单片机在直流电机转速控制系统中的应用
文章编号 : 1004 - 289X (2008) 04 - 0054 - 02
单片机在直流电机转速控制系统中的应用
刘小兵 ,刘任庆
(株洲职业技术学院 ,湖南 株洲 412001)
摘 要 :介绍单片机在直流电机转速控制系统中的应用优势及硬件、软件的实现方法。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。
关键词 :直流电机 ;单片机 ;转速控制
中图分类号 : TM33 文献标识码 : B
Application of One2chip Com puter in the Speed Control System of DC M otor
L IU X iao2bing, L IU Ren2qing
(Vocational and Technical Institute of Zhuzhou, Zhuzhou 412001, China)
Abstract: The paper presents application of one - chip computer in the speed control system of DC motor and realizing
mothed of hardware and software. The system adopts Hall sensor to measure the motor speed, tous 89C51 one - chip com2
puter to control the speed ofDC motor and to use DAC0832 chip achieve output analog voltage value to control the speed
of DC motor.
Key words:DC motor; one2chip computer; speed control.
1 前言
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。随着单片机技术的不断进步 ,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
高的稳定性能。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 转速的测量原理
转速是电机的一个最常用参数 ,电机的转速常以
每分钟的转数来表示 ,其单位为 r/m in。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) ,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
45 《电气开关 》(2008. No. 4)
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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 ∫e( t) dt
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。
4 直流电动机转速控制系统硬件设计
电路通过 5V 电源供电 ,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到单
片机 89C51的 P3. 5脚 ,作为 T1计数器计数使用 ,得
到的计数值与设定的值进行比较形成偏差。根据比较
结果通过 P0端口送给 DAC0832进行数 /模转换 ,从而
使得输出电压增大或者减少 ,得到模拟电压输出给功
率放大电路放大 ,再去控制电机的转速。
5 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端口作为定时器、T1作为霍尔元件产生
脉冲输入的计数器 ,将两者的数值进行运算得出电动
机的实际转速 ,并与给定值进行比较。如果测量值比
设定值大 ,则 P0端口的输出值减 1送出给 DAC0832
控制电机转速减速 。如果测量值比设定值小 ,则 P0端
图 1 直流电流电机转速控制系统原理图
口的输出值加 1送出给 DAC0832控制电机转速加速。
运行过程中不断的调整 ,直到电机的转速达到设定为
止。
(2)系统流程图如图 2所示。
图 2 直流电动机转速控制系统流程图
6 结论
本系统用单片机构成直流电动机转速的控制系
统 ,采用比例积分调节器算法 ,效率高转速稳定 ,电路
简单。
参考文献
[ 1 ]吴金戌 ,沈庆阳 ,等. 8051单片机实践与应用 [M ]. 清华大学出版社.
[ 2 ]苏家健 ,曹柏荣 ,等. 单片机原理及应用技术 [M ]. 高等教育出版社.
[ 3 ]肖兰 ,马爱芳. 电机与拖动 [M ]. 中国水利水电出版社.
收稿日期 : 2008 - 03 - 28
作者简介 :刘小兵 (1981 - ) ,男 ,湖南攸县人 ,株洲职业技术学院电子工程系教
师。湖南大学在职研究生 ,主要从事电子与通信教学与研究。
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