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模糊控制

基于模糊控制的直流调速系统的设计

贵州师范大学 机械与电气工程学院  俞红珊

摘要：本文以天煌THGMW-1 51/96/8088三合一系统为实验平台，开发了一种以单片机为核心，以8255并行接口及DAC0832为外围的直流电动机调速电路。通过单片机编程实现直流电机转速定时采集和分析，以达到直流电动机稳速、调速的模糊控制。经软硬件实验结果表明，该系统完全达到直流电动机调速、稳速目的。

文章编号：130206

Design of DC motor Speed Adjusting System Base on Fuzzy Control

1 前言直流电动机因调速范围宽、平滑性好、起

动平稳，节能效果好等优点，使其在国民经济各

个领域得到广泛的应用，尤其是直流无刷电动机

更显示出它独有的优越性，噪音小、节能、控制

灵活方便、能够在较大转速范围内获得较高的效

率。在电子技术、自动控制技术高度发展的今

天，直流无刷电动机正在以非常迅猛的速度发

展，无论是家电行业、电动车行业、还是工业控

制领域、小型宽范围调速及伺服驱动领域也都大

量采用无刷直流电动机，信息电子产品、机器人

制造领域直流无刷直流电动机也得到了广泛的使

用，而且呈现了逐年上升的趋势。

直流电动机在很多场合都要求其转速在一定

范围内可调，例如，电车、机床等，调节范围根

据负载要求的不同而定。直流电机的调速可以有

以下三种方法：（1）改变电机电枢电压调速；

（2）弱磁调速；（3）电枢回路串联电阻调速。

本课题采用第一种方式对直流电动机进行调速，

即通过改变施加于电机电枢两端的电压大小达到

调节直流电机转速的目的。这种调速方式是在直

流电机额定转速以下调节，具有机械特性较硬、

调速容易实现，可实现平滑无极调速等优点。利

用单片机软件编程和ADC转换电路、8255并行接

口电路及显示电路等单片机外围硬件电路配合使

用，实现对直流电动机速度的模糊控制及调节，

保持直流电动机按预定的转速平稳运行。系统组

成如图1所示：

2 系统组成由图1可知，整个直流调速系统除电源外，主

要由单片机电路、D/A转换电路、转速检测电路、

8255转速输入及显示电路组成。

电机转速由键盘输

入给定，通过8255B口

输入后送至单片机，单

片机程序处理后，通过

DAC0832芯片组成的D/

A转换器电路实现转速数

字量到模拟量的转换，

转换后的输出电压作为

直流电机电枢电压，驱

动直流电动机运行，电

枢电压的大小与直流电

【相关链接】http://www.chuandong.com/

tech/detail.aspx?

id=20500

图6 主程序 图7 转速显示子程序 图8 定时器中断服务程序 图9 键盘扫描程序

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动机的转速大小成正比关系。直流电机电路如图2

所示：

使用栅格圆盘和光电门组成测速系统。当直

流电机通过传动部分带动栅格圆盘旋转时，测速

光电门获得一系列脉冲信号。这些脉冲信号通过

单片机两个定时/计数器配合使用，一个计数，

一个定时。通过单片机软件编程，在规定的时间

（T0预置值）内采集直流电动机发出的脉冲数

（T1计数值TL1），与预定转速进行分析比较，以

发出直流电动机转速调整的相关指令。当负载扰

动或输入转速发生变化时，计算机所测转速值会

与规定值有偏差，计算机分析后会增大或减小D/A

转换器输入数字量，从而使输出的电机电枢电压

增大或减小，不断重复此过程，反复调整直流电

动机电枢电压，最终保持电机按预定速度稳速运

行，达到直流电机模糊控制的目的。

通过T1测出在T0规定时间内的脉冲数m，经

过单位换算，就可以算得直流电机旋转的速度。

直流电机转速计算公式：

n=60·m/(N1·T·N)(rpm)

其中：n为直流电机转速，N 为栅格数，N1

为T0中断次数，m为计数器T1在规定时间内测得

的脉冲数，T为定时器T0定时器溢出时间。直流电

动机光电测速电路如图3所示：

使用8255并行接口电路，实现转速的输入及

显示。8255A口是转速的输出口，输出外接8位数

码显示电路的通用数据口，与C口位选配合使用，

可把电机的转速显示出来；8255的B口为输入口，

外接二行八列的小键盘矩阵数据输出端，小键盘

输出数据通过8255B口送至单片机处理；8255的C

口被设置为输出口，是输入和显示的控制口，C口

输出信号作两方面用途：一方面PC0和PC1作为键

盘的行选线；另一方面PC3、PC4和PC5连接三八

译码器的A、B、C三个输入端，经译码后作为八

个数码管的位选，8255是作键盘行选还是数码管

位选，由其PC2位信号切换控制。 8位七段数码管

为共阴数码管，每个数码管除a、b、c、d、e、

f、g七段字形码外还包括一小数点位h，所以通用

数据口为LEDA-LEDH共八段，位选由CL0-CL7

八根线组成，组成的转速显示电路如图4所示，相

应的转速输入及显示控制电路如图5所示，转速显

示控制电路的接线座JD2E接8255A口，JD4E接

8255C口。

图1 直流调速系统框图 图2 直流电机电路 图3 光测速电路 图10 速度转换程序

图4 转速显示电路 图5 转速输入及显示控制电路

模糊控制

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模糊控制

3 软件编程及系统流程图本设计系统综合性强，涉及面广，采用模

块化编程，简化程序设计，增强程序易读性和可

维护性。本程序由主程序，定时器T0中断服务程

序、INT0外部中断服务程序、电机驱动子程序、

显示子程序、速度转换子程序和延时子程序共七

大模块组成，主程序主要完成定时器、8255初始

化及电机停转等初始化工作，以及反复调用电机

驱动程序及转速显示程序，以实现电机的驱动和

转速的显示功能，其程序流程图如图6所示；显

示程序主要实现电机转速的位选，数据处理及显

示，显示转速为两位数，单位为r/s，其程序流程

图如图7所示。

定时器中断服务程序主要完成电机转速数据

的采集、分析及调速处理，并作好相关显示数据

的准备，程序流程图如图8所示。

采用外部中断INT0的中断服务程序实现键盘

扫描。一旦外部中断输入端转速输入请求，立即

调用INT0中断服务程序扫描键盘，直至扫到两位

数据。键盘采用2×8键盘矩阵，行选与8255 C口

PC0、PC1相接，实现键盘行选择，数据X0-X7八

位数据通过8255的B口送入单片机处理，键盘扫描

程序如图9所示。

转速转换程序主要实现外部转速与定时器采

集转速单位一致，便于两者比较，其程序流程图

如图10所示；

电机驱动子程序和延时子程序因结构简单，

这里不再赘述。

4 结束语本系统程序采用天煌随机赠送51单片机软件

编写，配套的THGMW－1 51/96/微机8088三合一

实验系统调试。一旦按下单次脉冲按键，即要求

键盘输入电机转速，输入成功后，电机转速发生

变化。实验结果表明，无论是输入、调速效果还

是转速显示均完全达到预期目标。

本调速系统，不光利用了AT89C52单片机最

小系统，还有8255并行接口，数码管的驱动及显

示，DAC0832数模转换器，直流电机的驱动及测

速电路，系统无论从硬件还是软件方面，都具有

极强的综合性，是对单片机及接口技术的一个强

化应用，对于高校或相关方面技术人员加强单片

机开发和利用，具有很好的参考价值。

使之可在线控制点火炉煤气及空气流量，即

模型通过设定的点火炉温度控制煤气流量，根据

空燃比设定值控制助燃空气流量。

该模型实现了通过设定点火温度自动控制的

先进控制方式，避免了手动设定空气和煤气流量

的缺点，提高了煤气利用率，降低了煤气消耗成

本。

3.7 基本配料模型在烧结矿生产过程中，为了生产出合格的烧

结矿，必须根据目标烧结矿成份计算出需要的原

料干配比。基本配料模型既是为该目的设计的。

该模型提供多种计算方式，计算原理是根

据输入的目标烧结矿碱度和新原料中的含碳量，

依据输入的原料化学成分分析数据，通过科学计

算，得出每种原料的干配比。在每次原料混匀矿

出新配比或焦粉、生石灰成分变化大时运行。基

本配料模型是动态配料模型的计算基础。

BRP偏差控制模型的作用是确保沿烧结机宽

度方向均匀烧透，断面火焰前锋保持同步。BRP

位置控制模型的作用是控制沿烧结机长度方向烧

透情况稳定进行。实现过程是使用安装在机尾6个

风箱热电偶矩阵测量台车下的废气温度，在烧结

机宽度方向上形成6个BRP温度趋势数据，得出料

层厚度偏差值，改变微调闸门开度，对料层厚度

进行调整，从而确保料层断面烧透均匀。

BRP位置控制模型为二级系统的重要模型，

模型计算数据来源于一级控制系统，模型计算

结果返回一级系统，实现了烧结生产的大闭环控

制，提高了烧结生产的自动化程度。

4 结束语系统于2012年7月在300m2烧结机投入使用，

目前各模型工作状况良好，与传统的人工过程控

制比较，对于波动可以实现自适应调节，减少了

人为因素的影响，降低职工劳动强度，烧结矿产

量、质量指标有明显提高和改善。

此项目系统功能全面、使用灵活方便、运行

稳定可靠，具有国内领先水平，其控制方法在同

行业中乃至其它（如水泥、化工等）行业的配料

自动控制系统中具有很好的借鉴和推广价值。

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