计算机控制技术课 程 设 计成绩评定表设计课题 基于单片机的直流电机调速系统设计 学院名称 ： 电气工程学院 专业班级 ： 自动F0801 学生姓名 ： 闫旭 学 号 ： 200848240215 指导教师 ： 臧海河 设计地点 ： 中原路校区2号楼421 设计时间 ： 2011.06.272011.07.01 指导教师意见：成绩: 签名： 年 月 日 计算机控制技术课 程 设 计课程设计名称： 基于单片机的直流电机调速系统设计 学院名称 ： 电气工程学院 专业班级 ： 自动F0801 学生姓名 ： 闫旭 学 号 ： 200848240215 指导教师 ： 臧海河 设计地点 ： 中原路校区2号楼421 设计时间 ： 2011.06.272011.07.01 计算机控制技术课程设计任务书学生姓名闫旭专业班级自动F0801学号200848240215题 目基于单片机的直流电机调速系统设计课题性质工程设计课题来源自拟课题指导教师臧海河主要内容用带微处理器的可编程控制器对直流电机进行调速，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。从而实现控制系统的数字化，自动化。任务要求第1天：熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。第2天：确定设计方案。要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于5000字。主要参考资料1徐薇莉 曹柱中 控制理论与设计M 上海交大出版社 ， 200374-822先锋工作室单片机程序设计实例M 清华大学出版社，2003104-110 3 康华光，邹寿彬.电子技术基础(数字部分第四版).北京：高等教育出版社，2004年.审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日目 录1 引言11.1 课题背景11.2 系统功能12 总体方案设计22.1 硬件方案设计22.1.1 微处理器22.1.2 测速传感器22.1.3键盘显示32.1.4电机驱动方案32.1.5输入输出通道32.1.6 PWM实现方案32.2系统原理框图设计43 系统单元电路的设计53.1速度测量电路的设计53.1.1转速/频率转换电路的设计53.2 电机驱动电路的设计63.3 LCD显示电路和键盘与单片机的接口设计73.4两单片机的互连84 系统软件设计94.1 系统总程序框图设计94.2 电机转速测量程序设计114.3键盘程序设计134.4 LCD显示子程序的设计144.5 PWM信号的单片机程序实现165 数字PID及其算法的改进175.1 PID控制基本原理175.2数字PID控制算法175.3 PID算法的改进，“饱和”作用的抑制195.4 PID控制算法的单片机程序实现20总结21参考文献22附录231 引言1.1 课题背景以前的直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。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。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节2。高性能的微处理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即数字信号处理器)的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如DSP等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算。1.2 系统功能本设计是关于直流电机转速调节的设计，采用PID算法控制电机的转速。通过键盘输入期望的转速，主单片机将设定值输入给从单片机，从单片机经PID等运算得出相应的PWM信号。单片机采用AT89S52，PWM信号通过电机驱动电路使得电机电枢电压发生变化，从而转速发生变化。在电机运行阶段，经传感器测量出转速输入到主单片机，主单片机输入相应的值到从单片机，从单片机再输出相应得PWM信号来恒定电机的转速。2 总体方案设计2.1 硬件方案设计要控制直流电机转速，硬件电路要求比较高，它决定直流电机调速的精度。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，PWM软件实现方案论证。2.1.1 微处理器采用两片单片机（AT89S52）,其中一片做成PID控制器，专门进行PID运算和PWM控制信号输出；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。如果采用一片单片机，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。采用两个的话，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。2.1.2 测速传感器在电机的转轴端开一小洞，利用红外光电耦合器，每转半圈OUT端输出一个上脉冲。由于霍尔传感器的采购不是很方便，所以使用红外光电耦合器。此方案不需要A/D转换，直接可以被单片机接收。可以采用记数的方法：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/S60。也可以采用定时的方法：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。比较两个计数方法，方法一的误差主要是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|=|(N1)/S60-N/S60|=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。而方法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=60/（T1）-60/T，设电机速度在1206000转/分之间，那么0.01sT0.5s，代入公式得：0.00024|0.6（转/分）。 2.1.3键盘显示使用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，抗干扰能力较差。但为了系统容易扩展、操作以及美观，本设计完全采用。2.1.4电机驱动方案 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。2.1.5输入输出通道由于选用了霍尔式传感器，故输入的信号经调理放大后直接是脉冲信号，无需经过A/D转换就可以输入到单片机中。由于采用PWM控制直流电机的电枢电压，故单片机的输出经放大驱动电路就可以直接控制电机的电枢电压，以此来控制电机的转速。2.1.6 PWM实现方案 基于单片机类由软件来实现PWM：在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：A、定宽调频法：保持不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。（图2-1）B、调宽调频法：保持t不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。（图2-1）C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t。（图2-1）图2-1电枢电压占空比图前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。所以选方案二，采用定频调宽法。2.2系统原理框图设计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。系统原理框图如图2.1所示图2.1 系统原理框图3 系统单元电路的设计本设计因为输入的为脉冲信号、输出的是PWM信号，故无需A/D、D/A转换就可以直接进行工作。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，三极管输出型红外光电耦合器。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。图3.1转速/频率转化电路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OUT输出端加一电容接地。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，