基于单片机的直流电机pid系统设计

基于单片机的直流电机pid系统设计内容摘要：

子的饱和截止模式下，效率非常高； H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性 也极佳，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。 我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。 且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。 K1 K2A+VCCVCC 图 21 PWM 波调速电路 其结构图如图 22 所示： 江西理工大学 2020届本科毕业设计（论文） 11 图 22 电机 PID调速系统总体设计框图 （二）方案二：晶闸管调速 采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。 1957 年，晶闸 管（俗称 “ 可控硅 ” ）问世，到了 60 年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（ VM 系统）。 如图 13， VT 是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 cU 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压 dU ，从而实现平滑调速。 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 410 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。 因此，在 60 年代到 70 年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（ VM 系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（ GM 系统），得到了广泛的应用。 但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的 dudt 与 didt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。 另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成 “ 电力公害 ” ，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。 兼于方案二 调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大 ，因此本设单片 机（速度的测量计算、输入设定及系统控制） 霍尔传感器速度采集 单片机（ PID 运算控制器、PWM 模拟发生器） 直流电动机 电机驱动电路 江西理工大学 2020届本科毕业设计（论文） 12 计采用方案一。 检测方案 选择 电机控制系统中信号检测是必不可少的，不仅开环控制状态的极限控制需要，如过电流、过电压、过热和欠电压等严重影响系统正常工作的信号，而且对于绝大多数闭环控制系统，状态信 息的检测更是不可缺少，即进行实时检测并利用检测信号控制电机的正常运行。 检测信号分为电量和非电量两类。 电量有电流、电压、电荷量和电功率等。 在检测系统中占绝大多数检测信号属于非电量信号，如位置、速度等。 在电机控制系统中，常用的检测信号主要有电流、电压、转子位置和转速等物理量。 下面分别介绍这些 物理量的检测方法。 检测方案 位置传感器主要用于转子位置检测和速度计算，为了正确的获得转子位置信息，不仅要合理 地设计转子位置传感器与单片机的接口，还要考虑位置信号处理的方法。 合理选择测速元件，这里我 们选择霍尔传感器作为测速元件。 （ 1）霍尔传感器 由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。 图 24霍尔元件 接线图： 图 25霍尔原件接线图 霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图所示，是其中一种型号江西理工大学 2020届本科毕业设计（论文） 13 的外形图。 （ 2）霍尔效应 如图 23 所示，在半导体薄片两端通以控制电流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为 B 的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为 ：。 H IBU =k d 图 23霍尔原理图 式中 d 为薄片的厚度， k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。 上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于 1879 年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。 （ 3）霍尔元件 根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。 它具有对磁场敏感 、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。 霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。  线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。  开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。 （ 1）线性型霍尔传感器的特性 江西理工大学 2020届本科毕业设计（论文） 14 图 25电压与外磁场关系 输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图 25 所示，可见，在 B1～ B2 的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。 （ 2）开关型霍尔传感器的特性 如图 26 所示，其中 BOP 为工作点“开”的磁感应强度， BRP 为释放点“关”的磁感应强度。 当外 加的磁感应强度超过动作点 Bop 时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点 Bop 以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点 BRP 时，传感器才由低电平跃变为高电平。 Bop 与 BRP 之间的滞后使开关动作更为可靠。 另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图27 所示。 图 26霍尔原件特性 B V0 O Brp Bop V+ on off 江西理工大学 2020届本科毕业设计（论文） 15 当磁感应强度超过动作点 Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到 BRP 时，才 能使电平产生变化。 按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。 前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。 线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。 例如： 1．电流传感器 由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线 中电流的大小。 利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。 其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 28霍尔电流传感器原理图 V0 Bop O Brp B 图 27 锁键型特性 江西理工大学 2020届本科毕业设计（论文） 16 霍尔电流传感器工作原理如图 28所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺 口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。 2．位移测量 如图 29 所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在 Z轴上作 △Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。 图 29位移测量 如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图 210所示，是按这一原理制成的力传感器。 图 210压力传感器 开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自 动控制电路等。 1．测转速或转数 如图 211 所示，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。 图 211 霍尔传感器测转速 如果把开关 型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。 根据脉冲信号的分布江西理工大学 2020届本科毕业设计（论文） 17 可以测出车辆的运动速度。 单片机的选择 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含4K 的可编程的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。 它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片机芯片中，ATMEL 公司的功能强大， 低价位 AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合， 可灵活应用于各种控制领域。 主要性能参数：  与 MCS51 产品指令系统完全兼容  4K字节在系统编程（ ISP） Flash 闪速存储器  1000 次擦写周期  的工作电压范围  全静态工作模式： 0HZ33MHZ  三级程序加密锁  128*8 字节内部 RAM  32个可编程 I/O 口线  2个 16位定时 /计数器  6个中断源  全双工串行 UART 通道  低功耗空闲和掉电模式  中断可从空闲模式唤醒系统  看门狗（ WDT）及双数据指针  掉电标示和快速编程特性 AT89S51 引脚图如下图： 江西理工大学 2020届本科毕业设计（论文） 18 212 AT89S51引脚图 ： AT89S51 提供以下标准功能： 4K 字节闪速存储器， 128 字节内部 RAM， 32 个I/O 口线，看门狗（ WDT），两个数据指针，两个 16 位定时 /计数器，一个 5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89S51可降至 0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中到内容，但振荡器停 止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。 引脚功能说明： Vcc:电源电压 GND:地 P0口： P0 口是一组 8位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址 /数据总线复用口。 作为输出口时，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“ 1”可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在 Flash 编程时， P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1口： P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL 逻辑门电路。 对端口写“ 1”，通过内部的上拉电江西理工大学 2020届本科毕业设计（论文） 19 阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。 作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ IIL）。 P2口： P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL 逻辑门电路。 对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ IIL）。 在访问外部 程序存储器或 16位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVE @DPTR指令）时， P2 口送出高 8 位地址数据。 在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX @Ri 指令）时， P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（ SFR））区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。 Flash 编程或校验时， P2 亦接收高位地址和其他控制信号。 P3口： P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4个 TTL 逻辑门电路。 对 P3 口写入“ 1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。 作输入端 时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（ IIL）。 P3口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。 RST:复位输入。 当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。 DISRTO 位缺省为 RESET 输出高电平打开状态。 ALE/~PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址所存允许）输出脉冲用于所存地址的低 8位字节。 即使不访问外部存储器， ALE仍以时钟振。