直流電機轉數測量與控制設計

西南交通大學機械工程學院 四川成都 611756

摘要：為了實現直流電機測量與控制，利用霍爾傳感器采集直流電機轉數，并利用定時器中斷方式，將轉數傳送到單片機內。單片機通過譯碼顯示電路將轉數顯示到顯示器八段碼中，從而實現轉數的測量。通過鍵盤將希望轉數輸入到單片機中，并利用比例調節將希望轉數與實際轉數作比較，將得到的誤差值通過數模轉換器輸入到直流電機中，從而實現直流電機轉數的控制）。

關鍵詞：轉數測量；轉數控制；誤差調節；譯碼顯示

第一章 前言

近年來，單片機作為嵌入式微控制器在工業測控系統，智能儀器和家用電氣中得到廣泛應用。單片機具有體積小、集成度高、功能強等特點，適于嵌入式應用。智能儀器、家用電器、數控機床、工業控制等機電設備和產品中竟相使用單片機。

第二章 基本原理

1.課程設計工作原理

傳感器原理

霍爾效應：在一塊半導體薄片上，其長度為l，寬度為b，厚度為d，當它被置于磁感應強度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導體另外兩邊將產生一個大小與控制電流I和磁感應強度B乘積成正比的電勢，其中為霍爾元件的靈敏度。該電勢稱為霍爾電勢，半導體薄片就是霍爾元件。

根據霍爾效應原理，將一塊永久磁鋼固定在電機轉軸上的轉盤邊沿，轉盤隨測軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤附近安裝一個霍爾器件3020，轉盤隨軸旋轉時，受磁鋼所產生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計算出轉速。

第三章 硬件功能說明

3.1 硬件系統組成及功能簡介

（1）51單片機

主要功能：測量、控制系統的核心部件

（2）DAC0832

主要功能：

1.完成D/A轉換工作，產生直流電機的驅動電壓信號。

2.DAC0832是8位分辨率的D/A轉換集成芯片，是微處理器兼容型D/A轉換器，可以充分利用微處理器的控制能力實現對D/A轉換的控制。

3.有兩級鎖存控制功能，能夠實現多通道D/A的同步轉換輸出。

第四章 硬件電路的設計方案

4.1硬件電路的總體設計方案框圖

硬件實現電路圖

第五章 系統單元模塊原理及其程序流程圖

5.1 八段數碼管顯示原理

要實現8段碼LED顯示，只需要按地址輸出相應數據，便可實現對顯示器的控制。顯示共有6位，用動態方式顯示74LS164是串行輸入并行輸出轉換電路，串行輸入的數據位由8155的PB0控制，時鐘位由8155的PB1控制輸出。寫程序時，只要向數據為地址輸出數據，然后向時鐘位地址輸出一高一低兩個電平就可以將數據位置到74LS164中，并且實現移位。向顯示位選通地址輸出高電平就可以點亮相應的顯示位。

5.2 鍵盤掃描顯示原理

下面將解決鍵盤輸入的三大問題：

（1）按鍵識別：通常有行掃描法和線反轉法。本次采用的是行掃描法。即如果有鍵按下，則相應行的值應為低，如果無鍵按下，由于上拉的作用，行碼為高。這樣就可以通過輸出的列碼和讀取的行碼來判斷按下的是什么鍵。

（2）消除按鍵抖動：分為硬件方法（按鍵次數較少的場合）和軟件延時（按鍵次數較多的場合）。本次采用的是軟件延時方法。即在判斷有鍵按下后，一定要有一定的延時，防止鍵盤抖動。

（3）串鍵保護：由于操作不慎，可能會導致同時有幾個鍵同時按下，成為串鍵。

5.3 轉速測量原理

當工作在定時方式時，計數脈沖來自單片機內部，每個機器周期使計數器加1，由于計數脈沖的頻率是固定的（即每個脈沖為一個機器周期的時間），故可通過設定計數值來實現定時功能。

當工作在計數方式時，計數脈沖來自單片機的引腳，每當引腳上出現一個由1到0的電平變化時，計數器的值加1.從而實現計數功能。可以通過編程來指定計數器的功能，以及它的工作方式。

定時計數器T0、T1配合，實現轉速測量。T0用于產生1s定時，在此期間T1計霍爾傳感器送來的轉速頻率脈沖，完成后對轉速進行分析，根據轉速值進行相應的程序處理。我們設定時器T0定時參數為50ms，20次定時實現1s，1s定時開始對T1輸入端計數，20次定時時間到，T1停止計數，從而得到比較精確的電機轉速。

5.4 測速調速原理

基于51單片機的直流電機測速調速系統程序流程如下圖所示。其中，定時器T0用于1s定時，同時T1用于1s內脈沖計數，從而達到電機測速的目的。

該程序設計重點在定時器中斷，定時器T0中斷服務程序中包括電機測速部分、電機轉速顯示部分、電機轉速調整部分。電機轉速調整部分只需要對轉速和設定轉速值進行比較，根據比較結果調整P0.0輸出周期脈沖的高電平寬度即可調整電機轉速。

第六章 控制算法的實現

從硬件角度：

電機控制信號輸出端P0.0初始輸出低電平，將測得的電機轉速值與設定的值比較，當測速大于設定的最高速度時，減小P0.0脈沖的高電平寬度，減小電機速度；當測速小于設定的最小值（即最大值的70%）時，增大P0.0脈沖的高電平寬度，增大電機速度。

從算法（理論）角度：

直流電機的轉速與電機兩端的電壓大小有關，可以采用D/A轉換器DAC0832的輸出控制直流電機的電壓從而控制電機的轉速。在這里采用簡單的比例調節器算法（簡單的加一、減一法）。比例調節器的輸出系統式為：

式中：y為調節器的輸出；E（t）為調節器的輸人，一般為偏差值；Kp為比例系數。

從式（1）可以看出，調節器的輸出y與輸入偏差值E（t）成正比。因此，只要偏差e（t）一出現就產生與之成比例的調節作用，具有調節及時的特點，這是一種最基本的調節規律。比例調節作用的大小除了與偏差e（t）有關外，主要取決于比例系數Kp，比例調節系數愈大，調節作用越強，動態特性也越大。

參考文獻：

[1]張波，趙莉華；基于霍爾傳感器的永磁直流電機測速及控制系統；機床電器；2006/03

[2]王敬軒，楊豐，于江江；基于霍爾傳感器的直流電機測速系統研究；科技風；2009/08

[3]王文成，李建；基于單片機的電機轉速測量系統的設計；儀表技術與傳感器；2011/08

[4]陳博煒；基于單片機的轉數測量系統設計；延安大學學報；2012/03

[5]張云，劉睿鑫；曹貫強；基于EL-MUT-IIT試驗箱的直流電動機的測速與調速；2013/06

[6]孫源文；基于單片機的直流電機控制；科技信息；2010/35