基于单片机直流电机多速控制器设计

基于单片机直流电机多速控制器设计内容摘要：

缺点是效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。 第二，三十年代末，出现了发电机 —电动机 (也称为旋转变流组 )，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围 (十比一至数十比一 )、较小的转速变化率和调速平滑等。 特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。 但发电机 —电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅 助励磁设备，因而设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、运行有噪声、维修困难等。 第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机 —电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。 特别是它的系统快速响应性是发电机 —电动机系统不能比拟的。 但是汞弧变流器仍存在一些缺点 :维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。 第四， 1957 年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。 由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长 、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。 晶闸管变流装置的放大倍数在 10000 以上，比机组 (放大倍数 10)高 1000倍，比汞弧变流器 (1000)高 10 倍。 在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。 因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。 随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控 制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。 计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。 与传统控制系统相比，计算机控制具有以下独特优点 : (l)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； 北华大学毕业设 计（论文） 4 (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。 本文所做的主要工作 本文在选定直流电机、编码器 、直流伺服放大器的基础上，完成系统整体方案设计并实现以 STC 单片机为核心的直流电机多速控制系统，主要工作内容有 (l)控制系统总体方案设计； (2)选择 STC89C51 单片机作为主控芯片，熟悉它的功能、硬件结构和接口电路； (3)控制系统的硬件设计； (4)控制系统的软件设计； (5)在 PC 机上完成直流电机运行参数界面设计和串行通信软件设计； 北华大学毕业设 计（论文） 5 2 系统方案设计 直流电机的能量转化和特性曲线 直流电机将电能 elP ， (电流 I 和电压 u)转化为机械能 mechP (速度 v 和转矩 M)。 其中损耗可分为摩擦损耗和热损耗 jP (热损耗是由于线圈电阻 R 产生 )。 余下的转化为机械能 mechP ，如图 所示。 因此电机的功率守恒可表述为 : jmechel PPP  （ ） 更详细的也可描述为 : 2IRM30000  nIU  （ ） 图 电机能量转换图 在能量转化过程中，有两个特性参数是至关重要的，他们是速度常数 nK 和转矩常数 mK ，速度常数是指速度 n 和线圈感应电压 indU 之间的关系，是指在忽略摩擦的情况下的每个单位电压下的速度变化， indU 与速度是成正比的，公式如下 : indn Ukn  （ ） 北华大学毕业设 计（论文） 6 转矩常数所联系的是机械转矩 M 和电流 I 之间的关系，是指转矩和有效电流之比。 公式如下 : IKM m  （ ） 速度常数 k。 和转矩常数 kM 有如下关系 : 30000 mn kk （ ） 如果用转矩 M 和转矩常数 kM 来表示电流，可得如下关系 : 2)(30000mm kMRMnkMU   （ ） 考虑到 Kn 和 Km 之间的关系，我们可将上式进一步化为 : MkRUknmn 2300 00 （ ） 上式便是直流电机的转 速、转矩、电阻、转矩常数和速度常数之间的关系。 这里转矩单位是 mNm。 电流单位是 A，速度单位是 rpm ，电压单位是 0v。 直流电机可以运行在额定范围内的任何电压下，速度 转矩曲线表述的是在一恒定电压 U 下电机的机械表现，该曲线可由两点法给出 :空载转速 n。 和堵转转矩 hM (空载转速 :电机在额定电压、空载的情况下的转速。 堵转转矩 :它是电机在堵转条件下的转矩值，也叫起动转矩 )，如图 所示。 空载转 速与堵转转矩将随着给定电压的改变而成线性关系。 它相当于速度一转矩曲线在特性曲线上平移，如图所示。 空载转速与电压有如下关系 : Unkn 0 （ ） 北华大学毕业设 计（论文） 7 速度 — 转矩曲线走势是由斜率来表述的，与电压无关，它是一项体现电机性能的重要参数，如下关系 : HMnMn 0 （ ） 直流电机的速度与转矩间的关系可用下式表示 : MMnnn  0 （ ） 转 矩 M速 度 n 0 n M nUU nUU  HM 图 直流电机速度－转矩曲线图 系统总体方案 系统总体方案设计如图 所示： 北华大学毕业设 计（论文） 8 单片机 显 示 键 盘 P C D / A转换 电 路 伺 服 放大 器 整 形 电路V单片机 EABM图 直流电机多速控制器系统结构图 系统以 STC89C51 单片机为控制核心，通过键盘设置各段运行参数，也可通过电脑设置下载到单片机。 单片机输出二进制控制量，经 D/A 转换电路将对应模拟电压送到直流伺服放大器的设定值输入端。 伺服放大器根据输入的模拟电压而输出对应的电压来控制直流电机的转速。 和直流电机同轴的光电编码器 E 输出 A、 B 两路方波信号送到伺服放大器和整形电路，通过整形电路送到单片机用于测量转速。 伺服放大器不断比较设定值和实际值，根据比较获得的误差调节伺服放大器的输出电压。 显示部分显示各段设定的时间值、转速值和测量的转速值。 单片机主要完成参数设置、转速测量 、参数显示和控制输出等功能。 系统选型 直流电机选型 根据系统技术要求，本文的直流电机选用 maxon 集团的高级精密电机 Amax 32Ф32rnrn，石墨电刷，性能指标如下所示 : 标称功率 15w 额定电压 空载转速 5860rPm 堵转转矩 129mNm 速度 /转矩斜率 空载电流 74mA 堵转电流 3370mA 电机电阻 最大允许转速 6000rPm 最大连续电流 1020mA 最大连续转矩 北华大学毕业设 计（论文） 9 最大输出功率 19200mw 最大效率 72% 转矩常数 速度常数 250rpm/V 机械时间常数 20ms 转子惯量 电机电感 机壳到环境的热阻抗 转子到机壳的热阻抗 绕组的热时间常数 17S 光电数字编码器 光电数字编码器选用 maxon 集团的数字 MR 编码器， L 型。 伺服放大器选型 伺服放大器选用 maxon 集团的 LSC/24－ Q－ DC 四象限直流伺服放大器，用于与带永久磁钢的直流微电机。 D/A转换器芯片选择 D/A 转换器是一种线性器件，将输入的数字量转化为之成正比的模拟量输出。 由于实现这种转换原理，电路结构和工艺技 术等不同，并且在不同的应用场合中又有不同的要求，目前在国内、外市场出现了多种型号的 D/A 转换器芯片，本设计选用TLC5615。 此芯片是 10 位具有串行接口的 D/A 转换器，其输出为电压型。 它的性能比较高，器件使用简单。 TLC5615 的管脚图如图 所示 D I NS C L KC SD O U TV c cO U TR E F I NA G N D12346758 图 TLC5615 管脚图 TLC5615 的主要性能特点 北华大学毕业设 计（论文） 10 （ 1） 单 5V 电源工作 （ 2） 3 线串行接口 （ 3） 高阻抗基准输入 （ 4） DAC 最大输出电业是基准点压值得两倍，且单调变化。 （ 5） 具有复位功能以确保可以重复启动 （ 6） 低消耗 ，在 5V 供电时功耗仅为。 （ 7） 数据更新速率为 ，典型建立时间为 单片机选型 由单片机实现检测控制，其中一个首要的工作就是选择合适的单片机。 目前国内在使用单片机作控制系统的微处理器时多选择 PIC 系列或 Motorola 系列单片机，而本系统选用的 STC89C51 单片机在多个方面较其它系列单片机有一定的优越性。 下面对STC89C5 单片机作较详细介绍。 其芯片引脚图 如图 所示： P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 4P 1 . 3P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 3 . 0R S TP 3 . 1P 3 . 2P 3 . 3P 3 . 5P 3 . 4P 3 . 6P 3 . 7X T A L 2G N DX T A L 1V c cP 0 . 1P 0 . 2P 0 . 4P 0 . 3P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7A L EV P PF S E NP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 0P 2 . 1P 0 . 0STC89C51 图 管脚图 北华大学毕业设 计（论文） 11 STC89C51性能及特点 (1)与 MCS51 微控制器产品系列兼容； (2)片内有 4KB 可在线重复编程的快闪擦写存储器（ Flash Memory）； (3)存储器可循环写入 /擦除 1000 次； (4)存储数据保存时间为 10 年； (5)宽工作电压范围： Vcc 可为 ~6V； (6)全静态工作：可从 0HZ 到 16MHZ； (7)程序存储器具有 3 级加密保护； (8)128﹡ 8 位内部 RAM； (9)32 条可编程 I/O 线； (10)两个 16 位定时器 /计数器； (11)中断结构具有 5 个中断源和 2 个优先级； (12)可编程全双工串 行通道； (13)空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。 本章小结 本章分析了直流电机的能量转换和特性曲线，依据系统技术要求进行了整体方案设计，分析了系统工作原理，依据系统技术要求和方案对直流电机、伺服放大器、光电数字编码器、 D/A 转换芯片、单片机等进行了选型。 北华大学毕业设 计（论文）。