基于单片机的直流电机闭环调速系统的设计

基于单片机的直流电机闭环调速系统的设计内容摘要：

K KT PI KT K KT PID KT K KT PI KT K KT PID KT K KT PI KT K KT PID KT K KT 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 8页 共 37页 ③ 积分系数 IK 保持不变，改变比例系数 PK ，观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。 否则，将原比例系数 PK 增大一些，再调整积分系数 IK ，力求改善控制过程。 如此反复试凑，直到找到满意的比例系数 PK 和积分系数 IK 为止。 ④ 引入适当的实际微分系数 DK 和实际微分时间 DK ，此时可适当增大比例系数 PK和积分系数 IK。 和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 9页 共 37页 PWM 脉冲控制技术 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 PWM 控制的基本原理 在 采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形 状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量即指窄 脉冲的面积。 这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 例如图 中 a、 b、 c所示的三个窄 脉冲形状不同，其中图 的 a为矩形脉冲，图 的 b为三角脉冲，图 c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于 1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。 当窄脉冲变为如图 d所示的单位 脉冲函数 )(t 时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数 ]7[。 图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图 的电路是一个具体的例子。 图中 )(te 为窄脉冲，其形状和面积分别如图 的 a、 b、 c、 d 所示，为电路的输入。 该输入加在可以看成惯性环节的 RL 电路上，设其电流 )(ti 为电路的输出。 图 给出了不同窄波时 )(ti 的响应波形。 从波形可以看出，在 )(ti 的上升段，脉冲形状不同时 )(ti 的形状也略有不同，但其下降段几乎完全相同。 脉冲越窄，各 )(ti 波形的差异也越小。 如果周期性的施加上述脉冲，则响应 )(ti 也是周期性的。 用傅立叶级数分解后将可看出，各 )(ti 在低频段的特性非常接近，仅在高频段有所不同。 f ( t )0tf ( t )0tf ( t )0tf ( t )0t a bcd中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 10页 共 37页 abcda bii ( t )i ( t )e ( t )RL0 图 冲量相 同的各种窄脉冲的响应波形 直流电机的 PWM 控制技术 直流电动机具有优良的调速特性 ， 调速平滑、方便 ， 调速范围广 ， 过载能力大 ， 能承受频繁的冲击负载 ， 可实现频繁的无级快速起动 、 制动和反转 ； 能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求 ， 在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。 直流电动机的转速调节主要有三种方法 ： 调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。 针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。 例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调 速，但这种方法的调速范围不大 ， 一般都是配合变压调速使用。 所以在直流调速系统中，都是以变压调速为主。 其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流 PWM 调速系统两种。 直流 PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点 ： 由于 PWM 调速系统的开关频率较高 ， 仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流 电流， 低速特性好 、 稳速精度高 、 调速范围宽。 同样 ， 由于开关频率高 ,快速响应特性好 ,动态抗干扰能力强 ， 可以获得很宽的频带 ； 开关器件只工作在开关状态 ，因此 主电路损耗小 、 装置效率高 ； 直流电源采用不 可 控整流时 ， 电网 功率因数比相控整流器高。 正因为直流 PWM 调速系统有以上优点 ， 并且随着电力电子器件开关性能的不断提高 ， 直流脉宽调制 ( PWM) 技术得到了飞速的发展 ]8[。 根据 PWM控制的基本原理可知，一段时间内加在惯性负载两端的 PWM 脉冲与相等时间内冲量相等的直流电加在负载上的电压等效，那么如果在短时间 T内脉冲宽度为 0t ,幅值为 U，由图 可求得此时间内脉冲的等效直流电压为： 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 11页 共 37页 U ( t )0tTt 0UU ( t )0tTt 0U2 T2 t 0 3 T3 t 0 4 t 0n T ( n + 1 ) t 0 图 PWM脉冲 TUtU  00 ，若令 Tt0 ，  即为占空比，则上式可化为： UU 0 (U 为脉冲幅值 ) （ ） 若 PWM 脉冲为如图 ，那么与此脉冲等效的直流电压的计算方法与上述相同，即 UT UtnT UntU  000 （  为矩形脉冲占空比） （ ） 图 周期性 PWM矩形脉冲 由式 可知，要改变等效直流电压的大小，可以通过改变脉冲幅值 U 和占空比 来实现，因为在实际系统设计中脉冲幅 值一般 是恒定的，所以通常通过控制占空比  的大小实现等效直流电压在 0～ U 之间任意调节，从而达到利用 PWM 控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的。 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 12页 共 37页 键盘模块 控制器模块显示模块电机驱动模块 直流电机速度检测模块PWM 脉冲3 硬件 电路 设计部分 系统设计方案 根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图。 图 中控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能。 在运行过程中控制器产生 PWM 脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字 PID 运算后改变 PWM 脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。 图 系统方案框图 控制器模块设计方案 根据设计任务要求，采用 AT89S51 作为系统控制的方案。 AT89S51 单 片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制 [4]。 相对于FPGA 来说，它的芯片引脚少，在硬件很容易实现。 并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，在各个领域中应用广泛。 电机驱动模块设计方案 驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的 I/O 口不能直接驱动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行，在这里选用 L298 电机驱动芯片驱动电机 ，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行，所以我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、 驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。 设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 13页 共 37页 该芯片是 由四个大功率晶体管组成 的 H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态， 通过 调整输入脉冲的占空比，调整电动机转速。 图 驱动电路 电源模块设计方案 电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。 在本系统中直流电机需要 12V电源，而单片机、显示模块等其它电路需要 5V 的电 源，因此电路中选用 7805 和7812 两种稳压芯片。 而本设计电源电路采用 78系列芯片产生 +5V、 +12V。 电路图如图 ： 图 电源电路 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 14页 共 37页 速度采集设计模块 速度 的采集 用霍尔传感器。 通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。 （ 1）霍尔传感器的工作原理 霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。 信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。 脉冲信号的周期与电机的转速 的 关系 为 ： n=PT60 （ n 为电机转速； P为电机转一圈的脉冲数； T 为输出方波信号周期 ）。 （ 2） 测速 电路原理图 图 速度采集电路 显示模块设计方案 采用 1602LCD 液晶显示器，该显示器控制方法简单，功率低、硬件电路简单、可对字符进行显示。 引脚分布和接口信号说明 (1)引脚分布 1602 液晶显示共有 16个引脚，其引脚分布如图 所示。 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 15页 共 37页 图 1602液晶显示模块引脚分布 (2)引脚功能 1602 引脚功能如表 所示 表 1602引脚功能 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS VSS为地电源 9 D2 Data I/O 2 VDD VDD接 5V正电源 10 D3 Data I/O 3 VEE 液晶显示偏压信号 11 D4 Data I/O 4 RS 0输入指令， 1输入数据 12 D5 Data I/O 5 R/W 0写入指令或数据， 1读信息 13 D6 Data I/O 6 E 1读取信息， 1→0 执行指令 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正极 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源负极 LCD 液晶电路 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 16页 共 37页 图 1602液晶显示模块组成 中北大学信息商务学院 2020 届毕业设计说明书 第 17页 共 37页 4 软件设计部分 驱动电 路 程序流程 电机驱动电路是专用的驱动芯片 L298，单片机给驱动芯片输出脉冲来控制电机，程序流程图如下： 图 定时中断服务流程图 直流电机的中断键盘控制模块 外部中断设置 （ 1） 外部中断允许设置 中断控制寄存 器 IE 的 EX0 对应 INT0， EX1 对应 INT1， EA 为中断的总开关，若。