單片機89C51在直流調速控制系統中的應用

一、前言

直流電動(dòng)機具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來(lái)看，直流調速還是交流拖動(dòng)系統的基礎^[4]。早期直流電動(dòng)機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線(xiàn)性集成電路以及少量的數字電路組成，控制系統的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動(dòng)機控制技術(shù)的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著(zhù)單片機技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為直流電動(dòng)機的控制提供了更大的靈活性，并使系統能達到更高的性能。采用單片機構成控制系統，可以節約人力資源和降低系統成本，從而有效的提高工作效率^[1]。

二、轉速的測量原理

轉速是工程上一個(gè)常用的參數，旋轉體的轉速常以每分鐘的轉數來(lái)表示。其單位為r/min。轉速的測量方法很多，由于轉速是以單位時(shí)間內的轉數來(lái)衡量的，因此采用霍爾元器件測量轉速是較為常用的一種測量方法。

霍爾器件是有半導體材料制成的一種薄片，器件的長(cháng)、寬、高分別為l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁場(chǎng)B，在沿l方向的兩個(gè)端面加以外電場(chǎng)，則有一定的電流經(jīng)過(guò)。由于電子在磁場(chǎng)中運動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為：f_l＝qVB

式中：f_l――洛侖磁力，q――載流子電荷，V――載流子運動(dòng)速度，B――磁感應強度。

這樣使電子的運動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過(guò)剩，形成霍爾電場(chǎng)，霍爾元器件兩個(gè)側面間的電位差U_H稱(chēng)為霍爾電壓。

霍爾電壓大小為：U_H=R_H×I×B/d(mV)

式中：R_H ---霍爾常數，d---元件厚度，B---磁感應強度，I---控制電流

設K_H= R_H/d ，則U_H=K_H×I×B (mV)

K_H為霍爾器件的靈敏系數(mV/mA/T),它表示該霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢的大小。應注意，當電磁感應強度B反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應電壓將隨外界磁場(chǎng)強度而變化，根據這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動(dòng)機的轉軸上轉盤(pán)的邊沿，轉盤(pán)隨被測軸旋轉，磁鋼也將跟著(zhù)同步旋轉，在轉盤(pán)附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉盤(pán)隨軸旋轉時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，故輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉速。

三、直流電動(dòng)機轉速控制系統硬件設計

通過(guò)自制5V電源來(lái)確保工作電壓正常,由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動(dòng)機轉速轉換成脈沖信號，送至單片機的計數器T1，由T1測出電動(dòng)機的實(shí)際轉速，并與設定值比較形成偏差。根據比較結果，使DAC0832輸出控制電壓增大或減小。功放電路將DAC0832輸出的模擬電壓轉換成具有一定輸出功率的電動(dòng)機控制電壓。

四、直流電動(dòng)機轉速控制系統軟件設計

1、編程思路：控制系統程序的功能是用89C51單片機的T0、T1測出電動(dòng)機的實(shí)際轉速，并與給定值進(jìn)行比較。根據比較結果，使DAC0832芯片的輸出控制電壓增大或減小。30H單元存放實(shí)際轉速與設定值是否相等的標志?！?”表示相等，“0”表示不相等。40H單元存放送入DAC0832芯片的數字控制電壓。7FFFH為DAC0832地址。

2、 系統流程圖如圖3所示：

圖3直流電動(dòng)機轉速控制系統流程圖

五、直流電動(dòng)機轉速控制系統的工作原理

直流電動(dòng)機的轉速與施加于電動(dòng)機兩端的電壓大小有關(guān)。本系統用DAC0832控制輸出到直流電動(dòng)機的電壓的方法來(lái)控制電動(dòng)機的轉速。當電動(dòng)機轉速小于設定值時(shí)，DAC0832芯片的輸出電壓增大，當大于設定值時(shí)則DAC0832芯片輸出電壓減小，從而使電動(dòng)機以設定的速度恒速旋轉。我們采用比例調節器算法?？刂埔幝桑?/P>

Y=K_Pe(t)+K_I

式中：Y---比例調節器輸出，K_P---比例系數，K_I---積分系數

e(t)---調節器的輸入，一般為偏差值。

系統采用了比例積分調節器，簡(jiǎn)稱(chēng)PI調節器，使系統在擾動(dòng)的作用下，通過(guò)PI調節器的調節器作用使電動(dòng)機的轉速達到靜態(tài)無(wú)差，從而實(shí)現了靜態(tài)無(wú)差。無(wú)靜差調速系統中，比例積分調節器的比例部分使動(dòng)態(tài)響應比較快（無(wú)滯后），積分部分使系統消除靜差。

六、結論

本系統用單片機構成電動(dòng)機轉速的控制系統，采用比例積分調節器算法，效率高，電路簡(jiǎn)單，使用也比較廣泛。

參考文獻：

1、尹耕欽，唐緒偉 城市交通信號燈模擬控制系統 微計算機信息 2005第10-1期

2、樓然苗，李光飛編著(zhù)《51單片機設計實(shí)例》北京航空航天大學(xué)出版社

3、余永權，汪明慧，黃英編著(zhù)《單片機在控制系統中的的應用》電子工業(yè)出版社

4、陳伯時(shí) 主編 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統 機械工業(yè)出版社