基于MCS_51单片机的直流电机转速测控系统设计.doc
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1、基于MCS_51单片机的直流电机转速测控系统设计摘要: 给出了一种基于89C51单片机以及PWM控制思想的高精度、高稳定、多任务直流电机转速测控系统的硬件组成及关键单元设计方法。实验结果表明该系统能实时、有效地对直流电机转速进行监测与控制, 而且输出转速精度高、稳定性好。0 引言目前使用的电机模拟控制电路都比较复杂,测量范围与精度不能兼顾, 且采样时间较长, 难以测得瞬时转速。本文介绍的电机控制系统利用PWM控制原理, 同时结合霍尔传感器来采集电机转速, 并经单片机检测后在显示器上显示出转速值, 而单片机则根据传感器输出的脉冲信号来分析转速的过程量, 并超限自动报警。本系统同时设置有按键操作仪
2、表, 可用于调节电机的转速。1 系统方案的制定直流电机控制系统主要是以C8051单片机为核心组成的控制系统, 本系统中的电机转速与电机两端的电压成比例, 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比, 因此, 由MCU内部的可编程计数器阵列输出PWM波, 以调整电机两端电压与控制波形的占空比, 从而实现调速。本系统通过霍尔传感器来实现对直流电机转速的实时监测。系统的设计任务包括硬件和软件两大部分,其中硬件设计包括方案选定、电路原理图设计、PCB绘制、线路调试; 软件设计包括内存空间的分配, 直流电机控制应用程序模块的设计, 程序调试、软件仿真等。2 硬件设计C8051是完全集成的混合信号系统级MC
3、U芯片, 具有64个数字I/O引脚, 片内含有VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器, 是真正能独立工作的片上系统, 并能快捷准确地完成信号采集和调节。同时也方便软件编程、干扰防制、以及前向通道的结构优化。本单片机控制系统与外部连接可实时接收到外部信号, 以进行对外部设备的控制, 这种闭环系统可以较准确的实现设计要求, 从而制定出一个合理的方案, 图1所示是电机测控系统框图。图1 电机测控系统框图。本系统先由单片机发出控制信号给驱动电机, 同时通过传感器检测电机的转速信号并传送给单片机, 单片机再通过软件将测速信号与给定转速进行比较, 从而决定电机转速, 同时将当前电机转速值送LED显示。此外
4、, 也可以通过设置键盘来设定电机转速。系统中的转速检测装置由霍尔传感器组成, 并通过A/D转换将转速转换为电压信号, 再以脉冲形式传给单片机。这种设计方法具有频率响应高(响应频率达20 kHz以上)、输出幅值不变、抗电磁干扰能力强等特点。其中霍尔传感器输入为脉冲信号, 十分容易与微处理器相连接, 也便于实现信号的分析处理。单片机的T0口可对该脉冲信号进行计数。设计时, 可通过单片机的P0.1P0.5 五个接口来完成键盘的输入, P1.6口可完成鸣叫和报警, P2.0接电机, P2.1P2.4接显示器的位选, P0口为显示器段选码, 其硬件连接电路如图2所示。图2 硬件连接电路图。本系统的脉冲宽
5、度调制(Pulse Width Modulation)原理是: 脉冲宽度调制波由一列占空比不同的矩形脉冲构成, 其占空比与信号的瞬时采样值成比例。该系统由一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。脉冲信号如果大于锯齿波信号, 比较器输出正常数A, 否则输出0。图3所示为脉冲宽度调制系统的调制原理和波形图。图3 脉宽调制过程。设样本k为均匀脉冲信号, 它的第k个矩形脉冲可以表示为:其中, x t 是离散化信号; Ts是采样周期,0是未调制宽度, m是调制指数。现假设脉冲幅度为A, 中心在t=kTs处, k在相邻脉冲间变化缓慢, 那么, 其Xp (t) 可表示为:其中,为电机角速度,结合式(2
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