單片機(jī)89C51在直流調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、前言

直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)^[4]。早期直流電動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)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)來完成，為直流電動機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率^[1]。

二、轉(zhuǎn)速的測量原理

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

霍爾器件是有半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長、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B，在沿l方向的兩個(gè)端面加以外電場，則有一定的電流經(jīng)過。由于電子在磁場中運(yùn)動，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(yùn)動速度，B――磁感應(yīng)強(qiáng)度。

這樣使電子的運(yùn)動軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間的電位差U_H稱為霍爾電壓。

霍爾電壓大小為：U_H=R_H×I×B/d(mV)

式中：R_H ---霍爾常數(shù)，d---元件厚度，B---磁感應(yīng)強(qiáng)度，I---控制電流

設(shè)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(shù)(mV/mA/T),它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動勢的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B反向時(shí)，霍爾電動勢也反向。若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強(qiáng)度而變化，根據(jù)這一原理，可以將一塊永久磁鋼固定在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，故輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。

三、直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過自制5V電源來確保工作電壓正常,由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，送至單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T1，由T1測出電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定值比較形成偏差。根據(jù)比較結(jié)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(zhuǎn)換成具有一定輸出功率的電動機(jī)控制電壓。

四、直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、編程思路：控制系統(tǒng)程序的功能是用89C51單片機(jī)的T0、T1測出電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與給定值進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)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(zhuǎn)速與設(shè)定值是否相等的標(biāo)志。“1”表示相等，“0”表示不相等。40H單元存放送入DAC0832芯片的數(shù)字控制電壓。7FFFH為DAC0832地址。

2、 系統(tǒng)流程圖如圖3所示：

圖3直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)流程圖

五、直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的工作原理

直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加于電動機(jī)兩端的電壓大小有關(guān)。本系統(tǒng)用DAC0832控制輸出到直流電動機(jī)的電壓的方法來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值時(shí)，DAC0832芯片的輸出電壓增大，當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)則DAC0832芯片輸出電壓減小，從而使電動機(jī)以設(shè)定的速度恒速旋轉(zhuǎn)。我們采用比例調(diào)節(jié)器算法。控制規(guī)律：

Y=K_Pe(t)+K_I

式中：Y---比例調(diào)節(jié)器輸出，K_P---比例系數(shù)，K_I---積分系數(shù)

e(t)---調(diào)節(jié)器的輸入，一般為偏差值。

系統(tǒng)采用了比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)在擾動的作用下，通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器作用使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到靜態(tài)無差，從而實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)無差。無靜差調(diào)速系統(tǒng)中，比例積分調(diào)節(jié)器的比例部分使動態(tài)響應(yīng)比較快（無滯后），積分部分使系統(tǒng)消除靜差。

六、結(jié)論

本系統(tǒng)用單片機(jī)構(gòu)成電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器算法，效率高，電路簡單，使用也比較廣泛。

參考文獻(xiàn)：

1、尹耕欽，唐緒偉 城市交通信號燈模擬控制系統(tǒng) 微計(jì)算機(jī)信息 2005第10-1期

2、樓然苗，李光飛編著《51單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例》北京航空航天大學(xué)出版社

3、余永權(quán)，汪明慧，黃英編著《單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的的應(yīng)用》電子工業(yè)出版社

4、陳伯時(shí) 主編 電力拖動自動控制系統(tǒng) 機(jī)械工業(yè)出版社