基于单片机的伺服电机转速控制系统

基于单片机的伺服电机转速控制系统内容摘要：

而当 |e(t)|= β 时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)e(t1)|， 其符号与积分项一致。 利用这样的算 法，可以加快控制的动态过程。 增量算法的饱和作用及其抑制 在 PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。 纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再 补充执行。 PID 参数整定 cK 对系统性能的影响： 比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。 cK 偏大，振荡次数加多，调节时间加长。 cK 太大时，系统会趋于不稳定。 cK 太小，又会使系统的动作缓慢。 cK 可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 11 iT 对系统性能的影响 ： 积分作用使系统的稳定性下降， iT 小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 3. 微分控制 dT 对系统性能的影响： 微分作用可以改善动态特性， dT 偏大时，超调量较大，调节时间较短。 dT 偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。 只有 dT 合适，才能使超调量较小，减短调节时间。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 12 第三章 硬件部分的设计 直流电机调速原理 直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。 这种方法简单易行、设备方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。 该方法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。 30年代末期，发电机 电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。 这种方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。 近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸 管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机 电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机 电动机调速系统。 特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。 电力电子技术中 IGBT（ 绝缘栅 双击 型场效应管） 等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。 常见直流电机原理图如下： M+U aI aR ar 图 31 直流电机原理图 图 31 所示电枢电压为 aU ,电枢电流为 aI 电枢回路总电阻为 aR ,电机常数 eC ,励磁磁通量是Φ。 那么根据 KVL 方程 :电机转速 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 13  e aaaC RIUn （式 ） 其中 ,极对数为 p,匝数为 N,电枢支路数为 a， 直流电机原理图机来说 :电机常数 apNCe 60 （式 ） 意味着电机确 不变的。 而在 aaa RIU  中 ,由于 Ra 仅为绕组电阻 ,导致 aaRI 非常小 ,所以 aaaa URIU 。 改变电枢电压时 ,转速 n即可 改变。 PWM 波形发生电路 PWM 基本原理 PWM基本原理 PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。 PWM 可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。 在 PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据 需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。 通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。 因此， PWM 又被称为“开关驱动装置”。 如图 33 所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。 改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。 t 1T 图 32 PWM 控制波形 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 14 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 maxV ，设占空比为 TtD /1 ，则电机的平均速度为： DVVd *max （式 ） 式中 ： dV 表是 电机的平均速度。 maxV 表是 电机全通电时的速度 (最大 )。 TtD /1 表示 占空比。 由此可见，当我们改变占空比 D=t1/T 时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。 严格地讲，平均速度与占空比 并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。 PWM驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较，具有下列优点：需用的大功率可控器件少，线路简单、调速范围宽、电流波形系数好、附加损耗小。 因此，在设计中，采用了脉宽调制（ PWM）的方法实现对直流电机的控制。 采用硬件电路实现直流电机调速系统已 在 实践中应用多年，其硬件组成复杂，调整困难，缺乏控制的灵活性。 直流电机 PWM 调速系统，使用低价位的单片微机为核心，实现控制，方便了使用。 PWM 信号的产生 PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一种是 硬件的方法。 本文采用的是软件方法。 软件输出 PWM 一般有两种方式：利用定时器 0 控制 PWM频率输出，结合定时器 1控制占空比，这是其一；第二种方式，仅使用一个定时器，工作于 16bit 手工装载模式，同时控制输出频率和占空比，这种方式不占用太多资源，而且实现起来也不失其灵活性。 本文选用第一 种软件方法。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 15 由于 PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。 因此，首先必须 明确定时器的 定时初值与定时时间的关系。 如果单片机的时钟频率为 f，定时器／计数器为N 位，则定时器初值与定时时间的关系为： 61 10*/*)2( fNTt wn  （式 ） 式子中 ： wT 表示 定时器定时初值 ； N 表示 一个机器周期的时钟数 ； 1t 表示 高电平时间。 N 随着机型的不同而不同。 在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。 这样，我们可以通过设定不同的定时初值 wT ，从而改变占空比 D，进而达到控制电机转速的目的。 PWM 功率放大电路 由于由单片机发出的 PWM 的功率较小，不能带动电机，所以需要把功率放大后再传给电机。 常用的功率放大电路有 H桥驱动电路，下面就介绍了 H 桥驱动电路的工作原理。 H 桥驱动电路原理 图 33中所示为一个典型的直流电机控制电路。 电路得名于 “H 桥驱动电路 ”是因为它的形状酷似字母 H。 4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠（注意：图 34及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 16 极管的驱动电路没有画出来）。 如图所示， H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。 要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。 根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 MQ 1Q 2Q 3Q 4+ + 图 33 H 桥驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。 例如，如图 34所示，当 Q1管和 Q4 管导通时，电流就从电源正极经 Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。 按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。 当三 极管 Q1 和 Q4 导通时，电流 将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转动 （图电机周围的箭头表示为 顺 时针方向 ）。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 17 MQ 1Q 2Q 3Q 4+ + 图 34 H 桥电路驱动电机顺时针转动 图 35所示为另一对三极管 Q2 和 Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。 当三极管 Q2和 Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转 动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。 MQ 1Q 2Q 3Q 4+ + 图 35 H 桥驱动电机逆时针转动 PWM 驱动电路原理图 功率放大电路 有一个外接电源，一个反相器，四个二极管，四个三极管，六个保护电阻组成，如图： 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 18 图 36 PWM 功率放大电路图 测速电路 旋转编码器是用来测量转速的装置。 它分为单路输出和双路输出两种。 技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。 单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差 90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向 .本文采用的是单路输出。 采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的 状态是 “ １ ” 还是 “ ０ ” ，通过 “ １ ” 和 “ ０ ” 的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。 信号输出有正弦波（电流或电压） ,方波（ TTL、 HTL） ,集电极开路（ PNP、 NPN） ,推拉式多种形式，其中 TTL 为长线差分驱动（对称 A,A。 B,B。 Z,Z） ,HTL 也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。 D2D3D1D4R 10R9R 11R 12MA MBP 17P 00 P 01T5P N PT2N P NT1N P NT3N P NT6P N PT4N P N+ 12 V内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 19 信号连接 — 编码器的脉冲信号一般连接计数器、 PLC、计算机， PLC 和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 测速电路由附在电机转子上 的光电编码盘及施密特整形电路组成。 电脉冲的频率与电机的转速成固定的比例关系 ,光电码盘输出的电脉冲信号经放大整形为标TTL电平 ,输入到单片机的两个外部中断 :INT0 和 INT1,利用单片机内部定时器 /计数器 T0 和 T1,以及内部一个寄存器作软计数器 ,循环地捕捉相邻两次速度脉冲 ,并由这两次触发所记录的时间差算出其转速 ,再将这个转速与预置转速进行比较 ,得出差值 ,单片机通过对这个差值进行 PID 运算 ,得出控制增量 ,在 ~ 引脚送出控制信号改变 PWM 波形发生电路的占空比 ,最终达到控制电机转速的目的。 键盘电路 键盘的工作方式有 3 种，即程序控制扫描、定时扫描和中断扫描方式 ： 程序控制扫描方式是指单片机在空闲时，才调用键盘扫描子程序，并反复地扫描键盘，直到用户从键盘上输入命令或数据，而在执行键入命令或处理键入数据过程中， CPU 将不再响应键入要求，直到 CPU 重新扫描键盘为止。 过程如下： ⑴ 判断有无键按下 ； ⑵ 延时后判断是否确实有键按下。 如果有，确认有键按下，如果没有，那么确认为键抖动 ； ⑶ 判断是哪个键被按下（键扫描获得闭合键的行、列值 ）； ⑷ 等待按键被释放。 如果没有释放，继续等待；如果释放，转到相 应的处理程序进行处理。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 20 定时扫描方式就是每隔一定时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定的时间的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断， CPU 响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键执行响应的键功能程序。 键盘工作在程序控制扫描方式时，当无键按下时 CPU要不间断的扫描键盘，直到有键按下为止。 如果 CPU要处理很多事情 ， 这种方式将不能适应。 定时扫描方式只要时间一到， CPU就去扫描键盘，工作效率有了进一步的提高。 但这两种方式常使 CPU处于空扫状态，而中断方 式下， CPU可以一直处理自己的工作，知道有键闭合时发出中断申请， CPU响应中断，执行相应的中断服务程序，才对键盘进行扫描，从而提高了 CPU 的工作效率。 所以本设计采用中断扫描方式。 扫描的工作方式，就是 ～ 轮流输出低电平，然后读入 ～ ，判断，如果有按下，就是低电平，没按下的都是高电平，当然要延时 20ms，去抖动。 表 1 键盘功能表 C 01 2 2 4 5 6 *7 8 9 /= + 下面是 4*4 键盘电路图： 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 21 S 1 S 2 S 3 S 4S 5 S 6 S。