直流电机速度控制-

组员：

班级：研1308

授课教师：徐洪泽

电子信息工程学院

日期：2013-11-24

目录

1、整体设计 (1)

2、硬件搭建过程 (3)

一、单片机最小系统 (3)

二、RS232串口模块 (3)

一、电机驱动模块 (4)

四、测速模块 (5)

五、上位机显示与控制 (7)

3、闭环系统的PID控制实现 (8)

一、控制算法 (8)

二、PID参数的整合 (8)

4、问题探讨与实验总结 (9)

一、问题探讨 (9)

二、实验总结 (9)

5、附录：总体程序 (10)

一、程序流程说明 (10)

二、源代码 (10)

三、实物图 (20)

1、 整体设计

本系统旨在实现直流电机的速度闭环控制。微控制器接受上位机和测速机构的速度信号，以其偏差作为PID 控制算法的输入，同时用微控制器产生H 桥所需的PWM 控制信号，PWM 的占空比为微控制器PID 控制算法的输出。通过控制PWM 的占空比来控制电机电枢电压，从而达到控制电机转速的目的。

图1.直流电机速度控制系统框图

图中：r —期望转速； b —转速测量值；

e —期望转速与实际转速偏差； n —转速输出值。 直流电机转速为：

U IR n K U -=

Φ

-Φ-其中：

电枢端电压电枢电流电枢电路总电阻；电机结构参数；每极磁通量。

；I-；R-K-

本系统采用对电枢电压进行控制的电枢控制法，而电枢电压的控制采用开关驱动方式，即使驱动电机的半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。

在Altium Designer summer 09中画出直流电机速度控制系统的详细设计原理如下图所示。

微控制器采用STC89C52RC单片机，单片机和上位PC机通过RS232进行通信，通过单片机的外部中断对编码器输出脉冲进行计数、单片机的P0.0和P0.1口输出PWM波形信号。外部中断INT1对光电编码器脉冲计数，单片机在一定时间间隔内即可计算出电机的转速。

当电机的实际速度小于目标速度时，LED0指示电机加速；当大于目标速度时，LED1指示电机减速。

图2.直流电机速度控制系统详细设计图

2、硬件搭建过程

一、单片机最小系统

功能介绍：

1．支持STC51系列与A T51系列单片机(DIP40)，或通过其它转接座支持其它型号单片机；2．8路水晶蓝LED可作流水灯实验；

3．2个中断按键(INT0与INT1)和1个复位按键；

4．1个电位分压器可供调节输出参考电压

5．1个标准ISP下载接口，用于下载AT单片机程序，及供电；

6．1个USB-TTL接口，用于下载STC单片机，及供电；

7．32个IO口以排针形式引出，方便外部使用；

8．留有3组电源排针输出，方便外部配件取电，或向板子供电；

9．板载12MHz优质晶振及P0口全部上拉4.7K电阻，板上标准复位电路；

10．使用DIP40锁紧座方便取放芯片；

二、RS232串口模块

本文设计的控制系统与上位机串口通信部分采用了PL2303HX模块实现。主要功能是将实时的速度数据传送到上位机显示；接受上位机发送到单片机的控制信息，包括PID的三个参数Kp，Ki，Kp和电机转向。

PL2303HX采用28脚贴片SOIC封装，工作频率为12MHZ，符合USB 1.1通信协议，可以直接将USB信号转换成串口信号，波特率从75～，有22种波特率可以选择，并支持5、6、7、8、16共5种数据比特位，是一款相当不错的USB转串口芯片。

PL2303模块可以方便地利用杜邦免焊接连接线接入电路，只要插接3根线，一根串口入、一根串口出、一根地线。需要注意的是STC89C52 单片机下载模式接线如下：(只需要连接3根线)

USB转TTL小板TX 连接单片机P3.0 （RX）

USB转TTL小板RX 连接单片机P3.1 （TX）

USB转TTL小板GND 连接单片机GND

一、电机驱动模块

本系统采用的电机驱动模块为L9110S双路直流电机驱动板，实物如下图所示。

L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立

电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动及刹车，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110被广泛应用于保险柜、玩具汽车的电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。

电路内部功能框图：

图3. L9110电路内部功能框图

具有如下特点：

⏹低静态工作电流；

⏹宽电源电压范围：2.5V-12V；

⏹每通道具有800mA连续电流输出能力；

⏹较低的饱和压降；

⏹输出具有正转、反转、高阻和刹车四种状态；

⏹TTL/CMOS 输出电平兼容，可直接连CPU；

⏹输出内置钳位二极管，适用于感性负载；

⏹控制和驱动集成于单片IC之中；

⏹具备管脚高压保护功能；

⏹工作温度：-20℃-80℃。

应用电路图：

图4. L9110驱动电机应用电路图

四、测速模块

本系统采用精度达到888线的AB相编码器。通过旋转的光栅盘和光耦产生可识别方向的计数脉冲信号。以下是该编码器的相关介绍：