的阶段。传统的晶闸管直
流调速系统 ,其控制回路都是采用模拟电子线路构成
的 ,晶闸管触发器多数还是采用分立元件组成的 ,这使
得控制回路的硬件设备极其复杂 ,安装调试困难 ,相对
故障率较高。而采用单片机控制的调速系统 ,其控制
方案是依靠软件实现的 ,控制器由可编程功能模块组
成 ,配置和参数调整简单方便 ,工作稳定。本文使用价
格低廉、应用广泛的 MCS - 51系列单片机 AT89C51作
为控制芯片 ,以 PI(比例 - 积分 ) 调节控制算法为基
础 ,完成对直流电机转速的调节 ,达到了较好的控制性
能 ,而且成本低廉。
1 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 Φ。
那么根据 KVL 方程 :电机转速 n = Ua - Ia Ra
CaΦ , 其
中 ,对于极对数为 p ,匝数为 N ,电枢支路数为 a的电
图 1 直流电机原理图
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 - Ia Ra 中 ,由于 Ra 仅为绕组电阻 ,
导致 Ia Ra 非常小 ,所以 Ua - Ia Ra≈ Ua 。由此可见我们
改变电枢电压时 ,转速 n即可随之改变。
2 系统硬件组成原理
调速系统 的硬 件原理 方框 图如图 2 所 示 , 以
AT89C51单片机为控制核心 ,包括测速电路、PWM 波
形发生器和 PWM功放电路。
图 2 调速系统硬件原理框图
211 测速电路
测速电路由附在电机转子上的光电编码盘及施密
特整形电路组成。电脉冲的频率与电机的转速成固定
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计算机 ·PLC应用 ———用单片机控制的直流电机调速系统 机床电器 200811
的比例关系 ,光码盘输出的电脉冲信号经放大整形为
标准的 TTL 电平 ,输入到单片机的两个外部中断 :
INT0和 INT1, 利用单片机内部定时器 /计数器 T0和
T1,以及内部一个寄存器作软计数器 ,循环地捕捉相邻
两次速度脉冲 ,并由这两次触发所记录的时间差算出
其转速 ,再将这个转速与预置转速进行比较 ,得出差
值 ,单片机通过对这个差值进行 PI运算 ,得出控制增
量 ,在 P010 ～P013引脚送出控制信号改变 PWM 波形发
生电路的占空比 ,最终达到控制电机转速的目的。
212 PWM波形发生电路
由于测速中占用了两个定时器 T0和 T1,如果再
将 PWM 波形产生交给 AT89C51则会加大软件的任
务 ,并且影响整个系统的控制效果。因此这里考虑单
独设计一个 PWM 波形发生电路 ,单片机对它只提供
控制参数以改变其占空比。其电路原理如图 3所示。
图 3 PWM波形产生电路
图中 ,U1 和 U2 为两片 4位比较器 74LS85,U3 为 8
位的计数器。计数器的时钟输入为系统的时钟信号
(本系统晶振频率为 12 MHz) 。经 512分频后为 2314
kHz,即 PWM波形的频率为 2314 kHz。其中 ,U1 、U2 的
A0 ～A3 分别接 P014 ～P017 、P010 ～P013 。B0 ～B3 分别接
Q0 ～Q3 、Q4 ～Q7 。A >B端接一个过零比较器 ,其输出
即为 PWM波 ,其占空比是通过 P0口给定的数值来改
变的。
213 PWM功率放大电路
本系统采用双极性脉宽调制功率放大器 ,如图 4
所示。其中 VT1 、VT2 为作开关用的大功率晶体管 ,工
作在截止和饱和状态。当电动机正转工作时 , VT1 工
作 ,VT2 不工作 ;反之当电动机反转工作时 , VT2 工作
而 VT1 不工作。VD1 、VD2 为续流二极管 ,主要起到保
护作用 ,避免 VT1 、VT2 被反向击穿。U4 和 U6 为光电
耦合器 ,主要起隔离和抗干扰作用。
图 4 PWM驱动电路原理图
3 软件设计
软件由 1个主程序、3个中断子程序和 1个 PID算
法子程序组成。
311 主程序
主程序是一个循环程序 ,其主要思路是 ,先设定好
速度初始值 ,这个初始值与测速电路送来的值相比较
得到一个误差值 ,然后用 PID 算法输出控制系数给
PWM发生电路改变波形的占空比 ,进而控制电机的转
速。其程序流程图如图 5所示。
312 PI算法
系统的控制算法主要采用了 PI控制算法。其控
制算法为 :
u ( t) = Kp [ e( t) + 1
Ti
∫t
0
e( t) dt]
其中 : Kp 为比例系数 , Ti 为积分系数。若单片机
的采样周期为 T,则上式可近似为 :
u ( k) = Kp [ e ( k) + T
Ti
∑
k
j = 0
e( j) ] = Kp e( k) + Ki ∑
k
j = 0
e ( j) T
上式即为位置式 PI控制算法。这里我们采用其
增量式控制算法 ,根据递推原理可得 :
u ( k - 1) = Kp e ( k - 1) + Ki ∑
k - 1
j = 0
e ( j) T
则增量式控制算法为 :
Δu ( k) = u ( k) - u ( k - 1) = Kp [ e( k) - e ( k - 1) ] + Ki e( k)
其中 : Kp 为控制器比例系数 , Ki 为积分时间常数。
由于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
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。
313 INT0服务子程序
该程序首先清软件计数器 ,然后判断 T0 是否进入
定时状态 ,如果是则对光电编码盘发出有脉冲进行计
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机床电器 200811 计算机 ·PLC应用 ———用单片机控制的直流电机调速系统
数 ,否则起动 T0 后再对 PLG进行计数。如图 6所示。
314 T0 中断服务程序
在外部中断服务程序中 ,当 T0 定时时间到了以
后 ,就进入此程序。具体流程如图 7所示。
315 INT1服务程序
在 T0 服务程序中 ,当 INT1端子接受下降沿时就
进入此程序。关掉外部中断 1,并且使定时器 1停止
计数 ,保存计数值。如图 8所示。
4 结论
本系统用单片机作为直流电机调速系统的控制核
心 ,具有结构简单 ,运行可靠 ,调节范围宽 ,电流连续性
好 ,响应速度快等特点。采用比例积分 ( PI)调节器算
法 , 有效地抑制转速超调 ,效率高 ,具有广泛的实用
价值。
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收稿日期 : 2007 - 11 - 06
作者简介 :杨 靖 (1958 - ) ,男 ,助理实验师 ,主要从事交直
流电机的控制技术。
(上接 44页 )
同上 ,后者起滤掉噪声中的低频干扰的作用。
4 结束语
本系统采用单片机和驱动芯片组合设计步进电机
控制电路 ,实践表明 ,控制效果较好。
该控制系统硬件电路设计简单 ,结构紧凑、功耗
低、运行可靠、设计方便 ;因使用专用驱动芯片 ,编制软
件比较简单。
TA8435H为脉宽调制式斩波驱动方式的芯片 ,所
以其具有同频 PWM 驱动器的优点 :运行频率高 ,输出
转矩大 ,并能消除电磁噪声等。较好地解决了高低频
运行时的一些问题。
本控制器可以与反馈检测环节连接 ,组成闭环控
制系统用于精度和稳定性要求较高的控制系统中。
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收稿日期 : 2007 - 11 - 22
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