机的直流电机实时转速监控系统设计.pdf

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1、生皇垫一一一一一。一一一一一一一一一一一一盔慰!泓翅澄蘧薹：翟_ _ a“_ 辅“k h“”_ 融“_-“。“矗k“*日_基于C 8 0 51F 31 0 单片机的直流电机实时转速监控系统设计蔡国武，刘祚时，梅传根(江西理工大学机电工程学院，赣州3 4 1 0 0 0)摘要：介绍一种基于G 8,O S l F 3 1 0 单片机的直流电机转速的实时监控系统设计，并给出该系统的硬件电路和软件设计。该系统具有结构简单，功能可再扩展、调速性能良好、运行可靠的特点，可以很好地监控电机的实时转速。关键词：单片机；直流电机；实时转速中图分类号：T I 们8 1；T P 2 7 3+1文献标志码：A文章编号

2、：1 0 0 1-6 8 4 8(2 0 l o)0 4-0 0 8 8 0 3D e s i g no nR e a l t i m eM o n i t o r i n gD CM o t o rS p e e dS y s t e mB a s e do nC 8 0 51F 31 0S C MC A IG u o-w u，L I UZ u o s h i，M E IC h u a n g e n(F a c u l t yo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g，J i a n g x iU

3、n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，G a n z h o u3 4 1 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：I n t r o d u c e dt h ed e s i g no fr e a l t i m em o n i t o r i n gD Cm o t o r 删s y s t e mb a s e do nC 8 0 51F 31 0S C M，a n da l s og a v et h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e

4、 m Sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e T h es y s t e mh a v es i m p l es t r u t t u r e，e x p e n d i n gf u n c t i o n，g o o ds p e e da d j u s t i n gp e r f o r m a n c e，h i g hr e l i a b i l i t yo p e r a t i o na n dC a nw o n i t o rt h er e a l t i m e 删o fm o t o r K e yW o r d s：S

5、C M；D Cm o t o r；R e a l t i m es p e e d0 引言1 系统设计在随动控制系统中，电机转速的反馈与控制占有很大的比重，实现速度反馈的方式与手段对系统的稳态误差及动态响应性能都有着十分重要的影响。对于一个高精度的控制系统，稳定而准确的电机反馈转速，可以更好地对电机性能做定量分析和判断电机运行的异常情况等进行监测。因此，对电机转速的测量是非常重要的。传统的以模拟量作为速度反馈参数的系统，由于受非线性、温度变化和元件老化等因素的影响，很难满足控制过程的快速性和准确性要求。本文利用C 8 0 5 1 f 3 1 0 系列单片机，将控制电机的模拟信号量转换为以数字信

6、号量的形式，最后再将反映电机速度的脉冲信号反馈给单片机处理，并通过L E D 数码管实时监控电机的转速。收稿日期：2 0 0 8-0 9 0 4修回日期：2 0 0 8 0 9-2 48 8 1 1 硬件电路设计该系统的整个硬件电路结构如图l 所示。该电路的工作原理如下：通过调节电位器来控制电机的转速，即通过调节电位器I L l)改变输入到端口P 2 2 的模拟电压，再通过C 8 0 5 1 F 3 1 0 单片机内部的A D 转换，并转换成一定占空比的P W M 信号，从端口P 2 0 输出到H D 7 4 H C 0 4 P 进行反相，以增大P W M 信号的驱动能力，然后再输出到电机驱动

7、芯片L 2 9 8 来控制电机的转速，之后再利用光电传感器和码盘来采集电机转动时产生的脉冲信号，但该波形是连续的模拟信号，单片机不易处理，故再将4 运放集成电路L M 3 2 4 接成比较器的功能，然后将这组脉冲波形输出到L M 3 2 4 的2 脚，再通过调节电位器R P 2，就可以得到一组单片机容易处理的、且能反映电机转速的方波信号P W M b a c k，再将P W M b a c k 输入到端口P 2 1，并利用定时器0 的计数功能。来计算端口P 2 1 在采样周期T 内的脉冲个数。最后再通过公式(1)，求出电机的转速并通过L E D万方数据基于C 8 0 5 1 F 3 1 0 单

8、片机的直流电机实时转速监控系统没计蔡国武，等数码管实时地显示出来2 引。图1 硬件电路图假设在T 时间内，定时器0 计数得到m 个脉冲数，码盘转一圈产生茗个脉冲(方波)，若电机是带有强减速装置的，设电机每转一圈，码盘会转Y圈。则电机的转速为：n=等(1)n=LI，本文所设计的电路采用的电机是额定电压为1 6V，且带有强减速装置的，该电机每转一圈，码盘会转6 4 圈，码盘转一圈会产生3 0 个脉冲，所以电机转一圈会产生x y=1 9 2 0 个脉冲。且本文以监控电机的单向转动为研究对象，若要测量电机的双向转动，只要稍微改变上面的硬件电路和下面的程序设计方面即可。1 2 软件设计每次A D 转换结

9、束后，寄存器A D C O H 和A D C O L 中保存A D C 转换结果的高字节和低字节。将A D O L J S T 位置l，使转换后的转换数据在寄存器对A D C O H：A D C O L 中以左对齐的方式保存。当工作在单端方式时，可转换的模拟电压范围为：0 一Y R E F 木1 0 2 3 1 0 2 4，其中V R E F=3 3V。然后，再将保存在寄存器A D C O H 中的数据赋给P C A 的1 6 位计数器定时器的高字节P C A O H，即通过捕捉比较模块的高字节P C A O C P H 0 来获得一定的占空比P W M 波。并利用定时器1 的定时功能来产生中

10、断，假设定时时间为T。再利用定时器0的计数功能来计算外部电机码盘产生的方波数，即计算在T 时间内，来自端口P 2 1 的P W M b a c k 信号的脉冲数。并将计数结果保存在高字节T H 0 和低字节T L O 中，可计算脉冲次数的范围为：0 6 5 5 3 5 个。定时器T l 被配置为使用由分频位(S C A l 一S A C 0)定义的时钟，若将其设置为系统时钟的1 4 8，系统时钟为1 2M H Z，所以定时器T l 的时钟周期为：t。=1(1 2 4 8)=4 卜s，则其定时时间的计算公式为：T=(2 1 6 一x)毒t。为定时器的初装置。显然，其最大定时和最小定时时间分别为2

11、 1 6 串t。=0 2 6 2s 与t，=4 灿s。若定时8 9 万方数据塾皇垫一一一一一一一一一一一一一一麓譬鬣逝：崩童：趱麓三翌-I 舳剐删W W“蚺“铺k 一鞘渖赫R 蛆时间为r 为0 2s，则其初装值：X=2 M T t。=2 1 6 0 2s 4 I 山S=1 5 5 3 6=0 X 3 C B 0。再将0 X 3 C 和0 X B 0 分别装人定时器1 的高、低字节T H l 和T L l 中，进行初始化。在此，引入中断，当定时器1 溢出时，单片机产生中断，定时器1 溢出标志r I F 1 会被自动清0。若取样时间为定时时间的K 倍，则当单片机完成K次中断后，再去读取定时器。的T

12、 H 0 和T L 0，并计算电机1 分钟的转速，最后将电机转速显示到数码管，并再重新初始化定时器T l 和罚H 1。主程序流程如图2 2 1 所示，定时器1 中断处理程序流程如图2 2 2 所示。程序主要部分，采用C 5 1 语言进行编程，如下所示：#i n c l u d e#i n c l u d e m a i n()P C A o M D&=一O x 4 0；禁止看门狗定时器p i o()；i o1 3 初始化s y s c l k()；内、外部时钟定义T O T l()；T 0 数外部电机码盘产生的方波数，T 1计时产生中断w h i l e(1)S p e e d D i a n

13、 j i()；显示电机转速P W M O U T()；I I P W M 信号输出V o i dT i m e r _ i n t e r r u p t(v o i d)i n t e r r u p t3 X+；i f(=1)表示采样为定时时间的1 倍，即每0 2 s 取样一次 X=0；T C O N=0 x 0 0：c l o s eT O T lv h=T H 0；v l=T L 0；T H 0 和T L o 存放的是外部电机码盘产生的方波数E A=0；关闭所有中断C a l c u l a t i o n()；计算电机转速T O T l()；E A=1；开启所有中断 如I 端I=1、

14、P C A、系I 统时钟、各种变I 量参数等初始化y中断次数重新清0计取T H O 和T L O 的值，并计算电机转速，重新初始化定时器l 和定时嚣0拳一图2 主程序流程图图3 定时器l 中断处理程序流程图2 结语本文介绍利用C 8 0 5 1F 3 1 0 单片机来实现对直流电机转速的实时监控的系统设计的方法，该方法可以实时地监控电机各个时刻的转速，其稳定而准确的电机反馈转速可以更快速、准确地调整到所需的电机期望转速。该方法对电机转速的监控精度和实时性等都可以达到较为理想的效果，并已成功地运用在江西理工大学在参加0 8 年C C T V 亚太大学生机器人大赛的机器人上。同时，该系统结构简单、

15、成本低、应用方便灵活、功能可再扩展、便于机电一体，更易于在最终应用中的使用。参考文献 1 潘琢金C 8 0 5 1 F 3 1 0 1 混合信号I S P F L A S H 微控制器一数据手册 G 新华龙电子有限公司，2 0 0 3，1 2 2 潘明东光电编码器输出脉冲的几种计数方法 J 电子工程师。2 0 0 4，(8)：3 0-3 2 3 李广弟，朱月秀单片机基础 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 4 娄柯，施火泉基于C 8 0 5 1 F 单片机的无位置传感器无刷直流电机的控制 J 电机与控制应用，2 0 0 6，(3)：3 3-3 5 作者简介：蔡国武(1 9 8 4

16、 一)，男，硕士。研究方向为智能机器人控制。刘祚时(1 9 6 3 一)，男，博士，教授，研究方向为车辆工程、人工智能、软件工程。梅传根(1 9 8 3 一)。男，硕士，研究方向为智能机器人。万方数据基于C8051F310单片机的直流电机实时转速监控系统设计基于C8051F310单片机的直流电机实时转速监控系统设计作者：蔡国武，刘祚时，梅传根，CAI Guo-wu，LIU Zuo-shi，MEI Chuan-gen作者单位：江西理工大学,机电工程学院,赣州,341000刊名：微电机英文刊名：MICROMOTORS年，卷(期)：2010，43(4)被引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条

17、)1.潘琢金 C8051F310/1混合信号ISPFLASH微控制器-数据手册 20032.潘明东 光电编码器输出脉冲的几种计数方法期刊论文-电子工程师 2004(8)3.李广弟.朱月秀 单片机基础 20024.娄柯.施火泉 基于C8051F单片机的无位置传感器无刷直流电机的控制期刊论文-电机与控制应用 2006(3)相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 徐海.徐瑞丽.XU Hai.XU Rui-Li 基于PIC单片机直流电机控制器的设计与实现-机电产品开发与创新2009,22(4)直流电机因其转速调节灵活,方法简单,易于大范围平滑调速,控制性能好等特点,一直在传动领域占有统治地位

18、.本文应中国电子科技集团第27研究所的要求,设计开发了一套基于PIC单片机的直流电机多速控制器,作为其配套的试验装置.运行结果表明,系统实现了直流电机的高精度多速度控制,达到了性能指标要求.目前已经进入试验阶段.2.期刊论文 罗江勇.何道清.黄兴琦 基于单片机的直流电机远程测控系统-仪器仪表用户2008,15(4)本文以1.KW直流电机为被控对象,介绍了采用单片机和PC机构成的电机远程测控系统.采用转速的周期测量法和电机的PWM控制方式实现对电机转速的高精度测量与控制.设计了单片机系统和PC机间的通信接口,上位机采用VC设计监控程序对电机进行实时监控,系统运行稳定可靠.3.期刊论文 刘小兵.刘

19、任庆.LIU Xiao-bing.LIU Ren-qing 单片机在直流电机转速控制系统中的应用-电气开关2008,46(4)介绍单片机在直流电机转速控制系统中的应用优势及硬件、软件的实现方法.系统采用霍尔元器件测量电动机的转速,用89C51单片机对直流电机的转速进行控制,用DAC0832芯片实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速.4.期刊论文 张红娟.李维 基于PIC单片机的直流电机PWM调速系统-机电工程2005,22(2)介绍了基于PIC16F877单片机构成的直流电机调速系统,电机控制芯片采用了L298芯片,该系统使用光电编码器作为检测传感器,通过PWM的输出信号实现对直流电机的调速

20、.同时介绍PIC16F877单片机中与PWM相关的寄存器设置,给出硬件电路和控制程序的简要设计.5.学位论文 徐海 基于PIC单片机直流电机多速控制器的设计与实现 2007 本文对基于PIC单片机直流电机多速控制器的设计与实现进行了研究。文章根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计进行了详细论述。硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以PIC16F877A单片机为核心的硬件构成，对键盘电路、串行通信电路、测量电路、D/A转换电路和显示电路等作了详细阐述；软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。论述了软件的设计思想和方法；实现了对直流电动机

21、转动参数的设置、下载、启动、停止、加速、减速和显示等功能。利用PIC系列芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。6.期刊论文 赵鸿图.Zhao Hongtu 基于单片机AT89C51的直流电机PWM调速系统-电子技术2008,45(10)文章设计了以单片机AT89C51和L298控制的直流电机脉宽调制(PWM)调速系统.主要介绍了用单片机软件实现PWM调整电机转速的基本方法,给出了程序流程图、KeilC51程序以及Proteus的仿真结果.硬件电路实现了对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制以及PWM的占空比在四位LED

22、上的实时显示.7.学位论文 张陶 基于dsPIC单片机的无刷直流电机控制系统 2008 无刷直流电机既具有直流电机结构简单，运行可靠，维护方便等一系列优点，还具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，现己广泛应用于工业控制的各个领域。尤其值得指出的是，我国稀土资源丰富，稀土磁钢生产已达到国际水平，如果充分利用和发挥我国在这方面的优势，大力发展稀土永磁电机，形成无刷直流电动机系列产品，将对提高我国机电产品在国际市场的竞争力，具有战略意义。本文正是基于这一考虑，对无刷直流电动机的控制技术与控制方法进行研究。我们采用美国微芯公司电机摔制专用芯片dsPIC30f系列单片机作为控制器，它

23、集DSP的信号高速处理能力及适用于电机控制的外围电路于一体，可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与控制硬件。本文在对永磁无刷直流电动机调速系统的发展及应用综述的基础上，介绍了采用dsPIC30f系列芯片对无刷直流电动机进行换向与转速控制的微机控制系统。文中给出了系统的总体设计方案，分析了无刷直流电机的工作原理，提出了驱动电路和控制电路的设计策略。阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。文中还对硬件的控制原理和电路设计以及各软件模块(包括位置信号检测，PWM波产生，电磁间兼容性设计，故障保护中断处理等)进行了详细的分析。最后运用Matlab/simulink软件对无刷直流电

24、动机进行了仿真，证明了该系统工作良好，达到了预期目标。8.期刊论文 郑彧.陈鸿.裴焕斗.ZHENG Yu.CHEN Hong.PEI Huan-dou 基于凌阳单片机的直流电机堵转保护电路-电气开关2008,46(1)针对某夹紧装置中,因电机堵转易烧坏电机的情况,提出了一种基于凌阳SPMC75F2413A单片机的直流电机堵转保护电路.根据电机堵转时实测的电压得到设定电压值,经单片机A/D转换端口输入的采样电压值与设定电压值比较,当采样电压值大于设定值时,执行堵转保护.介绍了该电路的硬件结构及软件实现方法,实验表明该电路可以达到系统的堵转保护要求.9.期刊论文 任小坤.孙淑凤.王立.Ren Xi

25、aokun.Sun Shufeng.Wang Li 基于单片机的直流电机控制系统在动态送风装置中的应用-制冷与空调2007,7(1)介绍一种基于单片机的动态送风控制系统.该控制系统以C805lF330单片机为处理器,配合控制电路,采用脉宽调制技术,根据自然风特性,对直流电机的转速进行控制,从而实现风机出风的动态化.10.期刊论文 岳东海.颜鹏 直流电机PWM无级调速控制系统设计-价值工程2010,29(2)为实现直流电机的无级调速,本文提出以AT89C51单片机为核心,利用L298驱动芯片、ADC0808模/数转换芯片和逻辑控制电路构建直流电机的PWM无级调速控制系统.文章给出了Proteus软件绘制调速系统的电路原理图并仿真其调速过程,结果表明,该系统调速范围大,响应速度快,性能稳定.本文链接：http:/