基于单片机的运动控制系统.docx

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基于单片机的运动控制系统

摘要

运动控制系统主要是电动机的控制，如今电动机在人们的工业生产和生活中起着十分重要的作用，其中直流电机以其优异的性能一直具有广泛的应用，而数字化控制是运动控制系统一个重要发展趋势。

本设计为基于单片机的运动控制系统，以AT89C52单片机作为控制核心，小型直流电机作为控制对象。

硬件部分包括电源电路、矩阵键盘、L298电机驱动电路、液晶显示等；软件部分包括按键扫描、PWM波生成、转速测量、PID调节、液晶显示以及上位机设计等。

利用定时器计算出电机实时转速，将实时转速在LCD1602上显示并通过串口发送给上位机，然后将实时转速与矩阵键盘设定的转速值比较，再经过PID调节，改变PWM波的占空比，从而调节电机转速。

经过多次调试，本系统基本能够实现转速无静差，而且抗扰动性能良好。

关键词：

单片机，PWM波，PID调节，直流闭环调速，上位机

ABSTRACT

Themotioncontrolsystemismainlydesignedforelectricmotor．Nowadays,theelectricmotorplaysacrucialroleinindustrialproductionandpeople’sdailylife.AndDCmotoriswidelyusedforitsoutstandingperformance.Meanwhile,digitalcontrolisanimportantdevelopmenttendencyinmotioncontrolsystem.

Thisisadesignofmotioncontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer，whichisthecyberneticcorewhilethecontrolobjectisasmallDCmotor.Inthesystem，thehardwarepartconsistsofpowercircuit、matrixkeyboard、DCmotordriverusedL298N、liquidcrystaldisplayetc;Andthesoftwarepartconsistsofkey-scansubroutine、PWMwavesubroutine、speedmeasurement、PIDregulation、LCDsubroutineandsupervisorsoftwareetc.Thesinglechipmicrocomputerworkoutthereal-timespeedwithitsinnertimer.Thenthereal-timespeedisshownonLCD1602andissenttosupervisorsoftwarethroughserialport.Next,thesinglechipmicrocomputerwillcomparethereal-timespeedwiththeset-speed，andaftertheregulationofPIDcontroller，thedutycycleofPWMwaveischanged.Asaresult，thespeedofDCmotorischanged.Aftermanytimesofsystemdebugging，thissystemisabletoeliminatesteady-stateerrorofspeedandhavegooddisturbance-resistantperformance.

KEY　WORDS:

SingleChipMicrocomputer,PWMWave,PIDregulation,closed-loopDCmotorspeedregulation，supervisorsoftware

第1章绪论………………………………………………………………………1

1.1运动控制系统的组成…………………………………………………1

1.2运动控制系统的发展…………………………………………………2

1.3单片机在电动机控制中的优点…………………………………………3

1.4上位机在控制工程中的作用……………………………………………4

1.5本次设计所研究的内容和意义…………………………………………4

第2章系统总体设计……………………………………………………………5

2.1系统设计及功能…………………………………………………………5

2.2调速方案选择……………………………………………………………5

2.3调压方案选择……………………………………………………………6

2.4控制回路选择……………………………………………………………7

2.5上位机界面设计选择……………………………………………………9

第3章硬件设计…………………………………………………………………11

3.1电源模块…………………………………………………………………11

3.2控制芯片选择……………………………………………………………12

3.3电机及驱动模块…………………………………………………………13

3.4转速及电流检测…………………………………………………………14

3.5键盘及显示模块…………………………………………………………15

3.6本章小结…………………………………………………………………16

第4章软件设计…………………………………………………………………17

4.1系统主程序设计…………………………………………………………17

4.2数字PID控制算法………………………………………………………17

4.3矩阵键盘设计……………………………………………………………18

4.4中断处理程序……………………………………………………………19

4.4.1PWM波生成程序…………………………………………………19

4.4.2重设参数程序……………………………………………………20

4.5转速测量及数字滤波……………………………………………………21

4.5.1转速测量…………………………………………………………21

4.5.2数字滤波…………………………………………………………22

4.6上位机程序设计…………………………………………………………22

4.7本章小结…………………………………………………………………24

第5章硬件调试…………………………………………………………………25

5.1硬件电路调试……………………………………………………………25

5.2软件调试…………………………………………………………………25

5.3系统联合调试……………………………………………………………28

5.4本章小结…………………………………………………………………29

第6章结论与展望………………………………………………………………30

6.1系统设计成果……………………………………………………………30

6.2经验收获…………………………………………………………………30

6.3展望………………………………………………………………………30

致谢…………………………………………………………………………………31

参考文献……………………………………………………………………………32

附录…………………………………………………………………………………33

第1章绪论

电动机能够实现电能与机械能之间的转换，根据电动机的数学模型可知，电机的输入量包括电压、电流、频率等，输出量包括转速、力矩、位移等，而运动控制系统的任务是通过控制电机的输入量来改变电机的输出量，使之满足人们的工业生产和其它方面的需求。

1.1运动控制系统的组成

典型的运动控制系统可分为三大部分，即控制、驱动、反馈。

由电动机、功率放大与变换装置、控制器和相应的转速、电流等传感器组成。

电动机作为运动控制技术的控制对象，从工作原理上可以分为直流电动机、交流异步电动机和交流同步电动机。

直流电机具有调速性能好、启动和制动转矩大、过载能力强等优点，因而广泛应用于启动和调速性能要求高的场合，但其结构复杂，消耗较多有色金属，制作成本高，维护比较麻烦，而且电刷和换向器限制了它的转速和容量，因此其应用受到了一定限制。

相比之下，交流电动机的结构简单，制作方便，价格便宜，运行可靠，改变励磁即可换向，无需机械换向器，因此其允许转速和容量均大于直流电机，但其缺点是：

必须从电网吸收滞后的无功电流来建立磁场，使得电网的功率因数变坏，电能损耗增加，但异步电动机存在启动和失步问题，而且在恒频电源供电时调速较为困难。

目前的功率放大和变换装置多采用电力电子型，早期的电路多采用半控型器件晶闸管SCR，只能通过门极使晶闸管开通，但无法使其关断，必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂。

随着电力电子技术的发展，电机调速得到快速提升，采用全控型电力电子器件，无需强迫换流，主回路结构简单，而且其开关频率很高，提高了调速质量。

目前的电力电子器件已经由单一的器件发展成为具有驱动、保护的功能的功率模块，提高了可靠性。

运动控制器可分为模拟控制器和数字控制器，模拟控制器主要有运算放大器和电气元件实现，虽然控制信号流向直观，控制规律体现在硬件电路上但线路复杂，而且模拟器件性能容易受到温度的影响。

以微处理器为核心的数字控制器控制规律体现在软件设计上，容易修改，没有温度漂移问题。

但是前者的运算能并行运行，滞后时间可忽略，数字控制器为串行工作方式，滞后时间相对较大，为此可采用高速处理器减少滞后时间。

为了使运动控制系统具有较好的调速性能，常采用转速、电流、位置等反馈回路，为此需要采用传感器进行信号检测。

同时由控制理论可知，控制系统对反馈通道上的扰动无抑制作用，因此传感器必须具有较高的精度，才能保证控制系统的准确性。

电流传感器输出多为模拟量，转速、位置传感器输出可为模拟量或数字量，为此对于采用数字控制器的系统必须将反馈信号变换为数字量。

同时在实际应用中，反馈信号中往往存在扰动信号，因而必须对反馈信号进行滤波，在模拟控制系统中多采用一阶、二阶RC滤波电路，而数字系统中除了滤波电路外，还多采用光耦隔离，同时与软件滤波相结合的方法。

1.2运动控制系统的发展

在现代化的生产和生活电动机一直起着十分重要的作用，自电力拖动技术诞生起，通过人们长期的研究和实践，调速系统取得了巨大的发展。

对电动机控制可分为简单控制和复杂控制。

简单控制指通过继电器、可编程控制器和开关器件，对电动机的启动、制动和正反转控制。

复杂控制指对电动机的转速、转角、电流等物理量的精确控制。

早期，对电机的简单控制应用较多，但随着人们对自动化需求的提高，复杂控制逐步成为主流，广泛应用于各个方面。

例如军事方面的军事雷达、火炮瞄准等；宇航方面的卫星导航、飞船光电池对太阳的追踪控制等；工业方面的数控机床、工业机器人、泵和压缩机、绕线机等；办公设备的扫描仪、打印机、复印机等；早期的电机调速主要采用直流电机，但随着电力电子技术、传感器技术、自动控制技术的发展，交流电机也具有很高的调速性能，但直流电机调速系统由于具有很高的调速性能，而且控制比较简单，因此仍具有很重要的作用。

直流电机的数学模型简单，只有一个输入量（电枢电压）和一个输出量（转速），转矩容易控制，它的励磁电流和电枢电流可以分别控制，调速方法比较简单，能够在较宽的范围内平滑而经济的调速。

交流电机虽然结构简单，但它的动态数学模型非常复杂，输入量有电压和频率，输出量有转速和磁通；异步电动机的电流乘以磁通产生转矩，转速乘以磁通产生感应电势，因此其数学模型为非线性的；异步电动机的定子三相绕组和转子三相绕组之间存在交叉耦合，又由于各绕组的电磁惯性，其动态模型为高阶系统，因此异步调速系统是一个强耦合、非线性、高阶的多变量系统。

整流变频技术的发展影响着调速系统的性能，目前的电动机驱动装置主要采用开关速度快、控制更容易的全控型器件MOSFET和IGBT。

上世纪晶闸管整流技术的发展大大促进了直流调速技术的发展，而且直流转速调节器的设计也具有较为简单且实用的工程设计法。

早期的交流调速系统是基于异步电机稳态模型设计的，但无法保证其动态性能，其调速性能远不如直流调速系统，目前主要有调压调速和变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）技术、电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术、电压空间矢量PWM（SVPWM）技术等促进了高性能变频器的应用，因而促进了交流调速的发展。

目前基于异步电机动态数学模型的高性能调速系统主要有直接转矩控制系统和矢量控制系统，能够实现转速和磁链的分别控制，使得异步电机的调速性能得到大大提升。

永磁材料技术的发展与微电子技术的结合产生了新型电机如交流伺服电机、永磁直流电机等。

近些年，运动控制系统向智能化方向发展，这主要是由于模糊控制、专家系统和神经网络的应用。

智能控制与传统控制器相结合，既保证了控制精度，又增加了系统的自调整和决策能力。

1.3单片机在电动机控制中的优点

目前，电子技术、计算机技术与电机控制技术结合的趋势十分明显，使得电动机的控制部分由传统的模拟控制逐步向以微处理器为主的数字控制方向发展。

微处理器代替模拟控制器具有如下优点：

（1）简化电路结构，提高控制精度和稳定性

模拟控制器为了实现逻辑控制往往需要很多的电子器件，使得电路非常复杂。

而采用微处理器可利用软件编程实现逻辑控制，不必搭建复杂的逻辑电路。

在数字控制中多采用数字电子器件，可避免在模拟电路中经常出现的温度漂移等问题，提高控制精度。

（2）实现较复杂的控制，增强系统灵活性

微处理器的控制通过软件实现，因此针对不同的控制对象可以在软件中修改控制规律和控制器参数，不必修改系统硬件。

比如当更换电机时，可以在软件中修改控制器的PID参数。

在系统调试时，可以不断地尝试最优参数。

而且微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，由大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制。

（3）价格低廉，性能提升

目前可作为电机控制器的器件有很多，如工业控制计算机，可编程控制器（PLC），数字信号处理器（DSP）等。

工业控制机功能最强大，运算速度最快，但由于成本高、体积大，许多场合根本无法使用，只能适用于大型控制系统；可编程控制器则恰恰相反，它只能实现一些逻辑判断、定时计数和一些简单运算，因此只能用于简单的电机控制。

人们在选择电动机控制器时首先应满足调速需要，再优先选择低成本控制器；单片机的性能介于工控机和可编程逻辑控制器，具有较强的控制功能和低廉的成本。

许多单片机生产公司在单片机内部增加了PWM输出口、比较和捕获功能、A/D转换等，并增加了看门狗、各种串行总线接口等功能。

其中PWM口一经初始化设定便输出PWM波，可用于电机驱动，捕获和定时功能可用于电机测速，而且在用测速电机进行测速或者反馈电枢电流时必须用到A/D转换，将A/D功能集成在单片机中带来了极大便利，另外电机的启动和制动会影响电网电压，除了采用必要的隔离、屏蔽，可以使用看门狗不断见识程序运行情况，一旦程序跑飞，单片机便复位。

而且近年来单片机出现了各种串行总线如SPI总线等，抗干扰能力增强。

单片机采用了流水线技术如美国Microchip公司的PIC系列8位单片机，指令的执行和提取可同时进行，大大提高了单片机速度，高速运行对于电机的实时控制起到了至关重要的作用。

（4）体积小和低功耗

单片机目前多采用串行总线，同时采用内部FLASH存储器，只保留用于扩展存储器的引脚，这样单片机就有更多的引脚用于I/O口，而且总的引脚数目减少，使得单片机的体积减小。

低电压和低功耗也是单片机的特色，如ARM采用3V电压供电，且大多数单片机都有休眠省电的工作方式，这些措施都减少了单片机耗电。

1.4上位机在控制工程中的作用

许多的单片机控制系统中，上、下位机分工明确，作为下位机核心的单片机具有较强的现场抗扰动能力和性价比，往往负责实时控制以及数据的采集和通信，它的数据分析能力较差，往往将这些数据传送给PC机，由相应的软件进行处理、分析和保存。

而上位机通常以基于图形界面的Windows系统为操作平台，具有强大的数据处理能力和良好的用户交互界面，如VisualBasic创建的图形化界面和MatlabGUI等，采集到的现场数据绘制成图形，方便用户进行数据分析。

1.5本设计所研究的内容和意义

本次设计的题目为“基于单片机的运动控制系统设计”，根据题目要求，设计内容有：

（1）研究直流电机的工作原理和调速方法。

（2）确定合适的电机驱动方式，编写驱动程序。

（3）选择合适的控制规律，并配置合适的控制器参数。

（4）采用VisualBasic语言编写上位机界面，检测电机运行运行状态。

本设计的意义主要有：

虽然目前针对交流电机发明了高性能调速技术，可以获得和直流电机相似的高动态性能，交流电机的应用日趋广泛，但直流电机具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、较大的启动转矩，控制比较简单，其研究成果比较成熟，可以作为学习交流调速系统的基础。

随着微处理器性能的不断提升，极大地满足了对电机控制的需求，采用单片机作为控制核心简化了系统结构，采用闭环控制，不仅可以提高控制精度，而且可以加深对控制理论知识的理解，提高对专业知识综合运用的能力。

第2章系统总体设计

本章首先介绍了此次设计的系统所要实现的功能，然后根据直流电机转速公式简要介绍了常用的调速方法，之后分析了两种不同的可控直流电源设计方法并介绍了不同结构的调速系统的特点，最后介绍了两种上位机界面设计工具的特点。

2.1系统设计及功能

直流电机虽然结构复杂、成本高，但因其优良的调速性能和成熟的工程设计，它在高精度调速场合仍然占有一席之地。

本次设计采用直流电机作为控制对象，以AT89C52单片机作为控制核心，通过4*4矩阵键盘设定电机运行参数，矩阵键盘按键功能分布为：

0-9数字键用于设定转速，设定键和删除键用于确定或删除输入的转速值，正转键和反转键确定转动方向，还有启动键和停止键。

另外本次设计能够在电机不停车的情况下重新设定转速和方向。

通过光电编码器进行测速，利用A/D转换器进行电枢电流测量，将转速测量值和电流测量值反馈到单片机形成闭环控制，并将设定参数和实际测量参数在液晶屏上显示，最后通过单片机串口将参数传送到上位机以图形的形式显示出来，并保存。

系统设计框图如图2.1所示：

图2.1系统设计框图

2.2调速方案选择：

直流电动机的稳态转速公式：

式中N——转速（r/min）；U——电枢电压（V）；I——电枢电流（A）；R——电枢回路总电阻（Ω）；Ce——电机电动势常数。

由此表达式可以看出直流电机调速方法如表2.1所示：

表2.1直流电机调速方法

调速方法

具体实现方法

调速特点

控制电枢电压

改变电机电枢电压，保持磁通恒定

基速以下无级平滑调速，效率高，结构复杂，适合恒转矩负载

控制励磁磁通

调节励磁电流，减弱励磁磁通，保持电枢电压恒定

基速以上小范围内无级平滑调速，适合于恒功率负载

控制电枢回路电阻

在电枢回路串接电阻

基速以下有级调速，结构简单但效率低下

由于本次设计要求电机在一定的范围内实现无级平滑调速，故选择控制电枢电压为最佳方案。

2.3调压方案选择

自动控制的直流调速系统主要以变压调速为主，调节电枢电压首先要有可控直流电源，目前的可控直流电源主要包括两大类，第一类为相控整流器，它把交流电源直接变换成可控的直流电源。

该类电源主要用于晶闸管整流器—电动机调速系统即V_M系统，该系统利用同步电路获得与交流电源同步的正弦交流信号，以确定各元件的自然换向点和移向范围，通过调节触发装置的的控制电压来移动触发脉冲的相位，改变控制角α,进而改变可控整流器的平均输出电压，从而实现直流电机的平滑调速。

晶闸管整流器的功率放大倍数很高，响应迅速，运行损耗小，但是该类系统输出脉动的电压波形，造成了电流波形的脉动，这样就有可能使主电路出现电流连续或断续的情况。

在V_M系统中，电流连续时，机械特性还比较硬；电流断续时，机械特性比较软，而且出现非线性特点，影响系统运行性能。

晶闸管整流电路的不足之处还有：

（1）由于晶闸管是单向导电的，不允许电流反向，因此在电机的可逆运行时，必须使用正反两组可控整流电路。

（2）晶闸管对过电压、过电流都十分敏感，由于是通过对门极的移相触发控制，在电机低速运行时，其导通角很小，使得系统的功率因数变差。

第二类为直流脉宽变换器，它先用不可控整流电路把交流电变换成直流电，在利用PWM脉宽调制技术调节输出的直流电压。

利用脉宽调制的方法，把恒定的直流电源调制成频率一定、宽度可调的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压，进而改变电机转速。

直流PWM变换器—电动机系统的主电路简单，需要的电力电子器件少，而且采用的全控型器件的开关频率很高，电流容易连续，谐波少。

与V-M系统相比，低速性能好，稳态精度高，因而调速范围宽，而且由于采用不可控整流电路，电网的功率因数比较高。

但是该系统也有它自身的缺点：

（1）在有制动电流通道的不可逆直流PWM调速系统中，由于PWM变换器的直流电源通常有不可控的二极管整流得到，因此当电机工作于制动状态时，由于二极管的单向导电性，电能不能返回交流电网，只能对滤波电容充电，使得直流侧电压升高，称为“泵升电压”，有可能将滤波电容击穿。

（2）如果采用双极性控制，有可能使四个开关器件同时处于开关状态，开关损耗增大，并且在切换时可能导致上下桥臂直通的事故，此时变换器的输出电压为

，式中

—PWM波高电平持续时间；T—PWM波周期；Us—直流电源电压。

由表达式知当PWM波的占空比为0.5时，电机停止转动，但此时电机的电枢电压瞬时值并不为零，而是正负交变的脉冲电压，因而电枢电流也是交变的，由于其平均值为零，故不会产生平均转矩，只会造成转矩脉动，增大电机的损耗。

综合比较两种调压方案的优缺点选择电路相对简单，调速性能较好的的PWM直流调速系统。

2.4控制回路选择

根据控制理论的知识，直流调速可以分为开环控制和闭环控制。

而对于调速系统转速控制的要求包括：

（1）调速：

在系统所允许的最高转速和最低转速之间，有级或无级的调节转速。

（2）稳速：

能够以一定精度在所需的转速上稳定运行，在扰动作用下，能够尽快的回复，避免较大的转速波动。

（3）加、减速：

加速、减速应尽量快而平稳。

衡量调速系统的稳态性能指标为：

“调速范围（D）”和“静差率（S）”，二者和额定转速之间的关系为：

式中

—额定速降。

由关系式知调速范围和静差率之间相互制约，为了既要扩大调速范围，又要降低静差率，只能减少负载所引起的转速降落，但是在开环调速系统中，转速降落由电机参数所决定，因此开环系统无法实现该目标，而且开环系统抗扰动性能较差，因此在精度要求较高的场合多采用闭环控制。

目前的直流调速系统主要有单闭环和双闭环控制系统。

单闭环调速系统一般采用转速负反馈，引入转速负反馈后，系统在同样负载扰动下的转速降落要比开环系统小得多，机械特性也比较硬，同时对于同样的静差率要求，其调速范围提高许多。

究其原因，虽然在闭环调速系统中，电机的额定转速降落