基于AT89C51控制的直流电动机双环调速系统(1)

文章编号：１００８－０５７０（２００６）０４－２－００６７－０２

单片机开发与应用

基于ＡＴ８９Ｃ５１控制的直流电动机双环调速系统

ＤｏｕｂｌｅＣｌｏｓｅｄＳｙｓｔｅｍｏｆＶｅｌｏｃｉｔｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆＤｉｒｅｃｔＣｕｒｅｎｔＭｏｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＡＴ８９Ｃ５１

（湖北黄石理工学院）刘东汉

陈学珍

Ｌｉｕ，ＤｏｎｇｈａｎＣｈｅｎ，Ｘｕｅｚｈｅｎ

摘要：介绍了采用ＡＴ８９Ｃ５１作为控制器核心，晶闸管触发和转速测量等环节都实现全数字化的微机控制电动机双闭环调速系统。较详细说明了调速系统的硬件组成和软件设计。关键词：ＡＴ８９Ｃ５１；直流电动机；调速系统

文献标识码：Ａ中图分类号：ＴＮ３６

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｄｏｕｂｌｅｃｌｏｓｅｄｓｙｓｔｅｍｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｏｔｏｒｗｈｉｃｈｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｗｈｏｌｅｄｉｇｉｔａｌｍｉｃｒｏｃｏｍ－ｐｕｔｅｒｂｙＴｈｙｒｉｓｔｏｒｔｒｉｇｇｅｒａｎｄｒｏｔａｔｉｏｎａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｔｃ．ｗｈｉｔＡＴ８９Ｃ５１ａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃｅｎｔｅｒ．Ａｎｄｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｉｌｌｓｔｒｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＡＴ８９Ｃ５１，Ｄｉｒｅｃｔｍｏｔｏｒ，ｓｙｓｔｅｍｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ

引言

进入２０世纪８０年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对运动控制系统产生了很重要的影响，运动控制系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件控制转向软件控制，智能化的软件控制将成为运动控制系统的一个发展趋势。运动系统控制器的实现方式在数字控制中也在向硬件方式发展。在软件方式中也是从运动系统的外环向内环，进而向接近电动机环路的更深层发展。目前，运动系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。本文介绍了采用ＡＴ８９Ｃ５１作为控制器核心，晶闸管触发和转速测量等环节实现的全数字化的微机控制电动机双闭环调速系统。速测量等环节都实现全数字化的微机控制电动机双闭环调速系统结构原理框图如图１所示，其内环是电流反馈及控制环，外环是电动机转速反馈及控制环，内环和外环的调节都是由ＡＴ８９Ｃ５１单片微机软件完成数字ＰＩ控制律的运算。由图１可知系统中设置的转速和电流两个调节器，为了获得良好的静、动态性能，两个调节器都采用技

术创新

ＰＩ调节器。这种双闭环调节器结构能恰当发挥电流截止负反馈和转速负反馈的作用。再加上微机控制系统能采用高分辨率的数字触发器和高精度数字测速装置，可以更好地满足高性能工业传动的要求。２调速系统的硬件组成

系统的主电路是晶闸管三相全控桥，直流电动机。晶闸管触发脉冲的产生和移相由微机控制电路输出。转速的检测采用数字测速器，它是用微机读取与电动机联轴的光电编码器输出的脉冲数，经微机计算后得出转速值。整个系统的硬件结构如图２所示。１微机控制电动机双闭环调速系统

原理框图

图１微机控制电动机双闭环调速系统原理框图采用ＡＴ８９Ｃ５１作为控制器核心，晶闸管触发和转刘东汉：讲师

《ＰＬＣ技术应用２００例》

图２系统硬件结构框图

２．１使用的主要芯片邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年－

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单片机开发与应用

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００６年第２２卷第４－２期

ＡＴ８９Ｃ５１单片机：用作系统的监控，读取采样数据，进行ＰＩ运算，输出控制量。８２５３：可编程定时计数器芯片，具有３个１６位定时计数器，用于数字测速和数字触发移相。光电编码器作转速传感器，它产生的测速脉冲频率与电机转速有固定的比例关系，微机对该频率信号采用８１５５：可编程Ｉ／Ｏ接口扩展芯片，用于输出三相全控桥六个晶闸管的双脉冲触发信号，并保证触发脉冲与三相电网的同步。２５６个片内ＲＡＭ用于存放采样数据。显示接口芯片，用于转速设定８２７９：可编程键盘、值和电动机起／停控制命令的读入以及电动机运行中转速、电流和系统监控状态的显示。Ｍ／Ｔ法测速处理。数字测速用８２５３的０号、１号计数器分别对ｍ１和ｍ２进行计数，Ｄ触发器Ｆ１用来使ｍ２的计数与测速脉冲计数同步，由于８２５３为下降沿计数，故使用反相器Ｇ，启动测速和停止测速信号由８０３１单片机的软件向Ｐ１．２口输出，Ｐ１．３口用于测速电路软件输出复位脉冲信号。２．４键盘／显示接口整个微机控制系统的人机联系采用了８２７９可编程键盘／显示接口芯片。为了便于操作和符合人们的习惯，８２７９采用传感器阵列式工作方式，作为按键和拨盘的输入接口。此处选用３＊８阵列。显示器是５位ＬＥＤ数码管，它包括１位状态符号显示和４位数据显示，都采用动态显示方式。ＡＤＣ０８０９：８位Ａ／Ｄ转换芯片，将电枢电流Ｉｄ的值转换为数宇量。２．２数字移相触发脉冲输出电路要提高调速系统的控制精度，首先必须保证数字触发的移相精度并严格与三相电源保持同步。２．２．１同步电路技术创新

为了使主电路三相全控桥的各相触发脉冲与晶闸管阳极电压保持严格的相位关系，控制系统要设置专门的同步电路，如图３所示。图中，同步变压器与主变压器一样接成Ｙ／Ｙ０１２接法，同步电压先由二级ＲＣ滤波电路滤除电源干扰，并通过调整Ｒ值，实现９００移相，使三个相同步电压分别与晶闸管电源三相线电压保持同相位。３调速系统的软件设计

该系统用ＡＴ８９Ｃ５１单片机代替了直流电动机双环调速装置中的电流和转速控制器以及６路触发脉冲发生电路。整个控制程序由主程序、外中断服务程序、ＰＩ运算程序及各种辅助程序组成。主程序主要功能是：上电初始化，设堆栈指针，ＡＴ８９Ｃ５１和主要芯片初始化，查询传感器阵列的状态并检查到的命令键设置相应的控制命令标志位，故障检测报警以及等待同步脉冲外中断等。同步外中断服务程序的主要功能是：转速反馈信号采样，按控制命令标志位对应的运行状态对转速环进行ＰＩ运算，电流反馈信号采样，按控制命令标志位对应的运行状态对电流环进行ＰＩ运算，控制移相角α的时间值量化，读电源状态字码Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及判定下图３同步电路原理图一拍应送触发脉冲的晶闸管的字码等。电流环和转速环的离散化Ｐｌ运算都以差分方程形式实现，其输出经工程量变换量化后，变为与控制移相α所对应的时间ＴＤ，为了提高控制精度，程序中要采用１６位的四则运算。由于整个系统实现了数字化控制，所以能很方便地通过软件引入各种特殊的控制方式。在电动机起动时，通过程序的判断，可以使转速环ＰＩ数字调节器实现积分分离，直接进行大比例系数的Ｐ数字调节器运算；保证电流环的给定立即达到最大僧，从而使起动电流稳定在最大允许值上，实现快速起动。又如，在程序中可设定零电流比较值与电流反馈信号进行比较，以判别电流是否断续，在电流断续时自动将电流环节的数字ＰＩ运算改为积分运算，并直接修改相应的控制参数，从而使控制系统进人一种简单的自适应控制模式，提高了微机电动机调速系统的动态品质因数。为了增强系统的检错和抗干扰能力，（转１９页）２．２．２触发脉冲输出电路触发器输出电路用两片７４ＬＳｌ７５四Ｄ触发器作为移相触发脉冲输出的控制门，触发脉冲的宽度由由７４ＬＳｌ２３的６个Q端输出六７４ＬＳｌ２３单稳电路控制。个晶闸管触发字码，经光电隔离，脉冲经功放后触发对应的晶闸管。Q端在控制门关闭时都为“１”，此时６块触发功放板上的光耦ＴＩＬ１１３截止，ＶＴ１导通，后级的脉冲功放管３ＤＫ９截止，无触发脉冲输出；在触发脉冲门开启时，由晶闸管双脉冲触发要求，在６个Q端中每次必有两位为“０”的负触发脉冲，此时对应的光耦导通，ＶＴｌ截止，３ＤＫ９导通，输出的触发脉冲经脉冲变压器送到相应的晶闸管门极。２．３数字测速电路转速检测的精度和快速性对电机调速系统的静、动态性能影响极大。为了在较宽的速度范围内获得高精度和快速的数字测速，本系统使用每转１０２４线的－

６８－３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》

您的论文得到两院院士关注嵌入式系统应用

火灾发生，如果计算所得温度大于阈值则判定火灾发生，反之，无火灾。４实验结果

我们在下述条件下进行了模拟点火试验：在室外安装本系统，ＣＣＤ摄像头（前加红外滤光片）距火源的水平距离为５０ｍ，其安装高度为８ｍ．燃料分别采用木材、布料、柴油等三种．在白天和夜间点火时分别采用太阳光及４００白炽灯作干扰源。点火实验的结果如下表。试验次数白天夜间木材布料紫油累计误报累计漏报平均报警时间ＧｕａｎＨｏｎｇｙｕｎ：Ｍａｌｅ，Ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉ－ｃａｔｉｏｎａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，ＤａｔｅｏｆＢｉｒｔｈ：Ｆｅｂｒｕａｒｙ，１９６０．（２０００５１上海东华大学信息学院）王本西官洪运方建安杜海涛（ＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉ－ｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０００５１）Ｗａｎｇ，ＢｅｎｘｉＧｕａｎ，ＨｏｎｇｙｕｎＦａｎｇ，Ｊｉａｎ＇ａｎＤｕ，Ｈａｉｔａｏ通讯地址：（２０００５１箱）王本西（ＤｏｎｇＨｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＢｏｘ．２５０，ＷｅｓｔＹａｎ＇ａｎＲｏａｄＮＯ．１８８２，ＳｈａｎｇＨａｉ，Ｃｈｉｎａ，２０００５１）Ｗａｎｇ，Ｂｅｎｘｉ（投稿日期：２００５．８．２６）（修稿日期：２００５．９．６）

上海市延安西路１８８２号东华大学２５０信１０１０１０１０１０１０２１００５．１Ｓ５．６Ｓ图５实验结果５结束语

火灾是一种复杂的燃烧现象，具有多种表征参数。如果想通过单一参数的测量进行火灾早期阶段的探测，很难同时获得较高的准确性和广泛的适用性。通过对火灾中多个相关参数的综合判断，能更为准确地体现真实火灾现象的综合特征，使探测方法更加智能化。图像型火灾探测技术可以有效地综合烟、温、光等主要火灾参数，使火灾探测更大程度地满足人们对火灾安全的要求，代表了当今火灾探测技术的较高水平。本火灾安全监控系统较好地解决了大空间建筑早期火灾探测中灵敏度与可靠性之间的矛盾，可以有效地避免误报、漏报和报警延误现象，具有控制距离远、保护面积大、响应速度，快、高灵敏度、高可靠性等优点，并可实现防火、防盗、一般监控三位一体的报警功能。非常适合家具城、大型仓库、大型商场、工业车间等大空间建筑和恶劣环境场所的早期火灾探测报警和监控或用于其他的图像处理场合。参考文献：

［１］顾桂梅，魏宗寿．基于嵌入式实时Ｌｉｎｕｘ的铁路车站微机联锁软件的设计［Ｊ］微计算机信息，２００５，１：１３７－１３９

［２］陈玻若．红外系统，北京，国防工业出版社，１９８８：１３－１６

［３］ＲａｎＨＣ．Ｔｈｅｆｉｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｎｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＦｉｒｅＳａｆｅｔｙＳｃｉｅｎｃｅ，２０００，９（１）：３４－３８

（接６８页）程序设计时采取了以下措施：（１）程序对输入输出出现非常量时的检错。操作人员由于失误从拨盘输入了超出规定范围的转速给定技

行出错处理：一方面用显示器给出“出错标志”，同时术

由单片机复立，即停发触发脉冲，断开主电路，使电动机自动停止运行。创（２）采用程序运行监视定时器（ＷａｔｃｈｄｏｇＴｉｍｅｒ）。在主程序上电初始化时，建立软件的监视定时器系新

值或者当计算机读人电源状态字码与前次电源状态字码顺序出现混乱时，控制程序能够通过判断及时进统，使用ＡＴ８９Ｃ５１单片机片内定时器中断，并设其定为此，在每次（３．３３ｍｓ）同步外中断服务时时间为１０ｍｓ。程序中，要对定时器清零一次。４结束语

直流电动机双环调速系统采用单片机作为控制系统的微处理器，使得整个系统有如下特点：１．系统所选器件少，硬件结构简单。２．采用数字控制方式，提高了系统的动静态性能。本系统普遍应用于轧钢、造纸等对速度精度、快速响应要求较高的场合。参考文献：

［１］李仁定主编．电机的微机控制［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９．

［２］李民先，张大明．单片机控制刮印单元电机变频调速系统［Ｊ］微计算机信息，２００５，４：１０５－１０７

作者简介：王本西：男，汉族，１９８０．１２，硕士研究生，控制理论与控制工程专业Ｅｍａｉｌ：ｗｂｘ５２１＠１６３．ｃｏｍ；方建安：男，汉族，１９６６．１２，教授，博导，控制理论与控制工程；官洪运：男，汉族，１９６０．２，副教授，通信与信息系统。作者简介：刘东汉，男，１９６７－，湖北，汉族，讲师，武汉理工大学硕士，多年从事微型计算机控制系统和ＰＬＣ应用的教学与研究工作。Ｅｍａｉｌ：ＬＩＵ４５０３５１＠１６３．ＣＯＭ陈学珍，女，华中科技大学工学硕士，讲师，多年从事电气自动化方面的教学和研究。Ａｕｔｈｏｒｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ：ＷａｎｇＢｅｎｘｉ，Ｍａｌｅ，Ｐｏｓｔ－ｇｒａｄｕａｔｅｏｆＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＤａｔｅｏｆＢｉｒｔｈ：Ｄｅｃｅｍ－ｂｅｒ，１９８０，Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ：ＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉ－ｎｅｅｒｉｎｇ；Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｂｘ５２１＠１６３．ｃｏｍ；ＦａｎｇＪｉａｎ＇ａｎ：Ｍａｌｅ，ＰｒｏｆｅｓｓｏｒｏｆＤｏｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ＤａｔｅｏｆＢｉｒｔｈ：Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，１９６６．《ＰＬＣ技术应用２００例》

（４３５００３湖北黄石理工学院自动化系）刘东汉陈学珍通讯地址：（４３５００３湖北黄石理工学院自动化系）刘东汉（投稿日期：２００５．５．２１）（修稿日期：２００５．５．２９）

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