基于C8051F020的直流电机调速系统

【摘 要】本文介绍一种基于C8051F020单片机的直流电机调速系统。该系统具有PID闭环调速、转速实时显示、方向和停机控制、键盘输入等功能。系统采用C8051F020内部带有的8位PWM脉宽调制信号输出，具有显示与调节功能，使用资源少，结构简单，可广泛用于生产过程中需要直流伺服调速的场合。

【关键词】C8051F020；直流电机；IR2110；PWM；增量式PID

引言

直流电机自其产生以来，因其能效高、低噪音功率比、低重量功率、高起动转矩等优点在不同领域得到了广泛的应用。在工业应用中，　直流电动机具有体积小、重量轻、节能、效率、耐受环境等特点，所以在快速性、可控性、可靠性、和经济性等方面具有明显优势。近几年，　随着稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高，　直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业中的应用越来越广泛。

1直流电机调速系统硬件设计

1.1　直流电机调速系统硬件组成

直流电机调速系统硬件框图如图1所示，整个系统主要由隔离驱动、按键显示和转速检测三部分组成。整个系统以C8051F020为核心组成闭环控制系统，直流电机转动时，其末端的光电码盘将输出与转速对应的转速脉冲信号，该转速信号经过整型被直接送入单片机，单片机则使用计数器计算出电机的转速值，对转速的实际值和测量值进行求差，求出转速差值，并进行PID　运算，得出控制增量，经过计算后改变PWM调速脉冲的占空比，从而改变加在电机两端的有效电压，最终达到控制转速的目的。

1.2　电机驱动电路

考虑到电路的简洁性，电机驱动电路采用IR　（　InternationalRectifier）公司生产的IR2110功率驱动集成芯片作为电机的驱动芯片。IR2110芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，在芯片中采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。尤其是上管采用外部自举电容上电，使得驱动电源数目较其他IC驱动大大减少。其驱动电路如图2所示。

1.3隔离整型电路

调速系统的隔离整型电路如图3所示，C8051F020单片机输出的电压在2.7～3.0V之间，而电机驱动需要的电压要高于这个范围，同时为了减少电机工作对单片机造成的干扰，在电路中引入光耦进行光电隔离，隔离后的信号经过整型电路和时序电路输入到电机驱动电路中控制电机的工作。

2直流电机调速系统软件设计

2.1　直流电机调速系统主程序

系统主程序如图4所示，单片机上电后，先进行初始化，初始化完成后进行转速设定并将其显示在数码管显示屏上。之后，单片机不断采集电机的转速值并进行PID运算，根据PID运算的结果及时调整PWM脉冲的占空比，达到调速的目的。

2.2　PID计算

为了保证系统调速精度，在软件中采用了增量式PID算法。增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu（k）。采用增量式算法时，单片机输出的控制量Δu（k）对应的是本次执行控制量的增量，其离散化后的计算见公式1。

3　结论

本文基于C8051F020单片机和电路构建了直流电机调速系统，与微机及其它控制系统相比具有体积小、结构简单、价格低的特点，系统运行效果表明，该系统逻辑控制好，具有良好的人机互交功能。

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