由单片机控制的直流电机调速系统

由单片机控制的直流电机调速系统

空军电讯工程学院(710077)　陈树新

　　摘　要　文章给出了一种由8031、8253芯片构成的直流电机调速系统,它不仅实现了对电机转

速的反馈控制,而且对于电网干扰所造成晶闸管的误触发、漏触发有很强的抑制作用。

关键词　单片机　直流调速　晶闸管

所示。

　　(一)8031单片机最小系统

由8031、2764、74LS373组成,作用是协调控制整个系统的工作,P1口用于键盘输入及其它信号的检测与控制,程序固化在2764中。

(二)系统人机界面的设计具有较好的人机界面是本系统的主要特点,界面设计成功与否直接影响使用者对设备的利用,以及充分发挥设备的潜能,为此,我们设计了一个具有7个按键,4位数码显示人机界面,具体设计过程如下:

1.7个按键:占用8031P1.0-P1.2,按键经8∶3编码器74LS148输出。这7个按键为正转、反转、增1、减1、编程、自动/手动、停车。

(1)正转　编程时此键为电机正转状态的设置,自动运行时此键无效,手动运行时此键的有效将确定电机正转状态;

(2)反转　编程时此键为电机反转状态的设置,自动运行时此键无效,手动运行时此键的有效将确定电机反转状态;

(3)增1　在编程或手动运行时每按一下显示器个位(时间分的个位)增一,按下超过五秒后每秒显示器十位(时间分的十位)增一,按下超过十秒后每秒显示器百位(时间小时的个位)增一,按下超过十五秒后

一、引　言

电子技术的高度发展,促使直流电机调速逐步从

模拟化向数字化转变,特别是单片机技术的应用,使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段,智能化、高可靠性已成为它发展的趋势,直流电机调速系统就是顺应这一潮流而产生的。本调速系统采用8031单片机作为中心处理器,选用目前市场上较为流行的8253等集成电路,降低了系统的成本,提高了系统的可靠性和灵活性,其优点主要表现在以下几个方面:

1.良好的人机界面。可通过按键调节电机转速、转向或按程序设置运行,电机状态由数码管显示。

2.高可靠性的晶闸管触发电路。应用软件、硬件手段消除电网干扰所造成晶闸管的误触发、漏触发。

3.电机运转状态可编程。可通过设置或改变原运行程序使电机转速按某种曲线或规律进行变化,拓宽电机的应用领域。

4.全数字化。从电机速度的设定、触发脉冲的产生,到反馈转速的测定,均采用集成电路(大部分为数字电路)构成,因此彻底避免了大量分离电路的引入而造成系统性能的离散性。

二、系统的组成及工作原理

　　系统按其实现的功能划分构成的总体结构如图1

图1　系统总体结构框图

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每秒显示器千位(时间小时的十位)增一,自动运行时此键无效;

(4)减1　操作规范与增1键类似,只是每次减一;

(5)编程　该键为开关键,每按一下状态变换一次,它用于设置电机自动运行的规范。进入该方式,显示器处于闪烁状态,同时通过增1键或减1键输入时间,再按一下编程键可通过正转键、反转键、增1键、减1键设置对应时刻电机的运行状态,再按一下编程键又可继续输入时间、状态。如此反复,直到遇到自动/手动键有效系统即开始自动运行,本系统可输入12个时间段;

(6)自动/手动　在编程时按此键电机进入自动运行方式,否则按此键电机进行手动运行方式,这时可通过正转键、反转键、增1键、减1键控制电机运行状态;

(7)停车　该键为开关键,每按一下状态变换一次,它用于暂停电机运行或释放暂停状态。2.四位数码显示　8031的六位数据线用作四位数码显示,其中低四位以BCD码形式输入到四个MC4511芯片,实现BCD码到七段码的转换,高两位经74LS138选择对应的MC4511,并将显示内容锁存,实现锁存方式显示,数码显示的选通由P2.7控制。显示分两种情况,当显示为闪烁方式时,表示此时为编程方式,否则为运行方式。显示时间(小时:分钟)时第二位数码管的小数点亮,显示速度时小数点不亮,显示的内容为每分钟多少转。2个发光指示灯指示电机当前运行状态(正转、反转、停车)。

(三)电机转向与转速的控制

直流电机运转方向与电机两端所加电源的正负极性有关,因此控制流过电机的电流方向,即可改变电机的运转方向,为此我们构造了由光电隔离芯片组成的小功率直流电机转向控制电路,其工作原理如下:

根据上述方向控制原理,将光电隔离器分为两组即A组和B组,当P1.5输出为高电平时A组两个光电隔离器导通,B组两个光电隔离器截止,流过直流电机的电流方向为1→2,电机正转;当输出为低电平时A组截止,B组导通,流过直流电机的电流方向为2→1,电机反转,至此实现了电机转动方向的单片机控制。

电机调速实际是调节电机两端电压幅度的平均值与以实现,从系统结构图上可以看到,该电压值是由24V交流电压经晶闸管全波整流得到的,调节晶闸管的控制角α的大小,即可改变晶闸管全波整流输出电压的平均值,实现系统对电机转速的控制。控制角α的控制是由8253可编程定时器实现的。

电机速度的测定是通过一套光电系统实现的。在

电机轴上安放一片带有一个小孔的薄金属片,它随电机轴一起转动,在圆孔对应位置固定安装一组红外对管,红外线正好通过此孔,当电机转动时薄金属片随之转动,红外对管不动,因此电机每转一周,红外对管可接收一个脉冲,经整形处理被8253可编计数器接收,单位时间内的脉冲个数,即可实现对电机转速的测定。

三、晶闸管触发脉冲的产生及修正

直流电机调速实际是调节电机两端电压幅度的平

均值,而该电压是由24V交流电压经晶闸管全波整流得到,对于晶闸管全波整流装置,触发电路的基本作用是在确定的时刻向晶闸管控制极提供电流使其导通,这个确定时刻即α角由众多因素来决定,同时晶闸管触发脉冲必须与交流信号同步,否则晶闸管有可能失控。为此微机控制技术使晶闸管触发电路具有智能自动识别的功能,这无疑对提高晶闸管触发电路的准确性和可靠性都具有很大的益处,特别是可编程计数/定时器8253芯片的引入,使晶闸管触发电路变得更简化、可靠,控制更加灵活、准确。

(一)可编程计数/定时器8253的工作原理8253是具有三个功能相同的16位减计数(定时)器,每个计数(定时)器的工作方式和计数(定时)常数可分别用软件编程和设计,可进行二进制或BCD码方式计数或定时,最高计数时钟可达2.6MHz。其工作方式有六种,它们是:1.方式0(计数结束中断方式);2.方式1(可编程单稳态方式);3.方式2(频率发生器方式);4.方式3(方波发生器方式);5.方式4(软件触发选通方式);6.方式5(硬件触发选通方式)。使用单片机实现对8253的控制,基准输入脉冲由455KHz晶体产生,因此定时精度很高。对于50Hz的交流电其分辨率可由下式计算:

分辨率=360°/[(1/50)×455×1000]=0.04°根据此分辨率选用定时器8253,其最大相移角为:

α×216=2621.44°max=0.04°因此,远大于移相范围180°,满足系统要求。

(二)晶闸管触发脉冲的产生及修正过程

在整流电压确定时,晶闸管触发脉冲的相位角α将决定电机的转速α,角的准确确定与否直接影响到系统调速性能的优劣,因此我们有必要分析与α有关的两大决定性因素,首先,交流过零点脉冲的提取;该脉冲是确定相位角α的基准,只有准确无误的捕获它,才能正确确定α角,单在实际工作过程中,单纯的过零点硬件采集电路往往由于电网上的干扰,而产生误输出或漏输出。其次α,角在0°-180°之间变化要准确,并有足够的分辨率。

1.交流过零点脉冲产生　交流过零点脉冲产生

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《电子技术》1997年第2期

电路通常由比较器构成,比较器的输入分别为经整流交流电压和某一基准电压,基准电压的幅度决定比较器输出的脉冲脉宽,而该脉冲即为交流过零点脉冲,这种由单纯硬件构成的电路最大缺点就是无法抑制电网上的干扰,使得比较器输出不能准确反映交流过零点,这将极大地影响系统的性能。为此,我们利用单片机技术,用软件对比较器输出的脉冲进行处理,从而构成了一个具有学习功能的交流过零点脉冲产生电路,比较器输出与8031的P1.4相联,P1.3输出经软件处理后的脉冲,具体软件流程如图2所示。

　　经上述软件处理的交流过零点脉冲从根本上消除了因电网上的干扰造成的漏触发、误解发现象,8031选用12MHz晶体,因此从P1.4输入到P1.3输出延时

μs,相移不超过0.6°小于30,对系统触发晶闸管影响

很小,能够满足系统要求。

2.晶闸管触发脉冲的控制　对于整流电路中的单向晶闸管,其导通条件是在控制极加一定宽度、幅度的脉冲,导通后当交流电过零点时对应晶闸管又自动截止,因此可通过改变触发脉冲与交流电过零点的相位,即控制可控硅的导通角,实现对整流幅度的平均值进行控制,达到对电机速度的控制。

在交流过零点脉冲已经得到的基础上,选用8253可编程计数(定时)器,软件设置其工作方式为硬件选通触发方式,8253的GATE端与8031的P1.3相接,P1.3每来一个负脉冲,8253就开始定时,定时参数可用软件设置,定时一到就输出一个负脉冲。假设8253定时长度为T(T≯10ms),则每个单向晶闸管的导通时间均为S=10ms-T,S越大导通角越大,整流输出幅度的平均值越大,电机转速越快。至此实现了8253定时参数对电机转速的控制。为了确保触发脉冲的脉宽、电压和电流能使晶闸管导通,8253可编程计数(定时)器的输出端不能与晶闸管的控制极直接相联,必须设计相应的接口电路,根据文献提供的参数,结合实际工作情况设计了以74LS123和光电隔离构成的接口电路,调节阻容元件的参数,可使之产生所需的触发脉冲。

四、结束语

本调速系统具有较完备的硬件体系结构,可以根

据实际工作的需要,修改相应的软件。同时完备的晶闸管触发脉冲电路,使调速系统具有较为广阔的应用领域。

图2　系统软件流程框图

(上接第4页)

用上述三种方式外,还可在话务热点区域或覆盖欠佳

的盲区,如话务密集的商业区,街道,或地铁车站,甚至建筑物内部或室内,分别不同情况设置符合实际需要的微蜂窝和微小蜂窝,形成复合无线覆盖小区,以达到消除盲区和吸收话务的目的,从而也可使无线系统获得更大容量。

(五)向更高频段扩展

随着技术进步和用户需求进一步增加,利用双模双频设备,在现有GSM系统基础上增加DSC系统(1.8GHz)的兼容功能,可使系统容量获得数倍的增加。这实际上是从增加系统频点数来考虑的。

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三、结　论

在目前大中城市频率资源有限、用户密度很高的

情况下又必须满足用户数的增长,尽可能扩充系统容量。除采用小区分裂,微蜂窝等辅助手段外,最根本还必须对有限的频率资源进行科学计划和认真安排,才能充分发挥潜力。但是,要计算一个大中城市的GSM系统容量是比较复杂的,与该城市的市区面积,可使用的频率范围,基站采用什么方式的小区,无线频率复用方式等因素都有很大的关系。具体操作时,还要考虑到市区地形地貌的复杂性。

《电子技术》1997年第2期