直流电机控制.docx
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直流电机控制
直流电机速度控制器设计
摘要
直流电机的定义：
将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。
电气传动是现代最主要的机电能量变化形式之一。
在当今社会中广泛使用着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求：
如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。
为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制；为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速t”。
电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。
各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电机调速系统。
按照电机的型式，调速系统可分为直流调速系统和交流调速系统。
而在交流调速系统中，又可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。
可以说，目前己形成了直流电动机、异步电动机和同步电动机三大调速系列。
与传统控制系统相比，计算机控制具有以下独特优点：
（1）对被控对象一电动机的各种状态量可以实现快速、宽范围、高分辨率、高精度的检测，为高性能传动系统的实现提供了基本条件；
（2）由计算机控制的各类电力电子功率变换装置可以使电动机有接近理想的可控供电电源，为提高传动系统的性能提供了保证；
（3）以计算机为核心的控制装置可以完成包括复杂计算和判断在内的高精度运算、变换和控制．软件的模块化结构可以方便的对应用程序实时增加、更改、删减，当实际系统变化时也可以彻底更新。
软件控制的这种灵活性大大增强了控制器对被控对象的适应能力，使各种新的控制策略和控制方法得以实现；
（4）使用计算机可以显著改善和提高控制装置的可靠性。
集成电路和大规模集成电路的平均无故障时间大大长于分立元件电子电路；
（5）精心设计的计算机控制装置体积小、重量轻、耗能少，能降低硬件成本。
本文阐述了基于80C51单片机的直流电机速度控制系统的设计特点，介绍了在Proteus仿真软件中，对直流电机进行速度控制的相关算法及软、硬件实现。
设计中软件设计采用C语言编程，硬件设计DAC方式驱动电动机。
另外还可以通过键盘输入改变直流电机速度值。
最后对实验数据进行了分析。
关键词：
单片机；直流电机；DAC；速度控制
Abstract
DCmotordefinition:
DCelectricalenergyintomechanicalenergy（DC）ortoconvertmechanicalenergyintoDCelectricenergy（dynamo）rotationmotor.
Electricdriveisthemostimportantformofelectricalenergychange.Intoday'ssocietyiswidelyusedineverykindofelectricdrivesystem,manyofwhichsystemwithspeedrequirements:
suchasvehicle,elevator,machinetools,papermakingmachineryandsoon.Inordertomeetthetechnologicalrequirementsofproduction,operation,oftenneedtoanotherdevicesuchasamachine,waterpumpcontrol;inordertoreducethelossofelectricenergysavingoperation,alsoneedtothemotorspeedt".Motorspeedcontrolsystemiscomposedofacontrolpart,apowersectionandamotorthreemajorelementsofanorganicwhole.Thesectionbetweendifferentcombinations,canformavarietyofmotorspeedcontrolsystem.Accordingtothetypeofmotor,speedcontrolsystemcanbedividedintoDCspeedcontrolsystemandACspeedregulationsystem.IntheACspeedadjustmentsystem,andcanbedividedintoasynchronousmotorandsynchronousmotorspeedcontrolsystem.Cansay,atpresenthasformedaDCmotor,inductionmotorandsynchronousmotorthreespeedseries.
Comparedwithtraditionalcontrolsystem,computercontrolhasthefollowingadvantages:
（1）forthecontrolledobjectamotor'sstateamountcanachievefast,widerange,highresolution,highaccuracy,highperformancetransmissionsystemprovidesthebasicconditions;
（2）arecontrolledbyacomputerandallkindsofpowerelectronicpowerconversiondevicecanmakethemotorhasanearlyidealcontrollablepowersupply,inordertoimprovetheperformanceoftransmissionsystemprovidesguarantee;
（3）thecomputerasthecorecontroldevicecanbecompletedincludingthecomplexcalculationandjudgement,highprecisionarithmetic,transformandcontrolsoftwaremodularstructurecanbeconvenientforapplicationsinreal-timetoincrease,change,delete,whentheactualsystemchangescanalsobecompletelynew.Softwarecontrolledthisflexibilitygreatlyenhancedthecontrollercanadaptability,makeallsortsofnewcontrolstrategiesandcontrolmethodstoachieve;
（4）theuseofthecomputercansignificantlyimproveandenhancethereliabilityofthecontrolunit.Integratedcircuitsandlarge-scaleintegratedcircuitMTBFismuchlongerthanthediscreteelectroniccircuit;
（5）carefuldesignofthecomputercontroldevicehastheadvantagesofsmallvolume,lightweight,lowenergyconsumption,canreducethehardwarecost.
InthispaperbasedonSCM80C51DCmotorspeedcontrolsystemdesign,introducedintheProteussimulationsoftware,thespeedoftheDCmotorcontrolalgorithmsandsoft,hardwareimplementation.DesignofsoftwaredesignusingClanguageprogramming,hardwaredesignofDACdrivingmotor.AlsocanbeinputthroughthekeyboardtochangetheDCmotorspeedvalue.Finally,theexperimentaldatawereanalyzed.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;DCmotor;DAC;speedcontrol
目录
1设计任务1
1.1设计目的和意义1
1.2设计任务与要求1
2系统设计1
2.1总体方案设计1
2.2芯片选型与具体电路设计2
2.2.1单片机的选型2
2.2.2振荡电路的设计4
2.2.3电源和复位电路的设计5
2.2.4DAC的选型与单片机接口电路的设计5
2.2.5按键电路的设计9
2.3系统总体电路10
2.4系统所用元器件11
3软件系统设计11
3.1软件系统总体设计方案11
3.2软件系统流程图12
3.2直流电机速度控制器的源程序14
4系统调试16
5总结16
参考文献17
1设计任务
1.1设计目的和意义
直流电机具有良好的起动、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系统中得到了广泛的应用。
近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论是在理论上还是在实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生活中有着举足轻重的作用。
虽然随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电机拖动将有逐步被交流电机拖动所取代的趋势，但在中、小功率场合，常采用永磁直流电动机。
早期的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。
随着单片机技术的不断进步，数字量代替模拟量使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的速度控制提供了更大的灵活性，并使系统能够达到更高的稳定性能，同时还具有软特性好，过载能力强，调速稳定等优势。
因此，本课题的研究具有很好的实际意义。
1.2设计任务与要求
本次课程设计利用D/A转换器和按键设计一个直流电动机转速控制器。
按键定义如下：
0键表示停止，1键表示1/10转速，2键表示2/10转速……9键表示最高速（D/A输出满量程），键号每加1，D/A输出增加0.5V。
2系统设计
2.1总体方案设计
根据系统的要求，确定系统的总体方案如图1所示。
其中单片机作为整个系统的核心，读取按键的状态量，经过数据处理后，输出数字量至DAC转换模块，从而控制直流电机的电压。
图1系统总体设计方案
2.2芯片选型与具体电路设计
2.2.1单片机的选型
本次设计选用MCS-51单片机，
MCS—51系列单片机引脚及总线结构
（a）管脚图；（b）引脚功能分类
MCS—51系列单片机配置
MCS—51系列单片机内部结构框图
MCS—51系列单片机内部结构简化框图
各引脚功能：
1.主电源引脚Vcc和Vss
VCC（40脚）:
接+5V电源正端;
VSS（20脚）:
接+5V电源地端。
2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）:
接外部石英晶体的一端。
在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚接地;对于CHMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2（18脚）:
接外部晶体的另一端。
在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端;对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。
3.控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、和等4种形式。
（1）RST/VPD（9脚）:
RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
（2）（30脚）:
当访问外部存储器时,ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低8位地址。
（3）（29脚）:
片外程序存储器读选通信号输出端,低电平有效。
（4）（31脚）:
为访问外部程序存储器控制信号,低电平有效。
4.输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口
（1）P0口（39脚～32脚）:
P0.0～P0.7统称为P0口。
（2）P1口（1脚～8脚）:
P1.0～P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。
（3）P2口（21脚～28脚）:
P2.0～P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。
（4）P3口（10脚～17脚）:
P3.0～P3.7统称为P3口。
2.2.2振荡电路的设计
该电路主要有电容C2、C3和12MHz晶振X1组成。
其组成原理图如图3所示，图中XTAL1为芯片内部振荡电路的输入端，XTAL2为芯片内部振荡电路的输出端。
图3振荡电路
2.2.3电源和复位电路的设计
单片机通常采用的复位方式有上电复位和按钮复位两种。
本次设计用到的复位方式是按钮电平复位。
其原理图如图4所示。
当按下按钮SW时，电容对R4迅速放电，RESET端变为高电平，RESET松开后，电容通过电阻R4进行充电，RESET端恢复低电平。
图4复位电路
2.2.4DAC的选型与单片机接口电路的设计
2.2.4.1D/A转换器接口的技术性能指标
（1）分辨率。
分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述,与输入数字量的位数有关。
如果数字量的位数为n,则D/A转换器的分辨率为2-n。
这就意味着D/A转换器能对满刻度的2-n输入量作出反应。
（2）建立时间。
建立时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数,指从输入数字量变化到输出达到终值误差±1/2LSB（最低有效位）时所需的时间,通常以建立时间来表明转换速度。
（3）接口形式。
D/A转换器与单片机的接口方便与否,主要决定于转换器本身是否带数据锁存器。
2.2.4.2芯片的选择
本设计中采用的数模转换器为DAC0832。
DAC0832为一个8位D/A转换器,单电源供电,在+5~+15V范围内均可正常工作。
基准电压的范围为±10V,电流建立时间为1μs,CMOS工艺,低功耗20mW。
使用了COMS电流开关和控制逻辑而获得低功耗、低输出的泄漏电流误差。
转换结果以一组差动电流IOUT1和IOUT2输出。
DAC0832主要性能参数：
①分辨率8位；②转换时间1μs；③参考电压±10V；④单电源+5V~+15v；
⑤功耗20mW。
DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号XFER。
因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。
此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。
图中ILE为高电平、CS和WR1为低电平时，ILE为高电平，输入寄存器的输出跟随输入而变化；此后，当WR1由低变高时，ILE为低电平，资料被锁存到输入寄存器中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。
对第二级锁存器来说，XFER和WR2同时为低电平时，ILE为高电平，DAC寄存器的输出跟随其输入而变化；此后，当WR2由低变高时，ILE变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到DAC寄存器中。
DAC0832的内部结构框图如下图所示：
DAC0832内部结构框图
DAC0832引脚图0832运算放大器接法
各引脚的功能如下：
（1）D7~D0：
转换数据输入端。
（2）：
片选信号,输入,低电平有效。
（3）ILE：
数据锁存允许信号,输入,高电平有效。
（4）：
写信号1,输入,低电平有效。
（5）：
写信号2,输入,低电平有效。
（6）：
数据传送控制信号,输入,低电平有效。
（7）IOUT1：
电流输出1,当DAC寄存器中各位为全“1”时,电流最大;为全“0”时,电流为0。
（8）IOUT2：
电流输出2,电路中保证IOUT1+IOUT2=常数。
（9）Rfb：
反馈电阻端,片内集成的电阻为15kΩ。
（10）Vref：
参考电压,可正可负,范围为-10~+10V。
（11）DGND：
数字量地。
（12）AGND：
模拟量地。
2.2.4.3DAC0832的工作方式与单片机的接口
DAC0832有3种工作方式：
⑴单缓冲方式：
单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。
此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。
⑵双缓冲方式：
双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。
此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。
⑶直通方式：
直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即WR1，WR2，XFER，CS均接地，ILE接高电平。
此方式适用于连续反馈控制线路，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。
DAC0832及其外部电路如图6所示。
本设计中选用的是单缓冲型方式，即将P2.6与CS连接。
当P2.6=0时，输入寄存器工作，其端口地址为0BFFFH。
单片机与DAC0832的接口有3种连接方式,即直通方式、单缓冲方式及双缓冲方式。
直通方式不能直接与系统的数据总线相连,需另加锁存器,故较少应用。
由于本设计只需一个输出信号，故选用单缓冲工作方式。
DAC0832的3种单缓冲连接方式：
（a）DAC寄存器直通方式；
（b）输入寄存器直通方式；
（c）两个寄存器同时选通及锁存方式
2.2.5按键电路的设计
本次设计中按键原理图如图如下。
按键电路原理图
2.2.6直流电机部分
原理图如图8所示。
直流电机及其驱动电路
2.3系统总体电路
系统总体电路图如图所示。
系统总体电路图
2.4系统所用元器件
本系统所用的元器件清单如表1所示。
表1本系统所用的元器件
元器件名称
数量
电阻1k
2
电容20uF
3
单片机80C51（MCS-51系列）
1
数模转换器DAC0832
1
运算放大器
1
直流电机
1
按键开关
11
晶振12MHz
1
电源VCC
导线
若干
3.软件系统设计
3.1软件系统总体设计方案
根据系统要求，软件系统总体设计方案图如图所示。
软件系统总体设计方案图
3.2软件系统流程图
根据系统要求，软件系统流程图如图所示。
3.3直流电机速度控制器的源程序：
#include
#include
#defineDAC0832XBYTE[0xbfff]//定义DAC0832端口地址
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitK0=P3^0;
sbitK1=P3^1;
sbitK2=P3^2;
sbitK3=P3^3;
sbitK4=P3^4;
sbitK5=P3^5;
sbitK6=P3^7;
sbitK7=P1^7;
sbitK8=P1^6;
sbitK9=P1^5;
voidDelayms（uintms）//延时
{
uchart;
while（ms--）
for（t=0;t<120;t++）;
}
voidmain（）
{
while
（1）
{
if（K0==0）DAC0832=0;//对应输出的电压为0
if（K1==0）DAC0832=25;
if（K2==0）DAC0832=51;
if（K3==0）DAC0832=77;
if（K4==0）DAC0832=102;
if（K5==0）DAC0832=128;
if（K6==0）DAC0832=154;
if（K7==0）DAC0832=179;
if（K8==0）DAC0832=205;
if（K9==0）DAC0832=255;//对应输出电压为5
Delayms（20）;
}
}
直流电机速度控制是本次设计的最主要任务，在这次设计中需要DAC0832输出10个不同的模拟电压值，即DAC0832输入的数字量是10个不同值。
这些值通个开关来控制，即每一个开关确定P0口输出的一个值。
具体程序如下：
while
（1）
{
if（K0==0）DAC0832=0;//对应输出的电压为0
if（K1==0）DAC0832=25;
if（K2==0）DAC0832=51;
if（K3==0）DAC0832=77;
if（K4==0）DAC0832=102;
if（K5==0）DAC0832=128;
if（K6==0）DAC0832=154;
if（K7==0）DAC0832=179;
if（K8==0）DAC0832=205;
if（K9==0）DAC0832=255;//对应输出电压为5
Delayms（20）;
}
4系统调试
当按下K0—K9键后，得到的不同电压输出值如表所示。
电压输出值表
按键序号
理想电压值
实际电压值
K0
0.00V
0.00V
K1
0.50V
0.50V
K2
1.00V
1.00V
K3
1.50V
1.51V
K4
2.00V
2.02V
K5
2.50V
2.49V
K6
3.00V
2.99V
K7
3.50V
3.50V
K8
4.00V
3.97V
K9
5.00V
4.95V
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