基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计.docx
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基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计
摘要
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。
本设计以AT89C51单片机为核心，基于Proteus单片机仿真软件，完成了直流电机的转速自动测量及转速调节功能。
在设计中采用PWM技术和PID控制技术对电机进行控制，并且利用数码管设计的人机界面系统显示转速的设定值及实际值，通过应用PID算法对占空比的计算达到精确调速的目的。
还利用了VisualBasic6.0编程软件编写了一个简单的上位机软件，显示实际转速的变化情况，对PID参数的整定提供依据。
关键词：
Proteus，AT89C51，PID，PWM调速，VisualBasic6.0
第五章硬件与软件联合调试
第一章绪论
1.1直流电机闭环调速系统背景
对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。
与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：
闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时,闭环调速系统的调速范围可以大大提高。
1.2本设计实现的基本功能
（1）按键设定并显示转速，实时显示实际转速
（2）按键控制电机起停、正反转
（3）PWM转速闭环控制。
（4）上位机转速实时曲线显示
1.3设计目的及意义
本课程是机械电子工程本科专业的重要实践课程，是《单片机原理与应用》课程的一个综合性、设计性的实践环节。
通过这门课程的学习与实践，能够提出基于单片机的机电系统的设计思路、论证设计方案；熟悉单片机系统开发、研制的过程，软硬件设计方法和设计步骤；初步学会设计单片机系统软硬件设计及调试的方法，具备技术实现能力；基本上能够处理实践过程中出现的问题并提出解决办法；提高理论付诸于实践的能力，提高工程设计能力和处理实际问题的能力，开发和创新能力。
第二章总体规划
2.1直流电机控制原理及特点
转速输出
偏差
转速设定值
对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。
与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：
闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时,闭环调速系统的调速范围可以大大提高。
直流电机的速度控制方案如图1所示。
+
-
图1直流电机速度控制方案
2.2直流电机调速控制方式选择
2.2.1电阻网络或数字电位器
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
2.2.2继电器
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
2.2.3H桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片
L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
桥型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
兼于上述三种方案调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。
2.3PWM脉宽调制方式
调脉宽的方式有三种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
2.4电机实际转速获取
在Proteus中只有一种直流电机集成了测速传感器，在搜索栏里搜索motor-encoder，即可得到这种电机模型。
本设计中设置电机转一圈发出60个脉冲。
根据实际运转情况及结合所编写程序，确定转速公式为：
V=N*15;
V:
速度R/min
N:
每秒采样的脉冲个数
如右图所示,为带测速功能的直流电机模型
2.5总体设计框图
本系统采用AT89C51作为控制核心，用按钮来调节电机转速和数码管来显示设定转速和测量转速。
由上述提供的方案和最后选择结果，则用H桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片L298作为本系统的驱动电路和用带有测速计的电机模型来取得电机的实际转速。
图4直流电机控制系统总体框图
2.6上位机界面设计
第三章硬件设计
3.1AT89C52芯片介绍
3.1.1芯片特点
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），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MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
3.1.2主要功能特性
1、兼容MCS51指令系统
2、8k可反复擦写（大于1000次）FlashROM；
3、32个双向I/O口；
4、256x8bit内部RAM；
5、3个16位可编程定时/计数器中断；
6、时钟频率0-24MHz；
7、2个串行中断，可编程UART串行通道；
8、2个外部中断源，共8个中断源；
9、2个读写中断口线，3级加密位；
10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；
11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。
3.2电机驱动电路设计
3.2.1L298芯片介绍
L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。
5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。
3.2.2驱动电路设计
单片机输出的电机控制PWM信号接在ENA端口，IN1和IN2端口控制电机正反转，通过一个非门实现。
对应的OUT1和OUT2输出接在直流电机两端。
3.3按键模块设计
按键模块由四个独立按键组成，它们分别控制电机的速度增加、减小、停止、和正反转。
电机状态的设定要点是按键的去抖动处理。
软件法去抖动的实质是软件延时加上自锁编程，即检测到某一键状态变化后延时一段时间，再检测该按键的状态是否保持着，并处于循环检测状态。
如是则作为按键处理，能够保证按一次键只发生一次事件。
去抖动的延时时间一般参考资料多描述为20ms左右，在实际应用中应大于20ms。
否则，会导致按一次多处理，影响程序正常执行。
按键如下图所示：
3.4数码管显示模块设计
数码管主要是用于数字的显示。
数码管有共阴和共阳的区分，单片机都可以进行驱动，但是驱动的方法却不同。
本设计中选取共阴四位一体数码管7SEG-MPX4-CC,如下图所示：
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