方案【2019年整理】毕业设计基于单片机的小功率直流电机的测速和控制系统(软硬件完整版)

小功率直流电机的测速和控制

摘要本设计采用两片MCU(AT89S52)完成了小型直流电机转速的采集、计算、显示、键盘设定 并将非均匀采样情况下的增量式积分分离 PID控制算法应用于直流电机的 PWM调速实现了对电机转速的测量和控制解决了通常低采样周期时系统的超调以及 PID算法的积分饱和问题。

关键词转速PID控制mcu AT89S52 PWM

Measuring And Control l ing The Rotational Speed Of Smal l

Power DC Electromotor

ZHANG Wu-jiang

(Grade 02,Class 2,Major Electronic and Information Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong

723000,Shaanxi)

Tutor,Lu chao

[Abstract]This design use two set of MCU(AT89S52) , has completed smal l DC electromotorrotational speed sampl ing,calculating,displaying, the keyboard setting,And has appl ied the PIDcontrol theoretics to the modulation of PWMrotational speed of DC electromotor,measuring and the control l ing therotational speed of the electromotor,has solved out modulation and PID algorithm integralsaturated problem.

[Keywords]Rotational Speed;PID control ;mcu(AT89S52);PWM

目录

引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1设计方案论证. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1 .1系统结构方案论证. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1 .2转速测量方案论证. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1 .3电机马区动方案论证. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1 .4键盘显示方案论证. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1 .5 PWM^件实现方案论证. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2系统原理框图设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

3各模块的分析、计算与硬件电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

3.1速度测量电路的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

3.1 .1转速/频率转换电路的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

3.1 .2脉冲滤波整形电路的设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

3.2电机驱动电路的设计[3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

3.3 LCD显示电路与单片机的接口设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

5系统各部分子功能程序设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

5.1电机转速测量程序设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

5.2键盘程序设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1

5.3 LCD显示子程序的设计[4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1

6数字PID及其算法的改进. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .错误未定义书签。

6.1PID控制基本原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

6.2三个基本参数Kp, Ti ,Td在实际控制中的作用研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

6.3数字PID控制算法[1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

6.4PID算法的改进 “饱和”作用的抑制[2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

6.5PID控制算法的单片机程序实现. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

7 PWM言号的单片机程序实现. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

8系统的调试过程与测试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

8.1转速度测量部分调试. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

8.2PID各项系数赋初值. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

8.3实验调试和确定PID算法各项系数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

8.3.1赋初值调试分析。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

8.3.2修改PID各项系数值调试分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

8.3.3PID各项系数值的确定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

9结束语. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

[注释1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

附录1 :硬件总图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

附录2:程序清单. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

引言

目前见到的许多关于直流电机的测速与控制类文献中虽然能实现直流电机的无级调速但还存在一些问题如无法与计算机直接接口许多较为复杂的控制算法无法在不增加硬件成本的情况下实现控制器的人机界面不理想。总的来讲控制器的智能化程度不高可移植性差。虽然采用PWM芯片来实现电机无级调速的方案成本较低但当控制器针对不同的应用场合增加多种附加功能时其灵活性不够而且反而增加硬件的成本[5] 。还有一些使用PLC控制器或高档处理器芯片如DSP器件的文献它们虽然具有较高的控制性能但由于这些高档处理器价格过高需要更多的外围器件 因此也不具备在通常情况下大规模使用的条件。从发展趋势上看总体的研究方向是提出质量更高的算法和调速方案 以及在考虑成本要求的前提下选择适合这种算法的核心控制器。

1设计方案论证

根据设计任务要求调速采用 PID控制器 因此需要设计一个闭环直流电机控制系统。该系统

采用脉宽调速使电机速度等于设定值并且实时显示电极的转速值。通过对设计功能分解设计方案论证可以分为系统结构方案论证速度测量方案论证 电机驱动方案论证键盘显示方案论证 PW嗽件实现方案论证。

1 .1系统结构方案论证

方案一采用一片单片机AT89S52完成系统所有测量、控制运算并输出 PWb®制信号。

方案二采用两片单片机AT89S52 其中一片做成PI D控制器专门进行PI D运算和PWM6制信号输出另一片则系统主芯片完成电机速度的键盘设定、测量、显示并向 PID控制器提供设定值和测量值设定PID控制器的控制速度等。

方案一的优点是系统硬件简单结构紧凑。但是其造成 CPU资源紧张程序的多任务处理难度增大不利与提高和扩展系统性能也不利于向其他系统移植。方案二则与方案一相反虽然硬件增加但在程序设计上有充分的自由去改善速度测量精度缩短测量周期优化键盘显示及扩展其它功能。与此同时 PID控制算法的实现可以精益求精对程序算法或参数稍加改动即可移植到

其他PID控制系统中。因此通过比较选择方案二。

1 .2转速测量方案论证

方案一采用记数的方法。 具体是通过单片机记单位时间 S 秒 内的脉冲数N,每分钟的转速M=N/SX 60。

方案二采用定时的方法。是通过定时器记录脉冲的周期 T,这样每分钟的转速 M=60/T。

比较两个方案方案一的误差主要是土 1误差量化误差 设电机的最低设计转速为 120转/分则记数时间S=1s,所以其误差得绝对值|丫|=| N土1  /SX60-N/SX60|=60 转/分 误差计算公式表明增大记

数时间可以提高测量精度但这样做却增大了速度采样周期会降低系统控制灵敏度。而方案二所产生的误差主要是标准误差并且使采样时间降到最短误差 丫=[60/ T土1 -60/T] 设电机速度在120—6000转/分之间那么0.01 s<TV 0.5s,代入公式得 0.00024<|丫| <0.6 转/分 。 由此明显看出方案二在测量精度及提高系统控制灵敏度等方面优于方案一所以本设计采用方案二。

1 .3电机驱动方案论证

方案一采用专用小型直流电机驱动芯片。这个方案的优点是驱动电路简单几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制使得驱动电路功耗相对较小而且目前市场上此类芯片种类齐全 价格也比较便宜。

方案二采用继电器对电动机的开或关进行控制通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不局。

方案三采用由达林顿管组成的 H型PW恤路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的

开关状态精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管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^速技术。

通过比较和对市场因素的考虑本设计采用方案一使系统的设计核心在 PID控制上。

1 .4键盘显示方案论证

方案一采用4 X4键盘可直接输入设定值。显示部分使用 4位数码管优点是显示亮度大缺点是功耗大不符合智能化趋势而且不美观。

方案二使用4个按键进行逐位设置。显示部分是使用支持中文显示的 LCD优点是美观大方有利于人与系统的交互及显示内容的扩展缺点是成本高抗干扰能力教差。

为了系统容易扩展、操作以及美观本设计完全采用方案二。

1 .5 PWM软件实现方案论证

脉宽调制的方式有三种定频调宽、定宽调频和调宽调频。本设计采用了定频调宽方式采用

这种方式的优点是电动机在运转时比较稳定并且在采用单片机产生 PWhB冲的软件实现上比较方便。对于实现方式则有两种方案。

方案一采用定时器做为脉宽控制的定时方式这一方式产生的脉冲宽度极其精确误差只在几个us。

方案二采用软件延时方式这一方式在精度上不及方案一特别是在引入中断后将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源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。 由于本设计采用了两片AT89S52单片机 M CO源充足 因此选择方案一。

2系统原理框图设计

系统原理框图如图2.1所示是一个带键盘输入和显示的闭环测量控制系统。主体思想是通过系统设定信息和测量反馈

信息计算输出控制信息。

图2.1系统原理框图

3各模块的分析、计算与硬件电路设计

3.1速度测量电路的设计

3.1 .1转速/频率转换电路的设计

理论上是先将转速转化为某一种电量来测量如电压 电流等。设计中将转速测量转化为电脉冲频率的测量。基于这一思想可以采用一对霍尔感应传感器使输出信号的一只在转轮一侧固定另一只则粘在对应位置的转轮上这样 电机每转一圈传感器将会输出一个脉冲然后将脉冲放大、整形后即可通过单片机测量其频率求出转速。实际实验中 由于市场采购原因暂用三极管输出型红外光电耦合器代替霍尔传感器。如图 3.1所示在电机转轮一处开孔这样每转一圈,三级管(红外接收头)透光导通一次 OUT端输出一个上脉冲 即完成了转速/频率的转换3.1 .2脉冲滤波整形电路的设计

由于电机在转动的过程中有很大的晃动而且本设计中测量装置做工粗糙 因此所获得的脉冲信号参杂有高频噪声或误动脉冲。为了提高测量的准确且尽可能地减少错误设计中如图 3.2所示O UT俞出端加一电容接地。为了既能抑制噪声又不影响测量 电容值 C的选择很重要。根据实际测量设计中所使用的直流电机转速可达 6000转/分。其所产生的脉冲周期T=1/(6000/60)S=0.01S,

一个周期内脉冲持续时间约为 1/8T=0.00125S低电平时间约为7/8T=0.00875S,由于接收头感光导通电阻很小所以电容迅速充电 当低电平到来时开始放电为保证下一个脉冲的检测放电时

间t应小于低电平持续时间 7/8T,根据电路 t=R2 X C<0.00875, 代入R2值解不等式可得:C<0.000017F。单位换算得C<0.017F,为了方便整形实际设计中 C=0.001 F 。 由于单片机中断I/O口的需要输入信号是正规的矩形脉冲所以电路的脉冲整形电路采用 74系列反向器74LS06进行两次反向后输入单片机。

3.2电机驱动电路的设计[3]

是一个高电压、大电流全双桥驱动器 由标准的 TTL电平控制。 L298N支持50V以内的电机控制电

本设计采用目前市场上较容易买到的 L298N直流或步进电机驱动芯片它采用单片集成塑装,

压在直流运转条件下可以通过高达 2A的电流 因此它满足了一般小型电机的控制要求。其内部

原理结构如图3.3。接法见图3.4,图中二极管的作用是消除电机的反向电动势保护电路 因此采

用整流二极管比较合适。 PW肝制信号由in1 、 in2输入。如果in1为高电平 in2为低电平时电机

为正向转速反之in1为低电平 in2为高电平时 电机为反向转速。本设计将 in2直接接地 即

采用单向制动的方式。通过实验本设计中不必使用双向制动也可达到设计要求。

图3.4:电机驱动电路

3.3 LCD显示电路与单片机的接口设计

设计中采用的LCD一一RT12232F是一种内置8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCI I字

符集图形点阵液晶显示器它主要由行驱动器/列驱动器及128X32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示也可以显示

7.5X2个16X16点阵汉字与外部CPU^口采用并行或串行方式控制。 本设计采用并行方式控制 LCD与单片机的通讯接口电路如图3.5所示采用直连的方法这样设计的优点是在不影响性能的条件下还不用添加其它硬件简化了电路降低了成本。

4系统总程序框图设计

系统程序程序框图如图4.1所示概述了程序的总体结构和工作过程。

图3.5: LCD显示电路与单片机的接口系统总控制器