【基于單片機的直流電機的轉(zhuǎn)速控制探究（論文）8600字】

的寬度大小便會變動，即頻率保持穩(wěn)定，變動寬度水平。對上述三類方法作出選擇時，不同的方法會對系統(tǒng)所具有的性能特征造成直接影響。其中第一以及第二類方法較為類似，均通過周期(即頻率狀況)變動來對占空比大小進行控制，然而容易存在這樣的問題，如果系統(tǒng)所具有的穩(wěn)定頻率和它所選擇進行操控的頻率大小相對于較接近時,就可能會造成較為劇烈的動蕩，通常較少被使用，因此在這個系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中主要采用的是第三類方式。2.3PWM實現(xiàn)方式方案一：使用定時儀器給相關(guān)的脈寬調(diào)定具體的時間，系統(tǒng)自動生成的脈沖寬度大小將會極為確切。方案二：在電腦中編制相關(guān)的程序，通過這一程序來自動給電機生成一定的脈沖。然而這個方法在精確度上比前一個方法低，所以筆者選取了第一個方案。筆者選擇在本次研究中采用閉環(huán)型系統(tǒng)，這種類型系統(tǒng)所具有的優(yōu)點是有較好的反饋性能。在被控制量偏離設(shè)定數(shù)值時，可經(jīng)由相關(guān)的反饋效用修正出現(xiàn)的偏誤。為了能夠達(dá)到對直流電機運轉(zhuǎn)速度的平穩(wěn)操控，本次研究選擇運用單片機來當(dāng)做核心的操控板塊，以此為基礎(chǔ)對相關(guān)的直流調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計，這個系統(tǒng)采用控制儀器形成了PWM波，再經(jīng)由相關(guān)的驅(qū)動電路進行放大之后產(chǎn)生了能夠?qū)χ绷麟姍C進行操控的脈寬，作用相關(guān)的速率傳感儀器，對電機所具有的運轉(zhuǎn)速度進行測定，之后將獲得的速率方面信息傳輸至系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)在接收之后會反饋具體的數(shù)據(jù)信號，對PWM進行有效調(diào)整，以此實現(xiàn)對于直流電機的有效控制。3直流調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1總體硬件電路設(shè)計直流電機直流電機AT89S52單片機（速度的測量計算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）轉(zhuǎn)速檢測驅(qū)動電路鍵盤控制LED顯示PWM圖3-1直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖在設(shè)計出來的這個系統(tǒng)當(dāng)中所使用的是AT89C52型號單片機來用作是調(diào)試系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，選取了通過脈寬調(diào)制（Pulse-WidthModulation，能夠簡寫為PWM）的方法，來對占空比的狀況進行調(diào)節(jié)，進一步對于直流電機轉(zhuǎn)動的速度進行把控。在設(shè)計的系統(tǒng)調(diào)試過程當(dāng)中，通過模擬PWM信號的集成，然后再使用驅(qū)動電機，同時根據(jù)光電編碼器本身所具有的性能，就可以計算得出電機的速度，最終能夠把電壓信號反饋到單片機當(dāng)中，達(dá)成想要達(dá)成的目標(biāo)。單片機同樣會展開PID運算，借助單片機的功能，輸出相應(yīng)的控制量，構(gòu)建起一個閉環(huán)控制，實現(xiàn)對于電機速度的把控。3.2單片機最小系統(tǒng)電路單片機、晶振時鐘電路和復(fù)位電路三個方面搭建起了最小的單片系統(tǒng)。正如下面的圖3-2所展示的這樣，單片機在處于正常運轉(zhuǎn)的背景下，時鐘節(jié)拍是非常關(guān)鍵的，應(yīng)當(dāng)在時鐘把控的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。時鐘芯片作為系統(tǒng)的“心率”，實際上是單片機能夠維持正常工作一定要具備的。時鐘控制一定給要供給一個基礎(chǔ)的定時，單片機才可以維持正常工作，復(fù)位電路的目的在于令程序在上電開始亦或是執(zhí)行的期間，一旦產(chǎn)生錯誤的情況可以快速糾正過來，避免程序跑飛。復(fù)位電路的目的在于令程序在上電開始亦或是執(zhí)行的期間，產(chǎn)生錯誤可以快速糾正過來，把程序從0地址開始重新執(zhí)行的時候，避免程序步入了死循環(huán)消耗內(nèi)存空間。單片機的基準(zhǔn)時鐘是需要系統(tǒng)的時鐘電路提供的，12個時鐘周期建構(gòu)起來單片機一條指令，時鐘電路是單片機執(zhí)行時間與周期程序所應(yīng)當(dāng)應(yīng)用的。時鐘電路應(yīng)當(dāng)與外部晶振配合實施工作。圖3-2AT89C52最小系統(tǒng)電路圖3.3LCD1602顯示電路這個系統(tǒng)所使用的是LCD1602顯示電機的設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際跟蹤轉(zhuǎn)速。LCD1602一共具備了16個管腳,接地端是1引腳與16引腳,2引腳和15是電源供電的管腳，其中接地端需要連接電源的GND,電源供電管腳需要連接到直流5V電源的VCC,背光亮度的調(diào)節(jié)端是3引腳,若對于背光亮度不具備特別的需求,能夠使用一個10k的電位器來調(diào)整背光亮度,不然的話就會導(dǎo)致顯示問題4引腳是數(shù)據(jù)/命令選擇（R/S）控制引腳，單片機的P2.0是屬于讀寫控制引腳（W/R），5引腳，接入單片機的P2.1,6引腳應(yīng)當(dāng)接單片機的P2.2屬于使能引腳（Enble），最末端的7-14引腳屬于數(shù)據(jù)端D0-D7，應(yīng)該要利用10K的上拉排阻接入單片機的P0口，因為P0口具有弱上拉功能，想要作為普通IO口用必須加電阻上拉從而輸出高電平，正如下面的圖3-3所展示的是LCD顯示電路。圖3-3LCD1602顯示電路圖3.4電機驅(qū)動電路電機是由L298N驅(qū)動芯片驅(qū)動的電機，L298N是驅(qū)動大電流設(shè)備的雙H橋芯片，能夠驅(qū)動直流電機和步進電機等常見電機，通過IN1和IN2控制直流電機的正反轉(zhuǎn)，通過OUT2輸出驅(qū)動信號給電動機。電機驅(qū)動的電路如圖3-4所示。圖3-4電機驅(qū)動電路圖3.5鍵盤控制電路通過按鍵能夠?qū)崿F(xiàn)電機的加速、減速和正反轉(zhuǎn)。鍵盤控制電路如圖3-5所示。圖3-5鍵盤控制電路圖4直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1PWM調(diào)速軟件設(shè)計這個部分的軟件設(shè)計是固定頻率調(diào)節(jié)、固定寬度頻率調(diào)制還有寬調(diào)節(jié)頻率調(diào)制。在本篇文章當(dāng)中所采用的是固定頻率的調(diào)節(jié)方式，選擇的是固定頻率的調(diào)節(jié)方式能夠達(dá)成還留電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，與此同時在達(dá)成PWM脈沖的過程中也較為簡便。MCU的內(nèi)部定時器位是PWM信號軟件得以達(dá)成的必然要求。從定時器這個方面來說，選用不一樣的MCU，而且因為定時器所具備的特征一般來說都是不一樣的。即便是一樣的型號的MCU工作的方式還是有所差別，亦或是所選用的晶體振蕩器有所差別，這樣的話定時器當(dāng)中所具備的初始值與定時時間的相對也會有所差別。接著,定時器中的初始值和定時時間的相對性應(yīng)當(dāng)要予以確認(rèn)。目前,倘若微控制器當(dāng)中的位與時鐘頻率是定時器/計數(shù)器所在的位置,則定時時間和定時器初始值之間所具備的關(guān)系實際上是：式（4-1）式中，個機器周期的時鐘數(shù)；定時器定時初值。一般來說，模型的不同會決定著N值也有所差別。在真實的設(shè)計內(nèi)容里面，通常都會選用確定的模型，同時提供相應(yīng)的值。在此次的設(shè)計當(dāng)中，頻率是12MZ的微控制器?？偠灾胍獙﹄姍C的速度進行把控，就應(yīng)當(dāng)要對占空比進行把控，同時還可以完成對于占空比的把控,知識借助對于各個定時值Tw展開設(shè)置就可以對它的占空比進行變動。4.2系統(tǒng)程序設(shè)計單片機在完成初始化之后會實現(xiàn)顯示刷新，主要是顯示電機的轉(zhuǎn)速以及設(shè)置的轉(zhuǎn)速的把控，同時能夠借助按鍵子程序來達(dá)成電機的正反轉(zhuǎn)和加減速的操作，然后調(diào)用PID算法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的跟隨控制。主程序流程圖如下圖所示。圖4-1主程序流程圖4.2LCD顯示子程序設(shè)計圖4-2LCD顯示子程序流程圖LCD1602可以顯示電機的設(shè)定速度和跟隨速度，主要的程序流程是首先需要清屏，光標(biāo)復(fù)位，設(shè)置顯示模式；然后自動右移，讀取顯示的數(shù)據(jù)，從第一行開始讀取，第一行讀取結(jié)束后再去讀取第二行。逐行顯示數(shù)據(jù)，寫入緩存，最后就顯示出我們需要的效果。5仿真調(diào)試對軟件的調(diào)試和對硬件的調(diào)試是需要互相配合的，一般來說是先需要單獨調(diào)試其次再將兩者實現(xiàn)一樣的調(diào)試，因此系統(tǒng)調(diào)試是需要軟件調(diào)試以及硬件調(diào)試這兩個不同的部分共同構(gòu)成的，單獨的調(diào)試前述工作已經(jīng)完成，所以本章的主要工作就是仿真的綜合調(diào)試。5.1程序裝載和仿真調(diào)試軟件的調(diào)試進行仿真大多數(shù)都是使用Keil與Proteus這兩種軟件。編輯好程序,畫出程序的原理框圖以后,就能夠電腦上促使Proteus對這種程序?qū)嵤┓抡?。建立相?yīng)的全新的工程,選用的是AT89C51處理器;接著再重新建立起一個文檔的編輯過程,編輯工作完畢后將其中的.asm文件進行了保存之后,把這些文件當(dāng)中的.asm文件添加到工程當(dāng)中。按鍵Project之后的"Target1"來實現(xiàn)對于目標(biāo)額選取。在彈出對話框上面的Target項當(dāng)中輸入一個晶振12m,接著再勾到Useon-chipRom。在Output項里面勾選CreateHEX

File。最終有一個編譯器,keil就能夠自動生成.hex文件。然后將系統(tǒng)的原理示意圖在Proteus環(huán)境里面進行描繪,再運用Proteus

來進行仿真,模擬過程電路示意圖如下。圖5-1proteus仿真電路圖圖5-2為仿真運行狀態(tài)，設(shè)定速度為3000r/min，通過PID算法控制逐漸跟隨并穩(wěn)定，此時為2813轉(zhuǎn)，前面的“+”代表電機在正轉(zhuǎn)。圖5-2仿真運行電路圖圖5-3為電機逐步跟隨穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)定速度為3000r/min，通過PID算法控制逐漸跟隨并穩(wěn)定，此時為3089轉(zhuǎn)，根據(jù)控制系統(tǒng)理論，此時的超調(diào)量已經(jīng)符合穩(wěn)定控制系統(tǒng)，電機會維持在這個速度附近轉(zhuǎn)動，所以此時系統(tǒng)已經(jīng)是穩(wěn)定的了。圖5-3PID調(diào)整轉(zhuǎn)速控制電路圖圖5-4為通過加速按鍵加速電機的轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于給電機一個外部擾動，看系統(tǒng)是否能夠重新穩(wěn)定，加速后設(shè)定電機速度為3040r/min，通過PID算法控制逐漸跟隨并穩(wěn)定，此時為3055轉(zhuǎn)，根據(jù)控制系統(tǒng)理論，此時的超調(diào)量已經(jīng)符合穩(wěn)定控制系統(tǒng)，電機會維持在這個速度附近轉(zhuǎn)動，所以此時系統(tǒng)已經(jīng)是穩(wěn)定的了，說明本系統(tǒng)在擾動條件下也能夠維持穩(wěn)定，PID參數(shù)整定合理。

圖5-4擾動模擬電路圖5.2PID參數(shù)整定原則對PID的參數(shù)進行設(shè)置可以按照以下的方法進行設(shè)定:

參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查;

先是比例后積分，最后再把微分加;

曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大;

曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳;

曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降;

曲線波動周期長，積分時間再加長;

曲線振蕩頻率快，先把微分降下來;

動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長;

理想曲線兩個波，前高后低4比1;

一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低;

5結(jié)論由于時間有限和本人的能力不足，僅僅做了proteus的仿真來驗證系統(tǒng)的功能，并未做實物方面的焊接和設(shè)計本次電機控制系統(tǒng)在仿真中表明,如果想實現(xiàn)控制控制直流電機正反轉(zhuǎn)、加減速以及自由設(shè)置速度可通過上位機來實現(xiàn)或者可通過鍵盤來實現(xiàn);還有顯示,按鍵等多種特性。這套系統(tǒng)已經(jīng)充分適應(yīng)了直流驅(qū)動器的調(diào)速控制裝置的設(shè)計。雖然只做了仿真，但是在仿真設(shè)計過程中我也遇到了很多問題和收獲了很多知識。主要是有以下兩點的感觸：(1)在在對電路框圖進行了多次的分析與仿真驗證后,通過結(jié)合我們的指導(dǎo)教師提供的參考元器件數(shù)據(jù)庫,確定了什么樣的元器件才能夠?qū)崿F(xiàn)該電路的作用。(2)在繪制電路圖中歷經(jīng)各類軟件多次方針和修改后,在仿真的電路圖上能夠滿足設(shè)計需要的基礎(chǔ)上,確定了本次設(shè)計的初心與原則。這次我就是運用Proteus軟件進行硬件設(shè)計,因為它所涉及到的都是Proteus軟件。通過對于設(shè)計好的仿真原理示意圖,進行了多次修正,并且聽取了一些老師們的建議后,確定了最終的設(shè)計布局。通過此次畢業(yè)設(shè)計,我發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處,充分感受到"書到用時方恨少"的含義。因此以后再做任何東西我總是會首先把自己的基礎(chǔ)搞好,并且要通過持續(xù)的練習(xí)把它們學(xué)好,學(xué)精,多動手去操作,做好以后的課程和教學(xué)布置中的各項實驗,提升自己的理論連接到現(xiàn)場的能力。雖然本次設(shè)計工作做得并不是非常完善,但是我在進行設(shè)計時所學(xué)及得到的知識與運用,卻是經(jīng)過了幾次實踐都無法相媲美的,讓我終生受益。參考文獻(xiàn)[1]王山卉.利用單片機控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].甘肅科技縱橫,2018,47(03):11-16.[2]李瑋.基于單片機控制的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2018,17(04):74-75.[3]詹莊春.單片機控制的直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].綿陽師范學(xué)院學(xué)報,2016,35(11):23-27.[4]尹冬梅.基于單片機控制的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)[J].科技傳播,2015,7(24):155+157.[5]杜敬銳,朱振國,熊凱琳,郁金明,郭丙君.單片機控制直流電機無觸點切換調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2015(09):90-91+94.[6]吳楠.基于單片機控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技與創(chuàng)新,2014(10):40.[7]顧劍.無刷直流電機單片機控制調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界,2014(09):134-135.[8]李偉龍.基于單片機控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)[J].河南科技,2013(17):127-128.[9]郭胤.單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)的研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2013(06):30.[10]孟海崗,常美,孫劍.基于8051單片機控制的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].伺服控制,2013(02):41-45.[11]宋曉宇.單片機模糊PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)研究[D].沈陽建筑大學(xué),2011.[12]張新榮,徐保國.單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣應(yīng)用,2010,29(16):66-69.[13]程剛.單片機控制直流調(diào)速系統(tǒng)的研究[J].科技信息,2010(23):421-423+444.[14]宋曉宇,馬斌,張波.基于單片機的模糊PID控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)研究[J].科技廣場,2010(06):138-141.[15]胡祝兵.基于單片機控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計[J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2008(01):27-29.[16]楊靖.用單片機控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)[J].機床電器,2008(01):45-47.[17]李旭超,劉宇安,彭宣戈.全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的單片機控制[J].井岡山學(xué)院學(xué)