基于pwm的直流电机调速系统(软件

基于pwm的直流电机调速系统(软件内容摘要：

围大得多。 当然，以上的优点都与 K 的取值有关。 因此，控制器必须具有放大功能，即设置放 大器。 尽管如此，由于上述系统是建立在输入偏差 ΔUn 来维持的，一旦 ΔUn 为零，则电动机停止运转。 所以，此类调速系统是有静差的。 由自动控制原理的知识可知，若将系统中的比例调节器改换为比例积分调节器，则由于有了积分的累积功能，可以使系统稳态 时无静差。 实际上开环放大系数 K 的增大，有可能引起系统的不稳定。 依据系统各环节的物理规律，可画出转速负反馈直流调速系统的等效动态结构图 如图 2— 3 所示 ： )( sU n )( sUn)( sU n )( sU c )( sU d )( snpK 11Ts 1/12  sTsTTCmlme)( sI L)1( sTR l 图 2— 3 转速负反馈直流调速系统的等效动态结构框图 其中，2em2m C375C RGDT 为电机机电时间常数； RLTl为电枢回路电磁时间常数；Ts 为触发整流装置的失控时间。 根据劳斯稳定判据，系统稳定的充分必要条件是 ： 0K1 TTTK1 )TT(K1 )TT(T   slmsmslm 即ssslm TT T)T(TKl2 （ 公式 2— 3） 因此，只有当 K 值满足 公式 3— 3 时 才能使系统稳定运行。 控制系统的控制方法 控制器的控制规律其实就是输出信号与偏差信号之间的函数关系， 常 用在直流电机调速中的可以分为以下 4 种。 （ 1） 比例控制（ P） ： 此种控制方法控制反应灵敏，控制及时，偏差越大控制的能力越强，不过控制结果存在一定的偏差，并且放大倍数的增加是有限度的。 （ 2） 比例积分控制（ PI） ： 比例积分控制是将比例与积分控制器糅合在一起的一种控制模式，因此其既拥有了比例控制控制及时的优点，也拥有了积分控制消除余差的优势，从而能较好地消除偏差。 图 2— 4 比例积分控制示意图 （ 3）比例微分控制（ PD） ： 比例微分控制与比例积分 控制相似，都是结合了两种控制的优点，由此可以提高系统的控制速度。 对大惯性的环节使用比例微分可以最大程度的改善控制质量，减小最大偏差，缩短控制时间。 图 2— 5 比例微分控制示意图 （ 4）比例积分微分控制（ PID） 当控制对象惯性较大且控制精度要求较高时便采用 PID 调节，这种调节方式汲取了三种控制方式的优点，既能快速控制，又能消除余差，具有良好的控制性能。 图 2— 6 比例积分微分控制示意图 比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差。 所以调速系统会有静差。 积分控制可以使系统在无静 差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速，比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。 从无静差的角度突出的表明了积分控制优于比例控制的地方，但是从另一方面看，在控制的快速性上，积分控制又不如比例控制。 如果既要稳态精度高又要动态响应快，只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例（ PI）积分控制。 PI 控制器由比例单元（ P）、积分单元（ I）和微分单元 ， 它的基本原理比较简单，基本的 PI 控制规律可描述为： （ 公式 2— 4） 相比较于平 PID 控制， PI 控制器 原理简单，使用方便， PI 参数 、 𝜏和可以根据过程动态特性变化， PI 参数就可以重新进行调整与设定。 而且，在转速反馈比环调速系统中， PI 调节器应用也很广泛。 比例积分控制 集 比例控制和积分控制 两者的 优点， 而且 克服了各自 不足之处 ，扬长避短，互相补充。 其 比例部分能够迅速 的 响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。 除此之外，比例积分调节器还 可以 提高系统 的 稳定性，因此，它在调速系统 及 其他控制系统中得到了广泛的应用。 通过上文对本设计系统的建模和分 析，决定采用 PI算法控制来对直流电机进行闭环调速。 第 3 章 系统 总体 方案 的设计 本课题研究的对象是直流电动机，对其转速进行控制。 其基本思想是利用 89C52 单片，通过单片机的定时中断来产生并且调正 PWM 的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制电机转速。 通过直流电动机的速度反馈实现闭环控制，使得直流电动机能够实现自动起动、自动停止、速度自动控制，方向自动控制等功能，并通过液晶将指定转数、实际转数、旋转方向、运行时间等参数显示出来。 为实现本设计的要求，现将单片机控制直流电动机调速系统分成以下几部分进行方案的 比较和选择。 单片机应用系统 单片机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强，控制灵活方便，价格低廉等优点。 内部带有程序存储器的 STC89C52 单片机本身就是一个最简单的最小应用系统。 它成本低体积小的单片机结构可以对许多应用系统实现高性能的控制。 单片机最小系统由单片机、复位电路、时钟电路以及扩展的程序，数据存储器等组成。 STC89C52 单片机引脚如图 3— 1 所示： 图 3— 1 STC89C52 单片机管脚图 在常用的 89 系列的单片机中， 51 系列只有 4K 字节的在系统可编程 的 Flash 存储器， 128字节 RAM。 STC89C52 是一种 有着 低功耗、高性能 等优点的 CMOS 8 位 的 微控制器，具有 8K 在系统可编程 的 Flash存储器。 其 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，它是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，操作方便，引脚也充足，而且 STC89C52，支持 ISP 串口下载，使得 STC89C52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 我们通过编写程序来控制单片机执行相应的指令，从而实现 对指定电路的控制。 STC 89C52 编程前，首先要设置地址、数据控制信号，并且要在地址线和数据线上相应的添加地址信号和数据字节，控制信号的激活等 [5]。 在图 2— 1 中， 40 分别是接地和 +5V引脚。 P0端口（ ～ ， 39～ 32引脚）： P0口是一个漏极开路的 8位双向 I/O口。 作为输出端口，每个引脚能驱动 8个 TTL负载，对端口 P0写入 “1”时，可以作为高阻抗输入。 在访问外部程序和数据存储器时， P0口也可以提供低 8位地址和 8位数据的复用总线。 此时， P0口内部上拉电阻有效。 在 Flash ROM编程时， P0端口接收指令字节； 而在校验程序时，则输出指令字节。 验证时，要求外接阻值 10K的上拉电阻。 P1 端口（ ～ ， 1～ 8 引脚）： P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向口， 为最高位。 在 52 子系列单片机中， 作为定时 /计数器 2 的计数脉冲输入端 T2， 作为定时 /计数器 2 的外部控制端 T2EX。 P2端口（ ～ ， 21～ 28引脚）： P2口也是一个内部带上拉电阻的 8位准双向端口，。 P2口有两种功能，一种是可作准双向 I/O端口使用，另一种是与 P0口配合，在外接片外存储器或扩展 I/O端口且寻址范围超过 256B时，用于传输片外存储器高8位地址。 P3端口（ ～ ， 10～ 17引脚）： P3口也 是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/O端口，。 P3口也具有两种功能，一种是作为准双向口使用，此外 P3口的每一条口线都有专门的第二功能。 其 第二功能如表 2— 1示。 RST（ 9引脚）：单片机复位引脚。 当输入连续两个周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。 PSEN （ 29引脚）：片外程序存储 器读选通信号，低电平有效。 当从外部程序存储器读取指令或者数据时，每个机器周期内该信号两次有效，以通过数据线 P0口读到常数 或相应指令。 在访问片外存储器时，信号处于无效状态。 表 3— 1 P3口第二功能 引脚号 第二功能 RXD（串行口输入端） TXD（串行口输出端） 0INT （外部中断 0） 1INT （外部中断 1） T0（定时器 0计数脉冲输入端 ） T1（定时器 1计数脉冲输出端） WR （片外数据存储器写选通信号输出端） RD （片外数据存储器读选通信号输出端） ALE/（ 30引脚）：地址锁存控制信号。 ALE在每个机器周期内输出 2个脉冲，在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存 P0口输出的低八位地址；在不访问片外程序期间，可作为对外输出的时钟脉冲信号或者用于定时，此时频率为振荡频率的 1/6。 对于Flash存储器，在编程期间，该引脚用于输入编程脉冲。 EA /VPP（ 31引脚）：片外程序存储器选用端。 当低电平有效时，只选片外的程序储存器，针对 8031，由于没有片内程序存储器，此引脚需接地。 当处于高电平时，选用片内的存储器。 在 Flash编程期间，该引脚应接 +12V的电源 [6]。 XTAL1（ 19引脚）：接外部晶振的一端，作为反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。 XTAL2（ 18引脚）：接外部晶振的另一端，振荡器反相放大器的输出端。 综上所述， STC89C52 单片机功能多但引脚少，许多引脚具有双重功能，这种双重功能的 设置为单片机系统扩展奠定了基础。 电动机调速控制的方法 变压调速是直流调速系统中的最主要的方法，而调节直流电枢供电电压所需的可控制电源通常有 3 种：旋转交流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。 （ 1）旋转交流机组就是 GM 系统，用交流电动机和直流发电机组组成机组，来获得可调的直流电压。 适用于调速要求不高，能够可逆运行的系统，但其体积大、费用高。 效率低、维护不方便，因此适用面较窄。 （ 2）静止可控整流器，如晶闸管可控整流器，可以通过调节触发装置来触发脉冲的相位，从而改变平均电压，实现平滑调速 ，控制作用快同时性能也较好。 （ 3）直流斩波器和脉宽调制交换器采用的是 PWM 技术，用不可控整流电源供电或直流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。 与上述两种方法相比此方法有很多的优越性。 主电路简单，需要的功率器件较少；谐波少，电机损耗及发热都较小；稳速精度高，调速范围宽；系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强 [7]。 通过对比以上三种方案的优缺点并且以及我们常用的经验熟悉度，本次设计在根据脉宽调速要求，采用直流 PWM 调速系统。 键盘的选择 在本设计中键盘的功能主要是为了实现参数 的设定，键盘设计方案有以下几种。 方案一：采用集成键盘处理芯片。 集成键盘处理芯片种类较多，例如 827 HD7279等，这种集成处理芯片具有判断键盘按下、键盘译码等功能，应用方便，而且可以实现独立式键盘连接和矩阵式键盘连接方式以组成多位键盘。 但是这种集成键盘处理芯片价格较高，硬件开销较大。 方案二：采用独立式键盘直接与单片机进行连接。 这种方法结构简单，对于少数量的键盘来说比较适合。 在基于单片机的直流电机调速系统中，需要实现对电机转向和速度的控制，同时为了特殊情况下对电机急停。 因此该设计中按键控制模块包括 六 个按键， 实物图中由上到下 依次为 启动， 正转，反转，加速，减速和急停按键。 综合以上两种方案，在本设计中采用方案二。 液晶显示器的选择 在本设计中，液晶显示主要实现显示设定的参数和直流电动机的运行状态。 方案一：采用点阵式液晶显示器。 由于这种显示器由点阵组成，所以能够显示较完整的汉字。 通常情况下，如果按照 8*8 的点阵方式显示，可以显示一般的汉字，如果按照 16*16 的点阵方式显示，可以实现较繁锁汉字的显示。 但是这种点阵式显示器价格比较昂贵。 方案二：采用字符型 LCD1602 液晶显示器。 这种显示器是由 5*8 的字 符构成，可以显示出所有的 ASCII 码和简单的汉字。 这种显示器与单片机的连接简单，控制命令较少，比较容易实现。 综合以上两种方案，在本设计中采用方案二。 测速模块的选择 由于直流电动机需要进行反馈控制，所以要应用传感器对直流电动机的转速进行检测。 目前通常采用的测速方法有光电 编码盘测速法、红外对管测速法、霍尔元件测速法等测速方法。 方案一 : 用 光电 旋转编码器进行检测。 它 是通过测 量 出 的 转速信号频率或周期 来间接计算出直流 电机转速的一种无接触测速 法。 将 光电码盘装在 电机的 转子端轴上， 当直流 电机转动 起来后 ，光 电码盘也跟 随 着一起转动， 此时 有一个固定 的 光源照射在码盘上， 然后便 利用光敏元件来 接收 光 信号 ，接收到光的次数就是码盘的编码数。 若编码数为 l，测量时间为 t，测量到的脉冲数为 N， 则转速 n=(N/t*1)*60。 这种测速方法精确度高因此一般用于需要测量电机转角的场合。 方案 二 ：用一个单极性的霍尔开关元件作为检测元件。 这种方法是 在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越。