小功率直流電機的測速和控制

1、小功率直流電機的測速和控制[摘要 摘要] 本設計采用兩片 MCU（AT89S52），完成了小型直流電機轉速的采集、計算、顯示、鍵盤設定，并將非均勻采樣情況下的增量式積分分離 PID 控制算法應用于直流電機的 PWM 調速，實現了對電機轉速的測量和控制，解決了通常低采樣周期時系統(tǒng)的超調以及 PID 算法的積分飽和問題。[關鍵詞 關鍵詞] 轉速 PID 控制 mcu AT89S52 PWM目前見到的許多關于直流電機的測速與控制類文獻中，

2、雖然能實現直流電機的無級調速，但還存在一些問題，如無法與計算機直接接口，許多較為復雜的控制算法無法在不增加硬件成本的情況下實現，控制器的人機界面不理想?？偟膩碇v，控制器的智能化程度不高，可移植性差。雖然采用 PWM 芯片來實現電機無級調速的方案成本較低，但當控制器針對不同的應用場合增加多種附加功能時，其靈活性不夠，而且反而增加硬件的成本[5]。還有一些使用 PLC 控制器或高檔處理器芯片（如 DSP 器件）的文獻，它們雖然具有較高的控制

3、性能，但由于這些高檔處理器價格過高，需要更多的外圍器件，因此也不具備在通常情況下大規(guī)模使用的條件。從發(fā)展趨勢上看，總體的研究方向是提出質量更高的算法和調速方案，以及在考慮成本要求的前提下選擇適合這種算法的核心控制器。1 設計方案論證 設計方案論證根據設計任務，要求調速采用 PID 控制器，因此需要設計一個閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈寬調速，使電機速度等于設定值，并且實時顯示電極的轉速值。通過對設計功能分解，設計方案論證可以分為：系

4、統(tǒng)結構方案論證，速度測量方案論證，電機驅動方案論證，鍵盤顯示方案論證，PWM 軟件實現方案論證。1.1 系統(tǒng)結構方案論證 系統(tǒng)結構方案論證方案一：采用一片單片機（AT89S52）完成系統(tǒng)所有測量、控制運算，并輸出 PWM 控制信號。方案二：采用兩片單片機（AT89S52）,其中一片做成 PID 控制器，專門進行 PID 運算和PWM 控制信號輸出；另一片則系統(tǒng)主芯片，完成電機速度的鍵盤設定、測量、顯示，并向PID 控制器提供設定值和測量

5、值，設定 PID 控制器的控制速度等。方案一的優(yōu)點是系統(tǒng)硬件簡單，結構緊湊。但是其造成 CPU 資源緊張，程序的多任務處理難度增大，不利與提高和擴展系統(tǒng)性能，也不利于向其他系統(tǒng)移植。方案二則與方案一相反，雖然硬件增加，但在程序設計上有充分的自由去改善速度測量精度，縮短測量周期，優(yōu)化鍵盤，顯示及擴展其它功能。與此同時，PID 控制算法的實現可以精益求精，對程序算法或參數稍加單片機（速度的測量計算、輸入設定及系統(tǒng)控制）單片機（PID 運算控

6、制器、PWM 模擬發(fā)生器）電機速度采集電路電機驅動電路鍵 盤顯示器為了系統(tǒng)容易擴展、操作以及美觀，本設計完全采用方案二。1.5 PWM 軟件實現方案論證 軟件實現方案論證 脈寬調制的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。本設計采用了定頻調寬方式，采用這種方式的優(yōu)點是電動機在運轉時比較穩(wěn)定，并且在采用單片機產生 PWM 脈沖的軟件實現上比較方便。對于實現方式則有兩種方案。方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產生的脈沖寬度

7、極其精確，誤差只在幾個 us。方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時器資源，且對于直流電機，采用軟件延時所產生的定時誤差在允許范圍。由于本設計采用了兩片 AT89S52 單片機，MCU 資源充足，因此選擇方案一。2 系統(tǒng)原理框圖設計系統(tǒng)原理框圖如圖 2.1 所示，是一個帶鍵盤輸入和顯示的閉環(huán)測量控制系統(tǒng)。主體思想是通過系統(tǒng)設定信息和測量反饋信息計算輸出控制信息。圖 2

8、.1 系統(tǒng)原理框圖3 各模塊的分析、計算與硬件電路設計3.1 速度測量電路的設計 速度測量電路的設計3.1.1 轉速 轉速/頻率轉換電路的設計 頻率轉換電路的設計理論上，是先將轉速轉化為某一種電量來測量，如電壓，電流等。設計中將轉速測量轉化為電脈沖頻率的測量?；谶@一思想，可以采用一對霍爾感應傳感器，使輸出信號的一只在轉輪一側固定，另一只則粘在對應位置的轉輪上，這樣，電機每轉一圈，傳感器將會輸出一個脈沖，然后將脈沖放大、整形后即可通過單