基于单片机的直流电机调速系统硬件设计

基于单片机的直流电机调速系统硬件设计内容摘要：

完成一次显著的进步。 同时控制电路也实现了高度集成化，小型化，高可靠性及低成本。 以上技术的应用使得直流调速系统的性能指标大幅提高应用范围不断扩大 ，直流 调速技术不断发展。 随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电力电子开关器件和新型传感器的出现及自动控制理论，电力电子技术，计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制技术装置也不断向前发展。 微型计算机的使用使得直流电气传动控制系统的发展趋向于数字化，智能化，极大地推动了电气传动的发展。 近些年来，一些先进的国家逐渐大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，列入西门子的 SIMOREG K6RA24， ABB 的PAD/PSD 等。 随 着现代化步伐的加快，人们的生活水平不断的提高，同时对自动化的需求也越来越高，直流电动机 的应用领域不断地扩大。 像军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪控制；工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、塑料机械 、印刷机械，绕线机、纺织机械、工业缝纫机、泵及压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，光盘驱动器、绘图仪、扫描仪、打印机、传真机等设备控制； 音响设备和家用电器中的录影机、录像机、数码相机、洗衣机及风扇等的控制。 随计算机微电子技术的发展和新型 5 电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。 电动机控 制技术的发展得益于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术和微机应用技术的最新发展成就。 变频技术和脉宽调制技术已经成为电动机控制的主流技术。 正是这些技术的发展使得电动机控制技术在近二十年内发生了很大的变化。 首先是模拟实现电动机控制策略逐渐退出历史舞台，而微处理器、通用计算机、 DSP 控制器等现代化手段构成的数字控制系统 得到了快速的发展。 电动机的驱动部分所用的的功率器件经历几次更新换代之后速度更快，控制更容易的全空性功率器件 MOSFET 和 IGBT 逐渐成为主流。 同时功率器件控制条件的变化和微电子技术的使 用也是新兴的电动机控制方法能够实现。 其中脉宽调制即 PWM 的方法，变频技术在直流调速系统中得到了广泛的应用。 永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机如永磁直流电动机，交流伺服电动机和超声波电动机等。 由于 含有微处理器和传感器作为新一代控制系统的组成部分，这种运动控制系统又称为智能运动控制系统。 由此看来，应用先进的控制算法和开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统的发展方向。 在那些需要对电动机控制系统进行精确控制的场合（包括数控机床，工业缝纫机、打印机）要求对电动机实现精确定位以 适应负荷的剧烈变化，因此传统的控制算法已经难以满足系统的精度要求。 为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能和网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。 电气时代电动机的调速控制一般采用模拟法，对电机的简单控制应用比较多。 简单控制是指对电机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。 这类控制可通过继电器的可编程控制和开关元件来实现。 还有一类控制称为复杂控制，即对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流及功率进行物理量控制。 直 流电机控制现状 自 20 世纪 60 年代初试验成功第一支硅晶闸管以来，晶闸 管直流 调速系统也得到了快速的发展和广泛的应用。 目前 ，有晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到了广泛的应用。 随着新型电力半导体器件的发展，绝缘栅双极型晶体管即 IGBT 具有开关速度快，驱动简单，可以 自关断等优点克服了其自身的固有缺点。 所以我国的直流电机调速也正向 着脉宽调制（ PWM）方向发展。 数字 直流调速装置从技术上看，它能够做到由给定信号，调节器参数设定 触发脉冲 6 的数字化，同时使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率内和电流大小的直流电机。 同一台控制器可以仅仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同 类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能 可以使它易于和 PLC 等各种通信器件组成对整个工业控制过程系统，并且具有操作简便、抗干扰能力强等特点。 特别是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化的优点弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善，调试不方便，体积大等对应的不足之处。 数字控制系统表现出的像查找故障迅速，速度调节精度高，维护简单也使其有更加广阔的前景。 国外的主要电气公司如瑞典的 ABB 公司，德国的西门子、 AEG 公司，日本的三菱公司 、东芝公司，美国的ＧＥ公司，西屋公司等都已 经开发出了多种直流调速装置，有一些成熟的系列化，标准化，模板化的应用产品。 我国关于数字直流调速系统的研究内容为：综合性最优控制，补偿 PID 控制， PID算法优化和模糊控制技术。 我国现在大部分数字化控制直流调速控制装置主要依靠进口，但由于进口设备价格昂贵，同时也给予了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。 目前国内有许多大专院校、科研院校和生产厂家也在开发全数字直流调速装置。 直流电机调速系统的主要研究内容和 意义 直流调速系统的研究意义 单片机有着广泛的应用。 直流电机以其优良的性能在驱动、控制、 牵引等许多场合起到了十分重要的作用。 铁路机车直流牵引电机、地铁机车直流牵引电机、机车直流辅助电机、矿用机车直流牵引电机、船用直流电机、轧钢电机和其它直流电机，由于它们作为国民生活的基础，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。 目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的 高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化，高可靠性已成为它发展的趋势。 由于 直流调速系统的重要地位，因此对直流调速系统的转速控制要求（包括稳速，调速，加速减速三方面）更加精确。 其中稳速要求即要求电机以一定的精度在所需要的 7 转速稳定运行，同时在各种干扰的作用下不能有过大的转速波动。 然而工业控制中对于加减速和调速已经能够很好地实现，但是工程应用中的稳速指标却往往不能达到预期的效果。 稳速很难达到要求的原因在于直流调速装置中的 PID 调节器对 被控对象及其负载参数变化适应能力差。 直流电机的数学模型很容易得到使得经典控制理论在已知被控对象的传递函数才能进行设计的前提得到满足，大部分数字直流调速器就是建立在此基础之上的。 然而实际的传动系统之中 ，电机的一些固有参数和拖动负载的参数并不是模型那样一成不变。 尤其对中小型电机而言，在某些应用场合参数随工况而变。 同时，因为直流电机本身就是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素，所以被控对象的参数变化与非线性特性使得线性常参数 PID 调节器顾此失彼而不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指 标，使得控制系统的鲁棒特性变差。 尤其是模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，常规的 PID 调节器难以满足高精度，快响应的控制要求而不能有效控制负载、模型参数大范围变化及非线性因素的影响。 在工程应用中这种控制器可能就不能满足生产要求 譬如轧钢工业的同轴控制系统，回转窑传动装置等都需要在生产过程中保持稳定的转速要求而生产负载参数却是随工况变化的。 模糊控制不要求被控对象的精确模型但适应能力强，为了弥补常规数字直流调速装置的缺点。 可以讲模糊控制与 PID 调节器相结合以形成 FUZZYPID 负荷控制方案。 从而设计 能在负载和模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响下都可以满足控制稳定转速精度要求的直流电机控制器。 论文 主要研究内容 本论文的主要研究内容就是在对直流电机的调速原理和调速方法了解的基础之上实现对直流有刷电机的调速系统设计。 论文中 直流电机的调速系统控制硬件主要包括单片机 (AT89C52)控制模块， L298N 电机驱动模块， LCD1602 电机速度显示模块，独立式键盘控制模块及测速及反馈模块。 在 这次基于单片机的直流电机调速的课题主要实现三个功能 : （ 1） 实现电机的加速减速和正反转 ； （ 2） 实现电机速度的 数字显示 ； （ 3） 通过 AD 转换实现对电机电枢绕组电流的模数转换并显示电流值 ； 8 由于 该 电机调速系统中共有正转，反转，加速，减速和急停五个运行状态，考虑到成本和接线的简单性从而采用了独立式键盘输入。 通过按键扫描结合中断功能，实现 对按键的输入和识别。 通过按键，可以实现电机的五个运行状态及各个状态之间的转换。 结合实际直流电机驱动需求，选用 L298N 电机驱动芯片作为直流电机的驱动芯片，通过 对 L298N 的控制端子输入 PWM 波 实现电机的转速和 转动方向控制。 在电机速度控制系统中， 可以 利用霍尔元件 配合磁片 来 对与电机同转速的 脉 冲 计数 实现 直流电机的速度 测量， 将电机的实时 速度反馈给单片机，再由单片机通过 P0 口输出实现对电机速度的实时显示。 另外，通过 L298N 的管脚输出测得直流电机电枢绕组的电流，经 AD 转换之后，将它的输出与单片机复用 P0 口输出电枢绕组的电流。 直流调速系统的 主 程序和 按键子 程 序流程 图分别如图 1 图 13 所示。 开始初始化按键子程序速度子程序显示结束开始获取按键判断是否有键按下S 1 是否按下S 2 是否按下S 3 是否按下S 4 是否按下结束电机正传电机反转电机加速电机减速NYYYY 图 12 主 程序流程图 图 13 按键子 程序流程图 9。