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80C198单片机在脉宽调速中的应用研究

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第13卷第1期青　岛　大　学　学　报VOL.13NO.1

1998年3月JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITYMar.1998

80C198单片机在脉宽调速中的应用研究Ξ

APPLICATIONRESEARCHOF80C198MICROCOMPUTER

INROTATINGSPEEDPWMCONTROLLING

　崔金宝王艺兵

(海军航空技术学院)(青岛大学)

摘要　以80C198单片机为控制器,通过检测接口电路和单片机硬件资源中的高速输入部件(HSI)对电机转速进行检测,经数据处理和PID调节后,由高速输出部件(HSO)输出PWM控制信号,实现了对电机在大范围内的无级调速和精确控制。系统还具有远程通讯、测控功能选择、数据实时显示、参数在线修改和掉电保护等功能。文中给出了详细的硬件原理电路和软件设计。关键词　单片机;脉宽控制;转速检测中国图书资料分类法分类号　TP368.1CuiJinbaoWangYibing

(NavyAeronauticalTechnologyInstitute)(QingdaoUniversity)

Abstract　Using80C198asacontroller,themotorspeed’slongrangecontinuousadjustingandcontrollingsystemhasbeendesigned.Motorspeedsignalismea2suredthroughmeasuringcircuitandHSIunitofmicro2computer.ThroughdataprocessingandPIDadjusting,thecontrolsignalisoutputbyHSOunit.Thesystemalsohasthefunctionsoflongdistancecommunication,funci2tonselect,datarealtimedisplay,parametersmodifiedon-lineandpower-offprotected.Thedetaileddesignofhardwareandsoftwarehasbeengiveninthispaper.Keywords　Singlemicrocomputer;PWMcontrolling;Rotatingspeedmeasring

第一作者简介　崔金宝,男,讲师,硕士,毕业于北京航空航天大学自动控制系,主要从事智能仪器、仪表,计算机测控网络系统开发、应用等工作。

在电气传动控制系统中,直流调速系统具有稳速精度高、调速范围大、响应时间短等

特点,被广泛应用于冶金、纺织、航空航天等领域[1]。但目前应用的直流调速系统,无论采

用模拟式还是数字式,都存在硬件电路复杂、功耗大和难以在大范围内实现无级调速、稳

速等缺点。随着传感器技术、微电子技术、单片机技术的不断发展,为直流调速系统功能的

完善、精度的提高和抗干扰能力的增强等提供了条件。80C198是INTEL公司新一代高性

能、低功耗16位单片机,具有丰富的软硬件资源和非常强的抗干扰能力,特别适合构成智

能测控仪表和工业测控系统[2]。笔者对80C198单片机在直流电机调速系统设计方面的应

用进行了研究,充分利用单片机的软硬件资源和脉宽调制(PWM)技术,以简单的硬件结构实现了对直流电机在大范围内的无级调速和稳速。

1　硬件电路设计

—53—Ξ收稿日期:19972102151.1　80C198单片机应用系统设计

80C198单片机采用HCMOS设计,具有功耗低、速度快、资源丰富、抗干扰能力强等特点,是8098单片机的换代产品[1,3]。以80C198单片机作为直流电机调速控制器,可充

分利用其硬件资源中的HSI部件和HSO部件作为电机转速的检测通道和输出控制通

道,使硬件电路大大简化,以提高系统的可靠性和抗干扰能力。文中以80C198单片机为

核心,利用其片内232字节的寄存器文件作为数据采集和中间计算结果的存储单元,外扩

程序存储器,组成了直流电机调速系统的测控中心。

根据对测控制数据实时记录和掉电保护的要求,系统中扩展了实时时钟芯片

DS12887。该芯片能够提供实时日历󰃗时钟,在断电情况下运行十年以上不丢失数据,并且具有114字节的通用RAM,可用于参数的掉电保护。

为提高系统的可靠性和抗电源干扰的能力,系统采用MAX1232芯片设计了电源电

压检测和“看门狗”电路。

为使系统既能单独运行,又能连网使用,系统采用75176芯片设计了RS485远程通

讯接口。

80C198单片机应用系统原理电路如图1所示。

图1　80C198单片机应用系统原理电路1.2　键盘显示器接口电路设计系统通过可编程键盘󰃗显示器接口器件8279实现对键盘和数码显示器的管理,用于系统测控功能选择、参数在线修改和显示等。键盘显示器接口电路如图2所示。

1.3　转速检测和控制电路文中采用光电编码器将电机转速转换成电脉冲信号,经光电隔离和整形后送单片机—63—青岛大学学报第13卷的HSI部件,用测频或测周的方法检测电机转速。

直流电机的转速与加在电机控制绕组上的电压和激磁绕组上的磁通有关,文中采用

保持激磁磁通不变,改变控制绕组电压的方法实现对电机转速的调节[2]。80C198单片机

的HSO部件通过编程可输出脉宽调制波(PWM),脉宽调制精度可达16位[3,4]。采用脉宽

调制的方法来控制转速,可在大范围内实现对电机转速的无级调节和稳定,并且可大大提

高转速的控制精度和效率。

图2　键盘显示器接口电路

图3　转速检测和控制电路转速检测和输出控制电路如图3所示。功率晶体管工作在开关状态,通过HSO部件

—73—崔金宝等:80C198单片机在脉宽调速中的应用研究输出的PWM信号控制晶体管的通断,来调节加在直流电机控制绕组上的电压,PWM占

空比的大小反应了系统输出控制量的大小。

2　软件设计

软件部分采用模块化设计,用于完成对转速信号的采集、处理、PID调节、PWM输

出、通讯和键盘显示器管理等。

测控系统动态性能的好坏,稳态控制精度的高低,自适应能力的大小,在很大程度上

取决于PID控制器的设计。连续PID控制器的标准形式为:

u=Kpe(t)+1Ti∫t0e(t)dt+Tdde(t)dt(1)

其中:e(t):转速偏差信号;Kp:比例系数;Ti:积分时间常数;Td:微分时间常数。将(1)式离散化后可得差分形式的PID控制算式:

U(K)=U(K-1)+K0E(K)+K1E(K-1)+K2E(K-2)(2)

其中U(K-1)、U(K)为(K-1)T、KT时刻的控制输出信号;E(K-2)、E(K-1)、E(K)分别为(K-2)T、(K-1)T、KT时刻的转速偏差信号。由(2)式可编程实现PID控制器的控制规律,参数K0、K1、K2和采样周期T可根据对

系统动态性能和稳态精度的要求采用经典控制理论设计。

3　结束语

(1)笔者设计的转速测控系统可组成一个低成本、高性能的智能转速测控仪,也可组成一个较大规模的转速测控系统;(2)测控系统充分利用了80C198单片机的软硬件资源,系统结构简单、可靠性高、抗干扰能力强;(3)测控系统通过HSO部件产生PWM信号实现对转速的调节,系统调速范围宽、控制效率高;(4)测控系统采用PID控制算法,系统动态性能好、控制精度高、自适应能力。

参　考　文　献

1马俊峰.电力传动与调速系统.北京:北京航空航天大学出版社,1992,9:250～3502朱晓强等.8096󰃗8098单片机原理及应用.上海:复旦大学出版社,1993,5:300

～3603INTELCORP,16-BitEmbeddedControllersHandbook,19904INTELCORP,EmbeddedApplication,19915INTELCORP,8XC196User’sManual,1993

—83—青岛大学学报第13卷

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毕业设计(论文)基于单片机的pwm直流调速系统设计

毕业设计(论文)基于单片机的pwm直流调速系统设计

基于单片机的PWM直流调速系统设计

摘 要

随着时代的进步和科技的发展，电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义.长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位。基于单片机的直流电机调速系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算。系统的稳定性好，可靠性高。直流电动机具有优良的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等领域中得到广泛应用。

本设计是基于单片机控制的PWM直流电机调速系统，系统以AT89C52单片机为核心，以2A、1000r/min小直流电机为控制对象，以L298N为H桥驱动芯片实现速度、电流反馈双闭环。采用PID控制算法，调节PWM 占空比从而控制电机两端电压，以达到调速的目的。用4*3键盘输入有关控制信号及参数，可以实现电机的启制动、正反转、速度调节。并在4位LED上实时显示输入参数及动态转速。

关键词：单片机、直流电机、PWM、 PID

Based on SCM PWM dc speed control system design

Abstract

With the progress of The Times and the development of science and technology,

motor speed system in agricultural production, transportation and daily life plays a

more and more important role in motor speed, therefore, the research has positive

significance. For a long time, have been widely applied in dc motor control system,

80C196MC单片机波形发生器原理及其在逆变电源中的应用

80C196MC单片机波形发生器原理及其在逆变电源中的应用

80C196MC单片机波形发生器原理及其在逆变电源中的应用

摘 要: 80C196MC波形发生器的SPWM波形产生原理和软件设计要点。使逆变控制电路实现了全数字操作，改进了传统的控制方法。试验表明，该方案结构紧凑、动态特性好、可靠性高。

关键词: 80C196MC 正弦脉宽调制 波形发生器 逆变器 控制电路

PWM技术从最初采用分离元件的模拟电路完成三角波载波和正弦调制波的比较，产生SPWM控制信号，到目前采取全数字化方案，完成实时在线的PWM(SPWM)信号输出。PWM控制电路经历了由初级到越来越完善的演化。

由专用集成芯片ASIC(Application specific integrated circuit)生成SPWM波的技术近几年来被广泛采用，这些集成电路有HFE4752、SLE4520、MA8X8/SA8X8、SAXXXX等。其中多数要与单片机连接才能完成SPWM控制功能，对于要求较高的逆变系统来说仍然不够简捷。INTEL公司推出的16位单片机8XC196MC片内集成了三相SPWM波形发生器WFG(Wave Form

Generator，以下简称WFG)[1]，为逆变控制电路的全数字化设计提供了强有力的硬件支持，它的软件指令丰富，与其它196XX单片机基本兼容。本文重点介绍80C196MC中WFG的工作原理及软件的设计要点。

1 WFG工作原理

内藏WFG是80C196MC/MD的一大特色。这一功能大大简化了用于产生PWM波形的硬件和软件，特别适用于交流感应电动机和无刷直流电机的速度控制以及变频电源的SPWM控制。

1.1 WFG的组成

WFG有三个相同的PWM模块。每个模块都包含一个相同的比较寄存器、死区时间(deadtime)发生器和一对可编程输出控制器。从功能上可把WFG划分为三大部分:时基发生器、相位比较通道和输出控制电路。共有八个特殊功能寄存器(SFR)。各寄存器的地址、控制位的功能、参数填写格式等可参阅文献[1]。

PWM(即脉宽调制)调速控制系统

PWM(即脉宽调制)调速控制系统

脉宽调制（PWM）调速控制系统

20世纪70年代以前，以晶闸管为基础组成的相控整流装置是机电传动中主要使用的变速装置，但是由于晶闸管是一种只能控制其导通不能控制其关断的半控型器件，使得由其构成的V-M系统的性能受到一定的限制。电力电子器件的发展，使得称为第二代电力电子器件的既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件得到了广泛的应用，采用全控型电力电子器件GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管）、P-MOSFET（电力场效应管）、IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）等组成的直流脉冲宽度调制型（PWM）调速系统已发展成熟，用途越来越广，在直流电气传动中呈现越来越普遍的趋势。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面具有较大的优越性：①主电路线路简单，需用的功率元件少；②开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；③低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；④系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；⑤主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；⑥直流电源采用不控三相整流时，电网功率因数高。

脉宽调速系统和V-M系统之间的主要区别在于主电路和PWM控制电路，至于闭环系统以及静、动态分析和设计，基本上都是一样的，不必重复讨论。因此，本节仅就PWM调速系统的几个特有问题进行简单介绍和讨论。

脉宽调制变换器

脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。

不可逆PWM变换

不可逆PWM变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图8.48（a）所示为无制动作用的简单不可逆PWM变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件（图中为电力晶体管，也可以是MOSFET或IGBT等）。电源电压一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。

单片机控制PWM的直流电机调速系统的设计

单片机控制PWM的直流电机调速系统的设计

单片机控制PWM的直流电机调速系统的设计 山东科技大学学士学位论文

II 摘 要

在国民生产中，随着现代技术的发展，电力电子技术已得到了全面的发展，其技术已应用到各个领域。在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能,直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面,最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术,具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点.而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段,数字控制系统硬件电路的标准化程度高,控制软件能够进行复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律,此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法实现的功能。

关键字：AT89C51单片机 ；PWM技术；编码器；直流电动机

山东科技大学学士学位论文

III Abstract

In the national production, along with the development of modern

technology, electronic technology has been a comprehensive development,

the technology has been applied in various fields. In all kinds of mechanical

system, due to the dc motor has a good start, brake and the performance of

speed, dc motor control system has been widely used in industry,

spaceflight, most commonly used dc speed control technology is a pulse

width modulation (PWM) dc speed control technology, which has a high