基于单片机的直流电机调速控制系统设计毕业设计论文Word文件下载.docx
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STC单片机，PWM，直流调速，PID算法
TheDesignofRegulatingSpeedsystemofDCMotor
BasedonSTCSingle-ChipMicrocomputer
Author：
LiJian
Tutor：
LiuLi
Abstract
Nowadays,DCmotorhasmuchmerit,suchasbiggerstartingtorqueandstrongeroverloadcapacityetc.Therefore,itisappliedwidelyinmanyindustries.DCmotoriswidelyusedontheautomaticequipments,suchasCNCandindustrialrobot.Asthescaleofproductionbecomeslargerandlarger,thedemandandrequirementsbecomehigherandhigher,sotheresearchonimprovingtheDCcontrollingsystembehaviorhasimportantsense.
APWMspeedregulationsystemofDCmotorisintroducedinthispaper.TakingSTCSingleChipMicrocomputerascoreandthelittleDCmotorascontrolobject,theDCmotordrivechipisSPGT62C19B,andthesingleclosedloopspeedcontrolandPIDcontrolwererealized.Thespeedmeasurementsystemiscomposedofopticalgratingturnplateandphotoelectricconversioncircuit.ThespeedregulationprincipleistheDCmotorisdrivenbyaPWMsignal.Contro11ingthePWMdutycycleisequivalenttocontrollingthemotorterminalvoltage,whichinturnadjustsdirectlythemotorspeed.Withotherperipheralcircuits,thissystemrealizesmulti-purposeincludingthespeedadjustingforDCmotor,thecontrolofstartandbrakeofmotorandprosandconsturn.Thegivenspeedcanbeinputtedwithmatrixkeyboard，whichisveryconvenient.Thedutycycle，dynamicrotationalspeedandthegivenspeedcanbeshownonLEDswithrealtime.Thepaperelaboratesthehardwaredesign,thesoftwareprogram,computersimulationandthehardwaredebuggingarecompletedinthedesign.ProgramsinKeilC51,programflowchartandasimulationresultinProteusarepresented.Theexperimentalresultsofthisspeedcontrollerarealsogiveninthepaper.ToconquertheshortcominginroutinedigitalDCSpeedRegulation，wecanbringinfuzzy-PIDcompoundcontrolschemeandfuzzySelf-tuningPIDcontrolstrategy.
Keywords:
singlechipmicrocomputer,PWM,DCspeedregulation,PIDmethod
1绪论
1.1直流调速系统的发展概况
五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。
首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用已久的直流发电机一电动机组（简称G-M系统）及水银整流装置，到60年代的晶闸管一电动机调速系统（简称V-M系统），使得变流技术产生了根本的变革。
再到脉宽调制（PulseWidthModulation）变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。
另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。
80年代随着计算机技术和通信技术的发展，8-32位单片机相继出现并应用于控制系统，控制电路已实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。
由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。
早期，直流传动的控制系统采用模拟分立器件构成，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。
随着单片机广泛应用于直流传动系统，实现了调速系统的数字化控制。
数字化调速系统与模拟系统相比具有以下优点:
1提高了调速性能。
测速的数字化能够在很宽的范围内高精度测速，扩大了调速范围，提高了速度控制的精度。
另一方面，模拟电路难以实现的控制方法，如自适应控制、复合控制等都能容易的实现;
2提高了运行的可靠性。
硬件高度集成化使得零部件数量和触点大大减少，很多功能都是由软件完成的，所以数字化直流调速系统的故障率比模拟系统小。
另外，数字电路的抗干扰性能强，不易受温度等外界条件变化的影响，运行的可靠性高;
3易维修。
由于单片机可以与计算机相连，可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录，并对发生的故障进行分析和记录，所以维修很方便，维修周期变短。
1.2数字式直流调速系统的研究现状
1.2.1调速系统国内外研究现状
随着各种处理器的出现和发展，国外对直流电机数字控制调速系统的研究也在不断的发展和完善，尤其在80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。
大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管触发脉冲来实现，研究人员对控制算法作了大量的研究:
有的提出内模控制的算法、有的提出了I-P控制器取代PI调节器的方法、有的提出了自适应PID算法和模糊PID算法等。
目前，国外主要电气公司，如瑞典的ABB、德国的西门子、AEG、日本的三菱、东芝、美国的GE、西屋等，均已开发出数字装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品供选择。
例如西门子公司生产的SIMOREG-6RA70全数字直流驱动装置，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。
根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其他任何附加设备便可完成参数的设定。
国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发数字装置。
张井岗等人提出直流电动机调速系统的内模控制方法。
该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能。
由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。
所以，数字系统的控制精度和可靠性比模拟系统大大提高。
而且通过系统总线，数字控制系统能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行信息交换，实现生产过程的分级自动化控制。
所以，直流传动控制采用单片机实现数字化，使系统进入一个崭新阶段。
1.2.2控制策略概况
在现代控制理论和智能控制策略应用方面，一些新的控制方式如模糊控制、自适应控制、神经网络控制、滑模变结构控制，专家系统控制等也逐步进入了电力电子控制领域，使控制性能更稳定，制造成本更低。
在系统的数字控制方案中，目前有以下几种:
1.PID控制
（1）PID算法概述
在工业控制过程中，目前采用最多的控制方式仍然是PID方式。
PID有几个重要的功能:
提供反馈控制;
通过积分作用可以消除稳态误差;
通过微分作用预测将来。
发达国家对于PID控制算法利用率都很高，这一方面是由于PID控制器具有简单而固定的形式，在很宽的操作条件范围内，都能保持较好的鲁棒性;
另一方面是因为PID控制器允许工程技术人员以一种简单而直接的方式来调节系统。
但是工业生产过程中，被控对象随着负荷变化或者受干扰因素影响，对象特性参数或者结构发生变化，PID参数不变将影响校正效果；
然而PID参数复杂而繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员，其参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又耗力，加之实际系统千差万别，又有滞后、非线性等因素，使PID参数的整定有一定的难度，致使许多PID控制器没能整定的很好，这样的系统自然无法工作在令人满意的状态，为此人们提出了自整定PID控制器，在线辨识对象特征参数，实时改变控制策略，使控制品质保持最佳。
（2）PID算法的软件实现方法
模拟PID调节器的传递函数为：
（1.1）
由此可得数字PID的增量型控制算法表达式为：
（1.2）
可以看出增量型算法优点是不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，对计算的精度影响较小。
而位置型算法要用到过去的误差的累加，容易产生大的误差。
2.滑模变结构控制
滑模变结构控制利用不连续的开关控制方法来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一滑动模态轨迹运动。
变结构系统的滑动模态具有完全自适应性，这成为变结构系统的最突出的优点，成为它得到重视的主要原因。
任一实际系统中都有一些不确定参数或变化参数，数学描述也总具有不准确性，还受到外部环境的扰动。
滑模控制有着明显的优点:
快速性和强鲁棒性，但也存在控制系统稳态效果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。
如今直流调速的滑模控制的研究方兴未艾，特别是滑模控制和其它智能控制策略相结合构成新的集成控制策略备受关注。
3.模糊控制和神经网络
传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上，但是有时建立精确的数学模型特别困难。
这种情况下，模糊控制的诞生就显得意义重大。
因为模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。
模糊控制器有着以下优点:
1模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识。
模糊控制器的设计过程中不需要被控对象的精确数学模型，模糊控制器有着较强的鲁棒性和自适应性;
2查找模糊控制表只需要占用处理器的时间很少，因而可以采用较高采样率来补偿模糊控制规则和实际经验的偏差。
此外，随着神经网络控制芯片的出现，一些学者正在研究其在直流调速中的应用，如用神经网络控制器替代滞环电流控制器等。
综上所述，每一种控制方案都有其特长，但都在某些方面存在些问题。
因此，一种必然的发展趋势是各种控制方案相互渗透，取长补短，互济优势，结合成复合的控制方案。
1.3论文研究的背景和意义
在当今电气传动领域，由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，因此在要求高起、制动转矩，快速响应和宽速度调节范围的电气传动中，仍广泛采用直流电动机作为执行电机的直流调速系统。
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以直流调速系统至今仍然被广泛地用于自动控制要求较高的各种生产部门，是调速系统的主要形式。
在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静，动态性能。
由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，在我国许多工业部门，如轧钢，矿山采掘，海洋钻探，金属加工，纺织等场合仍然占有重要地位。
而且直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
因此，直流调速系统的应用研究具有实际意义。
电气传动是现代最主要的机电能量变化形式之一。
在当今社会中广泛使用着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求:
如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。
为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制；
为了减少运行损耗、节约电能也需要对电机进行调速。
和交流调速系统相比，直流调速系统的变流方式及控制方法简单，调速性能好，长期以来在调速传动中占统治地位。
在交流调速系统大力发展的今天，直流调速系统也有了很大的进步。
数字化集成电路尤其是微处理器的广泛应用，使调速系统的参数调整由硬件变成了软件，调整PID参数甚至自寻最优都变得非常方便，实现了模拟控制中无法实现的各种复杂控制要求以及故障监视、保护功能、自诊断功能。
1.4本文所做的主要工作
本文在选定凌阳电机控制模组、STC单片机、光栅转盘等硬件的基础上，完成了系统整体方案的设计，并实现了以STC单片机为核心的直流电机调速控制系统，主要工作内容有：
（1）器件选型和控制系统总体方案设计
（2）控制系统硬件设计
（3）控制系统软件设计，包括绘制程序流程图、编写源程序、KEIL软件编译
（4）部分设计的Proteus仿真
（5）控制系统的组装与调试
（6）PID参数的实验整定
（7）提出基于模糊控制算法的系统控制策略改进方案
2直流调速控制系统概况及理论基础
2.1直流电机调速方法及原理
直流电机转速n的表达式为:
（2.1）
由该式可知，直流电机转速n的控制方法有三种：
（1）调节电枢电压Ua。
改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统;
（2）改变电机主磁通。
只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小;
（3）改变电枢电路电阻∑Ra。
在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。
改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:
弱磁调速范围不大，往往与调压调速配合使用;
因此，自动调速系统以调压调速为主。
2.2直流电动机的PWM调速原理
为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。
脉宽调制（PulseWidthModulation），是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。
所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。
通常PWM变换器是用定频调宽来达到调压的目的。
PWM变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；
电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等
为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。
经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。
2.3调速系统的性能指标
2.3.1调速系统的稳态指标
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求，如在一定的最高转速和最低转速范围内，有级或无级地调节转速;
以一定的精度在需要转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。
对于频繁起/制动的设备要求加减速尽量快，以提高生产率，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起制动尽量平稳。
为了进行定量分析，可以针对前两项要求提出两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”，这两个指标合称为调速系统的稳态性能指标。
调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比叫做调速范围。
（2.2）
静差率
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落
与理想转速n0之比称作静差率,即
（2.3）
静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度。
它和机械特性的硬度
有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
图2.1不同转速下的静差率
调速范围和静差率这两项指标不是彼此孤立的。
在调速过程中，若额定转速相同，则转速越低，则静差率越大。
如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求。
因此静差率的指标应以最低速时能达到的数值为准。
2.3.2调速系统的动态指标
生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。
自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。
图2.2典型的阶跃响应过程和跟随性能指标
在给定信号或参考输入r（t）的作用下，系统输出量c（t）变化情况可用跟随性能指标来描述。
如图2.2所示。
常用的阶跃响应性能跟随指标有上升时间，超调量和调节时间。
上升时间tr
输出量从零开始第一次上升到稳态值C时所经过的时间，它表示了动态响应的快速性。
②超调量
和峰值时间tP
输出量到达最大值Cmax时的时间即为峰值时间。
最大值超过稳态值的百分数叫超调量,即
（2.4）
超调量反映系统的相对稳定性，超调量越小，相对稳定性越好。
③调节时间ts
输出量达到并不再超出稳态值的5%（或2%）的范围所需的时间称为调节时间。
它衡量输出量整个调节过程的快慢。
它反应了系统的快速性和稳定性。
3调速系统硬件部分设计
3.1调速控制系统实现的功能
A包含检测环节、调节器环节、控制输出环节的单闭环控制系统。
B转速给定值设置范围0-110
C八位数码管显示转速给定值、测量值及占空比。
D正反转控制和启制动控制。
E软件实现的数字PID调节器作为本控制系统的控制器。
3.2系统总体设计框图及其工作原理
图3.1系统总体框图
系统以单片机为控制核心，通过矩阵键盘设置电机转速给定值。
和直流电机同轴的光栅转盘和红外对管可将速度信号转换为脉冲信号，并送给单片机，单片机通过对脉冲计数计算实际转速。
通过设定转速值和测量值比较，根据误差利用软件PID调节器进行计算，给出控制量。
单片机输出二进制控制量直接送到电机驱动芯片输入端，驱动芯片通过输入端电平不同逻辑组合形式控制输出不同占空比的PWM波形，从而控制直流电机的转速。
数码管显示部分可显示给定转速值、实际转速值和占空比。
综上，单片机主要完成参数设置、转速测量、参数显示和控制输出等功能。
3.3器件选型
1.单片机选型：
直流电机调速系统仅需要完成转速计算、控制器实现、输出PWM波形等任务，系统简单，所以采用一般的单片机即可胜任，本系统采用廉价耐用的STC单片机。
2.测控环节硬件选型
SPGT62C19B电机控制模组是为学生以及单片机爱好者研究直流电机控制而设计的学习套件。
模组采用凌阳SPGT62C19B电机驱动芯片，配置直流电机。
模组可以方便地用排线与SPCE061A精简开发板（即“61板”）连接，可作为单片机教学、产品开发前期验证等辅助工具使用。
直流电机型号为310CA，工作电压3V~12V。
在直流电机的转轴上安置了光栅转盘，光栅转盘的两侧分别装有鼠标用红外发射和接收管。
当直流电机转动时，光栅将不断改变红外对管的通断状态，从而实现对直流电机转速的测量。
SPGT62C19B是低电压单片式电机驱动器集成电路芯片，由输入的逻辑电平来决定输出脉冲的宽度及频率，所以由这款芯片组成的电机驱动系统将脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲放大器合为一体，省去了很多外围器件。
总之，该模组囊括了直流电机、控制芯片、测速环节，保障了硬件兼容性，缩短了系统设计开发时间。
若采用L298、TD340等其他驱动芯片和霍尔元件等其他测速装置，则各部分硬件接口组装调试需耗费大量时间，而且可能得不到预期匹配效果，降低调速系统性能。
3.输入输出设备选型
输入设备采用4*4矩阵键盘，不仅原理简单，节省成本；
而且对比加减置数方案，矩阵键盘设置方式更加快速便捷。
输出设备采用八段数码管动态扫描显示方式，较之LCD显示方式，数码管成本低，编程简单。
3.4测速环节
3.4.1光栅转盘
直流电机转轴上加装了光栅转盘，可用来测量电机的转速，也可便于观察电机的转动情况。
光栅转盘遮挡在红外发射管和红外接收管之间。
光栅转盘的圆面上开了4个通光槽，电机每转动一周，红外接收管将接收到4次红外光，从而可以实现电机测速功能。
图3.2转速测量环节示意图
图3.3光电转换电路原理图
3.4.2光电转换电路
当红外发射管与红外接收管之间被直流电机光栅转盘的不透明部分遮挡时，红外接收管处于截止状态，此时图中的SPEED输出高电平。
反之，当光栅转盘的通光槽转至红外对管之间时，红外接收管处于导通状态，此时SPEED输出低电平。
将SPEED连接到单片机
口，speed端口电平变化恰好引发
下降沿的产生，设置中断服务函数进行计数，即可通过计数值计算出电机转动速度。
3.5凌阳电机驱动芯片——SPGT62C19B芯片
3.5.1芯片简介
SPGT
升级会员 