毕业设计直流电机PID调速系统Word文件下载.docx

毕业设计直流电机PID调速系统Word文件下载.docx

《毕业设计直流电机PID调速系统Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计直流电机PID调速系统Word文件下载.docx（36页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

ThisarticlemainlyintroducesthemethodtogeneratethePWMsignalbyusingMCS-51single-chipcomputertocontrolthespeedofaD.C.motor.ItalsoclarifiestheprinciplesofPWMandthewaytoadjustthedutycycleofPWMsignal.Inaddition,IR2110hasbeenusedasanactuatingdeviceofthepoweramplifiercircuitwhichcontrolsthespeedofrotationofD.C.motor.What’smore,hallelementisusedinthissystemtomeasurethespeedofD.C.motor.TheresultofthemeasurementissenttoMCS-51single-chipcomputerafterpassingthefilteringcircuit,andfinallythefeedbacksingleisstoredinthesingle-chipcomputerandparticipatesinaPIDcalculation.Asforthesoftware,thisarticleintroducesindetailtheideaoftheprogrammingandhowtomakeit..

Keywords:

PWMsignal，hallelement，PIDcalculation

1.引言………………………………………………………………6

1.1开发背景………………………………………………………6

1.2选题的目的和意义……………………………………………6

1.3研究方法………………………………………………………6

2.硬件电路设计……………………………………………………7

2.1整体电路设计…………………………………………………7

2.1.1整体理论………………………………………………7

2.1.2整体简单结构图………………………………………7

2.2系统电源………………………………………………………8

2.3直流电机的调速原理…………………………………………8

2.4单片机…………………………………………………………92.4.18052单片机的基本组成……………………………9

2.4.2本次设计各端口利用情况…………………………9

2.4.3单片机的扩充需要…………………………………10

2.4.3.1地址锁存器……………………………………10

2.4.3.2程序存储器……………………………………11

2.4.3.3数据存储器……………………………………11

2.4.3.4单片机扩展电路及分析………………………12

2.5霍尔元件测速电路…………………………………………13

2.5.1霍尔原理………………………………………………13

2.5.2霍尔元件测速图………………………………………14

2.5.3霍尔矩形波滤波电路…………………………………15

2.6直流电机驱动电路…………………………………………15

2.6.1功率放大芯片的要求及选取…………………………16

2.6.1.1设计要求………………………………………16

2.6.1.2芯片选取………………………………………17

2.6.2驱动电路设计图………………………………………19

2.6.3驱动过程分析…………………………………………19

2.7键盘电路……………………………………………………22

2.7.1独立式键盘连接原理…………………………………22

2.7.2连接图…………………………………………………22

2.8计数器电路…………………………………………………23

2.8.1测量频率法……………………………………………23

2.8.2带同步控制的频率测量………………………………24

3.软件设计………………………………………………………24

3.1软件设计整体理论……………………………………………24

3.1.1控制器公式分类………………………………………24

3.1.2控制系统中的应用与图形解释………………………25

3.1.3参数的调整……………………………………………29

3.1.4PID的增量算法………………………………………30

3.2软件设计流程图………………………………………………31

3.3软件具体程序设计……………………………………………32

4.系统调试………………………………………………………35

4.1软件调试……………………………………………………35

4.2系统仿真……………………………………………………36

5.结束语…………………………………………………………38

致谢……………………………………………………………39

参考文献………………………………………………………40

1.引言

1.1开发背景

电动机在现代的工业中，是主要的驱动设备，尤其是直流电动机，由于它的平滑调速性和结构上的简单，使其成为许多电器，如洗衣机，电梯等的驱动。

而对于直流电机的控制，最流行的莫过于采用可控硅装置向电动机供电，即KZ—D拖动系统。

起初的控制系统是发电机—电动机系统，相当的笨重。

随着电力电子技术和单片机的成熟应用，使得直流电机调速系统从模拟化向数字化转变。

而PWM脉宽调制，是现在应用最成熟的方法。

它来源于电力电子的桥式电路，通过单片机可进行简单的模拟，而将它们结合起来，由电力电子元件组桥进行方向控制，而由单片机产生PWM波控制晶闸管的门极。

调节占空比就能够控制电机的平均电压，从而控制电机的转速。

1.2选题的目的和意义

直流电动机调速应用于实际中各个方面，工业，家电等，因为它能够在一个相当大的范围内进行平滑调速。

但是早起以模拟元件为控制装置的系统，由于模拟元件本身的缺陷，导致硬件复杂，功能简单，不灵活，误差大，无法实行精确的调速。

单片机的应用解决了这个问题的一部分，误差可由许多完善的算法来解决，而且减小了硬件的复杂性。

使得直流调速逐步由模拟化向数字化转变，使直流调速进入一个更加智能与可靠的新阶段。

1.3研究方法

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。

利用霍尔元件测速电路测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号反馈给单片机，在内部进行PID运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。

2.硬件电路设计

2.1整体电路设计

2.1.1整体理论

单片机直流电机调速简介：

单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。

通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

本系统以89C52单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。

系统控制方案的分析：

本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。

本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。

而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。

2.1.2整体简单结构图

2.2系统电源

2.3直流电机的调速原理

图1所示电枢电压为Ua，电枢电流为Ia，电枢回路总电阻为Ra,电机常数Ca，励磁磁通量是Φ。

根据KVL方程：

电机转速n=（Ua-IaRa）/CaΦ,其中，对于极对数p，匝数为N，电枢支路数为a的电机来说：

电机常数Ca=pN/60a,意味着电机确定后，该值是不变的。

而在Ua-IaRa中，由于Ra仅为绕组电阻，导致IaRa非常小，所以Ua-IaRa约等于Ua。

由此可见我们改变电枢电压时转速n即可随之改变。

而电枢电压由单片机控制。

本次选择的直流电机（所选电机的额定转速为2000转/分钟）为被控对象，以MCU为控制器设计一个转速反馈单闭环PID控制系统，使系统稳态误差为零，最大超调量小于10%

2.4单片机

2.4.1．8052单片机的基本组成

8052单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

其基本组成如下图所示：

图2-28052基本结构图

中央处理器CPU：

它是单片机的核心，完成运算和控制功能。

内部数据存储器：

8052芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。

通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。

内部程序存储器：

8052芯片内部共有8K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。

定时器：

8052片内有3个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。

中断控制系统：

该芯片共有6个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断3个和串行中断1个。

2.4.2本次设计各端口利用情况

8052单片机引脚图

2.4.3单片机的扩充需要

由于本次设计按c语言编写设计，数据存储器，程序存储器都需要扩展来增大内存。

以下是所选取的两种存储器和一个地址锁存器

2.4.3.1地址锁存器

地址锁存器可以选择多种，有地址锁存功能的器件有74LS373、8282、74LS273等，8282是地址锁存器，功能与74LS373类似，但本系统选用74LS373作为地址锁存器，考虑到其应用的广泛性以及具有良好的性价比，成为目前在单片机系统中应该较广泛的地址锁存器。

74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。

当使能端呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存。

如果此时芯片的输出控制端为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。

其引脚图如图2-4所示：

图2-474L373引脚图

2.4.3.2．程序存储器

存储器是单片机的又一个重要组成部分，其中程序存储器是单片机中非常重要的存储器，但由于其存储空间不足，常常需要对单片机的存储器空间进行扩展，扩展程序存储器常用芯片有EPROM（紫外线可擦除型），如2716（2KB）、2732（4KB）、2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）等，另外还有＋5V电擦除E2PROM，如2816（2KB）、2864（8KB）等等。

考虑到系统功能的可扩展性以及程序功能的扩展，本系统采用16KB的27128作为程序存储器扩展芯片，在满足系统要求的前提下还存有一定的扩展空间，是本系统最合适的程序存储器扩展芯片。

27128的引脚图如图2-5所示：

图2-527128结构图

2.4.3.3．数据存储器

8052单片机有128BRAM，当数据量超过128B也需要把数据存储区进一步扩展。

常用RAM芯片分静态和动态两种。

静态RAM有6116（2KB）、6264（8KB）等，动态DRAM2164（8KB）等，另外还有集成IRAM和E2PROM。

使用E2PROM作数据存储器有断电保护数据的优点。

数据存储器扩展常使用随机存储器芯片，用的较多的是Intel公司的6116容量为2KB和6264容量为8KB。

本系统采用容量8KB的6264作为数据存储器扩展芯片。

其引脚图如图2-6所示：

图2-66264引脚图

2.4.3.48052单片机扩展电路及分析

图2-78052单片机扩展电路及分析

接线分析：

P0.7---P0.0：

这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。

第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。

第二种情况是8052带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

P2.7---P2.0：

这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。

它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

P3.7---P3.0：

这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。

它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同。

VCC为+5V电源线，VSS为接地线。

ALE/

：

地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，8052CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/

线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。

/VPP：

允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。

如果

=1，那么允许使用片内ROM；

=0，那么允许使用片外ROM。

XTAL1和XTAL2：

片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。

石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于8052片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

2.5霍尔元件测速电路

2.5.1霍尔原理

转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。

其单位为r/min。

转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。

霍尔元件是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。

具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小耐高温等特性。

霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l、b、d。

若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外加磁场B，在沿l方向的两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。

由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：

fl＝qVB式中：

fl――洛仑磁力，q――载流子电荷，V――载流子运动速度，B――磁感应强度。

这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差UH称为霍尔电压。

霍尔电压大小为：

UH=RH×

I×

B/d（mV）

式中：

RH---霍尔常数，d---元件厚度，B---磁感应强度，I---控制电流。

设KH=RH/d，则UH=KH×

B（mV）

KH为霍尔器件的灵敏系数（mV/mA/T）,它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。

应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。

若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响。

霍尔转速传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。

霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号,其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单<

输出电平可与各种数字电路兼容等特点。

霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。

霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。

2.5.2霍尔元件测速图

通往定时器T2端口P1.0

2.5.3霍尔矩形波滤波电路

由霍尔电路出来的单向脉动直流波，是由强度不变的直流成分和一个以上的交流成分叠加形成的。

为了使脉动直流电变得较为平稳，把其中的交流成分滤掉，叫做滤波。

滤波有电容滤波、电感滤波等。

本系统中对直流电采用电容滤波的方式，使得直流电压变得更加平稳，调速更加精确。

电路图如图2-15所示：

图2-16滤波电路

2.6直流电机驱动电路

2.6.1功率放大芯片的要求及选取

2.6.1.1设计要求

这部分是开关电源的灵魂，是连接控制单元与功率管的桥梁。

控制单元出来的电平一般无法直接驱动功率管，需要有一个电平的转换及电流驱动；

对于驱动电路而言，功率管的栅极即为负载，一般的功率管栅源之间有一个寄生电容，故驱动电路的负载是一个容性负载，若驱动电流不够，或提高频率，方波会产生畸变，无法达到设计目的。

因此功率电子的驱动是整个设计的重点，也是难点。

开关稳压电源中的功率开关管要求在关断时能迅速关断，并能维持关断期间的漏电流近似等于零；

在导通时要求能迅速导通，并且维持导通期间的管压降也近似等于零。

开关管趋于关断时的下降时间和趋于导通时的上升时间的快慢是降低开关晶体管损耗功率，提高开关稳压电源效率的主要因素。

要缩短这两个时间，除选择高反压、高速度、大功率开关管以外，主要还取决于加在开关管栅极的驱动信号。

驱动波形的要求如下：

a.驱动波形的正向边缘一定要陡，幅度要大，以便减小开关管趋于导通时的上升时间；

b.在维持导通期间内，要能保证开关管处在饱和导通状态，以减小开关管的正向导通管压降，从而降低导通期间开关管的集电极功率损耗；

c.当正向驱动结束时，驱动幅度要减小，以便使开关管能很快地脱离饱和区，以减小关闭储存时问；

d.驱动波形的下降边缘也一定要陡，幅度要大，以便减小开关管趋于截止时的下降时间。

理想的驱动波形如图1所示。

其中图1（a）是漏极电压和电流波形图，图1（b）是栅极驱动信号波形图。

2.6.1.2芯片选取

功率放大驱动芯片有多种，其中较常用的芯片有IR2110和EXB841，但由于IR2110具有双通道驱动特性，且电路简单，使用方便，价格相对EXB841便宜，具有较高的性价比，且对于直流电机调速使用起来更加简便，因此该驱动电路采用了IR2110集成芯片，使得该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。

芯片IR2110性能及特点:

①简介IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。

它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。

高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。

与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。

降低了产品成本和减少体积。

②IR2110是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器，具有自居浮动电源，驱动电路十分简单，只用一个电源可同时驱动上下桥臂。

但是IR2110芯片有他本身的缺陷，不能产生负压，在抗干扰方面比较薄弱，以下详细结合实验介绍抗干扰技术。

③芯片功能简介IR2110包括：

逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂侧输出和下桥臂侧输出。

逻辑输入端采用施密特触发电路，提高抗干扰能力。

输入逻辑电路与TTL／COMS电平兼容，其输入引脚阈值为电源电压Vdd的10％，各通道相对独立。

由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，允许逻辑电路参考地（VSS）与功率电路参考地（COM）之间有－5V～＋5V的偏移量，并且能屏蔽小于50ns脉冲，这样便具有较理想的抗噪声效果。

两个高压MOS管推挽驱动器的最大灌入或输出电流可达2A，上桥臂通道可以承受500