基于L298芯片PWM控制直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目：基于L298芯片PWMfe制直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)院系名稱：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)1302學(xué)生姓名：張鵬濤學(xué)號(hào):201323020219指導(dǎo)教師：曹毅成績(jī):指導(dǎo)教師：日期：摘要近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，直流具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，為滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，對(duì)直流電機(jī)調(diào)速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求,通過(guò)PWMT式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。本論文主要研究了利用

2、MC5俾片機(jī)控制PWM&號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓改變最后控制直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，并且通過(guò)單元模塊電路分析了整個(gè)系統(tǒng)的工作原理。以C語(yǔ)言進(jìn)行軟件編寫(xiě),通過(guò)軟件編程對(duì)PW此號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié),單片機(jī)根據(jù)程序進(jìn)行操作，進(jìn)一步控制了H橋電路的輸入信號(hào)，而測(cè)速系統(tǒng)把電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋給單片機(jī)通過(guò)按鍵控制其轉(zhuǎn)速，LCDffi轉(zhuǎn)速顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、變向等功能，這種設(shè)計(jì)方法的電路簡(jiǎn)單，具有操作簡(jiǎn)單、非常實(shí)用前景和價(jià)值。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；MC51PWMI速；L298;LCD1602目錄引言1一、調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)21.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)說(shuō)明21.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2二、調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)與原理22.1

3、基于單片機(jī)的電機(jī)控制設(shè)計(jì)22.1.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介22.1.2 單片機(jī)在電機(jī)控制方面的應(yīng)用42.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)52.2.1 驅(qū)動(dòng)電路原理介紹52.2.2 驅(qū)動(dòng)電路的專用芯片選用及設(shè)計(jì)62.2.3 調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及分析72.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計(jì)82.3.1 速度采集的原理及方法82.3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計(jì)92.4 顯示模塊設(shè)計(jì)92.4.1 顯示模塊的原理與方法92.4.2 顯示模塊電路設(shè)計(jì)112.5 鍵盤(pán)輸入模塊設(shè)計(jì)112.5.1 鍵盤(pán)輸入模塊的原理與方法112.5.2 鍵盤(pán)輸入模塊電路設(shè)計(jì)12三、調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字部分的設(shè)計(jì)與原理133.1 PID控制器133.1.1 PID控制

4、的原理與方法133.1.2 數(shù)字PID算法的實(shí)現(xiàn)133.2 數(shù)字測(cè)速模塊143.2.1 數(shù)字測(cè)速模塊的設(shè)計(jì)思想與算法143.2.2 數(shù)字測(cè)速系統(tǒng)流程圖153.3 12864LCD顯示模塊153.3.1 12864LCD顯示器的制方法153.4 行列式鍵盤(pán)輸入模塊173.4.1 行列式鍵盤(pán)輸入模塊的設(shè)計(jì)思想173.4.2 行列式鍵盤(pán)輸入模塊的程序流程圖183.5 .PWM調(diào)速方法設(shè)計(jì)183.5.1 對(duì)PWM6制的介紹183.5.2 PWM脈沖的產(chǎn)生193.5.3 PWM脈沖產(chǎn)生模塊的程序流程圖19設(shè)計(jì)心得20參考文獻(xiàn)21附錄1（完整電路圖）22附錄2（程序源碼）23引言對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可

5、分為兩類：勵(lì)磁控制與電樞電壓控制。勵(lì)磁控制調(diào)速法是通過(guò)控制磁通，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。這類方法，控制功率?。晦D(zhuǎn)速較低時(shí)，收到磁飽和的限制；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，收到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制；而且，由于勵(lì)磁線圈存在較大電感，導(dǎo)致了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以，此法應(yīng)用較少。電樞電壓控制方式也可分為兩種：一為調(diào)節(jié)電壓，二為調(diào)節(jié)電流。過(guò)去傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)是采用模擬電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，這種電路優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)快，但是靈活性較差，難易維修。然而單片機(jī)作為一種可編程控制器，已經(jīng)得到成熟的應(yīng)用。本課題設(shè)計(jì)是以51系列單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比由數(shù)字PID算法控制的PW嘛沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時(shí)利用光電編碼器將

6、電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)反饋到單片機(jī)中，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，以達(dá)到轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)。人機(jī)界面采用12864LCD顯示器顯示電機(jī)當(dāng)前的參數(shù)、正反轉(zhuǎn)狀態(tài)、轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行時(shí)間，通過(guò)44鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)：數(shù)字PID參數(shù)設(shè)置、電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加速、減速、啟動(dòng)、停止。一、調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)說(shuō)明本文設(shè)計(jì)了一個(gè)直流電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)，以MC5俾片機(jī)為控制核心產(chǎn)生PWM1號(hào)對(duì)直流電機(jī)的供電電源進(jìn)行控制從而達(dá)到調(diào)速目的。采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，以軟件編程方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)速，應(yīng)具備必要的人機(jī)界面可對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，并可以手動(dòng)調(diào)整控制器的PID參數(shù)，具備堵轉(zhuǎn)保護(hù)等必要的保護(hù)手段。其中總體

7、設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)如下模塊：PWMF生及控制、功率放大及驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)測(cè)速、閉環(huán)速度反饋電路、PID控制器、速度顯示、鍵盤(pán)控制、保護(hù)性電路。1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖拿大砌昭功政鱉二、調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)與原理2.1 基于單片機(jī)的電機(jī)控制設(shè)計(jì)2.1.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)是指CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及基本輸入/輸出（I/O）接口電路等部件集成在一塊芯片上，這樣組成的芯片及微型計(jì)算機(jī)，稱之為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱為單片微機(jī)或單片機(jī)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)都是按工業(yè)控制的要求設(shè)計(jì)制作的，常用作于工業(yè)的檢測(cè)、控制裝置中，因此也稱作微控制器或嵌入式控制器。我國(guó)目前廣泛使用的MCS-51系

8、列單片機(jī)，性價(jià)比較好，8031、8051都屬于51系列。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括：中央處理器、只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、并行輸入/輸出口、定時(shí)/計(jì)時(shí)器、中斷系統(tǒng)。時(shí)鐘源INT1POPlP2P3TXDRXD圖2.2-1MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖MCS-51系列單片機(jī)為哈佛結(jié)構(gòu)，就是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)，相互獨(dú)立。它的性能特點(diǎn)有：1內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：4KB;2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：128KB;3外部程序存儲(chǔ)器：可擴(kuò)展到64KB;4外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：可擴(kuò)展到64KB;5輸入/輸出口線：32根（4個(gè)端口，每個(gè)端口8根）；6定時(shí)/計(jì)數(shù)器：2個(gè)16位可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；7用行:全雙工，2根；8寄存器區(qū)：在內(nèi)部數(shù)據(jù)

9、寄存器的128B中劃出一部分作為寄存器區(qū)，分為4個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)8個(gè)通用寄存器；9中斷源：5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)；10堆棧：最深128B;11布爾處理器：就是處理器，對(duì)某些單元的某位做單獨(dú)處理；12指令系統(tǒng)（系統(tǒng)時(shí)鐘為12MHz時(shí)）：大部分指令執(zhí)行時(shí)間為1us,少部分指令執(zhí)行時(shí)間為2us,只有乘、除指令的執(zhí)行時(shí)間為4usoFSEW*ALE*f.、l地址H在器,一-Hffift立南面劇iliMz明動(dòng)播rc3ZTMF2定時(shí)和后耐用喝寄存器3TAIBfgHUHT堆橙秀針中斷由行口定時(shí)事正娟F期一-存器Ir'麗謹(jǐn)3驅(qū)動(dòng)珊三-壬田-I-H44WW-i-F-FlO-P1rFS0P3.Tu一E>t

10、圖2.2-2MCS-51單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖MCS-51單片機(jī)都采用40腳雙列直插式封裝，40個(gè)引腳中有：2個(gè)專用于主電源，2個(gè)外接晶振，4跳控制或與其他電源復(fù)用的引腳，32個(gè)I/O引腳。2.1.2 單片機(jī)在電機(jī)控制方面的應(yīng)用在單片機(jī)控制的電機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)的輸入信號(hào)一般是：用作頻率或轉(zhuǎn)速設(shè)定的運(yùn)行指令，用作閉環(huán)控制和過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)的電機(jī)系統(tǒng)電流、電壓反饋量，用于轉(zhuǎn)速、位置閉環(huán)控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角信號(hào)，用作缺相或瞬時(shí)停電保護(hù)的交流電源電壓信號(hào)等。從計(jì)算機(jī)輸出地信號(hào)主要為：交流裝置功率半導(dǎo)體元器件的觸發(fā)信號(hào)，用于控制輸出電壓、電流的頻率、幅值和相位信號(hào)，電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行和故障狀態(tài)指示信號(hào)，及上

11、位機(jī)或系統(tǒng)的通信信號(hào)等。單片機(jī)在電機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的主要功能有：邏輯控制功能，運(yùn)算、調(diào)節(jié)和控制功能、自動(dòng)保護(hù)功能、故障檢測(cè)和實(shí)時(shí)診斷功能。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用單片機(jī)控制具有的優(yōu)越性：容易獲得高精度的穩(wěn)態(tài)調(diào)整性能，可獲得優(yōu)化的控制質(zhì)量，能方便靈活地實(shí)現(xiàn)多種控制策略，提高系統(tǒng)工作的可靠性。2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)2.2.1 驅(qū)動(dòng)電路原理介紹在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面，普遍應(yīng)用H橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速，如圖2.2 -1。圖2.2-1H橋驅(qū)動(dòng)電路由圖可知，H橋驅(qū)動(dòng)電路由4個(gè)三極管與電機(jī)組成，其形狀與字母H相似,所以被稱為“H橋驅(qū)動(dòng)電路”。若想要讓電機(jī)運(yùn)行，需要導(dǎo)通對(duì)角的兩個(gè)三極管，Q1與Q4或Q2與Q3。當(dāng)Q

12、1與Q4導(dǎo)通時(shí)，如圖2.2-2。圖2.2-2電機(jī)順時(shí)針運(yùn)行電流從從電源正極流出后，從Q1由左向右流過(guò)電機(jī)，再?gòu)腝4流出回來(lái)電源的負(fù)極。此時(shí)，電流以從左往右的方向流過(guò)電機(jī)，從而使電機(jī)按順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)Q2與Q3導(dǎo)通時(shí)，如圖2.2-3。圖2.2-3電機(jī)逆時(shí)針運(yùn)行電流從從電源正極流出后，從Q3由右向左流過(guò)電機(jī)，再?gòu)腝2流出回來(lái)電源的負(fù)極。此時(shí)，電流以從右往左的方向過(guò)電機(jī)，從而使電機(jī)按逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)。2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路的專用芯片選用及設(shè)計(jì)為了使驅(qū)動(dòng)電路更加穩(wěn)定可靠，并且減少布線，決定采用專用芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作。L298N是一款由SGS公司生產(chǎn)的直流電機(jī)控制芯片。它的內(nèi)部包含兩個(gè)H橋的高電壓大電

13、流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。以L298N構(gòu)造組成的PWM功率放大器的工作形式為單級(jí)可逆模式，2個(gè)H橋的下側(cè)橋晶體管發(fā)射極連接在一起。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。圖2.2-4L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2.3 調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及分析本調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖2.2-6所示。圖2.2-6L298巧區(qū)動(dòng)電路ENAIN1IN2電機(jī)運(yùn)行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)HIN2IN1快速停止LXX停止表2.2-1

14、L298輸入輸出關(guān)系表根據(jù)上表可得，當(dāng)使能控制端ENA為高電平時(shí)，將PWM控制信號(hào)送至輸入端IN1與IN2,便可以控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1端為PWM信號(hào)，而IN2端為低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)IN2端為PWM信號(hào)，而IN1端為低電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1端與IN2端都為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋路上的4個(gè)晶體管均處于截止?fàn)顟B(tài)，這樣使正在運(yùn)行的電機(jī)的電樞電流反向，電機(jī)便自由停止。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行同時(shí)，瞬間導(dǎo)通另一組晶體管，將使電機(jī)快速停止。電機(jī)的在轉(zhuǎn)速上的調(diào)節(jié)由單片機(jī)產(chǎn)生不同占空比的PWM信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計(jì)2.3.2 速度采集的原理及方法本調(diào)速系統(tǒng)中由于要將電機(jī)當(dāng)前采樣的速度與上次

15、采樣的速度進(jìn)行比較，計(jì)算出偏差，然后進(jìn)行PID運(yùn)算，因此速度采集電路在整個(gè)系統(tǒng)中是不可缺少的。目前在速度采集技術(shù)上主要有以下三種方法：方法一：霍爾集成片。這是由三片霍爾金屬板組成的器件，當(dāng)磁鐵正面朝向金屬板時(shí)，便產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，金屬板會(huì)產(chǎn)生橫向?qū)ǖ默F(xiàn)象。因此，我們只要把磁片安裝在電機(jī)上，并將霍爾集成片安裝在固定軸上，這樣便可以將電機(jī)的速度以脈沖的形式檢測(cè)出來(lái)。方法二：測(cè)速發(fā)電機(jī)。將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)測(cè)速發(fā)電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生大小取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。方法三：光電編碼器。這是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感

16、器。將上訴三種方法進(jìn)行比較，由于高性能的霍爾元件較難購(gòu)置，且成本較高，所以不采用方法一。測(cè)速發(fā)電機(jī)雖然采樣精度較高，但是其實(shí)際的安裝電路較復(fù)雜，而且成本也是三者中最高的，所以也不予采用。因此，本課題將采用方法三：光電編碼器來(lái)作為電機(jī)轉(zhuǎn)速采集模塊的傳感器。光電編碼器由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一個(gè)一定直徑的圓板上等分地裁剪出若干個(gè)長(zhǎng)方形孔如圖2.3-1(a)所示。光電碼盤(pán)與電機(jī)同軸，當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子器件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)的脈沖信號(hào)。再通過(guò)計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)光電編碼器輸出的脈沖數(shù)，從而得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速如圖2.3-1(b)所示。而且，編碼盤(pán)還可提供相位相

17、差冗/2的兩路脈沖信號(hào)來(lái)判斷旋轉(zhuǎn)方向圖2.3-1光電編碼器原理圖2.3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計(jì)圖2.3-2測(cè)速模塊電路圖2.4 顯示模塊設(shè)計(jì)2.4.2 顯示模塊的原理與方法為了使調(diào)速系統(tǒng)能讓人更直觀地觀察到電機(jī)在調(diào)速期間的運(yùn)行狀況，所以，顯示模塊是不可缺少的。目前在顯示模塊主要有以下三種方式：方法一：LED數(shù)碼管顯示器。是由發(fā)光二極管作為發(fā)光單位制作而成。通過(guò)控制輸入顯示器的段碼信號(hào)來(lái)控制顯示器。具顯示接口電路分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。方法二：液晶顯示器LCD。其分為點(diǎn)陣型與字符型兩種，點(diǎn)陣型液晶可顯示圖形和文字，字符型液晶只能顯示字符。將上訴兩種方法進(jìn)行比較，LED數(shù)碼管顯示器雖然在控制

18、方面較為簡(jiǎn)單，但是占用的資源較多，且無(wú)法顯示本課題所需的信息量，所以方法一不予采用。液晶顯示器LCD因其功耗小、體積小等特點(diǎn)，且符合本課題要求，所以予以采用。LCD顯示模塊存在多種不同的型號(hào)與規(guī)格，對(duì)于不同的規(guī)格和型號(hào)的液晶顯示器而言，它們的控制方法是一樣的。針對(duì)本課題的要求，對(duì)于所需顯示的信息量，在顯示模塊選擇了128M64LCD液晶顯示器，它主要是由行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器以及128M64圈點(diǎn)陣液晶顯示器組成，既能進(jìn)行漢字顯示（16父16）以及圖形顯示。128M64LCD共有20個(gè)弓|腳，其引腳分布如圖2.4-1所示，其引腳功能如表2.4-2所示。1玄zigin尋cnzioM凸s,圖2.4-21

19、128X64LCD液晶顯示器模塊引腳圖引腳符號(hào)引腳功能引腳符號(hào)引腳功能1VSS電源地15CS1CS1=1芯片選擇左邊64*64點(diǎn)2VDD電源止+5V16CS2CS2=1芯片選擇右邊64*64點(diǎn)103VO液晶顯示驅(qū)動(dòng)電源17/RST復(fù)包（低電平啟效）4RSH:數(shù)據(jù)輸入；L:指令碼輸入18VEELCD驅(qū)動(dòng)負(fù)電源5R/WH:數(shù)據(jù)讀取；L:數(shù)據(jù)寫(xiě)入19A背光電源（+）6E使能信號(hào)。20K背光電源（-）7-14DB0-DB7數(shù)據(jù)線有些型號(hào)的模塊19、20腳為空腳表2.4-212864LCD液晶顯示器模塊引腳功能2.4.3 顯示模塊電路設(shè)計(jì)本調(diào)速系統(tǒng)的顯示模塊電路設(shè)計(jì)如圖2.4-3所示圖2.4-3128M

20、64LCD液晶顯示器模塊電路圖2.5 鍵盤(pán)輸入模塊設(shè)計(jì)2.5.2 鍵盤(pán)輸入模塊的原理與方法由于本直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要求通過(guò)按鍵形式對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)控制，包括:正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止、啟動(dòng)以及PID控制器的參數(shù)設(shè)定。所以按鍵11輸入模塊是本系統(tǒng)的人機(jī)界面部分至關(guān)重要的一部分。目前在鍵盤(pán)輸入模塊主要有以下兩種方法：方法一：獨(dú)立式鍵盤(pán)。每個(gè)鍵占用一個(gè)I/O口。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，缺點(diǎn)是所占用端口資源較多。方法二：行列式鍵盤(pán)。行列式鍵盤(pán)由行線跟列線組成。以對(duì)行線和列線進(jìn)行掃描的方法來(lái)確認(rèn)鍵值。其優(yōu)點(diǎn)是在鍵盤(pán)較多的情況下，占用的I/O口資源較少，缺點(diǎn)是相對(duì)于獨(dú)立式鍵盤(pán)而言，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。將上

21、訴兩種方法進(jìn)行比較，本課題要求完成電機(jī)的加速、減速、啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)控制，以及對(duì)P、I、D三項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，所以所需的按鍵較多。若采用獨(dú)立式鍵盤(pán)勢(shì)必占用大量的I/O口資源，所以方法一不予以采用。而行列式恰好滿足了本課題的要求，所以采用方法二。2.5.3 鍵盤(pán)輸入模塊電路設(shè)計(jì)本調(diào)速系統(tǒng)的顯示模塊電路設(shè)計(jì)如圖2.5-1所示。圖2.5-1行列式鍵盤(pán)輸入模塊電路圖12三、調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字部分的設(shè)計(jì)與原理3.1 PID控制器3.1.1 PID控制的原理與方法對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，通常要求其具有快速性、穩(wěn)定性的品質(zhì)和性能指標(biāo)，本課題為了提高調(diào)速系統(tǒng)對(duì)直流電機(jī)在速度運(yùn)行的上述要求，將采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)對(duì)本直流電機(jī)調(diào)

22、速進(jìn)行優(yōu)化，并采用數(shù)字PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)靜差運(yùn)行。圖3.1-1PID控制器的原理框圖增益常數(shù)（系數(shù)）上升時(shí)間過(guò)沖建立時(shí)間穩(wěn)態(tài)誤差KP減少增大很小變化減小KI減少增大增加消除KD很小變化減小減少很小變化圖3.1-2積分（I）和比例積分（PI）控制階躍響應(yīng)3.1.2 數(shù)字PID算法的實(shí)現(xiàn)在單片機(jī)的應(yīng)用中，可選用的控制方法其實(shí)很多，但最常用的還是數(shù)字PID算法。通過(guò)最優(yōu)控制理論可以證明，PID控制能夠滿足非常多工業(yè)控制對(duì)象的控制要求。PID算法也存在多種算法，如位置式PID算法、增量式PID算法等。本課題的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用的核心算法是增量式PID算法，它是根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比

23、較，求出誤差e（t）,然后通過(guò)P、I、D用算，一步步逼近設(shè)定值，最終輸出運(yùn)算結(jié)果來(lái)控制PWM脈沖的占空比來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)兩端的電壓值，從而達(dá)到控制點(diǎn)自己轉(zhuǎn)速的作用。13增量式PID算法公式為:u(n)=Kpe(n)-e(n-1)Kie(n)Kde(n)-2e(n-1)e(n-2)U0數(shù)字增量式PID程序的流程如圖3.1-4所示:圖3.1-4數(shù)字增量式PID程序流程圖3.2 數(shù)字測(cè)速模塊3.2.1 數(shù)字測(cè)速模塊的設(shè)計(jì)思想與算法單片機(jī)接收從光電編碼器的脈沖，然后進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速,最后將轉(zhuǎn)速值傳送給LCD顯示與PID控制模塊。如圖3.2-1所示圖3.2-1數(shù)字測(cè)速模塊設(shè)計(jì)思想利用單片機(jī)

24、的外部中斷來(lái)記錄脈沖數(shù)。每當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)一周記為一個(gè)脈沖，由脈沖觸發(fā)外部中斷，累計(jì)外部中斷的次數(shù)，除以編碼盤(pán)上的總開(kāi)口數(shù)，便可得到編碼器旋轉(zhuǎn)地圈數(shù)。再利用單片機(jī)的定時(shí)器，利用軟件定時(shí)產(chǎn)生1秒的定時(shí)時(shí)間，在1秒定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，所記錄的外部中斷發(fā)生中斷的次數(shù)，便是電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/s)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：v=n(r/s)v=60(r/min)N*tN*t143.2.2數(shù)字測(cè)速系統(tǒng)流程圖(b)(c)圖3.2-2（a）系統(tǒng)主程序流程圖（b）外部中斷流程圖（c）定時(shí)器中斷流程圖3.3 128M64LCD顯示模塊3.3.1 128X64LCD顯示器的控制方法在前面的章節(jié)已經(jīng)對(duì)128X64LCD顯示器的引腳分布以及引

25、腳功能做了說(shuō)明,下面我們來(lái)介紹下128M64LCD顯示器的控制方法。讀狀態(tài)D/IR/WEDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0011BUSY0ON/OFFRST0000如果BUSY=1,表示系統(tǒng)正忙，不能操作；只有BUSY=0時(shí)，才能操作寫(xiě)指令D/IR/WEDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB01500下降沿指令寫(xiě)數(shù)據(jù)D/IR/WEDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB010下降沿顯示數(shù)據(jù)將8位數(shù)據(jù)寫(xiě)入已確定的顯示存儲(chǔ)器的單元內(nèi)。操作每完成一個(gè)列地址，列地址計(jì)數(shù)器加1.顯示開(kāi)關(guān)設(shè)置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000011111D當(dāng)D=

26、1時(shí)，開(kāi)顯示；當(dāng)D=0時(shí)，關(guān)顯示顯示起始行設(shè)置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011顯示起始行（063）有上表可知，DB5至DB0為顯示起始行的地址，取值在0至3FH（1至64行）之問(wèn)，它所規(guī)定的是顯示器屏幕上顯示內(nèi)容的最頂一行所對(duì)應(yīng)的顯示存儲(chǔ)器的行地址。3.3.2128X64LCD顯示器的顯示子程序流程圖圖3.3-2寫(xiě)入16M16漢字程序流程圖163.4 行列式鍵盤(pán)輸入模塊3.4.1 行列式鍵盤(pán)輸入模塊的設(shè)計(jì)思想單片機(jī)讀取行線和列線當(dāng)前的電平高低，確認(rèn)是否有按鍵按下，然后通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算確定鍵值，輸出鍵值，用于：改變電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，128M64LCD顯示相關(guān)參數(shù)，設(shè)定

27、PID參數(shù)。如圖3.4-1所示。圖3.4-1鍵盤(pán)輸入模塊設(shè)計(jì)思想行列式鍵盤(pán)編程要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)目標(biāo)：鍵的正確判斷。先使某行值為“0”。再讀取列值，如果讀取得到的列值是“0”,則說(shuō)明所在行和列的交叉處的鍵被按下。鍵去抖動(dòng)。當(dāng)掃描到有鍵按下時(shí)，延時(shí)10ms再判斷該鍵是否仍是按下的，若不是，則將它當(dāng)做誤操作處理。這樣可以有效對(duì)按鍵動(dòng)作進(jìn)行消抖。鍵值確定。根據(jù)行號(hào)、列號(hào)建立一個(gè)鍵值數(shù)據(jù)表，鍵值存于數(shù)據(jù)表中，當(dāng)相應(yīng)的按鍵按下時(shí)，再?gòu)闹腥℃I值。通過(guò)相應(yīng)的鍵值執(zhí)行其對(duì)應(yīng)的代碼。173.4.2 行列式鍵盤(pán)輸入模塊的程序流程圖圖3.4-2行列式鍵盤(pán)程序流程圖3.5 .PWM調(diào)速方法設(shè)計(jì)3.5.1 對(duì)PWM控制的介

28、紹U-IRn由電機(jī)原理可得一下公式：Ka(5-1)在確定的調(diào)速系統(tǒng)中，I、R、K及小都是確定，則由式(5-1)可知，轉(zhuǎn)速n與直流電機(jī)的電樞電壓存在一定關(guān)系，只要調(diào)節(jié)點(diǎn)數(shù)電壓U,就能改變轉(zhuǎn)速n,此法稱為調(diào)壓調(diào)速法。由于全空性功率電子器件的逐步發(fā)展，PWM控制技術(shù)與開(kāi)關(guān)功率電路已經(jīng)成為主流技術(shù)，以其能減小功率器件導(dǎo)通損耗、提高驅(qū)動(dòng)效率等優(yōu)點(diǎn)，所以在功率應(yīng)用方面已經(jīng)基本取代了現(xiàn)行功率放大電路。在PWM控制技術(shù)中，讓功率器件按一個(gè)固定頻率工作在“開(kāi)”與“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)，即開(kāi)關(guān)飽和和導(dǎo)通狀態(tài)。通過(guò)這種方式來(lái)改變公路器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的通、斷的時(shí)間，來(lái)改變負(fù)載兩端的平均電壓的大小。當(dāng)這個(gè)負(fù)載為直流電機(jī)時(shí)，就

29、實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。下面舉例說(shuō)明下，PWM的工作原理，如下圖所示：18設(shè)T為脈沖的周期，t1為電樞兩端高電平時(shí)電壓為Ud所用的時(shí)間，a為占空比，得：口=tJT因此，我們可得電樞兩端電壓的平均值：Us=aUd若電壓幅值Ud=5V,周期T=10ms,脈寬ti=6ms,則占空比a=5/10=50%,得：電樞兩端的平均電壓Us=5750%=2,5V3.5.2 PWM脈沖的產(chǎn)生單片機(jī)的PWM口。新一代的單片機(jī)增加了許多功能，其中包括PWM功能。在這些單片機(jī)中我們只要通過(guò)初始化設(shè)置，就能使其PWM輸出口自動(dòng)輸出PWM脈沖波，只有在改變占空比時(shí)CPU才進(jìn)行干預(yù)。本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器0設(shè)置周期計(jì)數(shù)，若計(jì)數(shù)到10

30、0歸零，主函數(shù)中可以根據(jù)計(jì)數(shù)值控制引腳高低電瓶所占比，即控制電機(jī)占空比。3.5.3 PWM脈沖產(chǎn)生模塊的程序流程圖圖3.5-6PWM脈沖程序流程圖19設(shè)計(jì)心得本設(shè)計(jì)對(duì)基于L298芯片PWM控制直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)做了一個(gè)粗淺的探討。它是以51系列單片機(jī)為控制核心，加上一定量的外圍電路，通過(guò)L298驅(qū)動(dòng)芯片完成對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，通過(guò)PWM脈沖波完成對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速，通過(guò)數(shù)字PID與測(cè)速模塊形成速度閉環(huán)系統(tǒng)完成對(duì)直流電機(jī)的無(wú)靜差調(diào)節(jié)。并通過(guò)人機(jī)界面，完成對(duì)電機(jī)運(yùn)行的參數(shù)設(shè)置，且直觀地觀察電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很多問(wèn)題，我通過(guò)尋找書(shū)籍以及網(wǎng)絡(luò)資料進(jìn)行改善與解決，該系統(tǒng)還存在不足之處

31、有待改善。鑒于本水平有限，有不對(duì)之處，望包涵，多多指教。20參考文獻(xiàn)1張強(qiáng)等.基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)M.北京：中國(guó)電力出版社出版2谷腰欣司等.直流電動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用技巧M.北京：科學(xué)出版社出版3劉偉.PWM技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中的應(yīng)用D.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)電子與通信工程專業(yè)4張千帆，寇寶泉.電機(jī)控制集成電路的選用：第五講直流電機(jī)PWM控制芯片UC3637的選用J.微電機(jī)5余建國(guó).基于單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制方法J.產(chǎn)品與技術(shù)系統(tǒng)&裝置.電器時(shí)代20066薛英杰.用于單相電機(jī)調(diào)速的單片PWM控制技術(shù)A.伺服技術(shù)21附錄1（完整電路圖）22附錄2(程序源碼)#include<reg

32、51.h>#include<lcd12864.h>#defineGPIO_KEYP1/#defineuintunsignedintuintduty=0.3;/intnum;sbitMOTOR_1=P2A5;sbitMOTOR_2=P2A6;sbitEN_MOTOR=P2A7;intchange=1;/intTarSpd=0;/intCurSpd=0;/intstop_flag=0;/intspeed_count=0;/intnum_medium;/intnum_display;/定義矩陣鍵盤(pán)端口占空比a(01)電機(jī)正反轉(zhuǎn)1:正轉(zhuǎn)2:反轉(zhuǎn)真實(shí)速度測(cè)量速度停車(chē)標(biāo)志位計(jì)數(shù)，20次為

33、1s脈沖個(gè)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)(使用)uinte0,e1,e2,kp,ki,kd,vpa;voidDelay10ms();/voidKeyDown();voidmotor_control();charKeyValue=0;/延時(shí)10ms/檢測(cè)按鍵函數(shù)鍵值116voidmain(void)(IT0=0;/外部中斷0采用電平觸發(fā)方式；邊沿觸發(fā)為1下降沿有效TMOD=0x01;TH0=(65536-20)/256;TL0=(65536-20)%256;TH1=(65536-50000)/256;/50msTL1=(65536-50000)/256;EA=1;ET0=1;TR0=1;ET1=1;TR1=1;EX

34、0=1;/開(kāi)外部中斷0TarSpd=0.5;/電機(jī)速度LCD_Init();LCD_Location(0,0);LCD_PrintStr("基于L298芯片PWM空制直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)while(1)();KeyDown();/按鍵掃描23調(diào)節(jié)switch(KeyValue)case 1: kp+=0.1;break;/pidcase 2: kp-=0.1;break;case 3: ki+=0.1;break;case 4: ki-=1;break;case 5: kd+=1;break;case 6: kd-=0.1;break;case 7: TarSpd+=0.1;bre

35、ak;/力口速case 8: TarSpd-=0.1;break;/減速case 9: change=1;break;/正轉(zhuǎn)case10:change=2;break;/反轉(zhuǎn)case11:stop_flag=1;break;/停車(chē))motor_control();if(change=1)if(num<=100*duty)MOTOR_1=1;elseMOTOR_1=0;MOTOR_2=0;if(change=2)if(num<=100*duty)MOTOR_2=1;elseMOTOR_2=0;MOTOR_1=0;)LCD_Location(0,16);LCD_PrintStr(&qu

36、ot;設(shè)定速度:");LCD_Location(80,16);LCD_PrintNum(TarSpd,2);LCD_Location(0,32);LCD_PrintStr("當(dāng)前速度:");LCD_Location(80,32);LCD_PrintNum(CurSpd,2);*函數(shù)名函數(shù)功能:KeyDown:檢測(cè)有按鍵按下并讀取鍵值*voidKeyDown(void)chara=0;GPIO_KEY=0x0f;if(GPIO_KEY!=0x0f)/讀取按鍵是否按下24Delay10ms();/延時(shí)10ms進(jìn)行消抖if(GPIO_KEY!=0x0f)/再次檢測(cè)鍵盤(pán)是