基于单片机的直流电机调速控毕业设计.doc

重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 I 基于单片机的直流电机调速控毕业设计基于单片机的直流电机调速控毕业设计 制制目录目录 前言 1 第一章 基于单片机的直流电机调速原理 2 第一节 直流电机工作原理 2 一 改变电枢回路电阻调速 3 二 改变电枢电压调速 4 三 采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 5 四 改变励磁电流调速 6 第二节 单片机对直流电机进行调速的方法 6 第三节 本设计所做工作 7 第四节 本章小结 7 第二章 系统方案设计 8 第一节 控制算法选择 8 一 控制算法介绍和确定 8 二 数字 PID 参数整定方法 11 三 PWM 控制的基本原理 13 第二节 硬件设计方案选定 15 一 控制器模块设计方案 16 二 电机驱动模块设计方案 17 三 速度采集模块设计方案 17 四 显示模块设计方案 18 五 键盘模块设计方案 18 六 电源模块设计方案 18 七 最终确定系统方案 18 第三节 本章小结 19 第三章 系统硬件设计 19 第一节 单片机接口资源分配 19 第二节 硬件电路模块设计与实现 20 一 电路控制器模块 20 二 电源电路模块 21 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 II 三 电机驱动电路模块 22 四 电机速度采集电路模块 24 五 显示电路模块 26 六 键盘电路模块 27 第三节 本章小结 28 第四章 软件设计 28 第一节 算法实现 28 一 PID 算法 28 二 电机速度采集算法 28 第二节 程序流程 29 第三节 本章小结 30 第五章 系统功能调试 31 第一节 系统 PROTEUS仿真 31 第二节 系统硬件调试 33 一 易犯错误 33 二 检测步骤 33 第三节 系统软件调试 34 第四节 系统实物调试 34 第五节 功能实现 36 第六节 本章小结 36 结论 37 致 谢 38 参考文献 39 附录 40 一 英文文献 40 二 英文翻译 51 三 电路原理图 60 四 PCB 电路图 61 五 源程序 61 六 元件清单 67 七 不同 PID 情况下转速测量表格 68 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 III 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 1 前言前言 直流电机速度控制在现实生活中的方方面面都有所运用 如今其已经渗透 到了医疗 汽车制造 铁道运输 航天航空 钢铁生产 物流配送 饮料生产 等多个方面 它以其结构简单 稳定性好 工作可靠 调整方便而成为工业控 制的主要技术之一 随着计算机控制技术的发展 微处理器已经广泛使用于直流传动系统 实 现了全数字化控制 2 本次设计主要研究的是基于单片机的直流电机的速度控 制 通过利用 PID 控制技术对直流电机转速进行控制 其设计思路为 以 AT89S52 单片机为控制核心 通过定时器产生占空比 再经过 PID 算法控制对 PWM 脉冲进行调节 从而实现对直流电机转速的控制 通过光电传感器进行 速度采集 并将其反馈到单片机中 把其计数脉冲换算成速度 并通过 1602 液 晶显示器进行实时速度显示 构成转速闭环控制系统 达到转速无静差调节的 目的 在系统中采 1602LCD 显示器作为显示部件 通过独立键盘可以设置 P I D 三个参数和正反转控制以及电机的启动停止 启动后通过显示部件了 解电机当前的转速并可以实时改变电机的转动速度 因此该系统在硬件方面包 括 电源模块 电机驱动模块 控制模块 速度检测模块 显示模块 按键模 块 软件部分采用 C 语言进行程序设计 其优点为 可移植性强 算法容易实 现 修改及调试方便 易读等 本次设计系统的主要特点 1 采用 C 语言进行程序设计 具有修改调试简单 可移植性强等优点 2 通过光电编码器将直流电机的转速转化为脉冲 通过软件计算比较精确的反 应出电机的转速 从而与设定值进行比较产生偏差 并对其进行 PID 调节 达 到转速易调节的目的 3 采用 1602LCD 显示模块提供一个人机对话界面 并实时显示电机运行速度 有利于通过按键模块对速度进行实时控制 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 2 第一章第一章 基于单片机的直流电机调速原理基于单片机的直流电机调速原理 第一节第一节 直流电机工作原理直流电机工作原理 直流电动机有换向器和无换向器两类 直流电动机最开始采用的是恒定的 直流电压源供电方式 通过改变直流电动机的电枢电阻来实现速度的改变 这 种方法简单易行 设备制造非常方便 价格也低廉 但缺点是效率低 机械特 性软 不能获得更较好的速度性能 因此该方法只适用于一些小功率和转速范 围并要求不高的地方 20 世纪 30 年代后期 发电机 电机系统的出现才使得高 性能直流电机得以广泛的应用 这种控制方法具有很宽的调速范围 较小的转 速变化率和平滑的速度调节能力 然而 这种方法的主要缺点是系统的重量的 体积大 效率低和维护困难 由于电力电子技术的飞速发展 已取代了以往的 发电机 电动机调速系统 出现了有晶闸管变频器直流电动机速度控制系统供电 他的性能也远远超过发电机 电机的转速控制系统的速度性能 特别是大规模随 着集成电路技术和计算机技术的飞速发展 直流电动机速度控制系统的精度 动态性能 可靠性也大大提高 电力电子技术中 IGBT 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 3 图 1 1 所示的电枢电压为 电枢电流为 电枢回路总电阻为 电机 a U a I a R 常数为 励磁磁通量为 e C 根据 KVL 方程 电机转速 其中 极对数为 匝数为 电枢 e aaa C RIU n pN 支路数为 电机常数 如果电机确定后 该值是不变的 而在a a pN Ce 60 中 由于仅为绕组电阻 使得很小 所以 因此我们 aaa RIU a R aaR I aaaa URIU 可以改变 中任意一个参数来进行转速 的调节 4 a U a R n 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 3 图 1 1 直流电机的原理图 一 改变电枢回路电阻调速一 改变电枢回路电阻调速 直流电动机都可以通过改变电枢回路的电阻来速度调节 如图 1 2 a 所示 此时的转速特性公式为 1 1 其中为电枢回路中的外接电阻 w R 当负载固定时 随着串入的外接电阻的增大 电枢回路的总电阻 w R 也随之增大 电动机转速就会下降 其机械特性如图 1 2 b 所示 wa RRR 的改变可用接触器或开关的切换来实现 w R 这种调速方式为有级调速 调速比一般约为 2 1 左右 转速变化率大 轻 载条件下很难得到较低的转速 并且效率很低 所以现在几乎没有采用此类的 调速方法 图 1 2 改变电阻调速 e waaa C RRIU n 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 4 二 改变电枢电压调速二 改变电枢电压调速 在直流电动机的中如果连续地改变电枢的供电电压 可以进行较宽范围的 无级调速 根据前面的介绍 改变电枢的供电电压有两种方法 一种是采用发 电机 电动机组供电的速度控制系统 另一种是采用晶闸管变流器供电的速度控 制系统 以下分别介绍这两种调速系统的调速方法 1 采用发电机 采用发电机 电动机组调速方法电动机组调速方法 图 1 3 a 为发电机 电动机调速电路 图 b 为发电机 电动机组调速时的机械 特性 图 1 3 发电机 电动机调速 如图 1 3 a 所示 通过改变发电机的励磁电流来改变发电机的输出电压 f I 从而改变电动机的转速 在不同的电枢电压时 其得到的机械特性便 a Un a U 是一簇完全平行的直线 如图 1 3 b 所示 由于电动机既可以工作在电动机状 态 又可以工作在发电机状态 因此改变发电机励磁电流的方向 如图 1 3 a 中切换接触器 ZC 和 FC 就可以使系统很容易地在任意四个象限内工作 该图显示 改变发电机励磁电流的方法需要有两台与调速电动机容量相当 的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机 LF 因为需要的设备多 体积 大 费用高 效率低 安装也需打基础 运行噪声大 维护不方便 为克服这 些缺点 20 世纪 50 年代就开始采用水银整流器和闸流管这样的静止交流装置 来代替上述的旋转变流机组 目前已被更经济 可靠的晶闸管变流装置所取代 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 5 2 采用晶闸管变流器供电的调速方法 采用晶闸管变流器供电的调速方法 图 1 4 a 为晶闸管供电的调速电路 图 1 4 b 为晶闸管供电时调速系统的机 械特性 图 1 4 晶闸管供电的调速电路 晶闸管变流器供电的速度控制电路如图 1 4 a 所示 通过调节触发器的控制 电压来移动触发脉冲的相位 即可改变整流输出电压 从而实现平滑调速 在 此调速方法下可得到与发电机 电动机组调速系统类似的调速特性 其开环机械 特性示于图 1 4 b 中 图 1 4 b 是由两个组成部分的机械特性曲线 在连续电流区功能也比较硬的 改变的延迟角 具有一簇平行线的特性 它与发电机 电动机单元供电完全 一样的 但是 在不连续电流区相比 具有非线性的软特性 这是因为 反电 动势易产生间歇性的负载电流引起的可控硅整流器的电流不连续 电枢电压变速直流电机速度控制系统的是一种使用最广泛的速度控制方法 在该方法中 由于在任何速度下的磁通是相同的 但改变电机的电源电压 然而在额定电流时 并且不考虑在低速 即 电机被假定为封闭强制通风或水 冷的情况下 无论是在高速或低速运行时 电动机可输出额定转矩 所以这种 方法被叫做恒转矩调速法 这是其重要特征之一 如果采用这种反馈控制系统 调速范围可达 50 1 到 150 1 甚至更大 三 采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法三 采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 PWM 系统的出现具有很长的历史 但由于缺乏高速大功率开关设备 无法 在实际生产中推广应用 如今 由于功率晶体管 GTR 特别是 IGBT 等功率 器件制造工艺的成熟 成本不断下降 大功率半导体器件来实现直流电动机的 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 6 PWM 系统得到了迅速的发展 目前其容量已经相当大了 四 改变励磁电流调速四 改变励磁电流调速 当电枢电压恒定时 变化的励磁电流也可以实现电机的转速调节 可以看 出 从公式 1 电机的转速和磁通成反比 即减少磁通量时 转速增大 n 相反 在较低 同时 由于马达转矩的磁通与电枢电流的乘积 电n e T a I 枢电流恒定时 减少磁通 其转速增加 转矩也会减少 因此 在这样的速 度控制方法下 减少了电动机的磁通 转矩将被相应地减少 在额定电压和 额定电流条件下 在不同的速度时 电机始终输出额出功率 所以这种调速方 法被称为恒功率调速 为了使电机的容量得到充分的利用 当使用这种方法时 通常只是上述电 机的转速控制速度在基速以上时才运用 当采用弱磁调速范围一般是从 1 5 1 3 1 特殊电机可以达到 5 1 该调速电路实现非常简单 只要励磁绕组加一个单独的可调电源 就可以 实现 3 第二节第二节 单片机对直流电机进行调速的方法单片机对直流电机进行调速的方法 多种方式可用于直流电机的速度控制 对于直流电机的转速调节 最常见 的方式是通过改变电枢端的电压 传统的观点是通过调节电枢回路的电阻 R 来 改变电压 以达到速度调节的目的 然而 由于输入的电阻分担了部分电压 所以这种传统的方法是效率不高的速度调节方法 15 随着电力电子技术的飞速 发展 出现了许多新的电枢电压控制方法 其中 PWM 是比较常用速度控制方 法 在 PWM 控制方式下 是通过保持周期不变的情况 调整开关处开通时间 的脉冲宽度调制 从而实现调节电机的转速的目的 传统的直流电机调速 是 通过调整电枢电路的电阻来改变电压 以达到调速的目的 然而 获得的功率 会消耗在接入的电阻上 所以这种方法效率低 在 PWM 速度控制系统 电机 电枢两端的电压宽度可调的脉冲电压 输出脉冲频率足够快的情况下 由于惯 性的存在 只要遵循一定的规则改变通 断电的时间 可以使电机的转速以达 到并保持一个稳定值 直流电动机采用 PWM 控制技术 启动时对直流电机系 统无冲击 并具有启动功耗小 运行稳定的特点 5 5 l 单片机以其价格低廉 开发周期短 性能稳定 效率高 功能强大等特 点被广泛的应用于控制系统 本次设计我们采用基于 PID 算法的 PWM 直流电 机调节来改变电机的转速 可以通过用 PWM 技术来改变的大小从而改变 a U a U 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 7 转速的大小 即当不同脉冲宽度送入驱动电路时 驱动电路给予电机两端的电 压就不同 从而改变了直流的转速 达到了控制电机转速的目的 第三节第三节 本设计所做工作本设计所做工作 本次设计通过对直流电机工作原理 单片机对直流电机调速的方法 并查 阅单片机直流电机调速的其相关资料 对直流电机调速有个初步的概念 从而 设计出系统框图 根据系统框图的每个模块 进行了器件的选定 从而设计出 硬件电路 有设计给定任务来设计程序框图 再通过 Proteus 仿真进行程序的修 改和优化并修改 最后印制 PCB 板并焊接电路 对系统的各个功能进行最后阶 段的调试 并进行最后的程序优化 达到系统设计要求 第四节第四节 本章小结本章小结 本章第一节主要介绍了直流电机的工作原理 分析了直流电机的几种调速 方法 改变电枢电阻 改变电枢电压 采用大功率 PWM 脉宽 改变励磁电流 调速四种方法 并介绍了在不同调速调速方法的直流电机的工作原理 并在第 二节主要分析了基于单片机的 PWM 直流电机的调速方法 并分析了其应用于 直流电机调速中的优点 为下文的硬件设计方案和软件设计方案选用基于单片 机的 PWM 直流电机调速提供了依据 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 8 第二章第二章 系统方案设计系统方案设计 第一节第一节 控制算法选择控制算法选择 一 控制算法介绍和确定一 控制算法介绍和确定 在速度算法设计可以选择经典的 PID 算法 神经网络算法 前馈控制算法 PID 算法其优点就是具有成熟的理论基础 而且不需要精确的数学模型的控制 对象 因此 采用 PID 算法 可以大大降低建模工作 只需要对 PID 控制参数 进行调整 而且 PID 算法的参数整定算法也比较成熟 PID 控制算法具有稳定 和可靠的性能 开发风险小 随着计算机技术和控制技术的迅速发展 越来越 多地使用现代控制方法与 PWM 脉宽调制技术来实现数字化 数字 P I D 算法 配合 P WM 脉宽调制技术可以实现对直流电机进行平滑调速 6 又因为本次设 计需要通过某种算法实现对直流电机的转速进行实时的控制 基于 PID 算法在 实践运用当中已经比较成熟 而且形成了一定的理论基础 便于实践运用 所 以本次设计采用 PID 进行速度调节控制 直流电机控制系统 由计算机软件编程来完成实施控制律 因此 事实上 数字控制系统的设计 是计算机算法设计 由于计算机只能识别数字 无法控制连续的控制变量 所以在计算机制系 统中 数据必须采取离散化处理 将模拟 PID 控制离散化后 我们需要对 在进行第 tr te tu tc n 次采样 采样的数据分别用 表示 于是有 nr ne nu nc 2 1 ncnrne 采样周期用 T 近似代替 用近似代替 积分 用 求和 tde 1 nene 近似代替 即可作如下近似 2 2 T nene dt tde 1 2 3 t n i Tiedtte 0 1 这样 经过离散化可以得到如下差分方程 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 9 2 4 0 1 1 unene T T ne T T neKnu n i D I P 上式中是偏差为零时的初始值 上式中的第一项起比例控制的作用 称为 0 u 比例 P 项 即 nuP 2 5 neKnu Pp 第二项起积分控制的作用 称为积分项即 nuI 2 6 n i I PI ie T T Knu 1 第三项起微分控制的作用 称为微分 D 项即 nuD 2 7 1 nene T T Knu D PD 这三个作用可单独使用 但微分作用一般不单独使用 也可合并使用 常用 的组合有 P 控制 2 8 0 ununu P PI 控制 2 9 0 unununu IP PD 控制 2 10 0 unununu DP PID 控制 2 11 0 ununununu DIP 式 2 4 的输出量为全量输出 它对于被控对象的执行机构每次采样时刻 应达到的位置 因此 式 2 4 被称为位置型PID 算式 nu 由 2 4 可看出 位置型控制算式的运用十分不方便 这是因为需要累加 偏差 不仅需要占用的存储单元比较多 而且也十分不便于程序的编写 ie 为此需对式 2 7 进行改进 根据式 2 7 可以看出 u n 1 的表达式 即 2 1 2 1 1 neneneKneKneneKnununu DIP 2 12 0 1 1 2 1 1 1 unene T T ne T T neKnu n i D I P 2 13 将式 2 4 和式 2 12 相减 即得数字 PID 增量型控制算式为 0 2 1 2 1 uneneneKneKneneKnu DIP 2 14 式中 称为比例增益 P K 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 10 称为积分系数 I PI T T KK 称为微分系数 T T KK D PD 数字 PID 位置型示意图和数字 PID 增量型图分别如图 2 1 和 2 2 所示 图 2 1 数字 PID 位置型控制图 图 2 2 数字 PID 增量型控制图 增量式算法与位置式算法相比有如下优点 1 增量式算法不需要做累加 控制量的确定仅与最近几次采用误差值有关 计算误差和计算精度问题 对控制量的计算影响较小 而位置式算法要用到过 去的误差的累加值 容易产生大的累加误差 2 增量式算法得出的是控制量的增量 而位置式算法的的输出是控制量的 全部量输出 误动作影响大 3 采用增量式算法 易于实现手动到自动的无冲击切换 4 采用增量式算法不需要累加 只需要记住 4 个历史数据 占用内存小 计算方便 因此通过比较 本次设计采用增量式算法 7 PID 位置算法 控制器被控对象 r t e t uc t PID 增量算法 控制器被控对象 r t e t uc t 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 11 二 数字二 数字 PID 参数整定方法参数整定方法 PID 控制器参数整定方案必须根据工程需要的具有要求来进行考虑 在工 业过程控制的过程中 我们经常要确保闭环系统是稳定的 对于一个给定的变 化量 可以很容易地进行迅速跟踪 在不同干扰条件下系统输出可以保持在一 个给定值附近 使其控制量尽可能的小 在系统和和环境参数发生变化时 控 制应保持稳定 在一般情况下 要满足这些要求是很难做到的 我们要根据具 体情况的系统 以满足关键性能指标 同时考虑其他要求 7 PID 控制器参数整定方法有很多 但可以归结为理论计算和工程的整定两 种方法 通过理论计算设计调节器可以得到一个精确的数学模型的控制对象 在工业过程中 通常更难以实现 因此 在实际使用或工程整定 最大的优点 是 这种方法不依赖于调谐参数的对象的数学模型 简单易行 当然 这是一 种近似方法 有时也有点粗糙 但适用于解决一般实际问题 通过实验方法确 定选择 PID 参数往往是非常有效的方法 8 试凑法 试凑法是通过计算机模拟或实际系统的操作 观察一个典型的输 入功能 对 PID 参数进行反复调整 直到满意为止 以确定参数的响应曲线 一般来说先比例后积分再微分 工程整定法 工程整定法是有经典的频率法简化而来的 他简单易行 适 合运用 8 1 临界比例法 临界比例法 一般适用的控制对象是一个具有自动平衡特性 使用这种方法的数字调节器 参数的整定步骤如下 首先选择一个足够短的采样周期 具体而言 选择控制对象的纯滞后时间的 十分之一或更小的采样周期 用比例调节器构成的闭环系统来进行工作 逐步 提高比例系数 直到系统发生连续的等幅振荡 按经验式为 7 p K 得到系统的调节参数 8 rdrirp TTTTKK12 0 5 0 6 0 根据选定的控制度 查表 2 1 求得 T 的值 P K I T D T 表 2 1 扩充临界比例度法整定参数 8 控制度控制规律T P K I T D T 1 05PI0 03 K T0 53 K 0 88 K T 1 05PID0 014 K T0 63 K 0 49 K T0 14 K T 1 20PI0 05 K T0 49 K 0 91 K T 1 20PID0 043 K T0 047 K 0 47 K T0 16 K T 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 12 2 经验法 经验法 经验法是靠工作人员的经验及对工艺的熟悉程度 通过参考测量值跟踪与 设定值曲线 来调整 P I D 三者参数值的大小的 具体操作可按以下口诀进 行 先是比例后积分 最后再把微分加 曲线振荡很频繁 比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾 比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢 积分时间往下降 曲线波动周期长 积分时间再加长 曲线振荡频率快 先把微分降下来 动差大来波动慢 微分时间应加长 下面以 PID 调节器为例 具体说明经验法的整定步骤 让调节器的参数积分系数 0 微分系数 0 当控制系统投入闭环 I K D K 运行中时 需要从小到大地改变比例系数 使扰动信号作阶跃变化 来观 P K 察他的控制过程 直到得到比较满意的结果为止 通过取比例系数作为当前的值来乘以 0 83 并从小到大地增加积分系 P K 数 并且让扰动信号作阶跃变化 直至得到比较满意的结果为止 I K 积分系数保持不变 通过改变比例系数 来观察控制结果有无改 I K P K 善 如有控制结果改善则继续调整 直到得到比较满意的结果为止 否则 将 按原比例系数的基础上增大一些 再来调整积分系数 并尽量改善系统 P K I K 的控制结果 通过反复地试凑 直到找到比较满意的比例系数和积分系数 P K 为止 I K 通过引入比较合适的微分系数和微分时间 此时需要增大比例系 D K D T 数和积分系数 和前面的几个步骤类似 微分时间的整定也要通过多次 P K I K 1 50PI0 14 K T0 42 K 0 99 K T 1 50PID0 09 K T0 34 K 0 43 K T0 20 K T 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 13 的调整 直到得到一个比较满意的结果为止 三 三 PWM 控制的基本原理控制的基本原理 脉宽调制 PWM 基本原理 控制方式就是对逆变电路的开关器件的触 发脉冲进行控制 使输出端得到一系列幅值大小相等的脉冲 用所得的波形等 效代替所需要的波形 就是需要在半个周期内对所得到的脉冲 并使各脉冲的 高度相等宽度不同 通过一系列的脉冲调制 就可以改变输出电压的大小 同 时也可以改变输出频率 在采样控制理论中有一个重要的结论 即冲量相等而形状不同的窄脉冲加 在具有惯性的环节上 其效果基本相同 冲量既指窄脉冲的面积 这里所说的 效果基本相同 是指该环节的输出响应波形基本相同 如把各输出波形用傅里 叶变换分析 则它们的低频段特性非常接近 仅在高频段略有差异 根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波 通过对矩形 波的控制来模拟输出不同频率的正弦波 例如 正弦半波分成 N 等份 你可以把相互连接的半正弦波组成由 N 脉 冲波形 这些脉冲宽度相等 等于 n 但幅值不等 脉冲的顶部的不是一个 水平线 而是脉冲幅度的变化曲线 如果把上述脉冲序列用具有相同数目的幅 值相等但不宽度相等的矩形脉冲序列替代 使矩形脉冲的中点和相应正弦等分 的中点重合 且使矩形脉冲和相应的正弦波部分的面积 即冲量 相等 得到 的脉冲序列 这是 PWM 波形 可以看出 每个脉冲宽度的正弦变化 根据同 样的冲量相等效果相同的原理 PWM 波形和正弦半波是等效的 负半周期的 正弦 你也可以用同样的方法得到 PWM 波形 2 在 PWM 波形中 每个脉冲的幅度是相等 要改变等效输出正弦波的幅值 时 简单地按相同的比例系数改变每个脉冲的宽度就可以了 因此这样的交 直 交流逆变器 整流电路采用不可控的二极管电路 PWM 逆变器电路输出的脉 冲电压是直流电压幅值 根据上述原理 在给定的频率 振幅和后半周期的脉冲数的正弦波 PWM 波形的脉冲宽度和间距可以精确地计算出 根据控制电路的通断的开关装置的 计算结果 就可以得到所需的 PWM 波形 PWM 控制的一个优点从处理器到系统的信号都是以数字为存在形式的 而无需进行数模转换 让信号保持为数字形式 噪声影响降到最小 噪音只有 强到足以把逻辑 1 改变为逻辑 0 或把逻辑 0 改变为逻辑 1 的变化 但也能对数 字信号产生影响 总之 PWM 控制经济 节约空间 抗噪性能强 是值得我们的工程师在 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 14 许多设计应用程序中使用的有效技术 PWM 直流电动机调速系统控制算法实现 根据 PWM 控制的基本原理可以得出 一段时间内加在惯性负载两端的 PWM 脉冲与相等量内冲量相等的直流电加载上的电压等效 那么如果在短时 间内脉冲宽度为 幅值为 由图 2 3 可求得此时间内脉冲的等效直流电T 0 tU 压为 图 2 3 PWM 脉冲 若令 即为占空比 则上式可化为 T Ut U 0 0 T t0 U 为脉冲幅值 2 15 UU 0 若 PWM 脉冲为如图 2 7 所示周期性矩形脉冲 那么与此脉冲等效的直流 电压的计算方法与上述相同 即 为矩形脉冲占空比 U T Ut nT Unt U 00 0 2 16 图 2 4 周期性 PWM 矩形脉冲 U t 0tTt0 U U t 0tTt0 U 2T2t03T3t04t0nT n 1 t0 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 15 由式 2 14 可知 要改变等效直流电压的大小 可以通过改变脉冲幅值 U 和 占空比来实现 因为在实际系统设计中脉冲幅值一般是恒定的 所以通常通 控制占空比的大小实现直流电压在 0 U 之间任意调节 从而达到利用 PWM 控制技术实现对直流电机转速进行调节的目的 14 第二节第二节 硬件设计方案选定硬件设计方案选定 根据系统设计的任务和要求 可以设计出如图 1 5 所示的系统方框图 图中 控制器模块为单片机最小系统 通过键盘模块和显示模块来实现人机交互功能 其中键盘模块可以将需要设置的参数和状态输入到单片机中 并且通过控制模 块处理后将其数据通过显示模块进行实时显示 在运行过程中通过软件产生 PWM 脉冲并送到电机驱动电路中 控制直流电机转速 同时利用速度检测模 块将当前转速反馈到控制模块中 控制器模块经过 PID 运算后改变 PWM 脉冲 的占空比 实现电机转速实时控制的目的 控制模块驱动模块直流电机 显示模块 测试模块 键盘模块 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 16 图 2 5 系统方案框图 一 控制器模块设计方案一 控制器模块设计方案 单片机就是一片半导体硅片上集成了中央处理单元 存储器 并行 I O 口 串口 I O 定时器 计数器 中断系统 系统时钟电路及系统总线的微型计算机 其中 STC89C52 是单片机系列中的一员 以下简要以 STC89C52 介绍单片机的 主要性能和功能 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 17 图 2 6 STC89C52 单片机引脚 STC89C52 主要性能 STC89C52 与 MCS 51 单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程 Flash 存 储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 33Hz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I O 口线 三个 16 位定时器 计数器八个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双 数据指针 掉电标识符 STC89C52 功能特性描述 STC89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可 编程 Flash 存储器 使用高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品 指令和引脚完全兼容 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 和在线系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 9 由于 STC89C52 单片机算术运算功能强 软件编程灵活 自由度大 可用 软件编程实现各种算法和逻辑控制 根据设计任务 控制器主要是对电机的转 速进行实时显示和速度调节 并且需要产生占空通过 PID 算法来控制的 PWM 脉冲 并对直流电机当前速度进行实时处理 根据 PID 算法可以得出当前所需 输出的占空比脉冲 因此本次设计可采用 STC89C52 作为系统控制 二 电机驱动模块设计方案二 电机驱动模块设计方案 本次设计的主要目的是控制电机的转速 因此电机驱动模块是必不可少 传统的驱动电路是用三极管搭建起来的 但由于市场上有专用的电机驱动芯片 例如 L298N L297N 等电机驱动芯片 L298N 是 ST 公司生产的一种高电压 大电流电机驱动芯片 该芯片具有以下主要特点 工作电压高 最高可达 4 6 V 输出电流大 瞬问峰值电流可达 3 A 持续工作电流为 2 A 内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器 可以用来驱动直流电动机和步进电动机 继 电器 线圈等感性负载 采用标准逻辑电平信号控制 具有两个使能控制端 10 所以采用此种方案的电路设计简单 抗干扰能力强 可靠性好 设计者不需要 对硬件电路设计考虑很多 减少了硬件电路的复杂性 可将重点放在算法实现 和软件设计中 大大的提高了工作效率 因此本次设计可采用 L298 电机驱动 芯片 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 18 三 速度采集模块设计方案三 速度采集模块设计方案 本系统是一闭环控制系统 在调节过程中需要将设定与当前实际转速进行 比较 并且将采集的数据送入单片机进行处理 速度采集模块就是为完成这样 功能而设计的 考虑到市场中的霍尔元件比较难买 而且成本也比较高 而且 光电传感器的精度也比较高 比较适合运用于直流电机调速系统中来 因此采 用对射式光电传感器 其检测方式为 发射器和接受器相互对射安装 发射器 的光直接对准接收器 当被测物没有挡住光线是 输出为高电平 当被测物挡 住光束时 输出为低电平 传感器输出电平产生变化以指示被测物被检测到 通过单片机对其进行脉冲计数 可以实现对直流电机的速度测量 所以本次设 计采用光电式传感器进行速度采集 四 显示模块设计方案四 显示模块设计方案 在电机转速控制系统中 系统需要对参数 工作方式以及电机当前运行状 态进行显示 因此在整个系统中必须设计一个显示模块 由于在此次设计中需 要设定的参数种类多 而且有些需要进行字符的显示 所以使用 LED 显示器不 能完成设计任务 不宜采用 又因为 1602LCD 液晶显示器控制方法简单 功率 低 硬件电路简单 可对字符进行显示 并且能够很好的对本次参数设置和电 机转速进行实时显示 所以本次设计采用 LCD1602 液晶显示器进行此次电机所 有数据的显示 五 键盘模块设计方案五 键盘模块设计方案 在电机转速控制系统中 系统需要按键进行参数的输入 工作方式的设定 以及电机起停的控制 因此键盘在整个系统中是不可缺少的一部分 由于采用 独立式键盘 这种键盘硬件连接和软件实现简单 并且各按键相互独立 每个 按键均有一端接地 另一端接到输入线上 按键的工作状态不会影响其它按键 上的输入状态 方便程序的编写以及功能的实现 所以本次设计采用独立键盘 进行人机操作 六 电源模块设计方案六 电源模块设计方案 电源是任何系统能否运行的能量来源 无论那种电力系统电源模块都是不 可或缺的 由于整个电路只需要 5V 对系统进行供电 没有必要采用其他稳压 芯片进行电压的转换 而只需要进行电压滤波就可以减小电压波动对系统稳定 性的影响 所以综合考虑 该模块可以直接用采用 5V 对系统进行供电 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 19 七 最终确定系统方案七 最终确定系统方案 经过上述的分析与论证 系统各模块采用的方案如下 1 控制模块 采用 STC89C52 单片机 2 电机驱动模块 采用直流电机驱动芯片 L298N 实现 3 速度采集模块 采用光电传感器 4 显示模块 采用 1602LCD 液晶显示模块 5 键盘模块 采用五位控制键盘 6 电源模块 采用直接 5V 供电方式实现 第三节第三节 本章小结本章小结 通过对本次设计的分析 需要对控制算法和硬件电路方案进行最优选择 控制算法最终确定为 PID 并对其进行了简单的介绍 同时又对 PWM 控制技 术进行了基本的原理介绍 硬件电路的设计设计方案主要是通过对设计目的分 析来确定的 画出了系统框图 最后选择了 STC89C52 作为主控制器件 通 1602LCD 液晶显示器对设置参数和实时转速进行显示 通过独立键盘对 PID 参 数和电机工作状态进行更改 通对控制算法和硬件电路方案的确定 从而确定 了整个系统的设计方案 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 第一节第一节 单片机接口资源分配单片机接口资源分配 本系统电路设计采用 STC89C52 单片机作为核心器件 转速检测模块作为 电机转速测量装置 通过 STC89C52 的 P3 5 口将电脉冲信号送入单片机处理 L298 作为直流电机的驱动模块 利用 1602LCD 显示器和五个键盘作为人机接 口 表 3 1 控制器引脚分配表 I 0 口引脚号对应器件功能输入 输出 P0 0 P0 739 32D0 D7显示数据输出 P1 021S1正反转输入 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 20 P1 122S2加数据输入 P1 223S3减数据输入 P1 324S4启动 停止输入 P1 425S5设置模式输入 P2 026RS液晶数据 地址输入 P2 228RW液晶读 写输入 P2 127LCDEN液晶使能输入 P2 531ENA驱动电路使能端输入 P2 632IN1驱动正转输入 P2 733IN2驱动反转输入 RESET9复位电路复位信号输入 XTAL119晶振电路时钟信号输入 XTAL218晶振电路时钟信号输出 VCC40电源 5V输入 GND20接地无无 第二节第二节 硬件电路模块设计与实现硬件电路模块设计与实现 一 一 电路控制器模块电路控制器模块 由于本次设计题目是基于单片机的直流电机调速 所以控制器主要用于产 生占空比并通过 PID 算法控制的 PWM 脉冲 并对电机速度进行实时采集和处 理 根据 PID 算法得出当前所需输出的占空比脉冲 STC89C52 单片机是一种 低功耗 高性能 CMOS 8 位微控制器 具有 8K 可编程 Flash 存储器 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个 16 位定时器 计数器 全双工串行 口 算术运算功能强 软件编程灵活 自由度大 可用软件编程实现各种算法 和逻辑控制 11 STC89C52 单片机作为主控芯片主要实现以下几个功能 1 接收键盘的输入控制信号 2 驱动 1602LCD 液晶显示器显示电机转速和设定参数值 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 21 3 通过使能端控制电机启动 正转 反转 加速及减速 4 产生 PWM 脉冲 对电机进行 PID 速度调节 5 接收脉冲测速电路测得的电机转速 电路控制控制模块的硬件电路包括复位电路 时钟电路和电源 3 部分 共 同组成单片机的最小系统 满足单片机正常工作 具有硬件电路如图 3 1 所示 图 3 1 单片机最小系统 有上图可以看出单片机最小系统需要复位电路和时钟电路才能工作 时钟 电路是对单片机提供一个外部振荡 使单片机工作 本次设计采用 12MHz 的晶 振对单片机提供时钟电路 复位电路可以使单片机的内部数据恢复初始值 从 而从新进行数据更改 二 电源电路二 电源电路模块模块 电源是整个系统的能量来源 它直接关系到系统能否运行 在本系统中直 流电机需要 5V 电源 单片机 显示模块 驱动电路模块等其它电路也需要 5V 的电源 因此电路中选用直流 5V 供电 能够满足系统的要求 其电路如图 3 2 所示 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 22 图 3 2 电源电路 由上图可以看出 电源电路有一个电源指示灯作为上电的标志 并联两个 电容进行电源电压滤波 三 电机驱动电路三 电机驱动电路模块模块 驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁 在本系统中单片机的 I O 口不能 直接驱动电机 只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行 在这 里选用 L298N 电机驱动芯片驱动电机 该芯片是由四个大功率晶体管组成的 H 桥电路构成 四个晶体管分为两组 交替导通和截止 用单片机控制达林顿管使之工作 在开关状态 通过调整输入脉冲的占空比 调整电动机转速 其中输出脚 SENSEA 和 SENSEB 用来连接电流检测电阻 Vss 接逻辑控制的电源 Vs 为电机驱动电源 IN1 IN4 输入引脚为标准 TTL 逻辑电平信号 用来控制 H 桥的开与关即实 现电机的正反转 ENA ENB 引脚则为使能控制端 用来输入 PWM 信号实现 电机调速 其电路如图 3 3 所示 利用两个光电耦合器将单片机的 I O 与驱动电 路进行隔离 保证电路安全可靠 这样单片机产生的 PWM 脉冲控制 L298N 的 选通端 使电机在 PWM 脉冲的控制下正常运行 其中四个极管对芯片起保护 作用 表 3 2 L298 管脚功能说明 管脚引脚号功 能 IN15信号输入端 TTL 电平 IN27信号输入端 TTL 电平 ENA6使能端 低电平禁止输出 SENSEA1电流检测端 OUT12信号输出端 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 23 OUT23信号输出端 VSS9逻辑电平电压 此引脚与地之间必须连接 100uF 电容器 VS4功率电源电压 此引脚与地之间必须连接 100uF 电容器 GND8GND 地 表 3 3 L298 对直流电机控制逻辑真值表 输 入功能 IN1 H IN2 L正转 IN1 L IN2 H反转ENA H IN1 IN2制动 ENA LIN1 IN2 无输出 电机不工作 图 3 3 电机驱动电路 由上图可以看出 本次是驱动一个直流电机 因此我们可以把 L298 的 ENB SEBSEB 拉低 让其不工作 通过单片机端口 P2 6 和 P2 7 的输入对直 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 24 流电机的工作状态进行改变 四 电机速度采集电路四 电机速度采集电路模块模块 在本系统中由于要将电机本次采样的速度与上次采样的速度进行比较 通 过偏差进行 PID 运算 因此速度采集电路是整个系统不可缺少的部分 本次设 计中应用了比较常见的光电测速方法来实现 其具体做法是将电机轴上固定一 圆盘 且其边缘上有 m 个等分凹槽如图 3 4 a 所示 在圆盘的一侧固定一个 发光二极管 其位置对准凹槽处 在另一侧和发光二极光平行的位置上固定一 光敏三极管 如果电动机转到凹槽处时 发光二极管通过缝隙将光照射到光敏 三极管上 三极管导通 P3 5 接收到一个低电平 反之三极管截止 P3 5 接收 到一个高电平 电路如图 3 4 b 所示 从图中可以得出电机每转一圈在 P3 5 的输出端就会产生 N 个低电平 其硬件电路如图 3 6 所示 这样就可根据低电 平的数量来计算电机此时转速了 例如当电机以一定的转速运行时 P3 5 将输 出如图 3 5 所示的脉冲 若知道一段时间 T 内传感器输出的低脉冲数为 N 则 电机转速 圆盘 光敏三极管发光二极管 5V P3 3 470 200 R1R2 sr mT N n 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 25 a b 图 3 4 电机速度采集 图 3 5 传感器输出脉冲波形 图 3 6 速度采集 五 显示电路五 显示电路模块模块 根据设计要求要对系统各项参数和电机运行状态进行显示 因此在电路中加 入显示模块是非常必要的 这里使用 LCD1602 它有 16 个引脚 其引脚功能 如表 3 4 所示 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 26 表 3 4 1602 液晶显示模块引脚功能 图 3 7 显示电路 由上图可以看出单片机的 P0 0 P0 7 给 LCD1602 显示器送数据和地址 P2 0 为数据和地址选择端口 P2 1 为使能端口 引脚符 号引 脚 功 能引脚符 号引 脚 功 能 1VSS电源地6E 使能信号 2VDD电源正 5V7 14DB0 DB7数据线 3VO液晶显示驱动电源15A 背光电源 4RS H 数据输入 L 指令码输入 16K 背光电源 5 R W H 数据读取 L 数据写入 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 27 六 键盘电路六 键盘电路模块模块 根据设计需求 本系统中使用独立键盘用以实现对 P I D 三个参数和电 机正反转的设定 以及对电机启动 停止 暂停 继续的控制 其电路原理图 如图 3 8 所示 图 3 8 键盘模块 键盘操作说明 在系统开始运行时 1602LCD 将显示开机界面 若按下设 置键 S1 显示屏进入参数设置界面 此时按 S2 S3 S4 进入相应参数的设置的 状态 输入相应的数字即可完成该参数的设置 最后按启动键 S5 启动系统 在 运行过程中可按下相应键对电机进行暂停 继续 反转 停止运行的控制 第第 3 节节 本章小结本章小结 通过上一章对系统的控制算法和硬件电路设计方案的确定 本章主要是单 独对硬件电路模块进行介绍 分析单片机的接口资源和硬件电路模块 通过结 合原理图对控制电路模块 电源电路模块 测速电路模块 显示电路模块 键 盘电路模块进行了具体的原理和功能的分析介绍 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 重庆邮电大学本科毕业设计 论文 28 0 2 1 2 1 uneneneKneKneneKnU DIP 第四章第四章 软件设计软件设计 第一节第一节 算法实现算法实现 一 一 PID 算法算法 本系统设计的核心算法用到了 PID 算法 它是根据本次采样的数据与设 定值进行比较从而得出偏差值 对偏差值进行 P I D 运算最终利用运算 ne 结