基于单片机的直流电机调速系统设计

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： 2011.06.27～2011.07.01

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： 2011.06.27～2011.07.01

计算机控制技术课程设计任务书

目录

1 引言 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 系统功能 (1)

2 总体方案设计 (2)

2.1 硬件方案设计 (2)

2.1.1 微处理器 (2)

2.1.2 测速传感器 (2)

2.1.3键盘显示 (3)

2.1.4电机驱动方案 (3)

2.1.5输入输出通道 (3)

2.1.6 PWM实现方案 (3)

2.2系统原理框图设计 (4)

3 系统单元电路的设计 (5)

3.1速度测量电路的设计 (5)

3.1.1转速/频率转换电路的设计 (5)

3.2 电机驱动电路的设计 (6)

3.3 LCD显示电路和键盘与单片机的接口设计 (7)

3.4两单片机的互连 (8)

4 系统软件设计 (9)

4.1 系统总程序框图设计 (9)

4.2 电机转速测量程序设计 (11)

4.3键盘程序设计 (13)

4.4 LCD显示子程序的设计 (14)

4.5 PWM信号的单片机程序实现 (16)

5 数字PID及其算法的改进 (17)

5.1 PID控制基本原理 (17)

5.2数字PID控制算法 (17)

5.3 PID算法的改进，“饱和”作用的抑制 (19)

5.4 PID控制算法的单片机程序实现 (20)

总结 (21)

参考文献 (22)

附录 (23)

1 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/S×60。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。