小功率直流電機(jī)的測速和控制

1、小功率直流電機(jī)的測速和控制[摘要 摘要] 本設(shè)計(jì)采用兩片 MCU（AT89S52），完成了小型直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集、計(jì)算、顯示、鍵盤設(shè)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(yīng)用于直流電機(jī)的 PWM 調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量和控制，解決了通常低采樣周期時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)以及 PID 算法的積分飽和問題。[關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞] 轉(zhuǎn)速 PID 控制 mcu AT89S52 PWM目前見到的許多關(guān)于直流電機(jī)的測速與控制類文獻(xiàn)中，

2、雖然能實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，但還存在一些問題，如無法與計(jì)算機(jī)直接接口，許多較為復(fù)雜的控制算法無法在不增加硬件成本的情況下實(shí)現(xiàn)，控制器的人機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)無級(jí)調(diào)速的方案成本較低，但當(dāng)控制器針對(duì)不同的應(yīng)用場合增加多種附加功能時(shí)，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(xiàn)，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(jià)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(zhì)量更高的算法和調(diào)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(shè)計(jì)方案論證 設(shè)計(jì)方案論證根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，要求調(diào)速采用 PID 控制器，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈寬調(diào)速，使電機(jī)速度等于設(shè)定值，并且實(shí)時(shí)顯示電極的轉(zhuǎn)速值。通過對(duì)設(shè)計(jì)功能分解，設(shè)計(jì)方案論證可以分為：系

4、統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證，速度測量方案論證，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案論證，鍵盤顯示方案論證，PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方案論證。1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案論證方案一：采用一片單片機(jī)（AT89S52）完成系統(tǒng)所有測量、控制運(yùn)算，并輸出 PWM 控制信號(hào)。方案二：采用兩片單片機(jī)（AT89S52）,其中一片做成 PID 控制器，專門進(jìn)行 PID 運(yùn)算和PWM 控制信號(hào)輸出；另一片則系統(tǒng)主芯片，完成電機(jī)速度的鍵盤設(shè)定、測量、顯示，并向PID 控制器提供設(shè)定值和測量

5、值，設(shè)定 PID 控制器的控制速度等。方案一的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)硬件簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。但是其造成 CPU 資源緊張，程序的多任務(wù)處理難度增大，不利與提高和擴(kuò)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(shè)計(jì)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(kuò)展其它功能。與此同時(shí)，PID 控制算法的實(shí)現(xiàn)可以精益求精，對(duì)程序算法或參數(shù)稍加單片機(jī)（速度的測量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）單片機(jī)（PID 運(yùn)算控

6、制器、PWM 模擬發(fā)生器）電機(jī)速度采集電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路鍵 盤顯示器為了系統(tǒng)容易擴(kuò)展、操作以及美觀，本設(shè)計(jì)完全采用方案二。1.5 PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方案論證 軟件實(shí)現(xiàn)方案論證 脈寬調(diào)制的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。本設(shè)計(jì)采用了定頻調(diào)寬方式，采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。對(duì)于實(shí)現(xiàn)方式則有兩種方案。方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度

7、極其精確，誤差只在幾個(gè) us。方案二：采用軟件延時(shí)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(shí)器資源，且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍。由于本設(shè)計(jì)采用了兩片 AT89S52 單片機(jī)，MCU 資源充足，因此選擇方案一。2 系統(tǒng)原理框圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理框圖如圖 2.1 所示，是一個(gè)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(shè)定信息和測量反饋信息計(jì)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(jì)算與硬件電路設(shè)計(jì)3.1 速度測量電路的設(shè)計(jì) 速度測量電路的設(shè)計(jì)3.1.1 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速/頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 頻率轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)理論上，是先將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為某一種電量來測量，如電壓，電流等。設(shè)計(jì)中將轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)化為電脈沖頻率的測量?；谶@一思想，可以采用一對(duì)霍爾感應(yīng)傳感器，使輸出信號(hào)的一只在轉(zhuǎn)輪一側(cè)固定，另一只則粘在對(duì)應(yīng)位置的轉(zhuǎn)輪上，這樣，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，傳感器將會(huì)輸出一個(gè)脈沖，然后將脈沖放大、整形后即可通過單