第一章绪论 - cnelinker.com · 第一章绪论 1.1直流调速系统发展概况在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、

目录

第一章绪论.................................................................................................................11.1 直流调速系统发展概况.................................................................................11.2 国内外发展概况............................................................................................21.2.1 国内发展概况.....................................................................................21.2.2 国外发展概况.....................................................................................31.2.3 总结.....................................................................................................4

1.3 本课题研究目的及意义................................................................................41.4 论文主要研究内容........................................................................................4

第二章直流电动机调速器工作原理.......................................................................62.1 直流电机调速方法及原理............................................................................62.2 直流电机 PWM(脉宽调制)调速工作原理......................................................72.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理......................................................112.3.1 单闭环直流调速系统的组成...........................................................112.3.2 速度负反馈单闭环系统的静特性....................................................122.3.3 转速负反馈单闭环系统的基本特征................................................132.3.4 转速负反馈单闭环系统的局限性....................................................14

2.4 采用 PI 调节器的单闭环无静差调速系统................................................152.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理..........................................................172.5.1 原理框图............................................................................................172.5.2 数字式 PI 调节器设计原理.............................................................18

第三章直流电动机调速器硬件设计.......................................................................203.1 系统硬件设计总体方案及框图..................................................................203.1.1 系统硬件设计总体方案....................................................................203.1.2 总体框图...........................................................................................20

3.2 系统硬件设计..............................................................................................203.2.1 C8051F020 单片机............................................................................203.2.1.1 单片机简介............................................................................203.2.1.2 使用可编程定时器/计数器阵列获得 8位 PWM 信号..........233.2.1.3 单片机端口配置....................................................................23

3.2.2 主电路................................................................................................253.2.3 LED 显示电路....................................................................................263.2.4 按键控制电路...................................................................................27

3.2.5 转速检测、反馈电路.......................................................................283.2.6 12V 电源电路....................................................................................30

3.3 硬件设计总结...............................................................................................31附录 1 直流电动机调速器硬件设计电路图............................................................32附录 2 直流电动机控制系统程序清单....................................................................35附录 3 硬件实物图....................................................................................................50

第一章绪论

1.1 直流调速系统发展概况

在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、

石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和

产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流

调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简

便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机

虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩

和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统

至今仍是自动调速系统的主要形式。

直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永

磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的

进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控

制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统

和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用

的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型

功率器件 MOSFET 和 IGBT 成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的

使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速

中获得了广泛的应用。

1964 年 A.Schonung 和 H.stemmler 首先提出把 PWM 技术应用到电机传动中

从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入 70 年代以来，体积小、耗电

少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品

化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称

微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM 常取代数模转换

器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。通

常 PWM 配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。在直

流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。

目前，电机调速控制模块主要有以下三种：

（1）、采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的

目的；

（2）、采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机

的速度进行调整；

（3）、采用由 IGBT 管组成的 H型 PWM 电路。用单片机控制 IGBT 管使之工

作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。

1.2 国内外发展概况

1.2.1 国内发展概况

我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始

得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4～200KW 晶闸管直流调速

装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。

目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开

发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：

（1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节

的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的

参数具有较高的精度，方法简便易行。

（2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针

对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的 PI 调节器，

成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方

法简单，控制器容易实现。

（3）、单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，

提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅

具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。

（4）、模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行

了尝试。经 1.5kw 电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限

流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。

上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还

有许多学者对此进行了不同程度的研究。

1.2.2 国外发展概况

随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的

研究也在不断发展和完善，尤其 80 年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型

直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，

研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、

I-P 控制器取代 PI 调节器的方法、自适应和模糊 PID 算法等等。

目前，国外主要的电气公司，如瑞典 ABB 公司，德国西门子公司、AEG 公

司，日本三菱公司、东芝公司、美国 GE 公司等，均已开发出数字式直流调装置，

有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的

SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，

其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为

15A 至 1200A，并可通过并联 SITOR 可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，

可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它

任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理

器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。

1.2.3 总结

随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、

调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使

用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。

1.3 本课题研究目的及意义

直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，

直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，

简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机

的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。

随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，

控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有 PWM 口，

用于自动产生 PWM 波；有捕捉功能，用于测频；有 A/D 转换器、用来对电动机

的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、

足够的内部 ROM 和 RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能

等。因此该实验中选用 Cygnal 公司的单片机 C8051F020。

通过设计基于 C8051F020 单片机的直流 PWM 调速系统并调试得出结论，在

掌握 C8051F020 的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI 控制器的理解，

对运动控制的相关知识进行巩固。

1.4 论文主要研究内容

本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用

C8051F020 自带的 PWM 口，通过调整 PWM 的占空比，控制电机的电枢电压，进而

控制转速。

系统硬件设计为：以 C8051F020 为核心，由转速环、显示、按键控制等电

路组成。

具体内容如下：

（1）、介绍直流电动机工作原理及 PWM 调速方法。

（2）、完成以 C8051F020 为控制核心的直流电机数字控制系统硬件设计。

（3）、以该系统的特点为基础进行分析，使用 PWM 控制电机调速，并由实验

得到合适的 PI 控制及相关参数。

（4）、对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。

第二章直流电动机调速器工作原理

2.1 直流电机调速方法及原理

直流电动机的转速和各参量的关系可用下式表示：

( ) /(n U IR Ke Φ)

由上式可以看出，要想改变直流电机的转速，即调速，可有三种不同的方

式：调节电枢供电电压 U，改变电枢回路电阻 R，调节励磁磁通Φ。

3种调速方式的比较表 2-1 所示.

表 2-1 3 种电动机调速方式对比

调速方式

和

方

法

控制装置调速

范

围

转速变

化率

平滑性动态

性

能

恒转

矩或

恒功

率

效率

改

变

电

枢

电

阻

串电

枢电

阻

变阻器或接触

器、电阻器

2:1 低速时

大

用变阻器较好

用接触器、电阻

器较差

无自

动调

节能

力

恒转

矩

低

改

变

电

枢

电

压

电动

机 -

发电

机组

发电机组或电

机扩大机（磁放

大器）

10:1

～

20:1

小好较好恒转

矩

60%

～

70%

静止

变流

晶闸管变流器 50:1

～

小好好恒转

矩

80%

～

器 100:1 90%

直流

脉冲

调宽

晶体管或晶闸

管直流开关电

路

50:1

～

100:1

小好好恒转

矩

80%

～

90%

改

变

磁

通

串联

电阻

或可

变直

流电

源

直流电源变阻

器

3:1

～

5:1

较大差差恒功

率

80%

～

90%电机扩大机或

磁放大器

好较好

晶闸管变流器好

由表 2-1 知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢

供电电压的方式为最佳，而变电枢电压调速方法亦是应用最广的调速方法。

2.2 直流电机 PWM(脉宽调制)调速工作原理

在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改

变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用

晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在

晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降

很大，但是电流为零，所以不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都

是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放

大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放

大器被称为脉冲调制放大器。

PWM 脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获

得获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。

根据 PWM 控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制 PWM、

线电压控制 PWM、电流控制 PWM、非线性控制 PWM，谐振软开关 PWM、矢量控制

PWM、直接转矩控制 PWM、空间电压矢量控制 PWM。

利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图

2-1、图 2-2 所示。当开关管 MOSFET 的栅极输入高电平时，开关管导通，直流

电动机电枢绕组两端由电压 sU 。 1t 秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为 0。 2t 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的

电压波形如图 2-2所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值 0U 为：

式 2-1

式中 ——占空比，

占空比表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为 0≤≤1。由式 2-1 可知，当电源电压 sU 不变的情况下，电枢的

端电压的平均值 0U 取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是 PWM 调速原理。

在 PWM 调速时，占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法：

（1）、定宽调频法:保持 1t 不变，改变 2t ，从而改变周期T（或频率）。

（2）、调宽调频法：保持 2t 不变，改变 1t ，从而改变周期T（或频率）。

（3）、定频调宽法：保持周期T（或频率）不变，同时改变 1t 、 2t 。

1 s 10 s s

1 2

t U 0 tU U Ut t T

1tT

前 2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的

频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流

电动机的控制中，主要使用第 3种方法。

图 2-1 PWM 调速控制原理

iU

t

t

2tT0U

SU1t

图 2-2 输入输出电压波形

产生 PWM 控制信号的方法有 4种，分别为：

（1）、分立电子元件组成的 PWM 信号发生器

这种方法是用分立的逻辑电子元件组成 PWM 信号电路。它是最早期的方式，

现在已经被淘汰了。

（2）、软件模拟法

利用单片机的一个 I/O 引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实

现 PWM 信号输出。这种方法要占用 CPU 大量时间，需要很高的单片机性能，易

于实现，目前也逐渐被淘汰。

（3）、专用 PWM 集成电路

从 PWM 控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的 PWM 集成电路芯

片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了由 PWM 信号发生功能外，还有“死

区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机系统中，使用专用 PWM

集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。

（4）、单片机 PWM 口

新一代的单片机增加了许多功能，其中包括 PWM 功能。单片机通过初始化

设置，使其能自动地发出 PWM 脉冲波，只能在改变占空比时 CPU 才进行干预。

其中常用后两中方法获得 PWM 信号。实验中使用方法（4）获得 PWM 信号。

2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理

2.3.1 单闭环直流调速系统的组成

只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电

压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统具

有局限性：

（1）、通过控制可调直流电源的输入信号 cU ，可以连续调节直流电动机的电枢

电压 dU ，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，

电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电

源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。

（2）、开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围 D都很小，

对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制

的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。

（3）、开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静

差

为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，

方框图如图 2-3 所示。在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）

引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间

的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正

偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精

度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。

调节器被控对象

扰动量

检测装置

输出量

反馈量

偏差输入量 +

－

图 2-3 闭环系统方框图

对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系

统。在电动机轴上安装一台测速发电机 TG，引出与输出量——转速成正比的负

反馈电压 nU ，与转速给定电压*nU 进行比较，得到偏差电压 nU ，经过放大器 A，

产生驱动或触发装置的控制电压 ctU ，去控制电动机的转速，这就组成了反馈控

制的闭环调速系统，如图 2-4 所示。

图 2-4 转速负反馈单闭环直流调速系统静态框图

2.3.2 速度负反馈单闭环系统的静特性

由图 2-4，按照梅森公式可以直接写出转速给定电压 Un*和负载扰动电流 IL

与转速 n的关系式如下： p s *n L

e ol e ol

K K Rn U IC (1 K ) C (1 K )

式 2-2

其中,闭环系统的开环放大系数为： ol p s eK K K /C 式 2-3

开环系统的负载速降为： op Le

Rn IC

式 2-4

由式 2-2 闭环时的负载速降为：op

cl Le ol d

nRn IC (1 K ) 1 K

式 2-5

上式表明采用速度闭环控制后，其负载速降减小了（1+Kol）倍，使得闭环

系统的机械特性比开环时硬得多；因而，闭环系统的静差率要小得多，可以大

大增加闭环系统的调速范围。

2.3.3 转速负反馈单闭环系统的基本特征

转速负反馈单闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下基本

特征，也是反馈控制的基本规律。

（1）、具有比例放大器的单闭环调速系统是有静差的。

由式 2-4 中可以看出，闭环系统中的开环放大系数 K值对系统的稳态性能

影响很大。K越大，稳态速降越小，但当放大器只是比例放大器时，只有当 K=

∞才能使 cln =0，显然不可能实现，因此，稳态速降只能减少而不可能消除。

这样的调速系统属于有静差调速系统，简称有差系统，而这种系统正是依靠偏

差来保证实现控制作用的。

（2）、具有较强的抗干扰性能

反馈闭环系统具有很好的抗扰性能，对于作用在被负反馈所包围的前向通

道上的一切扰动都能有效地抑制。除给定信号外，作用在控制系统上一切能使

输出量发生变化的因素都叫做“扰动作用”。除了负载扰动所引起的稳态速降之

外，还有许多因素会引起电动机转速的变化。而所有被反馈环所包围的加在闭

环系统前向通道各环节上的扰动作用对输出量的影响都会受到反馈控制的抑

制。这一性质是闭环自动控制系统最突出的特征。

（3）、对给定信号和检测装置中的扰动无能为力

在闭环调速系统中，给定作用如果由细微的变化，输出转速就会立即随之

变化，丝毫不受反馈作用的抑制。如果给定电源发生了不应有的波动，则输出

转速也要跟着发生变化，反馈控制系统无法区分是正常的调节给定电压还是给

定电源的变化。因此，闭环调速系统的精度依赖于给定稳压电源的精度。

此外，闭环控制系统对于检测装置本身的误差也是无法克服的。对于调速

系统来说，如果测速发电机励磁发生变化，也会引起反馈电压 nU 的改变，通过

系统的调节作用，使电动机转速偏离原应保持的数值。因为实际转速变化引起

的反馈电压 nU 的变化与其他因素（如测速机励磁变化、换向纹波、安装不良造

成的转子和定子间的偏心）引起的反馈电压 nU 的变化，反馈控制也是区分不出

来的。因此，闭环控制系统的精度还依赖于反馈检测装置的精度。

2.3.4 转速负反馈单闭环系统的局限性

（1）、响应速度慢

由于电气的时间常数一般较大，使得 Rn(s)的调节作用要经过的延时才能产

生相应的电枢电流 Id(电磁转矩 Te)，调节转速偏差，使转速调节的速度受到限

制。

（2）、抗扰性能差

主要是当可调直流电源参数发生扰动时，例如电网电压变化会引起电源放

大倍数 Ks 的变化；或者相控整流电源电流断续时使得电源放大倍数 Ks 和电枢

电阻等效大幅变化，使得闭环系统的开环传递函数发生变化。严重时会导致闭

环系统不稳定。

（3）、电枢电流动态过冲大

由于电枢的大惯性，在动态过程中很容易发生电枢电流大幅过冲，对电动

机和直流电源的安全运行不利。

因此，工程中为改善转速单闭环的动、静态性能而加入电流环，构成转速、

电流双闭环调速系统。增设电流内环后，带来下列好处：

（1）、电枢电流的快速变化不再受大的电气时间常数的限制，使响应速度更

快。

（2）、在电流内环前向通道中的各种扰动量，都会被有效抑制。

（3）、使得系统抗电网电压扰动的能力更强，也使得电枢电流断续引起的系

统非线性不再会威胁闭环系统的稳定性。

（4）、利用转速调节器的输出限幅特性，可自然实现“电流截止特性”。

但负载电流扰动在电流闭环之外，因此电流内环对改善系统的抗负载扰动

特性的作用是有限的。

但在实验过程中考虑到电流量不容易检测并反馈，鉴于实验人员能力有限

而将系统设计为转速负反馈单闭环系统。

2.4 采用 PI 调节器的单闭环无静差调速系统

前面所述的单闭环调速系统采用的是比例调节器，其控制作用需要用偏差

来，只能减少静差，但不能消除静差。对于有静差调速系统，如果根据稳态性

能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差，或根本达不到稳

态，也就谈不上是否满足稳态要求。采用比例积分调节器代替比例放大器后，

可以使系统稳定且足够的稳定欲量，并改善动态性能，实现无静差调速。

图 2-5 为单闭环调速系统的动态结构图。利用结构图的运算法则，可以得

到采用不同的调节器时，输出量 n 与扰动量 dLI 之间的关系如下。

LI

++ _ n(s)nU (s)

s

s

KT s 1

e2

m 1 m

1 / CT T s T s 1

1R ( T s 1)

A

图 2-5 带调节器的单闭环调速系统动态结构图

（1）、当采用比例调节器时，得式 2-5：

（2）、当采用比例积分调节器时，调节器的传递函数分别为

PIK ( s 1)1s s

、

得到负载扰动引起的稳态速度偏差为：

式 2-6

突加负载使， dLdL

II (s)s

，利用拉氏变换的终值定理可以求出负载扰动引起

*nU (s)

dL 1 s e2

s m 1 m s PI e

I (s)R(T s 1)(T s 1) / C sn(s)s(T s 1)(T T s T s 1) K K ( s 1) / C

opcl L

e ol d

nRn IC (1 K ) 1 K

的稳态误差为：s 0

n(s) lims n(s) 0

因此，比例积分控制的调速系统为无静差系统。但如果积分环节出现在扰

动点以后，它对消除静差是无能为力的。

另外，采用比例积分控制的单闭环无静差调速系统，只是在稳态时无差，

动态还是有差的。在整个调节过程中，比例部分在开始和中间阶段起主要作用，

在 nU 的作用下，PI 调节器立即输出比例调节部分 ctP PI nU K U ,使晶闸管整

流输出电压 d0pU 出现，阻值转速 n的继续下降，帮助转速的顺利回升，随着

转速接近稳态值，比例部分作用变小。积分部分在调节过程的后期起主要作用，

而且依靠它最后消除转速偏差。在动态过程中最大的转速降落 n max叫做动态速

降（如果突减负载，则为动态速升），它表明了系统抗扰的动态性能。

总之，采用 PI 调节器的单闭环调速系统，在稳定运行时，只要 *nU 不变，

转速 n的数值也保持不变，与负载的大小无关；但是在动态调节过程中，任何

扰动都会引起动态速度变化。因此系统是转速无静差系统。需要指出，“无静差”

是理论上的，因为比例积分调节器在稳态时电容器 C两端电压不变，相当于开

路，运算放大器的放大系数理论上为无穷大，才能达到输入偏差电压为 0，输出

电压为任意所需值。实际上，这时的放大系数是运算放大器的开环放大系数，

其数值很大，但任是有限的，因此仍存在着很小的 nU ，即仍有很小的偏差，

只是在一般的精度要求下可以忽略不计。

2.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理

2.5.1 原理框图

该系统原理框图如图 2-6 所示，转速反馈控制环的调节是利用单片机软件

实现的 PI 调节。图中虚线部分是采用单片机实现的控制功能。

*nU (s)

+

转

速

调

节

PI

晶

闸

管

装

置

直

流

电

动

机

转速反馈

图 2-6 数字式转速负反馈单闭环直流调速系统

2.5.2 数字式 PI 调节器设计原理

PI 调节器的传递函数为： ps 1ks

，其中，为积分时间常数， pk 为比例系

数。

该调节器的模拟输出为：

式 2-7

式中，e(t)为调节器的偏差输入，即给定值与反馈至只差。将式 2-7 按如下原

则离散化：

（1）、微分方程中的导数直接用差分项代替；

（2）、积分用积分的求和式代替；

（3）、时间 t编程离散量 kT，T 为采样周期，kT 为第 k个采样周期的时刻。

得到式 2-7 的差分方程为：

t

p0

1u(t) k [e(t) e( )d ]

式 2-8

为使计算简便，将式 2-7 转换为递推式，有：

式 2-9

即式 2-10

其中常数 pTA k (1 )

。式 2-10 表明：计算本次的控制量只需上次的控制量

和上次与本次的偏差量即可。常数 pk 和 A事先存于固定的存储单元中，每次 PI

运算只是进行两次乘法运算和两次加法运算。

k 1

k p kn 0

1u k [e e(n )T ]

k k 1 p k p k 1Tu u k e k (1 )e

k k 1 p k k 1u u k e A e

第三章直流电动机调速器硬件设计

3.1 系统硬件设计总体方案及框图

3.1.1 系统硬件设计总体方案

系统的硬件结构主要包括：C8051F020 单片机、由霍尔元件 A44E 构成的

转速检测及反馈电路、LED 显示电路、功能键控制电路、H型 PWM 变换电路。

3.1.2 总体框图

DC MOTOR

转速检测、

反馈

LED显示

功能键控制

PWM

C8051F

020

图 3-1 系统总体框图

3.2 系统硬件设计

3.2.1 C8051F020 单片机

3.2.1.1 单片机简介

C8051F020 是 Cygnal 公司出品的完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片，具

有 64 个数字 I/O 引脚。以下为其主要特性：

（1）、高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核（可达 25MIPS）

（2）、全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）

（3）、真正 12 位、100ksps 的 8 通道 ADC，带 PGA 和模拟多路开关

（4）、真正 8位 500ksps 的 ADC，带 PGA 和 8 通道模拟多路开关

（5）、两个 12 位 DAC,具有可编程的 FLASH 存储器

（6）、64K 字节可在系统编程的 FLASH 存储器

（7）、4352 字节的片内 RAM

（8）、可寻址 64K 字节地址空间的外部数据存储器接口

（9）、硬件实现的 SPI\SMBus、 2I C和两个 UART 串行接口

（10）、5个通用的 16 位定时器

（11）、具有 5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列

（12）、片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器

具有片内 VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F020是真正能

独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许

现场更新 8051固件。

该单片机可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用 2.7V 到-3.6V 的电压工作。

端口 I/O、/RST 和 JTAG 引脚都容许 5V 的输入信号电压。C8051F020 为 100 脚

TQFP 封装。

下面介绍的是实验中主要使用到的 C8051F020 的功能：

（1）、JTAG 调试和边界扫描：C8051F020 具有片内 JTAG 边界扫描和调试电

路，通过 4脚 JTAG 接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非

侵入式（不占用片内资源）、全速的在系统调试。该 JTAG 接口完全符合

IEEE1149.1 规范，位生产和测试提供完全的边界扫描功能。

Silicon Labs 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观

察点、堆栈指示器和单步执行。不需要额外的目标 RAM、程序存储器、定时器或

通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当 MCU 单步执行或遇

到断点而停止运行时，所有的外设（ADC 和 SMBus 除外）都停止运行，以保持与

指令执行同步。

（2）、可变成计数器阵列：除了 5 个 16 位的通用计数器/定时器之外，

C8051F020 MCU 系列还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（PCA）。PCA 包括

一个专用的 16 位计数器/定时器时间基准和 5个可编程的捕捉/比较模块。时间

基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器

0溢出、外部时钟输入（ECI）、系统时钟和外部振荡源/8。

每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速

输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和 16 位脉冲宽度调制器。PCA 捕捉/比较

模块的 I/O 和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到 MCU 的端口 I/O 引脚。

实验中使用了 8位脉宽调制器的工作方式。

（3）、可编程数字 I/O 和交叉开关：C8051F020 具有标准 8051 的端口（0、

1、2和 3）。在 F020/2 中由 4个附加的端口（4、5、6和 7），因此共有 64 个通

用端口 I/O。这些端口 I/O 的工作情况与标准 8051 相似，但有一些改进。

每个端口 I/O 引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准 8051 中固

定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。

该单片机引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部

数字系统资源映射到 P0、P1、P2 和 P3 的端口 I/O 引脚，如图 2-1 所示。与具

有标准复用数字 I/0 的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。

可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件

中断、ADC 转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为

出现在端口 I/O 引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口 I/O

和所需数字资源的组合。

3.2.1.2 使用可编程定时器/计数器阵列获得 8位 PWM 信号

当 PCA 捕捉/比较模块配置为 8位 PWM 方式时，出现在 CEXn 的波形周期等

于 256 个 PCA 时钟周期，该信号的低电平时间等于在模块的捕捉/比较寄存器

PCA0CPLn 的低字节中所存储的 8位数字，在主 PCA 计数器 PCA0L 的低字节发生

溢出时，模块的比较寄存器的高字节被拷贝到模块的比较寄存器的低字节中

（PCA0CPLn=PCA0CPHn），通过更新 PCA0CPHn 就能改变占空比，拷贝过程保证在

输出端不产生毛刺。

输出波形的占空比（用%表示）如下式：

占空比=(（256-PCA0CPHn）/256)×100

PCA0CPHn可以含有1个 0～255的数值，所以占空比的范围为0.38%～100%，

其分辨率为：（1/256）×100=0.38。

8位PWM方式的最大优点是不需要CPU的干预就可以输出一个固定占空比的

波形。若 CIDL 位（PCA0MD.7）置为 0（复位状态），即使 CPU 处于休眠状态，输

出波形也将保持。

因此改变占空比是通过向 PCA0CPHn 写入一个 8位数来完成的。

3.2.1.3 单片机端口配置

C8051F020 各端口连接图如图 3-3 所示。

图 3-2 C8051F020 数字交叉开关

图 3-3 单片机各端口连接图

3.2.2 主电路

主电路为 H 型 PWM 变换电路，硬件电路如图 3-4 所示。该 H 型电路由 2

对功率晶体管芯片 TIP31（NPN）/32(PNP) 、4 个三极管 BC184 构成。由图可

知，该电路有两个输入端，当任一端输入高电压而另一端输入低电压时，高电

压一边的 BC184 导通使得与之相连的 TIP32、TIP31 分别处于导通、截止的状态，

而低电压一边的 BC184 截止使得与之相连的 TIP32、TIP31 分别处于截止、导通

的状态，此时形成一个回路，电动机电枢绕组承受电压。当两端同时输入高电

压时，两个 TIP31 同时截止，电动机两端无回路形成，因此电动机两端因无电

压而停转，即该电路可以防止上下直通的情况产生。两个输入端均可输入 PWM0、

PWM1 两个脉宽调制信号，控制电动机正反转时的电枢电压。

由前述的 PWM 控制工作原理可知，在程序进行控制时，将一端的 PWM 信号占空

比设为 0，则电动机此时将受另一端输入的 PWM 信号控制方向及转速大小。

图 3-4 H 型 PWM 变换电路（主电路）

3.2.3 LED 显示电路

LED 显示电路由一个共阳极四位一体的 LED 实现，硬件电路如图 3-5 所示。

使用单片机的 P6.0～P6.3 口控制 LED 的位选信号，P5 口控制段码选择信号。

3.2.4 按键控制电路

硬件电路如图 3-6、3-6 所示。系统中使用这六个按键依次实现选位、置

位、确定、升速、降速、反转六个功能。六个按键通过四个与门后与外部中断 0、

1口相连，则只要有按键按下，就会触发外部中断 0、1。另外使用 P3 口作为键

值输入口。程序上使用外部中断 0、1（INT0、INT1）及键值扫描实现对按键的

控制。当按下选位键时，可以对四位 LED 进行选择，选定某位后按下置位键则

可在该位上选择 0～9任一个数，当完成转速给定值设定后按下确定键，则系统

开始调速。在电动机运行过程中按下升速、降速或反转键则能进行对电动机升、

降速及反转的控制。

图 3-5 LED 显示电路

图 3-6 按键接入外部中断 0、1 图 3-7 键值输入电路

3.2.5 转速检测、反馈电路

转速检测、反馈电路使用霍尔元件 A44E 实现。

根据霍尔效应制成的霍尔传感器不仅可以用于磁场的测量,大量的还是以磁

场为工作媒体,将物体的多种运动参量转变为电压输出，因而在自动控制、各种

物理量的测量中得到了大量的应用。随着集成电路技术的发展,集成霍尔传感

器被大量研制和生产,其应用也愈来愈广泛。如:位移传感、速度传感、角度传

感、电流感应、直流电机、汽车点火和自动控制等。在工业中大量自动检测采

用了霍尔传感技术。

集成霍尔传感器主要由霍尔片和放大器组 ,根据不同应用的需要,有的还

加温度补偿电路、稳压电源或施密特触发器及开关电路等,加了不同附加器件后

其应用和特性各不相同。集成霍尔传感器的特点是:体积小、频响宽、动态特性

好、对外围电路要求简单、使用寿命长及价格低廉。集成霍尔传感器一般可分

为三种:集成线性霍尔传感器（也称位置传感器）、集成霍尔开关和集成霍尔

锁存器。它们都具有传感和控制功能。

集成霍尔开关：当霍尔器件所在位置的磁场尚未达到工作点之前 ,器件以

高电平输出,当磁场增强到工作点 B时,霍尔片输出的电压 U 经差分放大器放

大后,送至施密特触发器,使之翻转导通,从而使门电路输出端由高电平变为低

电平,称此为“开”状态。反之,当磁场减小到释放点 B 时,门电路输出端截止,

则由低电平变为高电平, 称为“关”状态。常见的霍尔开关有 UGN3109、A44E

和 US5881.由于该传感器只对一定强度的磁场起作用,抗干扰能力强,因而应用

广泛。

A44E 的应用。计数、转数和转速的测量。由于 A44E 灵敏度较高 ,抗干扰能

力强,因而大量用于计数、转数和转速的测量中,一般有两种方法:在非铁磁性材

料圆盘边缘粘一小磁钢 ,将霍尔开关固定于圆盘边缘附近,当圆盘转动 ,磁钢

经过霍尔开关时,霍尔开关将输出一脉冲;另一方法是将小磁钢粘在霍尔开关背

面,一起靠近转动的齿轮,由于齿轮的凹与凸,使霍尔开关的磁感应强度呈明显

变化,霍尔开关同样输出脉冲,这样当脉冲输入频率测量仪,即可达到相应的测

量与控制目的。本实验中采用的是第一种方法。

硬件电路图如 3-8 所示。使用定时/计数器 0作为 16 位定时器，定时/计

数器 1作为 8 位自动重载计数器并使用交叉开关分配到 P0.4 口。将 A44E 输出

接入 P0.4（定时/计数器 1），定时器每 50ms 定时中断一次，计数器计入每 50ms

电动机旋转次数，通过计算得出每分钟转数并显示。

图 3-8 转速检测、反馈电路

3.2.6 12V 电源电路

硬件电路图如 3-9 所示。该电路完成 AC 220V 到 DC 12V 的转换，作为电动

机的供电电压。

图 3-9 12V 电源电路

其中，78L12 为输出电压为 12V 的三端固定正稳压器，具有内部过流、热过

载和输出晶体管安全区保护功能，电路使用安全可靠。主要性能：

（1）、输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V 和 24V。

（2）、最大输出电流：0.1A。

（3）、失稳电压：2V。

（4）、内部热过载保护。

（5）、内部过流、短路保护。

（6）、输出晶体管安全区保护。

3.3 硬件设计总结

硬件设计过程中，基本采用了理论设计时所选用的元件，只是在进行转速

环设计时，原计划采用通过检测电枢电压来间接检测转速，但考虑到缺少电动

机的参数，无法得到电动机电枢电压与转速的数量关系且该方法在进行电压转

换成转速时存在误差，最后改用 A44E 进行转速检测，即简化了电路，也不存在

前一方法中产生的误差，同时也简化了程序设计。

附录 1 直流电动机调速器硬件设计电路图

附录 2 直流电动机控制系统程序清单

#include <c8051f020.h>

#include <stdio.h>

#include <math.h>

unsigned int CHOBIT;//选位全局变量

unsigned int FITBIT;//置位全局变量

unsigned int CT0;//T0 的全局变量

unsigned int SPEEDREAD;//读速度

unsigned char GETKEY1,GETKEY2;//取键值全局变量

const unsigned char

LEDMAP1[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};

//共阳极 LED 数码管表(不带小数点)

const unsigned char

LEDMAP2[]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};

//共阳极 LED 数码管表( 带小数点)

unsigned int GET1000,GET100,GET10,GET1;//取位变量

unsigned long int DIRECTION ;//电机转动方向变量

unsigned int KEYVALUE;//取速度以预值

unsigned int MKTIMER;//定时变量

float Proportion_value=0.8;//比例常数

float Integral_value=0.01;

// 积分常数

int s_delta_value;

// 差值之和

/////////////////////////////////

void DELAY1MS(int i);//延时

void DISPLAY(unsigned int);//显示

void CHO_BIT();//选位

void FIT_BIT();//置位

void GET_BIT(unsigned int c);//取值

void MOT_RISE( );//升速

void MOT_FALL( );//降速

void MOT_REVERSE();//反向

void SPEEDSURE( );//确定速度

void MOT_INITIAL();//电机初始化

/////////////////////////////////

void main(void)

{

WDTCN=0XDE;

WDTCN=0XAD;

XBR0=0x10;//管脚分配

XBR1=0x1e;

XBR2=0x40;

P1MDIN=0x00;//P1 口全设为模拟输入

P1MDOUT=0x00;

OSCICN=0X87;

CKCON=0X18;//定时器计数器设置

TMOD=0X16;

PCA0MD=0x00;//PAC0 为系统时钟的 12 分频

PCA0CN=0x40;

PCA0CPM0=0X02;

PCA0CPM1=0X02;

EA=1;//开中断

EX0=1;

EX1=1;

ET1=1;

IT0=1;//外中断 0与 1为低电平触发

IT1=1;

//TR0=1;

//TR1=1;

P74OUT=0x00;

// MOT_INITIAL();

while(1)

{

}

}

////////////////////////////////

void MOT_INITIAL()//电机初始化

{

PCA0CPL1=0XFF;

PCA0CPH1=0XFF;

PCA0CPL0=0X55;

PCA0CPH0=0X55;

}

/////////////////////////////

void PID_main( int Setvalue)

{

int PID,delta;

float PID1;

delta=Setvalue-SPEEDREAD;

s_delta_value+=delta;

PID1=Proportion_value*delta+Integral_value*s_delta_value;

PID=floor(PID1);

if(DIRECTION==0)

{

PCA0CPH0-=PID;

}

else

{

PCA0CPH1-=PID;

}

}

/////////////////////////////

void MOT_REVERSE()

{

int a;

DIRECTION++;

DIRECTION=DIRECTION%2;

if(DIRECTION==0)

{

a=PCA0CPH1;

PCA0CPH1=0XFF;

DELAY1MS(400);

PCA0CPH0=a;

}

if(DIRECTION==1)

{

a=PCA0CPH0;

PCA0CPH0=0XFF;

DELAY1MS(400);

PCA0CPH1=a;

}

}

//////////////////////////////////

void DISPLAY(unsigned int d)//显示程序

{

int a1000,a100,a10,a1;

a1000=d/1000;

a100=(d%1000)/100;

a10=(d%100)/10;

a1=d%10;

if(DIRECTION==0)

{

P6=0x01;

P5=LEDMAP1[a1000];

DELAY1MS(5);

P6=0X02;

P5=LEDMAP1[a100];

DELAY1MS(5);

P6=0x04;

P5=LEDMAP1[a10];

DELAY1MS(5);

P6=0x08;

P5=LEDMAP1[a1];

DELAY1MS(5);

}

if(DIRECTION==1)

{

P6=0x01;

P5=LEDMAP2[a1000];

DELAY1MS(5);

P6=0x02;

P5=LEDMAP2[a100];

DELAY1MS(5);

P6=0x04;

P5=LEDMAP2[a10];

DELAY1MS(5);

P6=0x08;

P5=LEDMAP2[a10];

DELAY1MS(5);

}

}

////////////////////////////////////

void CHO_BIT( )//选位函数

{

CHOBIT++;

if(CHOBIT==4)CHOBIT=0;

if(CHOBIT==0)

{

P6=0x01;

P5=0xc0;//输入零

}

if(CHOBIT==1)

{

P6=0x02;

P5=0xc0;//输入零

}

if(CHOBIT==2)

{

P6=0x04;

P5=0xc0;//输入零

}

if(CHOBIT==3)

{

P6=0x08;

P5=0xc0;//输入零

}

}

//////////////////////////////////

void GET_BIT(unsigned int c)//取位函数

{

P5=LEDMAP1[c];

if(CHOBIT==0)

GET1000=c;

if(CHOBIT==1)

GET100=c;

if(CHOBIT==2)

GET10=c;

if(CHOBIT==3)

GET1=c;

}

/////////////////////////////////

void FIT_BIT( )//置位函数及把置位数提取

{

FITBIT++;

if(FITBIT==10)FITBIT=0;

switch(FITBIT)

{

case 0:GET_BIT(FITBIT);break;










}

}

/////////////////////////////////////

void MOT_RISE()//升速函数

{

KEYVALUE+=5;

}

//////////////////////////////

void MOT_FALL( )//降速函数

{

KEYVALUE-=5;

}

///////////////////////////////

void DELAY1MS(int k)//延时程序

{

int i,j;

for(i=0;i<k;i++)

for(j=0;j<500;j++);

}

////////////////////////////////

void INT0(void) interrupt 0//外部中断 0

{

DELAY1MS(2);

GETKEY1=P3;

DELAY1MS(20);

GETKEY1&=0X03;

switch(GETKEY1)

{

case 0x02:CHO_BIT();break;//进行选位

case 0x01:FIT_BIT();break;//进行置位

}

}

//////////////////////

void INT_T1() interrupt 3//定时中断

{

int i;

MKTIMER++;

if(MKTIMER<=20)

{

TR1=1;

TF1=0;

}

if(MKTIMER>20)

{

SPEEDREAD=TL0;

PID_main(KEYVALUE);

TL0=0X00;

for(i=0;i<100;i++)

DISPLAY(SPEEDREAD);

TR1=1;

TF1=0;

}

}

////////////////////////////////

void INT1(void) interrupt 2//外部中断 1

{

DELAY1MS(2);

GETKEY2=P3;

DELAY1MS(20);

GETKEY2&=0X3C;

switch(GETKEY2)

{

case 0x38:SPEEDSURE();break;//电机速度确定

case 0x34:MOT_RISE();break;//电机升速

case 0x2c:MOT_FALL();break;//电机降转

case 0x1c:MOT_REVERSE();break;//电机正反转

}}

///////////////////////////////

void SPEEDSURE( )

{ int i;

KEYVALUE=GET1000*1000+GET100*100+GET10*10+GET1;

for(i=0;i<500;i++)

DISPLAY(KEYVALUE);

MOT_INITIAL();

TR0=1;

TR1=1;}

附录 3 硬件实物图

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第一章绪论 - cnelinker.com · 第一章绪论 1.1直流调速系统发展概况 在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、

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