直流电机调速控制系统的设计.docx
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直流电机调速控制系统的设计
基于单片机的直流电机速度控制系统
设计与研究
摘 要
直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。
本文设计的直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LCD液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。
电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通人工控制，LCD实现对测量数据（速度）的显示。
电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。
关键字：
直流电机调速；H桥驱动电路；LCD显示器；51单片机
目 录
1绪论
1.1直流电机调速系统的研究意义
三十多年来，直流经历了重大的变革。
首先，实现了整流器件的更新换代，以晶闸管整流装置取代了使用己久的直流发电机一电动机机组及水银整流装置，使直流电机拖动完成了一次大的飞跃。
同时，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。
由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电机拖动。
直流调速技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电机拖动领域中一直居于垄断地位。
的缺点，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。
随着单片机控制技术的发展，直流传动控制系统己经广泛使用单片机，实现了数字化控制。
数字化调速系统与模拟系统相比具有以下优点。
1.提高了调速性能
由于测速采用数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速范围，提高了速度控制的精度。
另一方面，一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法，例如各种最优控制、自适应控制、复合控制等都变得十分容易了，从而使系统的控制性能得到提高。
2.提高了运行的可靠性
由于硬件高度集成化，所以零部件数量和触点大大减少;很多功能都是由软件（即程序）来完成的，使硬件得以简化，所以采用单片机控制的电力拖动系统的故障率比模拟系统小。
另外，数字电路的抗干扰性能强，不易受温度等外界条件3.易于维修
由于单片机可以与计算机相连，而计算机具有存储、显示、记录等功能，可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录，并对发生故障的时间、性质和原因进行分析和记录，所以维修很方便，维修周期变短。
由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。
所以，数字直流调速系统的控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。
而且通过系统总线，数字控制系统能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行信息交换，实现生产过程的分级自动化控制。
所以，直流传动控制采用单片机实现数字化，使直流调速系统进入一个崭新阶段。
1.2直流电机调速的发展趋势
（1）国外发展概况
随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机数字控制调速系统的研究也在不断的发展和完善，尤其在80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。
大型究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究:
有的提出了内模控制的算法;有的提出了用I-P控制器取代PI调节器的方法;有的提出了自适应PID算法和模糊PID算法，等等。
近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器（如ADI的ADMC3××系列、TI的TMS320C240和Motorola的DSP56F8××系列），价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。
DSP的最大速度为20～40MIPS，单周期指令执行时间快达几十纳秒，它和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强10～15倍，确保系统有更优越的控制性能。
数规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。
（2）国内发展概况
我国在电机调速系统的水平还远落后于于发达国家，在电机调速的很多装备方面都还不够成熟。
全数字化调速系统在国内并没有得到广泛的应用。
目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发数字直流调速装置。
因此国内调速系统的研究也非常活跃，但很多电机调速的市场还是被国外公司所占据。
在国家十五计划中，对电机调速系统方面的研究投入将高达500亿元，所以电机调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。
基于目前国内外的研究状况，本设计主要研究的是用数字化调速系统代替传统的模拟调速系统。
虽然本设计研究的调速系统无法与国外先进的调速系统相比拟，但相对国内的现状，本设计研究还是具有一定的实用价值的。
1.3本文研究的内容
该系统以89C51单片机为核心，用PWM实现直流电机调速，并介绍PWM的基本原理和占空比调节的方法。
以小直流电机为控制对象，可以实现电机的启制动，正反转，速度调节。
要求通过单片机外围的键盘按键实现速度、转向调节，并在LCD上实时显示相关参数。
2直流调速系统的硬件设计
2.1设计方案综述
方案一：
PWM波调速
采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图2.1）。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术[4]。
我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。
图2.1PWM波调速电路
其结构图如图2.2所示：
图2.2电机调速系统框图
方案二：
晶闸管调速
采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。
1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。
如图2-3，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压
来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压
，从而实现平滑调速。
晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在
以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。
在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。
因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统），得到了广泛的应用[6]。
但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的
与
都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。
另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。
图2.3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）
兼于方案一调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案一。
2.1.1H桥驱动电路设计方案
图2-4所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
如图2-4所示，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图2.4H桥驱动电路
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。
例如，如图2-5所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图2.5H桥驱动电机顺时针转动
图2-6所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。
当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
图2.6H桥驱动电机逆时针转动
2.1.2调速设计方案
调速采用PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制，工作原理：
通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。
PWM的定义:
脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。
9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。
与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。
模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。
模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。
在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。
拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。
与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。
尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。
其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。
能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。
模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。
模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。
通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
2.2硬件设计
2.2.1电源电路
1）芯片介绍
78XX,XX就代表它所输出的电压值，能降低电压4-5V
电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。
故名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24,用来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100mA，78M系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为1.5A。
在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。
当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。
2）电路原理图
电源电路采用78系列芯片产生+5V、+15V。
电路图如图2.7：
IC采用集成稳压器7805和7815，C2、C3、C5、C6分别为输入端和输出端滤波电容，稳压二极管D1串接在7805稳压器2脚与地之间，可使输出电压U得到一定的提高，输出电压U为7805稳压器输出电压与稳压二极管D1稳压值之和。
D2是输出保护二极管，一旦输出电压低于D1稳压值时，D2导通，将输出电流旁路。
图2.778系列的电源电路
2.2.2H桥驱动电路
基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。
直流电机控制使用H桥驱动电路（图2.8），当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。
图2.8H桥的电机驱动电路
2.2.3基于霍尔传感器的测速模块
1）霍尔传感器的工作原理
霍尔效应：
在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。
该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。
工作原理：
霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。
信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。
单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT。
2）霍尔传感器的电路原理图
当电流流过霍尔传感器时，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压V精确的反映原边电流。
图2.9霍尔传感器的测速电路
2.3.4LCD显示模块
1）1602芯片介绍
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A’。
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为电源地
第2脚：
VDD接5V电源正极
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
2）电路原理图
图2.10LCD显示电路
3直流调速系统的软件设计
3.1PWM技术简介
3.1.1PWM介绍
脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。
它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。
一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。
从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。
在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
3.1.2PWM控制的基本原理
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量指窄脉冲的面积。
效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图3-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
分别将如图3-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图3-1a所示。
其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图3-1b所示。
从波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。
脉冲越窄，各i（t）响应波形的差异也越小。
如果周期性地施加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的。
用傅里叶级数分解后将可看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图3-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。
到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。
3.1.3PWM调速原理
直流电动机转速n=（U-IR）/Kφ
其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻,φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。
直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。
大多数应用场合都使用电枢电压控制法。
随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM（脉宽调制）便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。
PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比（占空比）来改变直流电机电枢上电压的"占空比"，从而改变平均电压，控制电机的转速。
在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。
只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。
而且采用PWM技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。
图3.3电枢电压“占空比”与平均电压关系图
如图3.3所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。
只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t／T，则电机的平均速度为Vd=VmaxD
式中，Vd--电机的平均速度；
Vmax--电机全通电时的速度（最大）；
D=t1/T--占空比。
由公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，，从而达到调速的目的。
严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以其近似地看成线性关系。
本次设计中PWM信号是由单片机EM78P156输出的，然后通过控制导通角实现对直流电机速度的控制。
其电路图如图所示
图3.4 单片机控制单元电路图
3.2调节器设计
3.2.1电流调节器设计
在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即E≈0。
这时，电流环如下图3.5所示。
图3.5电流环的动态结构图及其化简
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i（s）/，则电流环便等效成单位负反馈系统（图3.6所示）。
图3.6等效单位负反馈系统
3.2.2速度调节器的设计
（1）电流环节的等效闭环传递函数
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数Wcli（s）.电流环闭环传递函数为:
式中
。
接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i（s）,因此电流环在转速环中应等效为：
（2）转速调节器结构的选择。
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必有一个积分环节，它包含在转速调节器ASR中。
现在扰动作用点后加了一个积分环节，因此转速环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也满足动态抗扰性能好的要求。
其传递函数为：
其中Kn--------转速调节器的比例系数；
--------转速调节器的超调时间常数；
3.7用等效环节代替电流环
3.8等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处
3.9校正后成为典型II型系统
这样，调速系统的开环传递函数为：
令转速开环增益KN为
则有调速系统的开环传递函数为
3.2软件设计
3.2.1系统总控制流程图及说明
图3.10系统总控制流程图
如流程图所示
（1）单片机控制电机时，系统首先进入中断保护过程。
中断保护过程将完成如下5方面的工作：
保存端口的状态值。
保存中断前的片内寄存器值。
保存存储器的寻址地址。
保存主程序的执行代码断点。
初始化脉冲宽度、延时长度和状态信息。
（2）完成中断保护后，系统将检查脉冲宽度计时时间是否达到。
脉冲宽度计时用于开启可控硅，控制电机运行。
如果既定时间宽度的脉冲已完成（即判定结果为‘是’），则必须撤销脉冲；如果既定时间宽度的脉冲已完成（即判定结果为‘否’），则不撤销脉冲。
（3）判断电机是否正在运行。
如果电机没有运行，则恢复寄存器初始值，完成中断，返回系统主程序；如果电机正在运行，则继续执行。
（4）判断脉冲延时时间是否到达。
如果延时到达，中断将重新开启脉冲，并给出脉冲初始值，重新决定是否开启可控硅，控制电机运行；如果延时不到，则恢复寄存器初始值，完成中断，返回系统主系统。
（5）完成中断，返回系统主程序。
3.2.2PWM波软件设计
Pwm波软件设计的思想是：
通过控制总中断使能EA控制电机的开关，同时使能对霍尔传感器输出的方波在单位时间内脉冲个数的计数。
其中定时器T0,T1分别对脉冲的宽度、霍尔元件输出的脉冲数对应的1秒时间定时。
对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长度，由变量high控制。
变量change、sub_speed、add_speed分别实现电机的转向、加速、减速。
其程序流程图如图3.11所示。
图3.11PWM波软件设计方框图
部分程序代码如下：
/***********通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序*****************/
voidmotor_control（）
{
if（open==1）
EA=1;
if（close==1）
EA
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