我是你身体长出的妖娆的花
范文一：一种基于 DSP 的无刷直流电机转速控制器
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一种基于 DSP 的无刷直流电机转速控制器
王璟，何小刚
(太原理工大学信息工程学院，太原 030024)
5 摘要: 本文提出了一种调整 PI 系数的无刷直流电机控制器的新方法，使用 TI 公司的 TMS320LF2407A 数字处理器为核心芯片和 PWM 控制技术来实现无刷直流直流电机的控制，并 且利用人工神经网络来确定整个系统的最大超调量和调整时间，从而得到不同的 Kp-Ki 对。 PI 控制器的最优值由遗传算法得出。给出的实验结果显示该方法的有效。 关键词:控制理论;遗传算法;直流无刷电机;神经网络
10 中图分类号:TM351
A speed controller for a brushless DC motor based on DSP
WANG jing, HE Xiaogang
(Taiyuan university of technology, TaiYuan 030024)
15 Abstract: In this paper, a new method of tuning Proportional Integral (PI) coefficients for a
brushless DC motor drives is proposed. The DC motors can be controlled based on
TMS320F2407A processor core chip and PWM control technology. And artificial neural network
is used to identify the whole system maximum overshoot and settling time for different Kp–Ki pairs. The optimal values are obtained by GA. Experimental results are given to show the validity
20 of this method.
Keywords: control theory; genetic algorithm; brushless DC motor; neural network
0 引言
在当前过程控制行业当中，PI 调节无疑是最常用的控制算法。其原因在于 PI 控制结构
25 相对简单，更重要的是许多复杂的控制方案都是在 PI 控制基础之上进行的。因此，PI 控制
[1]被运用到了各种控制器当中。直流无刷电机属于永磁同步电机，一般转子为永磁材料，随 定子磁场同步转动。无刷直流电机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关 器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有性能可靠、维护简单、无换向火花、机械噪声
[2]低等优点。
30 本文利用一种基于 TM320LF2407A 的无刷直流电机控制系统，整个建模过程是根据控 制器的输入参数(Kp,Ki)和输出参数(最大超调量、稳定时间)来进行的。最优化过程利 用人工神经网络和遗传算法实现，并在最后得到实验结论。
1 总体方案
图 1 为系统原理框图。 整个系统的控制方案采用闭环控制，以两相电流的测量值(I,I) ab
35 以及电机的位置系数为基础。在系统中设置了速度调节单元和电流调节单元，分别对电机的 转速和电流进行调解节，两者之间串级连接。霍尔传感器将产生一个 60 度的位置信号，通 过这一位置信号和 I，I就可以计算出电动机内部等效电流。速度和电流控制器均为 PI 离 ab
散控制器。电压换向器通过软件调节三相电压的相位，并将电压信号传给 PWM 逆变器 DSP 利用电压信号生成 6 路 PWM 输出来控制电机。
40
作者简介:王璟，(1986-)，男，硕士研究生，控制理论与控制工程。
通信联系人:何小刚，(1959-)，男，副教授，智能控制与检测技术. E-mail: tonywj@sina.cn
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图 1 系统原理图 Fig.1 System diagram
45
2 硬件概述
TMS320LF2407A 通过内置 AD 采样电位器输出电位，设定电机旋转方向和转速。并通 过事件管理器的捕获功能，检测输入传感器信号的变化，然后读取传感器的编码进行转速计 [3]算。与反馈值比较之后，进行驱动信号更新，同时调整输出信号的占空比，进行 PWM 调
50 速控制。控制系统采用 CPLD 芯片来完成地址译码、逻辑组合、I/O 接口扩展、信号分频和 时序配合等功能。
在驱动模块采用 TMS320LF2407A 事件管理器模块的 6 个 PWM 输出引脚 PE1-PE6 作为 控制端的输出，经过反相器缓冲后，送入驱动器 IR2130 来驱动 6 个场效应管，如图 2 所示。 15V VD1
VD2 VD3 C1 C2 C3 D1 U1 28PE1 1 VB1 VCCR1 AH 2 27 HI N1HO1 3 26COIL-A HI N2VS1 D2 4 25 HI NNC PE2 5 24 LI N1VB2 R2 BH 6 23 LI N2HO2 7 22COIL-B VS2 LI N3 D3 218 NC FAULT PE3 20 VB3 R3 CH 19 HO3 9 COIL-C 18 ITRIP VS3 D4 10 17 CAO NC 16R4 AL PE4 11 CA- LO1 12 R5 BL 15 Vss LO2 13 14R6 CL VSO LO3 D5 PE5 IR2130 GND D6 PE6
55 图 2 驱动模块
Fig.2 Driver module chart
3 系统建模
人工神经网络(ArtificialNeuralNetworks，简写为 ANNs)也简称为神经网络(NNs)或
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60 称作连接模型(ConnectionistModel)，它是一种模范动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间
[4]相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。
BP 神经网络是一种利用误差反向传播训练算法的神经网络，一般含有多个隐含层，是 目前应用最广的人工神经网络之一。BP 网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系，
65 而无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。本实验需要利用已知的输入输出数据进行建 模从而获得理想的输出值，因此采用该神经网络是非常适合的。该系统的神经网络结构如图
3 所示。
Kp Mo
Ts Ki
图 3 系统神经网络结构图
70 Fig.3The ANN model structure of the system
表 1 给出了按照经验得出的 20 组输入-输出数据。表 2 显示出本实验有关神经网络的具体参数。
表 1 已知输入输出数据 75 Tab.1inputs and outputs data
Kp Ki Mo Ts 1 1950 15 104 400 2 1950 50 104 139 3 1950 225 105 35 4 1950 350 104 24 5 1950 500 104 23 6 1500 15 101 300 7 1500 50 103 92 8 1500 100 103 50 9 1500 225 104 25 10 1500 350 105 23 11 1000 15 103 200 12 1000 50 103 61 13 1000 350 105 20 14 500 15 102 90 15 500 100 105 18 16 500 50 102 23 17 250 15 102 34 18 250 50 102 44 19 50 15 102 144 20 50 50 106 23
表 2 神经网络参数
Tab.2 the ANN parameters
输入层节点数 输出层节点数 层数 训练系数 动量系数
2 2 2 0.7 0.9
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4 优化过程
遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模 型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。它是由美国的 J.Holland 教授 1975 年 首先提出，其主要特点是直接对结构对象进行操作，不存在求导和函数连续性的限定;具有 内在的隐并行性和更好的全局寻优能力;采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化的 85 搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的规则。遗传算法的这些性质，已被人们广 泛地应用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制等领域。 遗传算法一般来说反复进行三个基本操作:复制、交叉、编译，从整个参数空间选择出 最优值。首先随机产生一个初始群体，然后将选择算子作用于群体，选择的目的是把优化的 个体直接遗传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。接着将交叉算子作用 于群体，所谓交叉是指把两个父代个体的部分结构加以替换重组而生成新个体。最后将变异 90 算子作用于群体，即对群体中的个体串的某些基因座上的基因值作变动。如此反复进行，直
[5到得到具有最大适应度的个体作为最优解输出]。
本系统 PI 控制器传递函数为:
在本文中，20 对 Kp、Ki 值做为随机产生的一个群体，最优 Kp-Ki 对由遗传算法得出。
95 由 BP 神经网络输出的 Mo、Ts 值通过公式:
判断是否为最优值。 本次优化过程我们选 定的遗传算法参数为: Population size:20 Number of generations:100 Crossover rate:0.60 100
Mutation rate:0.04 5 实验结果
通过比较 Mo，Ts 的实际输出值和经过训练以后的 BP 神经网络的输出值(如表 3)可 以看出误差值不大，基本能够满足要求，表明 BP 网络训练成功。 105 表 3 神经网络输出 Tab.3 the ANN output data
110
实际输出值BP 网络输出值 Kp Ki Ts Ts Mo Mo
1750 15 104 350 103.09 368.68
1750 50 104 125 103.59 125.94
1250 50 103 82 102.92 81.15
1250 225 104 23 103.92 21.91
1250 500 104 21 106.26 22.38
750 225 103 20 104.66 21.48
通过遗传算法得出的最优 PI 参数为:Kp=388,868,392,Ki= 92,008,196.这一值从 80 代开
始就不在变化。由系统的仿真波形(如图 4)可以看出超调量和调节时间已经很小。
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图 4 最优值下电机转速与时间仿真图 115
Rotor speed versus time for optimum
图 5 显示出当改变电机转速时，系统的仿真波形(Kp=1500，Ki=103)。可以看出当参 考转速改变时，系统响应速度较快，准确度较高，波动不大，基本能够满足预期要求。 120 图 5 改变电机转速时转速与时间仿真图 Roter speed versus time for the change of speed 6 结论
本文论述了一个可以自动调节 PI 参数的直流无刷电机控制系统，并且简单介绍了 PI 参
125 数的优化方式。结果表明，运用神经网络能够有效提高系统的动态性能，同时遗传算法在优 化控制器参数方面也表现出非常重要的作用。
[参考文献] (References) [1] WANG Y, SHAO H. Optimal tuning for PI controller[J]. Automatica 2000,36(6):47-52. [2] 杨渝钦.控制电机[M].北京:机械工业出版社,2000. 130 [3] 张瀚,陈智渊,徐科军.TMS320LF2407A DSP 实验装置[J].实验室研究与探索，2007,26(5):39-68. [4] [4]李国勇.神经模糊控制理论与应用[M].电子工业出版社,2009. [5] Dimeo R, Lee KY. The use of a genetic algorithm in power plant control system design. In: IEEE proceeding of the 34th conference on decision and control,1995,37–42.
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范文二：基于PID算法的直流电机转速控制器的设计
计算机控制技术 课 程 设 计 成绩评定表
设计课题 基于 PID 算法直流电机转速控制器的设计 学院名称 :电气工程学院
专业班级 :自动 F0902 学生姓名 :
学 号 :
指导教师 :
设计地点 :31-503 设计时间 :2012-06-11~2012-06-15
计算机控制技术 课程设计任务书
目 录
1 引言 ..................................................................................................................... 4
2 总体方案设计 ..................................................................................................... 5 2.1硬件组成 ....................................................................................................... 5 2.2方案论证 ....................................................................................................... 6
2.3总体方案 ....................................................................................................... 9
3 硬件电路设计 ..................................................................................................... 9 3.1单片机及其外围电路 ................................................................................... 9 3.2速度传感器与信号调理电路 ..................................................................... 10 3.3电源电路设计 ............................................................................................. 11 3.4直流电机的驱动电路设计 ......................................................................... 12 3. 5电路显示模块的设计 .............................................................................. 12
3. 6键盘输入电路的设计 .............................................................................. 14
4 软件设计及系统检测 ...................................................................................... 14 4. 1PID 的基本算法 . ...................................................................................... 14 4. 2数字 PID 算法 ......................................................................................... 15 4. 3电机速度的算法 ...................................................................................... 17 4.4程序流程图 ................................................................................................. 17 4. 5屏幕显示程序流程图 .............................................................................. 19
4. 6系统的测试与分析 .................................................................................. 21
5 结论 ................................................................................................................... 22 参考文献 ............................................................................................................... 22 附录:................................................................................................................... 24
1 引言
自动控制经由数百年的发展到如今已经涵盖了社会的方方面面,其在生物、 电子、 机械、 军事、 经济等各个领域中都得到了广泛的应用, 这更推动了自动控 制的快速发展。
在中国古代时期自动控制机构就已经被发掘如指南车采用扰动补偿原理的 方向开环自动调整系统;铜壶滴漏计时装置采用非线性限制器的多级阻容滤波; 观测天象的水力天文装置内有枢轮转速恒定系统采用内部负反馈并进行自震荡 的系统等, 这些控制系统在我国古代得到了广泛的应用, 及随着科学技术的进步 和人们对自动装置的追求,控制器也发生了翻天覆地的变化,不断地深入人心, 它将成为当今社会的主流之一, 深入到各个行业和领域。 在现代社会, 我国神舟 飞船的飞天,各个检测器的出现及应用都将推动自动控制系统的飞跃。
控制理论经历了经典控制理论、 现代控制理论和智能控制理论赛格阶段, 而 一个完整系统的结构应该如下:这此图中的调节器、 检测元件、 执行机构都是控 制系统中不可缺少的组成部分, 而控制器系统主要包括传感器、 变速器、 控制器 (计算机、单片机)、执行机构、 I/O口。控制系统的被测参数经传感器,变送 器转化成标准的电信号送到控制器, 再经一定的算法输出需要值然后加在被控系 统上。而目前 PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器在社会生活中广泛使用, 而 PID 作为一种经典算法也越来越受国内外各个行业的关注。
PID控制器发展至今已有 70多年的历史形成了结构简单、稳定性好、工作 可靠、 调整方便等优点使其在工业控制中发挥着不可泯灭的作用, 又随着现代科 技的突飞猛进各种仪器、仪表的出现更加推动了 PID 控制器的发展。
当我们不完全了解一个系统和被控对象或者不能有效的获取相关的参数信 息时,以 PID 控制技术控制是最适用的。实际应用中也有 PI 、 PD 控制, PID 控 制器就是偏差的比例、 积分、 微分进行控制。 比例能够迅速反应误差, 减少误差; 积分是对静态误差的时间积累这样即便误差很小随着时间的增加而增大使控制 器的输出增大,进一步减小稳态误差直至为 0;而微分控制能偏差信号的变化趋 势,能够超前控制,克服系统的惯性,加快动态响应速度,减少超调量,提高稳 定性。 在不同的工程中我们可根据工程的特点、 需求来选择不同的控制器。 随着 社会的进步和客户的不同要求, 我们可以借助物联网来远程控制我们的系统已经
逐渐成熟并广泛应用而控制系统也将向精度更高、 稳定性更好、 易于交流和网络 控制的方向发展。
本次设计主要研究的是 PID 算法在运动控制领域中的应用,采用经典的被 控对象直流电机。 直流电机由于其调速范围宽、 且易于平滑调速、 易于控制、 快 速性高、调速时能量损耗小等优点已经在电脑硬盘、 CPU 风扇、光驱等这些精 密的小型电机中大量应用,也在电子加工流水线设备 , 纺织印染、化工机电、冶 金、 钢铁、 制造、 电梯等各个行业和大型设备中使用。 然而在这些应用中电机的 转速控制占据着无比重要的地位, 因此本次设计主要针对电机转速的问题, 利用 经典 PID 算法控制电机的转速。 其设计思路为:以 AT89C52单片机为控制核心, 产生占空比受 PID 算法控制的 PWM 脉冲以及 L298N 电机驱动芯片共同实现对 直流电机转速的控制。 同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单 片机中, 构成转速闭环控制系统, 达到转速无静差调节的目的。 还有在系统中采 128×64LCD 显示器作为显示部件, 通过 4×4键盘设置 P 、 I 、 D 、 V 四个参数和 正反转控制, 启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。 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、人机交 互模块。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) 采用数字 PID 算法, 以及可移植性强的 C 语言编程方法, 能够使程序易读, 便于修改和共享,其次能使控制系统更加灵活,简便。
(2)使用线性的光电隔离器达到主、控电路的隔离,有利于保护电路元件,减 少损失。
(3)采用 12864LCD 屏显示模块让人更直观地了解电机的转速、运行时间易于 操作者的控制。
(4) 采用光电传感器将速度转化成脉冲频率反馈到单片机控制, 将比例、 积分、 微分的静态误差进行比较,以致达到消除误差,提高了控制的精度。
●2 总体方案设计
●2.1硬件组成
按照实际生活中对电机转速的技术要求,控制系统的硬件应包括以下几部 分:
(1)控制器。作为控制系统的核心,可采用单片机、 PLC 、 DCS 等,在实 际应用中按照需求和经济形势来选择, 按照输入其中的 PID 经典算法把输入来的 偏差信号按照比例、 积分、 微分的计算方式计算后输出较小偏差的电信号驱动电 机的转动,启停。
(2)速度检测通道。将速度信号通过光电传感器转化成脉冲频率反馈到单 片机,来影响电机的转速。
(3) 控制输出通道。 控制器输出的控制信号经该通道对电机转速实施控制。
(4)人机交互界面。在电机转动启停过程中都能通过该界面了解到电机的 转速,运行时间,方便工作人员更好地操作。
(5)电机驱动模块。 L298N 考虑到了电路的抗干扰能力、安全性、可靠性 使电路设计更加简单,大大提高了工作效率。
(6)键盘模块。采用 m n
个按键的键盘,虽然操作速度会有所降低但其功能更 加丰富。
(7)电源模块。通过固定芯片(7812、 7805)对整流后的电压进行降压, 稳压处理提高安全性,可靠性,节省电路元件。电路方框图如图 2.1所示:
图 2.1 硬件方框图
2.2 方案论证
(1)控制器
根据设计任务, 控制器主要用于产生占空比受数字 PID 算法控制的 PWM 脉 冲, 并对电机当前速度进行采集处理, 根据算法得出当前所需输出的占空比脉冲。 对于控制器的选择有以下两种方案。
方案一 :采用 AT89S51 作为系统控制的方案。 AT89S51 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 1吟。 相 对于 FPGA 来说,它的芯片引脚少, 在硬件很容易实现。并且它还具有功耗低、 体积小、技术成熟和成本低等优点,在各个领域中应用广泛。
方案二 : 采用 FPGA (现场可编辑门列阵 ) 作为系统的控制器, FPGA 可以实 现各种复杂的逻辑功能叫模块大, 密度高, 它将所有器件集成在一块芯片上, 减 少了体积,提高了稳定性,并且可应用 EDA 软件仿真、调试,易于进行功能控 制。 FPGA 采用并行的输入输出方式, 提高了系统的处理速度,适合作为大规模 实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给 FPGA , FPGA 通过程序设计 控制 PWM 脉冲的占空比,但是由于本次设计对数据处理的时间要求不高, FPGA 的高速处理的优势得不到充分体现, 并且由于其集成度高, 使其成本偏高, 同时 由于芯片的引脚较多, 实物硬件电路板布线复杂, 加重了电路设计和实际焊接的 工作。
(2)速度检测通道模块
方案一:采用测速发电机对直流电机转速进行测量。 该方案的实现原理是将 测速发电机固定在直流电机的轴上, 当直流电机转动时,带动测速电机的轴一 起转动, 因此测速发电机会产生大小随直流电机转速大小变化的感应电动势, 因 此精度比较高, 但由于该方案的安装比较复杂、 成本也比较高, 在本次设计没有 采用此方案。
方案二:采用霍尔集成片。 该器件, 内部由三片霍尔金属板组成。 当磁铁正 对金属板肘,由于霍尔效应,金属板发生横向导通 lsl ,因此可以在电机上安 装磁片, 而将霍尔集成片安装在固定轴上, 通过对脉冲的计数进行电机速度的检 测。
方案三: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受器,当坝 IJ 物挡住光束时,传感器输出产生变 化以指示被测物被检测到。通过脉冲计数,对速度进行测量。
(3)电机驱动模块
方案一:采用专用的电机驱动芯片,例如 L298N 、 L297N 等电机驱动芯片, 由于它内部己经考虑到了电路的抗干扰能力, 安全、 可靠行, 所以我们在应用时 只需考虑到芯片的硬件连接、 驱动能力等问题就可以了, 所以此种方案的电路设 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, 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。
方案二:采用多级放大晶体管构成复合晶体管增大驱动电流而形成的驱动 电路,但由于采用的晶体管较多增大了驱动电路中的元件数目,使电路复杂化, 抗干扰能力差,安全性低。
(4)电源模块
方案一:通过电阻分压的形式将整流后的电压分别降为控制芯片和电机运行 所需的电压, 此种方案原理和硬件电路连接都比较简单, 但对能量的损耗大, 在实际应用系统同一般不宜采用。
方案二:通过固定芯片对整流后的电压进行降压、 程、 压处理 (如 7812、 7805 等 ) , 此种方案可靠性、 安全性高, 对能源的利用率高, 并且电路简单容易实现。 (5)显示模块
方案一 : 使用七段数码管 C LED ) 显示。数码管具有亮度高、工作电压低、 功耗小、 易于集成、 驱动简单、 耐冲击且性能稳定等特点, 并且它可采用 BCD 编 码显示数字, 编程容易, 硬件电路调试简单。 但由于在此次设计中需要设定的参 数种类多, 而且有些需要进行汉字和字符的显示, 所以使用 LED 显示器不能完成 设计任务,不直采用。
方案二 :采用 1602LCD 液晶显示器,该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,但考虑到 1602LCD 液晶显示器的屏幕小,不能 显示汉字,因此对于需要显示大量参数的系统来说不宜采用。
方案三 : 采用 128x64LCD 液晶显示器,该显示器功率低,驱动方法和硬件连 接电路较上面两种方案复杂,显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。
(6)键盘模块
方案一: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。 但是由于独立式键盘每个按键需要占用一根输入口 线,所以在按键数量较多时, I10口浪费大,故此键盘只适用于按键较少或操作 速度较高的场合。
方案二 : 采用行列式键盘, 这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、 输出线。按键设置在行、列线的交叉点上, 利用这种矩阵结构只需 m 根行线和 n 根列线就可组成 m n
个按键的键盘,因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的 场合。但此种键盘的软件结构较为复杂。
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 AT89S51 单片机 ;
( 2 ) 速度检测模块:采用光电传感器
( 3 ) 电机驱动模块:采用 L298N 。
( 4 ) 电源模块:采用较稳定的芯片 7812
( 5 ) 显示模块:采用 128?64LCD 液晶显示器
( 6 ) 键盘模块:采用 m n
?个按键的键盘
●2.3 总体方案
按照上述方案论证的结果, 基于 PID 算法的直流电机控制的总体方案框图如 图 2. 2所示。 图 2. 2中, 光电传感器输出的微弱信号经过放大器放大后输入到 V/F转换电路, 将放大后的模拟电信号转化成脉冲信号, 脉冲的频率与输入的模拟信 号成正比, 这个转化后的脉冲信号经过光电隔离器输入到 MCU 中。 单片机对输入 的脉冲信号处理后与计划的值相比较输入较小的稳态误差的信号, 经 L298N 驱动 芯片、 放大器后送至直流电机, 同时把电机的转速和运行时间显示在 LED 屏上。 从而方便得到比较理想的信号。其总体方框图如 2.2所示:
图 2.2 总体方框图
●3 硬件电路设计
●3.1 单片机及其外围电路
AT89S51是美国 ATMEL 公司生产的低功耗, 高性能 CMOS8位单片机, 片 内含 4k bytes的可系统编程的 Flash 只读程序存储器 , 器件采用 ATMEL 公司的高 密度、非易失性存储技术生产,兼容标准 8051指令系统及引脚。它集 Flash 程 序存储器,既可在线编程(ISP )也可用传统方法进行编程及通用 8位微处理器 于单片芯片中, ATMEL 公司的功能强大, 低价位 AT89S51单片机可为您提供许 多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
AT89C52的主要性能参数:
·与 MCS-51产品指令系统完全兼容
·4k 字节在系统编程(ISP ) Flash 闪速存储器
·1000次擦写周期
·4.0-5.5V 的工作电压范围
·全静态工作模式:0Hz -33MHz
·三级程序加密锁
·128×8字节内部 RAM
·32个可编程 I /O 口线
·2个 16位定时/计数器
·6个中断源
·全双工串行 UART 通道
·低功耗空闲和掉电模式
·中断可从空闲模唤醒系统
·看门狗(WDT )及双数据指针
·掉电标识和快速编程特性
·灵活的在系统编程(ISP 字节或页写模式)
AT89S51的主要内部的结构:
4k 字节 Flash 闪速存储器
128字节内部 RAM
32个 I /O 口线
看门狗(WDT )
两个数据指针
两个 16 位定时/计数器
一个 5 向量两级中断结构
一个全双工串行通信口
片内振荡器及时钟电路
同时, AT89S51可降至 0Hz 的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电 工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作,但允许 RAM ,定时/计数器,串行通信 口及中断系统继续工作。
3.2 速度传感器与信号调理电路
在本系统中由于要将电机本次来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,因此速度来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困
盘, 且其边缘上有 N 个等分凹槽,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 动机转到凹槽处肘,发光二极管通过缝隙将光照射到光敏三极管上,电路如图 3.1所示, 三极管导通, 反之三极管截止, 从图中可以得出电机每转一围在 P3.3 的输出端就会产生 N 个低电平。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, P3.3 将输出如图 3 .2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 v=r/s。
图 3.1 光电传感器示意图
图 3.2 传感器输出脉冲波形图
3.3电源电路设计
为获得稳定的电压和较稳定的电流, 我们采用相对较为便宜且性能比较良好 的电源芯片 7812、 7805、 7912。最大的输出电流为 1.5A. 其原理图如图 3.3。
图 3.3 稳压电源图
●3.4直流电机的驱动电路设计
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, 在这里边 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 C 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。 INI-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 P 矶币 4 信号实现电机调速。其电路如图 3 . 4 所示, 利用两个光电相合器将单片机 的 1/0 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 的边通端口 1 , 使电机在 PWM 脉冲的控制下正常运行, 其中四个 二极管对芯片起保护作用。
图 3.4 直流电机驱动电路示意图
●3. 5电路显示模块的设计
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。 在系统运行过程中需要显示的数据比较都, 而且需要汉字 显示, 在这里边用 128x64 液晶显示器比较适合, 它是一种图形点阵液晶显示器, 主要由行驱动器 /列驱动器及 128x64 全点阵液晶显示器组成, 可完成汉字
课程设计 ( 16x16 ) 显示和图形显示共有 20 个引脚 l S l , 其引脚名称及引脚编号的对应 关系如表格 3 .5 所示。
图 3.5 引脚名称和标号示意图
其电路连接图如图 3.6所示:
图 3.6 12864屏显示电路图
●3. 6键盘输入电路的设计
根据设计需求, 本系统中使用了 4x4 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 3.7所示。 图中 L0- L3 为 4x4 键盘的列信号, H0-H3 为 4x4 键盘的行信号。 在本系统中, 用 Pl .0、 P1.1、 P1.2、 Pl .3 连键盘的列信号 L0-L3 ; 用 P0.4~PO .7 连 接键盘的行信号 H0- H3例。按照要求设计操作面板如图 3.7所示 :
图 3.7 键盘模块
键盘操作说明 : 在系统开始运行时, 128x64LCD 将显示开机界面, 若按 下设置键显示屏进入参数设置界面, 此时按 1 、 2 、 3 、 4 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,待所有量设置完成后按正 /反控制键设置正反转, 最后按启动键启动系统, 在运行过程中可按下相应键对 电机进行暂停、继续、停止运行的控制。
●4 软件设计及系统检测
●4. 1 PID的基本算法
PID 控制是比例、 积分、 微分控制的简称。 在自动控制领域中, PID 控制是历 史最久、 生命力最强的基本控制方式。 PID 控制器的原理是根据系统的被调量实 测值与设定值之间的偏差, 利用偏差的比例、积分、微分三个环节的不同组合
计算出对广义被控对象的控制量。图 4.1是常规 PID 控制系统的原理图。
图 4.1 PID控制原理图
y(t) 构成的控制偏差信号 e(t) : e(t )=r(t) - y (t) (1)
其输出为该偏差信号的比例、积分、微分的线性组合,也即 PID 控制律 :
式中, Kp 为比例系数 ; TI 为积分时间常数 ; TD 为微分时间常数。
根据被控对象动态特性和控制要求的不同, 式 (2) 中还可以只包含比例和积
分的 PI 调节或者只包含比例微分的
PD 调节。 下面主要讨论 PID 控制的特点及其 对控制过程的影响、数字 PID 控制策略的实现和改进, 以及数字 PID 控制系统 的设计和控制参数的整定等问题。
4. 2 数字 PID 算法
在连续生产过程控制系统中, 通常采用如图 l 所示的 PID 控制, 其对应的 传递函数表达式为
对应的控制算法表达式为
模拟调节器很难实现理想的微分 de(t) / dt , 而利用计算机可以实现式 (10) 所 表示的差分运算, 故将式 (11) 称为理想微分数字 PID 控制器。基本的数字 PID 控制器一般具有以下两种形式的算法。 (1) 位置型算法
模拟调节器的调节动作是连续的,任何瞬间的输出控制量 u 都对应于执行机 构 (如调节阀 ) 的位置。由上式可知,数字控制器的输出控制量 u(k) 也和阀门位 置相对应,故称为位置型算式 (简称位置式 ) 。相应的算法流程图如图 4.2所示。 由图可以看出, 因为积分作用是对一段时间内偏差信号的累加, 因此, 利用计 算机实现位置型算法不是很方便,不仅需要占用较多的存储单元, 而且编程
也不方便, 因此可以采用其改进式一一增量型算法来实现。
图 4.2 数字 PID 位置型控制器示意图
(2)增量型算法
增量型算法仅仅是在算法设计上的改进, 其输出是相对于上次控制输出量的 增量形式, 并没有改变位置型算法的本质, 即它仍然反映执行机构的位置开度。 如果希望输出控制量的增量, 则必须采用具有保持位置功能的执行机构。数字 PID 控制器的输出控制量通常都是通过 D/A 转换器输出的, 在 D/A 转换器中将数 字信号转换成模拟信号 (4-20 mA 的电流信号或 0-5V 的电压信号 ) , 然后通过放大 驱动装置作用于执行机构, 信号作用的时间连续到下一个控制量到来之前。 因此, D/A 转换器具有零阶保持器的功能。。增量型算法的程序流程图如图 4.3 所示。
图 4.3 数字 PID 增值型控制器示意图
因此又有经典的控制理论和对 PID 算法 的深入了解得到 PID 算法的基本流程图 4.4可为:
图 4.4 PID算法的基本流程图
●4. 3 电机速度的算法
本系统中电机速度来集是一个非常重要的部分, 它的精度直接影响到整个 控制的精度。在设计中采用了光电传感器做为测速装置, 其计算公式为 :v=n÷(N ×t ) ×60 r/min从这里可以看出速度 v 的误差主要是由困盘边缘上的凹槽数 N 的多少决定的, 为了减少系统误差应尽量提高凹槽的数量, 在本次设计中取凹 槽数 N 为 100 ,采样时间 t 为 O.5S ,则速度计算具体程序流程如图 4.5下:
图 4.5 测速程序流程图
●4.4 程序流程图
(1)鉴于对涉及系统的要求和面对对 象时能够方便的使用,特在每次需要 重新的显示时需要重新刷新一次屏幕 现在设计的主程序流程图如图 4.6。 (2) 定时器 T0的程序流程图如图 4.7。
图 4.6 主程序图
图 4.7 定时器 T0的流程图
(3)键盘程序控制流程图 4.8
图 4.8 键盘程序流程图
4. 5 屏幕显示程序流程图 对 12864屏幕工作的情况的简要介绍。
图 4.9 写入汉字程序流程图
4. 6 系统的测试与分析
(1)测试步骤
①让调节器参数积分系数 K=0,实际微分系数 KD =0,控制系统投入闭环运行,由 小到大改变比例系数 Kp 让扰动信号作阶跃变化,观察控制过程,直到获得满意 的控制过程为止。
②取比例系数 Kp 为当前的值乘以 0.83 ,由小到大增加积分系数 Ki ,同样让扰 动信号作阶跃变化,直至求得满意的控制过程。
③积分系数 K ,保持不变,改变比例系数 Kp 观察控制过程有无改善,如有改善则 继续调整, 直到满意为止。 否则, 将原比例系数 Kp 增大一些, 再调整积分系数 K ,力求改善控制过程。如此反复试凑,直到找到满意的比例系数 K p 和积分系
数 Ki 为止。
④引入适当的实际微分系数 Kd 的 和实际微分时间 Td 此时可适当增大比例系数 Kp 和积分系数 Ki 和前述步骤相同, 微分时间的整定也需反复调整, 直到控制过程 满意为止。
(2)系统分析
( 1 ) 比例环节 : Kp 值的边取决定于系统的响应速度。 增大 Kp 能提高响应速度, 减小稳态误差 ; 但是 Kp 值过大会产生较大的超调,甚至使系统不稳定减小 Kp 可以 减小超调,提高稳定性 , 但 Kp 过小会减慢响应速度,延长调节时间。
( 2 ) 积分环节 :主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决 于积分时间常数 T ,越大,积分作用越弱,反之则越强。
(3) 微分环节 : 能反映偏差信号的变化趋势 ( 变化速率 ) , 并能在偏差信号的值 变得太大之前, 在系统中引入一个有效的早期修正信号, 从而加快系统的动作速 度,减少调节时间。
●5 结论
本课题的目的在于利用单片机实现 PID 算法产生 PWM 脉冲来控制电机转速。 到 目前为止通过对控制器模块、 电机驱动模块、 LCD 显示棋块、 键盘棋块、 数字 PID 算法等进行深入的研究。 完成了硬件电路的系统设计, 并且利用 Altium 软件绘 制出 PCB 图 , 利用 visio 画出各个程序的流程图。
归纳起来主要做了如下几方面的工作 : 1.PID算法与 PWM 控制技术有机的结
合 ;2. 设计了速度检测电路 ; 3. 利用 Altium 对 PCB 板进行绘制。 根据上面论述结合 测试数据可以看出本次设计基本完成了设计任务和要求。
通过此次设计, 掌握了数字 PID 算法的使用及编程方法,学习了如何进行系 统设计及相关技巧, 为今后的工作和学习奠定了坚实的基础。
●参考文献
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[9] 沙占友 . 单片初机外围电路设计 [M] 北京 : 北京航空航天大学出版社, 1990:83-87.
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[ 12 ] 孙立军,孙霄, 张春喜 . 无刷直流电机 PWM 调制方式研究 [J].哈尔滨 理工大学学报, 2006 ,1l (2) :120 - 123.
[13] 宋健, 姜军生 . 基于单片机的直流电动机 PWM 调速系统 [J].农机化研究, 2006 , (1) :102 - 103.
课程设计 附录:
系统原理图:
课程设计
范文三：直流电机转速控制器设计开题报告
(A4纸单面打印;页边距要求如下:页边距上下各为2.5 厘米，左右边距各为2.5厘米)
编号:
桂林电子科技大学信息科技学院
毕业设计(论文)开题报告
题 目: 直流电机转速控制器设计
院 (系): 电子工程系
专 业: 电子信息工程
学生姓名: 卢 柯 频
学 号: 0852100212
指导教师单位: 桂林电子科技大学
姓 名: 黄 源
职 称: 讲 师
题目类型:理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 ,,,,,
2012 年 3 月 5 日
(此页不打印)
开题报告填写要求
1(开题报告作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成，经指导教师签署意见审查后生效。
2(开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写，或按教务部统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。
3(学生查阅资料的参考文献应在5篇及以上(不包括辞典、手册)，开题报告的字数要在1500字左右。
4(有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2008年3月10日”或“2008-03-10”。
毕业设计,论 文,开题报告 1(本课题的目的及研究意义
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制，现在单片机已经开始取代模拟电路作为电机控制器。当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化和复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑开发电机的新型单片机控制器。
2(本课题的国内外的研究现状
电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。正是这些技术的进步使电机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。而国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。
毕业设计,论 文,开题报告 3(本课题的研究内容
根据市场需求和发展趋势，本设计将介绍一种基于AT89S52单片机的直流电机转速控制系统。首先，利用单片机配合驱动芯片构成驱动电路驱动直流电机运转;第二，使用适当传感器测量电机转速并用数码管显示;最后，根据设定的转速与所测量到的转速，编写适当代码进行调控，减小转速波动范围，使测量得到转速与设定转速保持大约一致。
4(本课题的实行方案、进度及预期效果
按键，输入相关参数， 单片机进行采集。
单片机根据输入的参数和反馈回来的参数
做比较，并决定执行的策略。
电机速度反
馈 单片机控制驱动电路，调 节电机的转速。
方案:控制用51单片机做为控制核心，驱动电路以L298为主要芯片，电机采用5-10伏特直流有刷电机做模拟控制部件，信号反馈采用以霍尔传感器作为核心的信号采集回路，显示部份使用四位的数码管作为信息输出显示。
预期效果:实现PWM占空比调制方法控制电机速度，电机速度可以输入调整，电机关机和开机功能，在参数输入过程中不影响电机的运作，实现无极调速。
进度:
1. 第1-2周 :撰写开题报告
2. 第3-7周 :查阅资料，进行毕业设计的理论研究、方案设计 3. 第8-14周:软硬件设计、实验测试，撰写毕业设计论文并完成初稿 4. 第15周:交给指导老师检查，批改后修改论文并定稿
5. 第16周:毕业设计答辩，最终完成毕业设计
毕业设计,论 文,开题报告
5、 已查阅参考文献:
[1]喻宗泉，羽晗，李建民.单片机原理与应用技术[M].西安:西安电子科技大学出版社，2008.
[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2009. [3]孙建明，杨清梅.传感器技术[M].北京:清华大学出版社，2009. [4]江国强.新编数字逻辑电路[M].北京:北京邮电大学出版社，2008. [5]李瀚荪.电路分析基础[M].北京:高等教育出版社，2008.
[6]谢自美.电子线路设计?实验?测试[M].第二版.武汉:华中科技大学出版社，2000.
[7]沙占友，王彦朋，孟志永.单片机外围电路设计[M].北京:电子工业出版社，2003. [8]王益权.电动机原理与实用技术[M].北京:北京科学出版社，2005. [8]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社，2005. [10]王云亮.电力电子技术[M].北京:电子工业出版社，2004
[11]Bateson, Robert.Introduction to control system technology[M].Prentice Hall,2003.
指导教师意见
指导教师:
2012年 3 月 15 日 开题小组意见
开题小组组长(签字):
2012 年3 月20日 系审查意见
系领导(公章):
2012 年 3 月20日
范文四：PWM直流电机控制器
设计并制作如图1所示的开关稳压电源。
开关稳压电源
IIOIN
DC-DC隔离整流RUUU=220VACU=18VACOLIN1变压器2滤波变换器
图1电源框图
在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：
1
（1） 输出电压U可调范围：30V～36V； O
（2） 最大输出电流I：2A； Omax
（3） U从15V变到21V时，电压调整率S?2%（I=2A）； 2UO（4） I从0变到2A时，负载调整率S?5%（U=18V）； OI2（5） 输出噪声纹波电压峰-峰值U?1V（U=18V,U=36V,I=2A）； OPP2OO
,（6） DC-DC变换器的效率?70%（U=18V,U=36V,I=2A）； 2OO（7） 具有过流保护功能，动作电流I=2.5?0.2A； （）Oth
2
（1） 进一步提高电压调整率，使S?0.2%（I=2A）； UO（2） 进一步提高负载调整率，使S?0.5%（U=18V）； I2
,（3） 进一步提高效率，使?85%（U=18V,U=36V,I=2A）； 2OO（4） 排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态； （5） 能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出
电压、电流的测量和数字显示功能。
（6） 其他。
（1） DC-DC变换器不允许使用成品模块，但可使用开关电源控制芯片。
（2） U可通过交流调压器改变U来调整。DC-DC变换器（含控制电路）21
只能由U端口供电，不得另加辅助电源。 IN
（3） 本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非直流成分，要
。 OPP
（4） 本题中电压调整率S指U在指定范围内变化时，输出电压U的变U2O求用带宽不小于20MHz模拟示波器（AC耦合、扫描速度20ms/div）化率；负载调整率S指I在指定范围内变化时，输出电压U的变IOO测量U化率；DC-DC变换器效率,=P/ P，其中P＝UI，P＝UI。 OINOOOINININ（5） 电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间（测试期间，
不能出现过热等故障）。
（6） 制作时应考虑方便测试，合理设置测试点（参考图1）。 （7） 设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程
图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的
测试结果用附件给出。
DC-DC主回路拓扑；控制方法及实现方方案论证 8 案；提高效率的方法及实现方案
主回路器件的选择及参数计算；控制电路电路设计 设计与参数计算；效率的分析及计算；保与参数计算 20 护电路设计与参数计算；数字设定及显示 电路的设计
测试方法；测试仪器；测试数据
测试方法与数据 (着重考查方法和仪器选择的正确性以及10
数据是否全面、准确)
与设计指标进行比较，分析产生偏差的原测试结果分析 5 因，并提出改进方法
电路图及设计文重点考查完整性、规范性 7 件
实际制作完成情况
完成第（1）项 10
完成第（2）项 10
完成第（3）项 15
完成第（4）项 4
完成第（5）项 6
其他 5
PWM直流电机控制器是大多数场所普遍采用的直流电机调速技术。系统
的控制部分以单片机为核心，由调速手把输入1—4V直流电压，通过单片机来控制输出PWM的占空比，从而以可变的占空比来实现电机调速控制。由于采用对直
流电机电枢电压控制，可以实现电机启动、转动平稳。
PWM直流电机控制 占空比 调速控制 驱动电路 单片机
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算
机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关
功率元件进行脉宽调制(pulse width modulation,简称PWM)已成为直流电动机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、
效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此
具有很好的发展前景。
1电源提供方案
为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案
方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电
路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电
平。
方案二：采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要，节
约成本；缺点是输出功率不高。
综上所述，我们选择第一种方案。
驱动电路方案
方案一：采用晶体管组成的快速半桥驱动电路，由PWM信号作为直流电机转速控制信号。这种驱动电路只能实现电机的单方向转动。
方案二：采用各国半导体厂商生产的直流电机控制集成电路作为驱动电路，
其功能比较齐全的双极性，具有过热，过流，过压保护功能。可实现电机驱动。
方案三：采用MOSFET管组成的H桥双极性驱动电路，由单片机输出的PWM
信号控制H桥的导通方式，实现电机的双方向转动。
方案四：对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电
器直接带动电机即可，电路简单易行，但要注意器件功率的选择。
控制电路方案
方案一：采用MC14433双积分型A/D集成电路转换器芯片，精度可以做的比
较高，但转换速度比较慢，用于低度速采集系数。
方案二：采用ADC0809，片内除A/D转换部分还有多路模拟开关部分，最
多允许8路模拟量输入。
方案三：采用ADC0832模数转换器件，其性能良好，较易实现1—4V直流电压的转换。
4 保护电路方案
5 PWM信号产生方案
PWM脉冲波的产生方法有四种:
方案一： 分立电子元件组成的PWM信号发生器
这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在
已经被淘汰了。
方案二： 软件模拟法
利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现
PWM波输出。这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其它的工作，因
此也逐渐被淘汰。
方案三： 专用PWM集成电路
从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已经有很多种型号，如TI公司的TL494芯片，东芝公司的2SK3131芯片等。这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、过流过
压保护功能等。这种专用PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工作更可靠。
方案四： 单片机的PWM口
新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。如AD公司的12位单片机ADμC831，Inter公司的16位单片机8XC196以及Cygnal公司的8位单片机C8051FOXX系列等。在新一代的单片机中通过初始化设置，使其PWM输出口能够自动发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。
在本设计中采用了第2种产生PWM脉冲波的方法，以训练自己的编程能力和
对PWM技术的应用。
1.1设计模块图
如图1所示，
单
驱 动 电 路 MOSFET
片
直 流 电 机 保 护 电 路 机
控 制 电 路
图1
2原理分析与说明
2.1 PWM调速原理
PWM调速方法通常采用功率场效应管作为主开关元件，通过改变开关元件的导通方式及通
断比来改变输出电压的大小与极性， 在PWM调速系统中占空比αT是一个重要参数，在电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比αT的大小，改变αT的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。可以采用以下方法改变占空比αT的值，
(1)定宽调频法:保持t1不变，只改变t2，这样使周期(或频率)也随之变。
(2)调宽调频法:保持t2不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。
(3) 定频调宽法:保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t2。 前两种方法由于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, 由调速手把输入1—4V直流电压，通过模数转
换电路（ADC0832）送入单片机来控制输出PWM的占空比，从而产生频率固定
占空比可变的PWM信号来实现电机调速控制，如图2所示,
+5VLED1
调速手把4K
C1050v/10uF
+R7120ADC0832RSTVCCR92U319811kp3.0p1.7VCCCSk11K31872复位p3.1p1.6CLKCH0205141763XT1p1.5DOCH151654XT2p1.4DIGNDC11615p3.2p1.3JZ30PC12714U4p3.3p1.211.0592MHz30P813p3.4p1.1912GNDp3.5p1.01011GNDp3.7PWMGND
图2
2.2 电源电路
本电路采用的是78XX系列三端稳压器的典型应用，如3所示， D11N4007D21N4007+12VC112VVCC100uF/100V1313Vin+12VVin+5V1+5VU1U22++22C3C4C5GNDGNDC21uF1uFC60.33uF/100V0.33uF100uFR8LM7812CTLM7805CT0.5K
GNDLED1
图3
2.3 控制驱动电路
光耦三极管4N25是隔离放大的驱动元件,当PWM信号为高电平时，PWM信号指示灯LED2点亮，开关管MOSFET的栅极输入高电平，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压
Ud，t1(s)后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2(s)后，栅极输出重新变为高电平，开关管的动作重复前面的工作。这样，对应着输入的电平高低，直流
电动机电枢绕组两端的电压波形随PWM信号变化，电动机可以实现无级调速，如果图4所示，
+60V
L1
D4+12V1N4007
R1010k+
D5DC1N4007A
-
LED2PWMT1STP75NF75
4N25R1110K
R120.008
GND
图4
2.4 保护电路
当按下刹车按键时，硬件使用率单片机2051的P3.2口为低电平，CPU产生
外中断，关闭PWM信号输出端，MOSFET管截止，直流电机停止转动，以及
MOSFET被击穿时产生过压、过流保护如图5所示，
+12VR156KR256KR350KR5C9R6+270K1K114OUT1OUT4213IN1-IN4-3124.7uFIN1+IN4+411VCCGNDC8510IN2+IN3+C7R410469IN2-IN3-70K78OUT2OUT3220D3U5LM3241N4007P3.2R131.2KK2刹车保护过压过流保护
GND
图5
C1D11N4007D21N400712VVCC100uF/100V133Vin+12V+5VU1U21+60V2++L11Vin22GNDGNDC6C3C4C5100uFC21uF1uFLM7812CTLM7805CT0.33uF/100V0.33uFR80.5KD4调速手把1N40074KLED1R10C1050v/10uF10k+R1+56KR256KD5R71N4007R3DC120ADC0832RSTVCC50KR5R6R92U31981C9+A1kk1p3.0p1.7VCCCS270K1K1K11431872OUT1OUT4p3.1p1.6CLKCH0复位205121341763IN1-IN4-XT1p1.5DOCH1-312516544.7uFIN1+IN4+XT2p1.4DIGND411615JZC11VCCGNDp3.2p1.3510714U4C811.0592MHz30PC12IN2+IN3+p3.3p1.2R469813C710430PIN2-IN3-p3.4p1.170K78912D3OUT2OUT3p3.5p1.010111N4007220GNDp3.7U5LM324LED2T1GNDSTP75NF754N25R1110KK2刹车保护R120.008
1.2KR13GND
范文五：直流电机转速控制
直流电机转速控制
杭州电子科技大学
电子系统设计综合实验
设计报告
实验名称大组号
小组号
1 49
姓名学号指导教师 2013 年 6 月 15 日
目录
一.设计目的
2.2 设计要求
三.总体设计方案
3.1 设计思想
3.2 系统框图
四.硬件设计
4.1 控制器
4.2 电机速度采集电路设计 4.2.1 方案论证
4.2.2 方案设计
4.3 电机驱动电路设计
4.3.1 方案论证与设计
4.3.2 主要芯片介绍
4.4电机逻辑控制部分的设计
4.5 电源设计
五.软件设计
5.1 PID算法
5.2 软件流程图
六.测量结果与误差分析
摘要:
本方案以MSP430单片机为控制核心以及直流电机、遥控键盘、LCD和传感器构成的转速闭环控制系统。其中光电传感器负责对电机转速进行测量，并将测量的结果反馈给控制中心，并由控制中心将之与设定值进行比较得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。采用直流电机集成驱动芯片L298N作为直流电机驱动模块。并由单片机对电机转速和转向进行控制，由于单片机单元和电机供电部分不采用同一单元的电源为安全起见使用光耦对两部分电路进行强弱隔离。由光电传感器TLP521完成实际转速的检测，单片机对经整形处理后检测信号进行识别并加以计算由显示模块进行显示。
关键字:MSP430F149 直流电动机 PWM EPEC3T144C6N PID
一 设计目的
1. 编制程序，将直流电机的运转状态在LCD上显示出
来。
2. 掌握直流电机的驱动原理。
3. 了解直流电机调速的方法，了解直流电机的工作原
理。
掌握PID算法及PWM控制技术。
4. 学会直流电机驱动程序的设计。
5. 进一布提高单片机应用系统的设计和调试水平。
流电机转速调节。学会编制直流电机驱动程序的软件设计方法。通过PWM脉宽调制来达到调节直流电机转速的目的。 遥控键盘实现电机的启动、停止、加速、减速、反转的控制， 并在LCD上显示电机运行的当前状态。
2.2 设计要求:设计出电路原理图，说明工作原理，编写程。 序及程序流程图。
2.1 设计内容:掌握直流电机控制系统的硬件设计方法和直
三 总体设计方案
3.1设计思想:主要由电机驱动电路、电机速度采集电路、电机、遥控键盘、NOKIA5110、单片机(msp430)组成。电机速度采集电路反映机械转速的高低，单片机msp430是该
系统的
核心部分，一方面负责计算电机的转速，另一方面将计算得到的转速与设定转速相比较，经过计算处理，得到相应的控制信号，并将该信号输入到电机驱动电路从而控制电机转速。通过键盘可以设定工作模式(通过输入设定转速，单片机自动控制电机转速，使其接近设定值)设定转速。由单片机检测哪一个按键按下，实现设定值的修改，并通过NOKIA5110实时显示设定值以及测的转速。
3.2 系统框图:
四 硬件设计
4.1 控制器
用MSP430为控制器，对传感器的输出信号测频计
数，将测得数据显示在液晶NOKIA5110上。单片机通过一系列的数据处理并发出控制转速的信号。
4.2 电机速度采集电路设计
4.2.1方案论证
方案一:采用干簧管构成电机转速采集模块电路。 方案二:采用反射式光电耦合器构成电机转速采集模
块电路。
方案三:采用凹槽型光电开光作为电机转速采集模块
电路。
由于考虑到电机转速采集模块安装方便，易于调试。
故采用方案三作为直流电机转速采集模块电路。
4.2.2方案设计
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N个等分凹槽如图(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，反之三极管截止，电路如图(b)所示，从图中可以得出电机每转一圈在P3.3的输出端就会产生N个低电平。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，P3.3将输出如图(c)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v=r/s。
(a)
(b)
电机速度采集方案
(c) 传感器输出脉冲波形
4.3 电机驱动电路设计
4.3.1方案论证与设计
方案一:采用IRF640绝缘栅型(CMOS)场效应管 构成电流可逆向控制电路模块来驱动直流
电机。
方案二:采用开关管9013 构建成H桥结构电路来作
为直流电机驱动模块。
方案三:采用直流电机集成驱动芯片L298N作为直
流电机驱动模块。
由于L298N为直流电机集成驱动芯片，比自己实际
用9013构建的H 桥直 流电机驱动模块的性能更稳
定，更可靠;与采用IRF64(CMOS)场效应管构建电
流可逆向电机驱动模块相比，其更具有控制精度高
特点。综上所诉，为使系统性能最终更具有优越性，
故选择方案三作为直流电机驱动电路模块。
4.3.2 主要芯片介绍 L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出
电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀
等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很
方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直
接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现
此功能只需改变输入端的逻辑电平。为了避免电机对
单片机的干扰，本模块加入光耦，进行光电隔离，从
而使系统能稳定可靠的工作。
L298N引脚图
4.4电机逻辑控制部分的设计
方案一:采用5V微型继电器作为逻辑控制开关电路，实
现逻辑控制电路与电机驱动电路上的电气隔
离，来作为电机逻辑控制执行电路模块。
方案二:采用光敏三极管构建成逻辑控制开关电路，实
现逻辑控制电路与电机驱动电路上的电气隔
离，来作为电机逻辑控制执行电路模块。
方案三:采用光电耦合开关(4N35)作为逻辑控制开关
电路，实现逻辑控制电路与电机驱动电路上的
电气隔离，来作为电机逻辑控制执行电路模块。
由于考虑到5V微型继电器在逻辑切换控制中具有开关噪声难免会影响整个系统的控制性能;而光敏三极管在频率传输特性上不能较好的达到控制要求，故采用光电耦
合开关(4N35)作为逻辑控制开关电路模块。
4.5电源设计
如图:
五 软件设计
5.1 PID算法
由于整个系统是闭环控制,因此软件需要包含输出控
制,反馈检测,并通过反馈再次计算调整输出.输出控制部分由软件控制MSP430单片机内部的PWM模块完成.反馈部分通过传感器和信号处理由软件和定时器控制单片机内部的信号捕获模块来获取电机转速.计算部分采用PID算法计算控制量.
将偏差的比例(Proportion)、积分(Integral)和微分
(Differential)通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这一算法是工程上常用的高效算法.能在外界条件变换并影响被控对象后快速调整,以使被控对象恢复正常工作.
本系统的基础数学建模如下
:
给定速度为no(t),实际转速为n(t),由此得到误差量e(t)?n0(t)?n(t),经过
PID计算后得到输出量u(t)控制直流电机.
1输出量:u(t)?Kp[e(t)?TIt de(t)?0e(t)dt?TDdt]
式中，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常
数。
简单的说，PID调节器各校正环节的作用是:
(1)比例环节:即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),
偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少偏差;
(2)积分环节:主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分
作用越弱，反之则越强;
(3)微分环节:能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，
并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一
个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，
减少调节时间。
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。
因此采用以下的离散化算法:
?t
0e(t)dt?T?j?0e(jT)k
de(t)e(kT)?e[(k?1)T]ek?ek?1??dtTT
以上两项为积分和微分部分.
最终简化得到:
uk?Kp[ek?ek?ek?1Tke?Td] ?j?0jTiT
其中k是采样序号
Uk是第k次采样后的输出值
Ek是第k次采样时的偏差值
Ek-1是k-1次时的偏差值
如果采样周期足够小，近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。
5.2 软件流程图
六 测量结果与误差分析
误差分析:首先本系统主要通过单片机的软件设计的PID计算调节输出PWM波的占空比从而控制在电机的转速，PID算法的精度会直接引起测量数据的误差;其次由于转叶在转动时受到空气阻力，单片机对光电传感器输出方波的定时测频的结果跟实际会有误差，以及单片机控制通过光电耦合后的输出PWM信号和最后单片机从传感器部分接收过来的信号都不是很标准的方波，含有一定的杂波信号，这些都会引起测量的不准确，造成误差产生的结果。
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