基于单片机的直流电机调速系统设计.docx

1、基于单片机的直流电机调速系统设计摘 要在当今这个高科技突飞猛进的时代，人们的生活更趋于自动化、智能化。直流电机由于具有控制简单、制动性能优良，而且能在很宽的范围之内平滑调速等优点，被广泛的应用于工业、农业、军事和交通运输等各个领域。本次设计的是一个基于STC89C52RC单片机的直流电机调速系统设计，通过独立按键对转速进行设置，使单片机改变输出的PWM波占空比和输出的电平，来控制电机的转速和转向，并通过PID算法对电机进行闭环调速，使电机的转速稳定在设置的数值上下，并在液晶屏上显示出实时转速和设置转速。总共分为三个部分来设计，先进行了硬件设计及硬件仿真，再通过硬件电路进行软件设计，最后焊接电路

2、板并系统调试。在整个设计的研究中，虽然功能基本实现，但本此设计还需要有以下几点需要改进：（1）独立按键可以改为键盘式来操作；（2）优化PID算法；（3）L298N驱动芯片功耗过大，可更换成其它芯片。关键词：直流电机，脉宽调制，PID算法ABSTRACTIn this era of advanced industry and rapid development of technology,peoples life is becoming more and more automatic and intelligent, because of its simple control and good

3、braking performance, and in the wide scope of smooth speed etc.The DC motor speed control system of this design is based on single chip microcomputer,through independent keys to set speed,make the numerical implementation and change the PWM duty ratio of output by single chip microcomputer, to contr

4、ol the speed of motor, and through the PID algorithm to the closed-loop DC speed governing, to make the motor speed is stable at the value of the set up, and displays the real-time speed and set up the speed on the LCD screen.The design is divided into three parts： hardware design and simulation, so

5、ftware design and system debugging.In the study of the whole design, although the function is basic, there are several things that need to be improved：(1) Independent keys can be changed to keyboard;(2) optimize PID algorithm;(3) L298N drive chip consumes too much power and can be replaced by other

6、chips.KEYWORDS： DC motor, PWM, PID controlling algorithm第1章 绪 论1.1研究背景与意义在这个信息与科技飞速发展的时代，伴随着人们的生活越来越趋于自动化、智能化。直流电机因为其控制简单、制动性能良好、而且能在很宽的范围之内平滑调速等优点，所以被广泛的应用于自动化、军事、交通运输等各个领域1。电机最早出现在1821年，英国著名物理学家法拉第在“电流的磁效应”的基础上发现了电磁感应定律，并成功研制了第一台实验电机的模型2。电机主要被分为直流和交流两大类，其中直流电机最先在生产生活中的得到充分应用和大力发展。早先的直流电机把永磁体作为磁极，可

7、能是因为动能较小，所以在1834年雅克将磁极改进成了电磁铁用到了电机中并添加了换向装置，经过改进后电机的性能获得了大大的提升。后来人们发现当改变了发电机的励磁方式，电机的性能在之前的基础上大大的提升了。再后来人们又对电枢转子进行了改良，经过改良后的电机生产成本大幅下降，因此促进了电机的发展。由于直流电机在当今社会的生产和生活中应用广泛，并且电机转速是决定电机性能重要的指标，因而根据人们的各种需求来测量电机的转速和电机的调速，就显得十分重要。早期直流电机调速系统由许多模拟分立元件组成，因元件的不稳定性，噪声的干扰等因素，使得系统的精度和稳定性较差3。在这个微电子和计算机技术发展迅速的年代，直流电

8、机调速系统跨入了一个数字化的新时代，已基本由数字调速代替了模拟调速。数字调速控制的精度更高、稳定性更强、效率更高，主要采用单片机进行控制。由于电机的调速控制系统已经成为现阶段研究发展的主要方向，因此学习并研究直流电机调速系统对我们今后的学习和工作都具有很大的提高和帮助。1.2国内外研究现状早期，调速系统采用的是恒压源给直流电机供电，并通过改变电枢回路中的内阻来改变电枢电压，从而达到直流电机调速的目的4。这种调速系统电路设计简单，并且制作容易、成本低廉，但是这种调速方法效率较低，精度也不高。之后采用了发电机带动电动机的调速方法，这种调速方式虽然克服了精度低以及效率低等弊端，但是其连接线路较为复杂

9、、系统本身的成本较高且维修困难。在出现汞弧变流器之后，人们利用汞弧变流器代替了发电机。这一改变使系统的调速性能进一步提高，而且调速响应速度非常的快，但这种调速方式有一个不可避免危害就是由于该系统中含有的水银会挥发出来，对用户的健康造成极大的损害。随后人们采用晶闸管代替之前的整流装置供电，直流电机调速系统的性能有了一个质的飞跃。这种调速系统体积小，精度高，反应快、寿命长、成本低，因而很长的时间里成为了主流5。近些年来，由于PWM技术具有高精度、响应快、低损耗的优点，脉宽调制技术飞速发展，目前已成为直流电机调速的主要方式。在一些发达国家中直流电机调速技术发展时间较长，所以该技术的研究比一些发展中国

10、家更具优势，例如德国的西门子、日本的三菱等公司都已经研制出全数字直流调速装置，这些公司的产品所属的应用领域主要在精度和稳定性更高的地方6。我国在这方面相较于发达国家虽然起步比较晚，但是自从我国第一只晶闸管成功研制以来，晶闸管调速装置也被广泛的应用在工业生产中，并取得了较好的成果7。近年来，我国主要在综合性最优控制、PID算法优化等方面取得了巨大的进展。随着新型电力半导体技术的发展，且日渐成熟，我国迅速地投入到了脉宽调速领域，我国的一些研究所、高校以及一些相关企业都在积极研发基于PWM技术的高性能调速装置8。1.3本文主要研究内容本次设计的主题是基于单片机的直流电机调速系统，主要把单片机作为控制

11、中心，以直流电机为控制对象，要求用独立按键控制电机的启停、正反转以及速度，首先单片机对霍尔传感器传来的信号进行数据处理，再通过PID控制和PWM波产生程序来调节PWM波占空比，达到直流电机调速的目的，并在LCD1602显示屏上显示所设置的转速和电机的实时转速。本文首先介绍了调速的基本原理和测速的基本方法，其次介绍了主要的模块设计和结果展示。在本次设计中系统主要由按键输入模块、单片机最小系统、电机驱动模块、测速模块和LCD1602显示模块组成。系统所有模块的具体描述如下：按键输入模块：由6个独立按键组成并与单片机的引脚相连接；单片机最小系统：主要有STC89C52RC、时钟电路、复位电路等组成；

12、电机驱动模块：L298N驱动模块；测速模块：霍尔传感器；LCD1602显示模块：LCD1602液晶显示屏。第2章 直流电机调速系统原理2.1系统总体设计方案按照系统设计要求，通过独立按键来设置数值实现改变单片机输出的PWM波占空比控制电机的转速，并通过PID算法对电机进行闭环调速，使电机的转速稳定在设置的数值上下，同时在液晶屏上显示出实时转速和设置转速。直流电机调速系统设计总共由六个模块组成，分别为按键输入模块、LCD1602显示模块、直流电机驱动模块、测速模块、控制器（单片机）、直流电机。系统的总设计框图如2-1所示。 图2-1 系统总体设计框图2.2直流电机调速原理直流电机既能做电动机又能

13、做发电机。当它作直流电动机工作时，能将电能转换为机械能，而作直流发电机工作时，能将机械能转换为电能9。在本次毕业设计中，我采用的是小直流电机，它的功率较小，需要的驱动电压也比较小。在很多场合都会要求在一定范围内调节电机的转速，从下图可以看出直流电动机转速N的表达式为： （2-1）由式2-1可知，改变直流电动机的转速基本可分为3种方法：（1）增加或减少电机两端电压 ；（2）在电枢回路中串联电位器 ，通过改变电阻大小达到目的10。见图2-2所示；（3）改变磁通量，即通过改变励磁回路中的电阻 改变励磁电流 。图2-2 直流电机的调速本次设计所使用的是脉冲宽度调制法，它是通过改变直流电机的电枢电压 的

14、大小，来调节直流电机的转速。因为这种调速方法较为稳定、可靠。由于第二种方法的调速范围会受负载的影响并且调速效率较低，而第三种方法更是复杂，所以在本次的毕业设计中我并没有采用这两种方法。在用PWM波调速时，我们可以通过改变占空比的大小来改变平均电压。改变占空比的比值总共有3种方式，他们分别是定宽调频法、调频调宽法、定频调宽法11。前两种方法的本质是一样的，不论是改变低电平的持续时间T2，还是改变高电平的持续时间段T1，他们都是通过改变周期T，来调节占空比比值的。第三种方法是使周期T保持不变，同时改变高电平的时间段T1和低电平的时间段T2，以此来调节占空比的比值。虽然前两种方式也能改变PWM波的占

15、空比，但是当脉冲的频率与系统的固有频率相似时，就会引起系统的振荡，使电机的转速波动性较大，不符合本次设计的要求。所以在这次设计中，我选取的方法是定频调宽法。其示意图如2-3所示。图2-3 PWM波电机转向的改变主要是跟电磁转矩的方向有极大关系。依据左手定则可以知道，要想改变电磁转矩的方向，主要有两种方法，它们分别是：（1）改变磁通的方向；（2）改变电枢电流的方向。因为电枢电流的方向比较容易控制，所以我采用了第二种方法控制电机转向。2.3直流电机转速测量方法在本文中计算直流电机转速的主要方法是脉冲计数法。它总的来说就是计算在所规定时间内的旋转的脉冲数。主要有 3 种常用的方法，分别为测频法（M

16、法）、测周期法（T 法）和 频率/周期法（M/T 法）12。1)测频法（M 法） 测频法（M 法）的主要含义是在所设定的检测时间 T 内，通过单片机的计数器直接检测霍尔传感器输出的脉冲个数 ，从而来间接的测量直流电机的转速，其测量示意图如图2-4所示。图2-4 测频法（M 法）从上图可以得出电机的转速 N 的计算公式为： （2-2）由于随机选择检测的时间，在有些情况下会导致1个脉冲误差。因此，在旋转脉冲较少时，1个脉冲误差所占比例是很大的，会直接导致计算精度降低。因此，该方法一般情况下用于检测高速旋转的电机。2)测周期法（T 法）测周期法（T 法）的主要含义是：通过测量两个相邻脉冲之间的时间来

17、达到测量转速的目的13。用单片机捕获霍尔传感器输出的相邻的旋转脉冲之间的时间即在计算两次电平改变时刻之差。因为它在计算脉冲时由于起始点位置的选取不同也会出现相对的误差，所以该方法很适合测量低速电机的转速，测量示意图如2-5所示。图2-5 T法电机转速测量通过计算，被测对象的旋转速度N为 （2-3）在上面的公式中，表示的是被测电机的转速，表示电机转轴在每旋转一圈时霍尔传感器所产生的脉冲数，而高频的脉冲频率被我们记做 ，在电机轴旋转的脉冲周期中，表示计数器对所有的脉冲计数值。在一个旋转脉冲的计数周期中，众所周知计数，电机的速度计数位置在特殊情况也会下会导致出现1个高频时钟脉冲周期的测量误差14。因

18、此当用 T 法测速时，如果电机的转速越快，那么记录的时间就会越短，又由于计数具有滞后性，从而所测量信号的误差就会越大。是以，T 法测速方法仅适用于测量低速电机的转速。3)频率/周期法（M/T 法）频率/周期法（M/T 法）的内容是在所检测时间内，不仅要测量电机转动的旋转脉冲的个数，并且还要同步测量已知高频时基脉冲的个数，通过两个时基脉冲的个数，计算出被测量目标的转速15。其公式如式所示。 （2-4）但该方法也有一个选择检测时间合理性的问题，检测时间太短和检测时间过长都不合适。测频法（M 法）适用于被测电机在高速转动时进行测量，测周期法（T 法）适用于检测被测电机在低速旋转中，而频率/周期法（M

19、/T 法）的测量方法是结合了 M 法和T法的优点于一身，从在理论上来讲，可以实现一个宽范围的转速测量。2.4 PID控制原理PID算法主要实现直流电机速度控制的准确性，通过闭环控制进行调速。图2-6 PID控制系统工作原理比例系数 对系统性能的影响主要是调节系统灵敏度、响应速度和稳态误差。如果 偏大就会使调节时间加长16。当 过大时，系统就会不稳定。但过小，又会使系统的响应速度变慢。积分控制 对系统性能的影响主要是调节系统的稳定性，当 减小时（即积分作用增强）会使系统不稳定性提高，但可以消除稳态误差，提高控制精度17。微分控制 对系统性能的影响主要是可以改善动态特性， 不能过大也不能偏小18。

20、只有当 合适时，才能使超调量较小并缩短调节时间。数字PID控制的基本原理就是利用速度的偏差来计算系统的输出量，在不断的调整过程中使速度最终趋于稳定19。数字PID算法一般又被分为位置式和增量式两种类型。位置式PID算法缺点主要是计算时要对偏差进行累加，计算量较大。而增量式PID每次只输出控制量的增量，所以本系统采用增量式PID算法。增量式PID算法公式如下所示： （2-5）第3章 Proteus硬件设计及软件仿真3.1硬件电路整体设计思路按照本次毕业设计的题目要求，我主要将硬件电路分为以下几个重要部分。第一部分是调速部分，主要是由独立按键输入、单片机和测速电路等几个模块组成，功能是通过独立按键

21、输入数值，控制单片机产生PWM波来驱动电机使直流电机转动并通过霍尔传感器测量电机实时转速，再传输给单片机。这时单片机通过PID控制调节所输出的PWM波的占空比，使电机的转速控制在一定我所设置的数值上下，还可以通过按键来控制电机两端的电平高低来控制电机的转向。第二部分是LCD1602显示模块，由LCD1602液晶屏显示出直流电机的实时转速和我所设置转速，并且达到时实对应。调速系统的硬件设计原理方框图如下图3-1所示。图3-1硬件设计方框图3.2 Proteus仿真软件介绍Proteus是一个用于开发单片机系统的EDA仿真软件。Proteus集硬件电路的编辑、编译、仿真于一身，从原理图的排版、代码

22、设计到硬件电路的仿真，真正实现了从概念到产品的完整设计。另外Proteus仿真软件还能与第三方开发环境（如Keil等）进行联合仿真调试。3.3 设计接线图3.3.1单片机最小系统单片机最小系统主要包括了复位电路、时钟电路、电源电路等。本次设计的单片机主要选用的是STC89C52RC芯片。单片机引脚如图3-2所示。 图3-2 STC89C52RC引脚图单片机的各引脚功能：VCC （40脚）：接+5v的电源端。VSS （20脚）：接地。P0.0P0.7口（39脚32脚）：P0口是既可作通用I/O口使用又可作为地址/数据总线使用，工作时，必须要求外接上拉电阻。P1.0P1.7口（1脚8脚）：P1口是

23、一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O。P2.0P2.7口（21脚28脚）：P2口与P1口的功能及用法相似。P3.0P3.7口（10脚17脚）：P3端口是一个具有多功能的端口，作为I/O口与P2口的功能及用法相似。下表介绍其复用功能。表3-1 P3口复用功能P3端口引脚序号引脚的复用P3.0RXD（串口的输入端）P3.0TXD（串口的输出端）P3.1（外部中断0）P3.2（外部中断1）P3.3T0（定时器0的输入端）P3.4T1（定时器1的输入端）P3.5(单片机外部数据存储器写使能端)P3.6(单片机外部数据存储器读使能端)RST(9脚)：单片机复位端。EA/VPP(31脚)：该引脚控制通过控

24、制电平高低对单片机访问的程序区进行选择，当该引脚保持低电平时，对外部程序区进行访问。当该引脚保持高电平时，对内部程序存储区进行访问。XTAL1(19引脚）：接外部晶振的一个引脚即外部晶振的输入端口，是单片机内部反向放大器的一个输入端。XTAL2(18引脚）：与XTAL1的用法相同。时钟电路主要由外接11.0592MHZ、两个30pF的起振电容和内部反相器组成。单片机的复位主要两种方式：上电复位和手动复位。上电复位是指当系统上电后，单片机的RST管脚被提供高电平，单片机实现复位状态。手动复位是指在系统上电状态下，按下复位键时，电源通过电阻对单片机复位端提供高电平，从而实现手动复位。通常下，这两种

25、复位方式被结合使用。接线图如3-3所示。图3-3 单片机最小系统连接图3.3.2按键本次设计总共采用了六个独立按键，它们的一端分别与单片机的P1.0P1.5口相连接，另一端接地。它们分别控制了电机的设置转速的百位、十位和个位、以及电机的转向和启停。按键的具体连接图如3-4所示。图3-4 按键连接图3.3.3 LCD1602显示屏（1）LCD1602的主要技术参数：（1）显示内容：162个字符（2）工作电压：4.5V5.5V（3）工作电流：2.0mA（4）模块最佳工作电压：5.0V（5）字符尺寸：2.954.35(WH)mm（2）引脚功能说明：第1脚：VSS接地。第2脚：VDD接+5V电源。第3

26、脚：VL为调整液晶显示偏压端，可以外接一个10K的电位器，并通过改变阻值调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择端。输入高电平时选择数据寄存器，输入低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读/写选择端。输入高电平时进行读操作，输入低电平时进行写操作。第6脚：E端为液晶显示屏的使能端。第714脚：D0D7为8位双向数据传输口。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。在本次设计中，我将LCD1602液晶显示屏的D0D7引脚与单片机的P0口相接，这时P0口要接入上拉电阻。显示屏的引脚RS、R/W和E分别与单片机的P2.0口、P2.1口和P2.2口相接。具体的接线方式如3-5所示。图3-5 LCD16

27、02连接图3.3.4电机驱动模块由于单片机STC89C532RC输出的PWM(脉宽调制)信号的电压值非常的小，没有办法直接驱动直流电机工作，因此要利用H桥电路来放大PWM的信号的电压值。在本设计中选用了L298N驱动芯片，该芯片是一种双H桥的电机驱动芯片，它可以同时驱动两个直流电机。其输入端可以直接与单片机相连，输出端与电机相连。我主要驱动一个直流电机，所以只采用了一组端口。它的工作方式是通过改变IN1、IN2和ENA的电平高低来控制电机的转向和启停。该芯片的内部电路结构如图3-6所示。图3-6 L298N芯片内部结构图它的引脚功能图如3-2表所示。表3-2电平信号输入表直流电机旋转方式IN1

28、IN2IN3IN4ENAENBM1正转HL/H/反转LH/H/停止LL/H/M2正转/HL/H反转/LH/H停止/LL/H在本系统的设计电路中，STC89C52RC单片机的P3.2引脚与L298N的ENA引脚相连接，作为驱动芯片L298N的使能端，P3.0引脚直接与驱动芯片L298N的IN 1引脚相连接，L298N的IN2引脚与P3.1引脚相连接。若要直流电机正向运转，就要单片机的P3.0输出高电平1，P3.1引脚输出低电平0；若要直流电机反向运转，就要单片机的P3.0引脚输出为低电平0，P3.1输出为高电平1；若要直流电机停止，就要单片机的P3.0引脚输出为低电平0，P3.1也输出为低电平0

29、。为了防止电机线圈产生反向感应电动势将三极管击穿，并在正反转时被用作续流，所以在直流电机前接四个二极管。本次设计主的控制对象是一个小型的直流电机，因此只使用了L298N的一个驱动端口端，其接线图如下图所示。图3-7电机驱动模块连接图3.3.5测速模块Proteus硬件仿真软件中的电机自带输出脉冲的功能，但在实际硬件设计中需要霍尔传感器来将转轴的运动转化为脉冲信号。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种新型的磁场传感器。霍尔效应是当运动的带点粒子在通过导体时，带点粒子会受在洛伦兹力的作用产生偏差，所以就会出现带电粒子分正负分别向两端聚集的现象，在导体的两个端面之间就会出现电势差形成横向电场。测速的定

30、义是通过对单片机能够识别的脉冲信号进行计数，以此来计算直流电机的速度。霍尔传感器它具有结构简单，体积小，寿命长等优点，所以在本设计中选择了霍尔传感器作为检测脉冲信号工具，如图 3-8为其基本的测量原理图。在直流电机的叶片上放置磁铁，当电机旋转时传感器产生相应的脉冲信号，此脉冲信号经过单片机的程序处理转化为直流电机的转速。图3-8 霍尔传感器接线图3.4软件仿真结果首先将硬件电路图按照上面的设计连接完成，再将C语言程序（HEX文件）下载入仿真单片机内，最后按下仿真按钮开始仿真。仿真结果如图3-9所示，从图中我们可以看出所设置的转速为60r/s。图3-9 电机仿真图第一步，按下按键RUN，电机开始工作，转速基本达到了我们设定的数值，在60r/s的速度附近上下波动。如图3-10所示。图3-10 电机运行图第二步，按下按键TURN，电机转向换向，由正向转动变化为反向转动。如图3-11所示。图3-11 电机换向图第三步，根据自己的需要，分别按下按键BAI、SHI、GE修改设定的电机转速，使电机转速达到自己想要的数值。我设置的转速为30r/s，仿真结果如图3-12所示。图3-12 重设转速图第四步，按下复位键，电机停止转动，整个系统恢复到初始的模样。图3-13系统复位图第4章 直流电机调速系统软件设计4.1软件总体设计思路系统软件设计是通过对程序的设计控制单片机，使它完成你