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基于单片机的直流伺服电机转速控制实验系统

作者：scb521　栏目：单片机

基于单片机的直流伺服电机转速控制实验系统

朱惠明张爱武高洪霞

摘　要：介绍了一种基于单片机的直流伺服电机转速控制实验装置,论述了其硬件组成原理和软件设计思想。通过实践证明,该装置是学生进行课程设计、掌握单片机应用技术的一种切实可行的实验教学设备。
关键词：单片机;直流伺服电机;实验装置
中图分类号：TP368.1　　文献标识码：A

Experiment SYSTEM of Controt DC Servomotor Rotational Speed Using MicroCONTROLler

Zhu HuimingZhangZi-wu
(1.Department of COMPUTER ENGINEERING)
Gao Hongxia
(2.College of Electrical POWER ENGINEERING,Shandong UNIVERSITY of TECHNOLOGY,Jinan 250061 CHINA)

　　Abstract：A kind of experiment INSTRUMENT to CONTROL DC servomotor rotational speed using microCONTROLler is introduced.The designof HARDWARE and SOFTWARE of the INSTRUMENT is deseribed.It is proved that the experiment INSTRUMENT is feasible and applied for student to comprehend microCONTROLler practice TECHNOLOGY in their design lesson.
　　Key words：miroCONTROLler;DC servomotor;experiment INSTRUMENT

　　近年来,随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入。在仪器仪表、家用电器和专用装备的智能化以及过程控制等方面,单片机都扮演着越来越重要的角色。作为高等工科院校,将单片机的应用引入实验教学必将对微电子控制技术的研究与实践注入强大活力。我们研制的直流伺服电机控制实验装置即以单片机作为核心部件,它可完成对直流伺服电机转速、方向、行程的闭环控制。本文重点论述该实验装置的硬件组成,软件设计以及控制方案的实施。

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奖！好文章给奖励金钱:150 admin 2006-11-1 16:59:10

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作者： scb521 于 2006/11/1 16:55:58 发布：

1　系统硬件组成

　　本系统由IBM-PC机、MCS-51单片机开发系统、模拟控制板、PWM脉宽调制控制板以及带齿片和光电传感器的直流伺服电动机等组成。其各部分主要功能如图1所示。

图1　直流伺服电机转速控制系统框图

1.1　以IBM-PC机作为本系统的辅助机
　　为了便于对单片机进行有效的开发,通过RS-232串行接口直接与IBM-PC机相连,使单片开发机能充分利用IBM-PC的CRT、磁盘、打印机和各种软硬件资源。可同时在IBM-PC机上进行编辑程序—交叉汇编—屏幕模拟调试,最后通过串行通讯软件将目标程序传输到单片开发机上,从而极大地方便了程序的调试。
1.2　MCS-51单片开发机
　　通过一条40芯仿真插头使该单片开发机与直流伺服电机控制板相连,系统在总线控制器的作用下,使8031在监控状态和用户状态之间切换。实验程序有单步断点、连续运行方式,包括INT0，INT1，T0，T1和串行口的中断服务程序。
1.3　模拟控制板
　　该板由DAC0832数模转换器、译码电路、T1中断信号整形电路、运算放大器电路及三极管驱动电路组成。译码电路完成对DAC0832的片选,0832芯片完成数字量到模拟量的转换。四运放芯片F324,前两级运放构成双极性输出,其输出正、负由单片机输出的代码决定,即D7=0输出为正,D7=1输出为负,由此驱动电机正、反转。第三级运放为电压放大,将±5V放大到±12V,运放后面跟着两级功放,为射级跟随器输出形式。
1.4　PWM脉宽调制控制板
　　该板由T9224光电隔离、T1中断信号整形、电机转向控制以及功放驱动电路组成。采用脉宽调制控制电机的转速,首先要确定采样周期和定时脉冲周期以及它们之间的关系,然后决定调节方式。
1.5　直流伺服电动机
　　直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执行元件,对它的要求是要有下垂的机械特性、线性的调节特性和对控制信号能作出快速反应。该系统采用的是电磁式直流伺服电动机,其型号为45SY01型,其转速n的计算公式如下

n=E/KΦ=(U_a-I_aR_a)/KΦ

式中　n为转速;Φ为磁通;E为电枢反电势;U_a为外加电压;I_aR_a为电枢电流和电阻。

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作者： scb521 于 2006/11/1 17:02:46 发布：

2　系统软件设计

2.1　软件设计思想
　　在自动控制系统中,数字PID控制是采用最广泛的一种控制方法。由于电机转速与电枢外加电压U_a的大小基本上成正比,这就构成了PID调节的基础。PID调节的闭环控制框图如图2所示。

图2　系统闭环控制框图

图中：D_s为转速设定值,D_c为采样值,e为偏差,PID调节器控制规律的差分方程为

)

　　在PID参数整定过程中,以整定比例系数为主,K_p主要影响响应速度,K_p越大,响应越快,但太大会引起较大的超调和振荡,甚至产生不稳定。积分时常数T_i主要影响静态精度,可消除静差。微分调节的加入有助于减小超调,克服振荡,使系统趋于稳定。

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作者： scb521 于 2006/11/1 17:03:44 发布：

由于要分别完成PWM调节和模拟量调节两种方式的闭环控制实验,所以控制程序要分别考虑。
　　(1)关于PWM控制
　　在直流电机PWM调速系统中,我们采用的是双极式H型可逆PWM变换器,通过调节正、负脉冲的宽窄来控制电机的正、反转,以改变脉冲信号的占空比来控制加在电机电枢上电压的平均值,实现对直流电机的调速控制。电机转速信号由光电传感器检测,经光电隔离输入到单片机的P₁口。T₀作定时器,T₁作转速计数。
　　(2)模拟量控制
　　首先要将输出量u根据设定的转向变为补码形式,然后经D/A变换芯片完成双向数模转换,最后经功率放大驱动伺服电机。

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作者： scb521 于 2006/11/1 17:04:16 发布：

2.2　软件的组成
　　该系统软件由主控程序模块和5个子程序模块组成。系统程序流程图所图3所示。
2.2.1　主控程序
　　主程序的功能主要是进行初始化工作,并构造一个显示段。
2.2.2　T0中断服务程序
　　每隔1ms进入该中断服务程序,根据采样结果对电机进行控制。每隔0.256s(PWM控制用)或0.128s(模拟控制用)调用采样和PID调节控制子程序并更新显示缓冲区。
2.2.3　显示子程序
　　该模块将放于数据显示缓冲区中的BCD码,变成七段字形码送显示器。
2.2.4　采样和PID调节控制算法子程序
　　该模块的功能是将电机转速的采样值与设定值进行比较,求出偏差e,再乘以比例系数,加到累加单元中。
2.2.5　更新显示缓冲区子程序
　　根据转速的计算公式,求出电机转速并转换成BCD码送入显示缓冲区。

图3　系统程序流程框图

2.2.6　双字节整数二翻十子程序
　　为适应人们读数习惯,把二进制数转化为松散的十进制数,以便于显示

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作者： scb521 于 2006/11/1 17:05:01 发布：

3　结束语

　　基于单片机的直流伺服电机转速控制实验装置,给出了单片机应用的软硬件实现方案,它具有简单易行、开发方便等优点,为工科院校计算机专业的学生综合运用计算机软硬件知识开辟了一条途径。

作者简介：第一作者简介：女，1954年生,讲师
作者单位：朱惠明张爱武山东工业大学计算机工程系
高洪霞　电力工程学院,山东济南 250061)

〔参考文献〕
〔1〕　张洪润。单片机应用技术教程〔M〕。北京:清华大学出版社,1997
〔2〕　黄一夫。微型计算机控制技术〔M〕。北京:机械工业出版社,1988
〔3〕　何立民。MCS-51系列单片机应用系统设计〔M〕。北京:航空航天大学出版社,1991

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