基于8051单片机的直流电动机速度控制嵌入式SCR系统外文翻译资料

 2023-09-11 03:09

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Procedia Technology 10 (2013) 840 – 848

1st International Conference on Computational Intelligence: Modeling Techniques and Applications (CIMTA) 2013

Embedded System of DC Motor Closed Loop Speed Control based on 8051 Microcontroller

Reetam Mondala,*,Arumay Mukhopadhyayb, Debdoot Basakc

aAssistant Professor, Department of Electrical Engineering, JIS College of Engineering (Autonomous), Block-A, Kalyani, West Bengal, India b,c Pursuing B.Tech in Electrical Engineering, JIS College of Engineering (Autonomous), Block-A, Kalyani, West Bengal, India

Abstract

The objective of the present paper is designing 8051 Microcontroller based Embedded Closed Loop Speed Control System of DC Motor to study the reaction of controlled variable to set-point changes. In this present scheme a tachogenerator has been used as a speed sensor which generates a back emf corresponding to the speed attained by the DC Motor. This instantaneous value of output voltage provided by the tachogenerator is then compared with the desired voltage corresponding to the desired speed. The resulting error is used by the microcontroller to control the firing angle of the SCR for controlling the voltage applied to the DC Motor which in turn adjusts directly the motor speed to attain the desired value. Thus a continuous closed loop speed control system has been achieved. Proportional (P) Control Algorithm has been used in the present scheme. Experimental results have been presented to study the reaction of process speed with respect to set-point changes. The system is of low cost and is suitable for different industrial applications such as subway cars, trolley buses and battery operated vehicles.

copy; 2013 The Authors. Published by Elsevier Ltd. Open access under CC BY-NC-ND license.

Selection and peer-review under responsibility of the University of Kalyani, Department of Computer Science amp; Engineering

Keywords: Back-emf, DC Motor, Firing angle, Microcontroller, SCR, Set-point change, Speed Control, Tachogenerator.

1. Introduction

The speed of large electrical motors depends on many factors, including supply voltage level, load, and others. A process control loop regulates this speed through direct change of operating voltage or current for a DC Motor. The use of power electronic devices for control of these electric machines not only offers better performance with precise

  • Reetam Mondal. Tel.: 919903804772; fax: 913322893944/5323.

E-mail address: reetammondal2008@gmail.com

2212-0173 copy; 2013 The Authors. Published by Elsevier Ltd. Open access under CC BY-NC-ND license.

Selection and peer-review under responsibility of the University of Kalyani, Department of Computer Science amp; Engineering doi:10.1016/j.protcy.2013.12.429

Reetam Mondal et al. / Procedia Technology 10 (2013) 840 – 848

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control and fast response but also provides quick maintenance and ease of implementation. In parallel with the advancement in power electronics there has been great advances in microcontroller based process control systems as well, due to its flexibility and versatility. Therefore they are widely used in industrial applications because they provide variable speed characteristics. There are many methods of speed control which has been proposed in past couple of years. Thadiappan Krisnan [1] has described and designed SCR based speed control unit for a separately excited DC Motor. In the same year S.A.A.Farag [2] has performed experimental studies on variable speed DC Shunt Motor driven by a single phase full-wave rectified power supply using SCRs. S.J.Jorna and Y.T.Chan [3] designed a Microprocessor based DC Motor drive control using SCRs. Multiple operating modes of thyristor converter has been studied using three phase fully controlled DC Motor motor drive system by Ahms Ula [4]. A software based feed forward control system of DC Motor has been considered to calculate the load torque by Tsuyoshi Hanamoto [5]. R.Abdolllah Khoei [6] has presented a closed loop speed control system using a Power MOSFET and a microprocessor as its controller. Y.S.E Noor Ali, Samsal Bahari Mohd and S.M Bashi Hassan [7] has investigated the MC68HC11E9 Microcontroller performance for DC Motor Speed control fed by DC chopper. Speed Control of DC Motor using DC Chopper has been investigated by Y.S.E Noor Ali, Samsal Bahari Mohd, S.M Bashi Hassan[8]. Abu Zahrin Ahamad [9] has proposed a method to estimate the motor current to control the PWM Voltage to maintain a constant speed of the DC Motor. H.Chin Choi [10] has presented experimental results of solving speed and position control problems by using embedded controllers. A simplified approach of Programmable Logic Controller (PLC) based speed control of DC Motor has been proposed by A.S.Z El Din [11]. Huan Guo-Shing Shing [12] has proposed a LABVIEW aided PID designed controller to monitor and control DC Motor Speed. Hu Lingyan, Xueqiang Chan and Wu Helei [13] designed a closed loop system of motor speed control where they adopted the algorithm of PWM to control the armature voltage and motor speed. A motorized golf bag has been designed by Zhu Haishui [14] which has high efficiency and used a low cost DC Motor controller. Sliding Mode Control (SMC) Technique was used by R.K Munje, M.R.Roda, E Kushare and Bansidhar [15] to control the Speed of DC Motor. A conventional cascade speed control system has been realized by Liu Zhijun [16]. Radu Duma

  1. implemented a real time c

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    基于8051单片机的直流电动机速度控制嵌入式SCR系统

    摘要

    这篇论文是设计基于8051单片机的直流电动机速度控制嵌入式系统，来研究控制变量对置位点变化的反应。在这个方案里，测速发电机被用来当作产生对应直流电动机速度的反电动势。测速发电机输出电压的瞬时值和对于期望速度的所需电压作比较。产生的误差被微处理器用来控制SCR的触发角，控制通过调节电动机速度达成期望值时直流电动机的电压，获得了一个连续闭环速度控制系统。这个方案运用了比例控制算法。实验结果被用于研究置位点变化对过程速度的反应。该系统低成本并且适合多种的工应用如地铁，无轨电车和电动交通工具。

    关键词：反电动势，直流电动机，触发角，微处理器，SCR，置位点变化，速度控制，测速发电机

    1. 介绍

    大型电动机的速度由很多因素决定，包括电源电压、负载等。过程控制回路通过工作电压或电流的变化来调节速度。使用电力设备来控制这些电机不仅提供了更好的性能，精确的控制以及快速响应，而且提供了快速维护和易于实施。电力电子技术的发展也带动了基于微处理器的过程控制系统，由于灵活性和通用性。因为他的变速特性被广泛应用于工业应用。近几年有很多的速度控制的方法被提出。Thadiappan Krisnan提出基于SCR的速度控制单独激励直流电动机。同年S . A . Farag 对由单相全波整流电源驱动的变速直流并联电机进行了实验研究。S.J.Jorna和Y.T.Chan设计了一个基于微处理器的直流电动机驱动系统。Ahms Ula.A用三相全控直流电动机驱动系统来研究晶闸管变流器的多种工作模式。基于软件的直流电动机前馈控制系统已经被Tsuyoshi Hanamoto考虑用来计算负载转矩。R.Abdolllah Khoei已经提供一个闭环速度控制系统使用功率晶体管和微处理器作为控制器。Y.S.ENoor Ali，Samsal Bahari Mohd和 S.M Bashi Hassan研究了MC68HC11E9微处理器在由直流斩波器供电的直流电动机速度控制系统的性能。Y.S.E Noor Ali,Samsal Bahari Mohd，S.M Bashi Hassan提出了直流电动机使用直流斩波器的速度控制。Abu Zahrin Ahamad已经提出了一种用来控制PWM电压的估算电流的方法，来维持直流电动机的恒定速度。H Chin Choi介绍了通过嵌入式控制器解决速度和位置控制问题的实验结果。A.S.Z.EI.Din提出了基于PLC的直流电动机速度控制的简化方法。Huan Guo-Shing Shing提出了一种LABVIEW辅助PID设计控制器来监控和控制直流电动机的速度。Hu LingYan，Xue Qiang Chanhe Wu Helei设计了一个电动机速度闭环控制系统，他们采用PWM算法来控制电枢电压和电机速度。Zhu Haishui设计了高效的电动高尔夫球袋，使用了低成本的直流电机控制器。 R.K Munje, M.R.Roda, E Kushare and Bansidhar使用SMC来控制电机速度。刘志军实现了传统的串级调速控制。Radu Duma使用LM3S8962微处理器实现了数字电机控制的实时控制算法。Rohit Gupta，Ruchika Lamba和SubhransuPadhe对直流电机不同速度控制技术进行了研究和比较。Ziegler-Nichols调谐公式被P.M Meshram用于直流电机的速度需求应用。

    本实验尝试设计基于AT89C51单片机的嵌入式闭环速度控制系统，用比例控制算法来控制SCR的触发角来控制直流电动机电压。在这个速度控制系统设计里，测速发电机被用来当作速度传感器。由所设计的信号调节电路转换成合适形式后的测速发电机输出电压被馈送到微处理器，微处理器然后使用合适的控制软件将该测量的速度信号与给定的参考或期望信号进行比较，并产生误差。该误差被控制器用来以从 ZCD 电路提供的基准测量的角度触发SCR，以实现电机端子上的所需电压，从而将工艺速度保持在期望值。

    1. 方法和框图

    在图1的设计图中使用了一个12V，1000rpm的直流电机，零基准过零检测器和一个测速发电机作为速度传感器。该系统描述了基于AT89C51微处理器的闭环直流电机速度控制系统，通过电机驱动电路的光耦合半控SCR桥式整流器来控制直流电机的速度。测速发电机产生0-10V的反电动势，对应于电机的速度。测速发电机的输出电压作为信号调节电路的输入，从0-10V转化为0-5V。信号跳接后获得的电压模拟值被传送到AD转换器并给出对应的数值。控制器单元将感测测速发电机输出电压的数字数据并且和与之对应的置位点速度相比较。比例控制算法减少了误差，控制器通过关沟哥其电路像电动机的SCRs连续发出触发脉冲。

    驱动电路控制了电压从而控制了直流电机的速度。然后误差信号更行并重复。所以获得了期望速度。

    图1.闭环直流电机速度控制系统的框图

    1. 硬件实施和讨论

    闭环速度控制系统具体的硬件电路包括使用测速发电机作为速度传感器的速度测量和监控电路、模拟信号调理电路、AD转换器、过零检测器电路、使用MCT-2E的光耦合电机驱动电路和AT89C51微控制器与硬件电路的接口。

      1. 稳压电源电路设计

    大部分国内家用电器的特点是微处理器单元，机械继电器或固态SCR开关和一些负载

    如单相电路，灯，阀门等。它们直接通过稳压电源供电或开关模式电源供电。稳压电源是控制输出电压或电流达到一个特定值。尽管负载电流或电源供应的电压发生变化，电压的受控值仍保持不变。它们效率高，耗电低，更加紧凑以及重量轻。

    图2 .设计的电源电路图。 图3 .使用电压调节器检测器电路D修改的50/60 Hz过零点

    因此在本设计中，图2所示的是使用全波中心抽头整流电路设计的，该电路具有12-0-12V，500mA中心抽头降压变压器，二极管，1000uf，63F电解电容器和LM7812、LM7805和LM7912电压调节器，更具各自操作的需要，将 12V、 5V和-12V的输出电压分别分配给系统的各个单元。

      1. 改进的零交叉检测器电路设计

    零交叉检测器字面上检测交流信号波形从正到负的转变，反之亦然，理想情况下提供一个与零电压条件完全一致的窄脉冲。微控制器需要这一点，来产生一下触发脉冲给SCRs，从交流信号的过零点开始有一定的延迟。在这个设计中，如图3，一个4.5-0-4.5V，500mA的中心抽头变压器和两个二极管一起使用，两个带有何时电阻的n-p-n晶体管用于从连接到 5V电源的集电极段子获得ZCD电路的输出。分别从设计的改进过零检测器电路的输出端1和2得到输出。

      1. 直流电动机

    实质上，直流电动机由定子，转子和转向器组成。定子是电机的外壳，里面由磁铁，转子是电机的旋转部分，被称为电枢，包含电流流过的电枢槽中的导体。这些直流电动机的速度控制可以从电压振幅获得。这可以用过SCR桥式电路完成。改变SCRs的触发角，电枢导体的直流电压和电流的振幅，从而改变速度。

      1. 直流测速发电机(速度传感器）

    测速发电机是将转速直接转换为电信号的传感器。它们通常用于旋转设备的速度控制部分。测速发电机和直流电动机相连。测速发电机根据速度给出输出电压。输出电压e0由

    e0=[ npncphi;omega; times; 10-8/ (60npp) ] V

    (1)

    其中，np=极数，,nc=电枢中的导体数，phi;p=各级磁通量，npp=正负电刷之间的平行电刷，w=转速

      1. 传感器模拟信号调理电路设计

    为了过程控制完成，要控制的参数应该由合适的传感器检测，转换成真正代表参数的信号，并呈现给控制器以供进一步的操作。使用无源电路的信号调理被广泛使用。由于微处理器无法识别超过5V的电压，因此要将电压信号转换为0 - 5V。在本研究中，我们设计了一个传感器模拟信号调节电路，如图4所示。针对过程变量的每一个变化，该电路将测速发电机的0 - 12V输出信号转换为0 - 5V。

      1. 与8051单片机接口的光耦合电机驱动电路

    光隔离器，也称为光耦合器或光耦合器，是一种被设计用于传输的电子设备。利用光波来提供输入和输出之间的电隔离的耦合。光隔离器的主要目的是防止电路一侧的高电压或快速变化的电压损坏另一侧或低电压侧的组件或扭曲传输。在这项研究中，使用了MCT-2E光耦合器，它保护需要低电压的微处理器免受过电压的破坏，同时也防止电机反向运行。

    图5 . 8051微控制器和DC电机驱动电路之间的接口

    如图5所示。使用了带有续流二极管D3的半控桥式整流器直流电机驱动电路。续流二极管D3 用于消除输出电压中的负尖峰，防止负载电压反转，改善功率因数角和更好的负载性能。这里我们使用了相位控制技术，其基本原理是控制允许SCRs在每个周期内进行的时间点。也就是说，在SCR开始进行的瞬间，在那个特定的时间点，控制应该开始。因此，在控制点，SCRs将被打开。这可以通过MCT-2E光耦合器在微控制器的帮助下以相对于施加电压的任意角度alpha;施加栅极信号来实现。这个角度被称为发射角或延迟角。尽管SCR是正向偏置的，但应该确保它在被触发之前不被允许进行。

    1. 控制单元的软件设计

    根据总体设计要求、硬件电路、系统原理、硬件连接的特点、每个模块芯片、功能要求以及程序可读性、可移植性的提高和方便调试，图6所示的软件设计已经模块化。在这个闭环速度控制系统的设计中，KEIL mu;Vision 4软件被用作C编译器。KEIL mu;Vision调试器准确模拟了8051微控制器的片内外设。

    1. 实验结果和讨论

    在实验的第一步中，通过改变电位计的电阻并记录过程速度，改变电机端子两端的电压，来校准有和没有速度传感器的直流电机。

      1. 直流电动机开船速度和输入电压的关系（无速度传感器）

    通过使用10KOmega;多匝电位计( POT )，DC电机的输入电压从0 - 12变化，开环速度从150 rpm变化到800rpm。图7显示了在没有速度传感器的情况下，速度随外加电压的开环变化。这种速度随外加电压的变化将在随后用微控制器启动SCRs时需要。SCRs将在此电压电平下点火，而不是使用电位计来获得所需的速度。

    图7 .开环速度随外加电压的变化 图8 .没有速度传感器的百分比误差曲线

    通过检查图7的曲线，可以观察到它几乎是线性的。通过绘制线性趋势线方程，并将其与获得的曲线进行比较，这导致了用施加的输入电压获得的速度的线性近似的发展。因此，获得了电机速度的线性计算值或真值。误差百分比由测量值和速度的真实值计算得出。从图8中的百分比误差曲线可以看出，百分比误差在6 %之间。

      1. DC电机开环速度随输入电压的变化(带速度传感器)

    图9 .开环速度随外加电压的变化 图10 .百分比误差曲线(带有速度传感器)

    图9表示DC电机速度随速度传感器施加电压的变化。这里，用作速度传感器的测速发电机作为负载与速度要被控制的DC电机的轴相连。当在没有速度传感器的情况下进行开环速度变化的先前实验时，我们观察到在没有负载的情况下，随着施加电压的变化，速度有很大的波动。但是这里曲线与趋势线方程的偏差非常小，这意味着电机速度测量值与计算的真实值相比的变化也几乎是线性的。误差百分比由测量值和获得的速度的真值计算得出。从图10中的百分比误差曲线可以看出，百分比误差在5 %之间。

    5.3. 测速发电机(速度传感器)输出电压随DC电机速度的变化

    图11表示DC电机速度随转速发生器(速度传感器)输出电压的变化。速度变化是从200转/分到600转/分。测速发电机产生0 - 10伏范围内的反电动势，对应于DC电机获得的每个速度。这个模拟电压值被馈送到信号调节电路，信号调节电路在0 - 5伏的范围内对其进行转换，以馈送到微控制器单元。

    从图11中可以看出，测速发电机(速度传感器)输出电压随DC电机速度的变化与线性趋势线方程相比几乎是线性的。

    图11 .测速发电机输出电压随DC电机速度的变化

    5.4. 信号调节输出随转速发生器(速度传感器)输出电压的变化

    给8051微处理器的输入应该在0到5V之间变化。所用的AT89c51微控制器无法识别超过5V的模拟电压。因此，测速发电机输出电压作为输入提供给如图4所示设计的信号调节电路，信号调节电路将测速发电机的输出电压从0 - 10V转换为0 - 5V。 图12 .信号调节输出随 图13测速发电机输出电压的百分比误差曲线

    信号调节后输出电压相对于测速发电机输出电压变化的变化如图12所示。图13中的百分比误差曲线显示，将测量值与从线性趋势线方程获得的真实值进行比较后计算出的百分比误差在- 0.4 %至- 0.8 %之间。

    5.5用模数转换器的数字信号调理

    信号调理电路输出

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