直流电动机闭环调速系统论文.doc

1、10自动化课程设计 电力拖动自动控制系统目 录1 、系统结构12 、课程设计内容要求33 、硬件设计43.1 整体设计43.2 详细设计63.3.1 单片机系统的设计63.3.2 AD模数转换电路的设计73.3.3 运算放大电路的设计83.3.4 系统电源及驱动电源电路设计94、软件设计104.1 系统的软件整体设计104.2 软件详细设计114.2.1 初始化模块114.2.2 按键扫描模块124.2.3 PID控制模块134.2.4 电压采样模块144.2.5 LCD显示模块155、详细的功能设计和实现175.1 设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键175.2 显示马达的运行状态（

2、正转、反转、停止），显示转速175.3 测量马达的反电动势系数185.4 测量马达的力矩系数185.5 创建马达的数学模型195.6 实现比例控制225.7 实现比例积分控制246、心得体会277、参考文献27直流电动机闭环调速系统设计1、系统结构在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。随着科技的发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机乃有

3、很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。随着微电子和计算机的发展，数字控制系统应用越来越广泛，数字控制系统有控制精确，硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面等特点。本设计的系统一共由六大模块组成，分别为控制器模块、显示模块、键盘模块、电机驱动模块、霍尔检测模块和AD检测模块。如图1-1所示，图1-1系统结构框图这就是数字控制直流电动机系统的系统结构框图。其中的核心为mcu51单片机，单片机主要实现以下四种功能：1、 为驱动电机的驱动模块提供PWM控制；2、 接受按键输入的信息来控制电机进行相应的运行状态；3、 接受传感器模块传回来的反

4、馈信息进行分析后做出相应的处理；4、 输出信息显示电动机的运行状态。 在该系统中，我们使用两个轴连的马达，一个作为电动机，另外一个作为发电机，通过H桥驱动其中的电动机，电动机带动发电机产生电压，再使用AD模数转换器读取发电机产生电压的大小，该电压的大小与发电机的转速时相近成正比关系，由此可测出电机运行的速度。此外电机运行的速度还可以使用其他的方法测得，如光栅码盘测速等，而该设计的测速方法是霍尔传感测速法。该系统的操作信息输入还是通过按键操作，可以对电机实现正转、反转、停止、加速、减速等功能，一共有四个按键实现以上功能。显示模块使用的是为LCD显示屏，可显示正、反转、停止状态，显示设定及实测转速

5、，显示PWM值及误差等等，可以非常直观地看到电动机的运行状况。2、课程设计内容要求1. 设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键； 2. 显示马达的运行状态（正转、反转、停止），显示转速；3. 测量马达的反电动势系数；4. 测量马达的力矩系数；5. 创建马达的数学模型；6. 实现比例控制；7. 实现比例积分控制；8. 缓存马达动态过程运行数据，并上传到PC机绘出动态过程曲线3、硬件设计3.1整体设计该课程设计中，系统用到的主要硬件元件如表2-1，系统硬件整体接线图如图3-1，系统硬件整体电路图如图3-2，系统硬件PCB图如图3-3。表1 主要元件表元件名称1STC12C5A60S22MAX

6、2323TLC15434LM3175LM358图3-1 系统硬件整体接线图图3-2 系统硬件整体原理图图3-3 系统硬件整体PCB图3.2 详细设计3.2.1单片机系统的设计该系统采用的MCU控制器为STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2单片机是宏晶公司生产的基于51内核的8051增强型单片机，该单片机具有高速、高可靠性、宽电压、低功耗、超强抗干扰等优越性能。该单片机为单周期单片机，比普通的单片机速度快812倍。内部集成两路的PWM输出，无需软件进行PWM的编程，可以节省定时器的使用。单片机最小系统如图3-4所示。图3-4 单片机最小系统3.2.2 AD模数转换电路的设计 图

7、3-5是AD的电路图。我们选用的AD为TI公司生产的11通道10位电容式逐次逼近式AD模数传感器，可用19脚的8个外部通道测量外部电压，其他通道为测试使用。14脚接的是基准电压，电压可选5V或则2.5V。在本设计中，基准电压选5v，那么10位AD的分辨率可达到5V/1024。1519脚为芯片的控制信息IO口。图3-5 AD模数转换电路图3.2.3 运算放大电路的设计图3-6为运算放大电路图，系统在测量电动机的电流时，采用串联小电阻的方法，该系统所串电阻的大小为0.22，检测该电阻两端的电压，通过AD采样、控制器运算，得出通过回路的电流大小。由于电阻值比较小，通过的电流也不大，因此需要对所测的电

8、压进行放大。采用运算放大器为LM358，LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，图7的电路通过对R26变位器调节，可对电压放大10100倍。图3-6 运算放大电路图3.2.4 系统电源及驱动电源电路设计驱动模块需要提供735V的电压，本设计采用LM317供电的电源。LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点，此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。LM317是可调节的3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏

9、时能够提供超过1.5安的电流，所以稳压器非常易于使用。其电路图如图3-7所示，R35为可调定位器，通过调节R35的大小就可以调节输出电压的大小。本设计中电源输出的电压大小为7V，7V输入到电机驱动模块，再通过单片机输出的PWM来控制实际输给电机的电压，从而达到控制电机的目的。系统电源需提供3.55.5V的电压，本设计采用的是三端稳压集成电路lm7805稳压芯片，三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。设计电路简单，供电也能满足系统所需，所以最后选定了lm7805，系统电源电路图如图3-8所示。图3-7驱动电源电路

10、图图3-8 系统电源电路图4、软件设计4.1系统的软件整体设计本系统软件设计主要分为五大模块，分别为初始化模块、按键扫描模块、PID控制模块、电压采样模块和LCD显示模块，主程序流程图如图4-1所示：图4-1主程序流程图4.2软件详细设计4.2.1初始化模块初始化主要内容：1）外部中断1是用来对测速脉冲的加累算，设置为下降沿中断方式；2）定时器0用于限定测速时间，设置工作方式1，周期时间为50ms；3）PWM控制电机驱动电压，间接控制电机，设置PWM频率，PWM输出口等；4）LCD12864用于显示，设置串行控制方式，清除显示等； 5）PID参数初使； 初始化模块程序流程图如图4-2所示 ：图

11、4-2 初始化模块程序流程图4.2.2 按键扫描模块本设计的按键一共为4个，分别为运行/停止按键、正/反转按键、加速按键和减速按键。1）运行/停止按键：经过系统程序初始化后，电机处于正转运行状态下，在此条件下，当按下运行/停止键时，电机停止运行，再按一下，电机恢复运行（即运行/停止按键是用于切换运行、停止两种状态）；2）正/反转按键：在正转运行条件下，当按下正/反转键时，电机变为反转运行，再按一下，电机恢复正转运行（即正/反转按键是用于切换正转、反转两种状态）；3）在电机运行状态下，当按下加速键时，电机设定的转速加100r/min，当设定转速等于2800r/min时，转速不再增加；4）在电机运

12、行状态下，当按下减速键时，电机设定的转速减100r/min，当设定转速等于800r/min时，转速不再减少；按键扫描模块程序流程图如图4-3：图4-3 按键扫描模块程序流程图4.2.3 PID控制模块PID是经典的控制方法，在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，PID控制器是一种最优控制。该程序系统采用的是位置型PID控制，程序主要内容有，计算每次最新的误差E1；对死区进行限制；积分分离，误差小的时候进

13、行积分、微分计算；PID算法：Increment_Speed=pid.Kp*pid.Err+pid.Ki*pid.Sum_Error+pid.Kd*dd；进行限幅，最后是误差缓冲，用于下次计算。PID控制模块流程图如图4-4：图4-4 PID控制模块流程图4.2.4电压采样模块电压采样，TLC1543有11个采样通道，前4个时钟周期是选择所需的模拟通道，后6个时钟周期对模拟输入的采样提供控制时序，然后是进入A/D数据转换，等待转换完成（大概10us）；最后控制器读取数据（注意的是，读取的数据是上一次转换的结果）TLC1543时序图如图4-5；电压采样模块程序流程图如图4-6：图4-5 TLC1

14、543时序图图4-6 电压采样模块程序流程图4.2.5 LCD显示模块显示器采用的是LCD12864，显示刷新是每隔1s钟刷新一次，显示的内容有：设定的转速（r/min）、实测的转速（r/min）、目前的PWM值、转速误差值、采样电压值等。显示模块的流程图如图4-7 ：图4-7 显示模块流程图5、详细的功能设计和实现5.1. 设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键；（设计、实现、测量、对比分析）按键硬件电路图如图5-1所示，共有4个按键，分别可以实现运行/停止切换、正转/反转切换、加速、减速功能；按键采用查询扫描方式实现；检测到低电平时经延时防抖后还仍为低电平时，则按键有效按下；微动按键

15、比起锁存按钮，价格便宜，电路设计简单，使用耐性好。 图5-1 按键电路图5.2. 显示马达的运行状态（正转、反转、停止），显示转速；（设计、实现、测量、对比分析）本设计的显示模块采用12864阵列式LCD显示屏，该显示屏自带丰富的国标字库，可以显示中文。为了减少IO口的使用，在硬件设计时采用串行的方式与单片机进行通信，只需要使用到5个IO口即可实现所有信息的显示。其中电容C4为用于虑波，稳定电源电压，使显示稳定清晰，1、3、18脚所连接的电阻R7是为调节LCD的背光亮度，方便在不同光线下显示清楚的信息。比起LCD1602,LCD12864能够显示的信息更多，电路设计也比较简单，而且可以调光，方

16、便很多。图5-2 LCD12864显示电路图5.3. 测量马达的反电动势系数；（设计、实现、测量、对比分析）根据公式（1）及公式（2），通过测量数据如表5-1所示：空载电压/V电枢电压/V电枢电流(MA)转速(r/min) 75.47112.224260.00207075.5689.027330.001907表5-1经计算后得到的反电动势系数平均值为：0.00198855.4. 测量马达的力矩系数；（设计、实现、测量、对比分析）根据公式（3）、公式（4）及公式（5），通过测量数据如表5-2负载电压/V负载电流/mA电枢电流/mA转速/(r/min)输出功率/w 3.503411026130.1

17、1900.0039533.90269827600.10140.003580表5-2经计算后得到的力矩系数平均值为：0.00376655.5创建马达的数学模型；（设计、实现、测量、对比分析）直流电机的数学模型的建立：本设计中，以直流电动机电枢电压为输入量, 以电动机转速为输出量。假设电机补偿良好, 不计电枢反应、涡流效应和磁滞的影响, 得直流电机数学模型为 式中电枢电压电枢回路电感电枢电流电枢回路总电阻由电机结构决定的电势系数,V S/ rad电动机角速度根据刚体的转动定律, 电动机轴上的运动方程式为 J = - 式中J 电动机轴上(包括负载折算过来的)转动惯量电动机角速度电动机轴的电磁力矩电动

18、机轴的负载力矩当磁通不变时, 有 式中电机的转矩常数, 整理得到直流电机的微分方程 式中电枢回路的电磁时间常数 机电时间常数 电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量电动机转速进而, 我们可得直流电动机的电压和转速间的传递函数为: 速度反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图如图5-3；速度反馈控制闭环直流调速系统的控制系统模型图如图5-4；PID的阶跃响应曲线如图5-5。图5-3动态结构框图图5-4PID的控制系统模型图图5-5 PID阶跃响应曲线5.6 实现比例控制比例P控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误

19、差。比例的控制系统模型图如图5-6。调节 ，不同的得到的阶跃响应如图5-7和5-8。图5-6比例的控制系统模型图图5-7（=0.04）图5-8（=0.02）分析结果：随着的增大，超调量增大，当较大时，达到稳态值出现振荡，故选择=0.025.7实现比例积分控制积分控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出

20、增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。比例积分的控制系统模型图如图5-9。当取0.002时，调节 ，不同的得到的阶跃响应如图5-10和5-11。图5-9比例积分的控制系统模型图图5-10（=0.02，=0.004）图5-11（=0.02，=0.002）分析结果：当减小时，振荡减小，调节时间减短，但稳态误差变大。综合实验结果，故选择=0.002。 6、心得体会在老师的悉心指导和队友的通力合作之下，我们终于完成了持续了两周的课程设计，在这个过程当中我学到了非常多的东西。虽然过程比较辛苦，但是结果是很满意的。本次课程设计要求我们基于单

21、片机设计一套数字PI直流控制直流电机PWM调压调速器系统。在进行课程设计的过程中，我们把与自动控制系统相关的知识和与单片机相关的知识结合起来，通过分析具体的问题，首先列出解决课题的方案，从中论证出较合适的方案作为最终的实际方案。总的来说，本次课程设计锻炼了我们把理论联系到实际的能力，同时在课程设计的过程中，通过查阅各种资料，我们对整个行业的发展和最新的技术都有了一定的了解。同时，课程设计的成功也离不开老师的指导和帮助。老师的悉心指导和同学们的团结协作使这次课程设计得以顺利的完成。参考文献1丁元杰.单片微机原理及应用.M北京：机械工业出版社,20052张德江.计算机控制系统.M北京：机械工业出版社,20123陶永华, 尹怡欣，葛芦生 新型PID控制及其应用.M 北京:：机械工业出版社, 199827/28