基于单片机的直流电机调速系统的设计

基于单片机的直流电机调速系统的设计内容摘要：

行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。 其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号 ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号 EA，以及片外取指信号PSEN。 8051 在物理上有 3 个存储器空间 ： 1)片内数据存储器 RAM。 2)片外 数据存储器RAM。 3)程序存储器 ROM。 程序存储器 ROM 地址空间为 64kB，片外数据存储器 RAM 也有 64kB 的寻址区，在地址上是与 ROM 重叠 的。 8051 单片机通过不同信号来选通 ROM 或 RAM。 当从外部 ROM 中取指令时，采用选通信号 PSEN，而从外部 RAM 中读写数据时则采用读RD 和写 WR 信号或来选通，因此不会因地址 重叠 而发生混乱。 片内数据存储器 RAM： 片内 RAM 有 256 个字节，其中 00H～ 7FH 地址空间是直接寻址区，该区域内从 00H～ 1FH 地址为工作寄存器区，安排了 4 组工作寄存器，每组都为 R0～ R7，在某一时刻， CPU 只能使用其中任意一组工作寄存器，由程序状态字 PSW 中 RS0 和 RS1 的状态决定。 片内 RAM 的 20H～ 2FH 地址单元为位寻址区，其中每个字节的每一位都规定了位地址。 每个地址单元除了可进行字节操作之外，还可进行位操作。 片内 RAM 的 80H～ FFH 地址空间是特殊功能寄存器 SFR 区，对于51 子系列在该区域内安排了 21 个特殊功能寄存器，对于 52 子系列则在该区域内安排了 26 个特殊功能寄器，同时扩展了 128 个字节的间接寻址片内 RAM，地址也为 80～FFH，与 SFR 区地址 重叠。 片外数据存储器 RAM： 当片 内 RAM 不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他 I/O 口扩展外部 RAM，其最大容量可达 64KB 字节。 在片内数据存储器中，数据区和扩展的 I/O 口是统一编址的，使用的指令也完全相同，因此，用户在应用系统设计时，必须合理地进行外部 RAM 和 I/O 端口的地址分配，并保证译码的唯一性。 程序存储器 ROM： 程序存储器 ROM 包括片内 ROM 和片外 ROM 两个部分。 主要用来存放编好的用户程序和表格常数，它以 16 位的程序计数器 PC 作为地址指针，寻址空间为 64KB。 当 EA 接高电平时，单片机从片内 ROM 的 4kB 字节存储器区取指令， 当指令地址超过 0FFFH 后，自动地转向片外 ROM 取指令。 当 EA 接低电平时，所有的取指操作均对片外程序存储器进行。 基于单片机的直流电机调速 系统的 设计 10 8051 单片机的片外总线结构 及并行 I/O 口 总线是多个系统部件之间进行信息传送的公共通路。 一个单处理器系统中的总线，按其所处位置的不同，大致可分为三类： 内总线 是 指同一部件如 CPU 内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。 系统总线 是 指同一台计算机系统内部各部件之间进行通信的总线。 根据总线所完成的功能的不同，总线可分为地址总线，数据总线和控制总线。 外部存储器 与单片机的连接如图 27 所示。 （ 1）地址总线（ AB）： 用来传输主存的单元地址码、外部设备的设备码或地址码。 地址总线宽度为 16 位，由 P0 口经地址锁存器提供低 8 位地址（ A0 ～ A7）；P2 口直接提供高 8 位地址（ A8～ A15）。 地址信号是由 CPU 发出 的，故地址总线是单方向的。 （ 2）数据总线（ DB）： 用来在总线上的两个部件之间传送数据。 数据总线宽度为 8 位，用于传送数据和指令，由 P0 口提供。 （ 3）控制总线（ CB）： 用来传输全机的控制信号。 控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令，主要有 PSEN、 WR、 RD 信号。 图 27 8051与外部存储器连接 图 8051 单片机有 4 个并行 I/O 口，称为 P0、 P P2 和 P3，每个端口都有 8 根引脚，它们都是双向通道，每一条 I/O 引脚都能独立地用做输入或输出，作为输出时数据可以锁存，作为输入时数据可以缓冲。 P0、 P P2 和 P3 这 4 个 I/O 口的结构不尽相同，因此它们的功能和用途也不相同。 P0 口为三态双向口，可驱动 8 个 TTL 电路， P基于单片机的直流电机调速 系统的 设计 11 P P3 口为准双向口（作为输入时，需要先向口锁存器写入 1， 故称为准双向口），其负载能力为 4 个 TTL 电路。 P0 口 （ ～ ） 是三态双向 I/O 口，可作为通用 I/O 口使用，也可以作为系统扩展时的低 8 位地址 /8 位数据总线使用。 当单片机系统需要扩展片外存储器或者需要扩展具有数据 /地址线的芯片时， P0 口只能作为低 8 位地址 /8 位数据总线使用，不能再作通用 I/O 口使用。 其结构图分别如图 28 所示。 图 28 P0口的结构图 P1 口 （ ～ ） 是一个准双向 I/O 口，它只能作为通用 I/O 口使用，没有第二功能。 其内部已接有上拉电阻，因此 P1 口在作为通用输出口使用时，不需要再外接上拉电阻。 当 P1 口作为输入口使用时，需要向 P1 口锁存器先写入 “ 1” ， 然后读取P1 口的输入信号。 其结构如图 29 所示。 图 29 P1口的结构图 P2（ ～ ） 口是一个准双向 I/O 口， P2 口作为通用 I/O 口使用时，不需要再外接上拉电阻；当 P2 口作为输入口使用时，需要向 P2 口锁存器先写入 “ 1” ，然后基于单片机的直流电机调速 系统的 设计 12 再读取 P2 口的输入信号。 当系统有扩展片外存储器或扩展具有数据 /地址线的芯片时，P2 口作为地址高 8 位信号线，此时 P2 口只能作为地址线使用，而不能作其它使用。 其结构如图 210 所示。 图 210 P2口的结构图 P3 口（ ～ ） 为内部带上拉电阻的 8 位 准双向 I/O 口， P3 口除了作为一般的 I/O 口使用之外，每个引脚都具有第二功能。 P3 端口和 Pl端口的结构相似，区别仅在于P3 端口的各端口线有两种功能选择。 当处于第一功能时，第二输出功能线为 1，此时，内部总线信号经锁存器和场效应管输入 /输出，其作用与 P1 端口作用相同，也是静态准双向 I/O 端口。 当处于第二功能时，锁存器输出 1，通过第二输出功能线输出特定的内含信号，在输入方面，即可以通过缓冲器读入引脚信号，还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能信号。 由于输出信号锁存并且有双重功能，故 P3 端口为静态双功能端口 [2]。 其结构如图 211 所示。 图 211 P3口的结构图 基于单片机的直流电机调速 系统的 设计 13 第 三 章 系统硬件电路设 计 总体 方案设计 本文采用 51 单片机为控制核心，配以 44 键盘和 4 位数码管显示 ， 通过 D/A 转换电路对驱动电路进行电压采集和速度采集 ， 并实现过压保护和速度显示。 51 单片机的最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带 LED 负载；具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护；外围配置简单提高了整机的可靠性；并且具有较强的抗干扰性。 极大地提高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力。 由于受单片机 I/O 口的限制。 通过增加 外围硬件来实 现动态显示段位、设定时间、设定转速和测量的实际转速。 系统工作原理 图如 图 31 所示。 给定 输出 — 图 31 系统 工作原理 图 由 图 31 可知 ， 如果电机始终接通电源时 ， 电机转速最大为 maxV ， 占空比为TtD /1 ； 则电机的平均速度为 ： DVVD  max ， 可见只要改变占空比 D， 就可以得到不同的电机速度 ， 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 ， 可将其近似看成线性关系 [3]， 如图 32 所示。 图 32 电枢电压占空比和平均电压的关系图 单片机 PWM控制 直流 电机 转速测量 及变送 A/D 转换 D/A 转换 LED 显示 基于单片机的直流电机调速 系统的 设计 14 直流电机 的工作 原理 和 调速 方法 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心 ，大拇 指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向 ）。 导体受力的方向用左手定则确定。 这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。 如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 由 图 33 所示 ， 电枢电压为 aU ， 电枢电流为 aI ， 电枢回路总电阻为 aR ， 电机常数 aC ， 励磁磁通量是 。 那么根据KLV 方程 : 电机转速 aaaaC RIUn ， 其中 ， 对于极对数为 P ， 匝数为 N ， 电枢支路数为 a 的电机来说 :电机常数 apNCa 60， 意味着电机确定后 ， 该值是不变的。 而在aaa RIU  中 ， 由于 aR 仅为绕组电阻 ， 导致 aaRI 非常小 ， 所以 aaa RIU   aU。 由此可见我们改变电枢电压时 ， 转速 n 即可随之改变 [4]。 图 33 直流电机原理图 直流电动机的定子通常有 励磁绕阻，当励磁绕阻通以直流电流时产生磁场。 转子又称电枢，它的作用是产生电磁转矩和电势，实现机电能量的变换。 当电枢旋转时，电枢绕阻中将产生交变感应电动势，通过换向器的作用，流经电机电刷上的电流为直流电，忽略电感时，电枢电流 dI 为 ddd UEI R (31) 基于单片机的直流电机调速 系统的 设计 15 式中 : dU — 电枢电压 (V ) dE — 电枢反电势 (V ) R — 电枢回路电阻 （  ） 直流他励电动机的机械特性方程为 ： 11 ()d dde e eU Rn T U I RC C C C       (32) 式中 : dU — 电枢电压 )(V n — 电动机转速 min)/(r  — 电动机磁通 )(bW R — 电枢回路电阻 )( T — 电动机的转矩 )( mN eC — 电动机的电势系数 1C — 电动机的转矩系数 连续改变电枢供电电压 aU ，可以使直流电动机在很宽范围内实现无级调速。 例如在机组供电调速系统中，只要改变发电机的励磁电流场，便可改变发电机的输出电压 dU ，从而改变电动机的转速 n。 在不同 的电枢电压下，其机械特性都是一条直线，因此，当连续改变电枢电压 时，其机械特性便是一簇完全平行的直线。 由于电动机既可以 工作在电动机状态，也可以工作在发电机状态，所以改变发电机励磁电流方向，就可以使系统很方便地工作在任意四个象限。 采用晶闸管供电的直流调速系统，其特性方程式为 : ddeU I Rn K (33) 式中 : eK — 当磁通恒定时电动机的电势常数，  ee CK dU — 理想空载整流电压 )(V 基于单片机的直流电机调速 系统的 设计 16 dI — 整流电流的平均值 )(A R — 电枢回路总的等效电阻 )( 但是当延迟角  很大，而且负载电流很小时，电流断续作用显著，如果此时仍采用上述近似处理，其误差就很大，这时可以近似地采用两段直线来描述。 把断续区的曲线近似地用一条具有很大等效电阻 39。 R 的直线来 代替。 此直线与横轴的交角为  ， 则tan39。 eKR  变电枢电压调速是可调速直流传动系统应用最广泛的一种调速方法。 在这种调速方法中，由于电动机在任何转速下磁通和等效电阻都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速通风恶化的影响 (也就是说假定电动机是强迫通风或为封闭的自冷式 )，则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒定转矩调速，这是它的一个极为重要的特点。 如果采用反馈控制系统，调速范围可 达 50:1～ 150:1，甚至更 大 [5]。 调压调速法具有平滑度高、能耗少、精度高等优点 ， 在工业生产中广泛使用 ， 其中 PWM 应用更为广泛。 脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开 ， 并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短 ， 即改变直流电机电枢。