【正文】 PID 運(yùn)算 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 VI The Design Of Direct Current Motor Speed Regulation System Based On SCM ABSTRACT This article mainly introduces the method to generate the PWM signal by using AT89S52 singlechip puter to control the speed of a . motor. It also clarifies the principles of PWM and the way to adjust the duty cycle of PWM signal. In addition, IR2110 has been used as an actuating device of the power amplifier circuit which controls the speed of rotation of . motor. What’s more, is used in this system to measure the speed of . motor. In software, the article introduced the PID operation procedures, such as initial program and the writing of the thought and specific program realization .The result of the measurement is sent to A/D converter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the singlechip puter and participates in a PIDcalculation. Key words: PWM signal； IR2110； PID calculation 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 1 1 緒論 直流電機(jī)的發(fā)展 及設(shè)計(jì)背景 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動(dòng)機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得 許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較 高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能 如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此， 調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn) 直流電動(dòng)機(jī)在冶金、礦山、化工、交通、機(jī)械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得 到廣泛的應(yīng)用。而 以往直流電動(dòng)機(jī)的控制只是簡(jiǎn)單的控制，很難進(jìn)行調(diào)速，不能 實(shí)現(xiàn)智能化。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。 如今，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制已經(jīng)離不開(kāi)單片機(jī)的支持，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，使人類(lèi)社會(huì)步入了自動(dòng)化時(shí)代，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與其他學(xué)科領(lǐng)域交叉融合，促進(jìn)了學(xué)科發(fā)展和專(zhuān)業(yè)更新，引發(fā)了新興交叉學(xué)科與技術(shù)的不斷 涌現(xiàn)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，改變了世界，也改變了人類(lèi)的生活。由于單片機(jī)的體積小、重量輕、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈 活、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，單片機(jī)的應(yīng) 也更加廣泛特別是在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化等方面。 目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 2 機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。 近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機(jī)得到 了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。直流它具有優(yōu)良的調(diào)速特性 ,調(diào)速平滑、方便 ,調(diào)速范圍廣 。過(guò)載能力大 ,能承受頻繁的沖擊負(fù)載 ,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn) 。需要能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，從而對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，這時(shí)通過(guò) PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法應(yīng)運(yùn)而生。 直流電機(jī)調(diào)速原理 直流電機(jī)電路模型如圖 11 所示，磁極 N、 S 間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓 柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈。當(dāng)線圈中流過(guò)電流時(shí)，線圈受 到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過(guò)線圈中電流改變方向時(shí)，線圈的方向也將改變，因此通過(guò)改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。直流電機(jī)模型見(jiàn)圖 11。 圖 11 直流電動(dòng)機(jī)電路模型 不同勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。但是對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式： n=U/Cc? TR內(nèi) /CrCc? (11) 其中： U— 電壓； R內(nèi) — 勵(lì)磁繞組本身的電阻； ? — 每極磁通 (Wb) Cc— 電勢(shì)常數(shù)； Cr— 轉(zhuǎn)矩常量 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類(lèi)：勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì) 磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小但低速時(shí)受到磁場(chǎng)飽和的限制，高速時(shí)受 到換向火花和轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 3 差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控法。 電 樞控制是在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制 (PWM)應(yīng)用更為廣泛。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的接通或斷開(kāi)，并通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此， PWM 又被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 系統(tǒng)方案 與分析 本文主要研究了利用 AT89S52 單片機(jī)，通過(guò) PWM 方式來(lái)改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。文章中采用了 通過(guò)編程實(shí)現(xiàn) PWM 信號(hào) 的發(fā)生，然后通過(guò) IR2110來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。利用 光電編碼器 測(cè)得電機(jī)速度， 把電 壓信號(hào)反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行PID 運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。 單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速簡(jiǎn)介：?jiǎn)纹瑱C(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。 PWM 是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “ 接通 ” 和 “ 斷開(kāi) ” 時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的 “ 占空比 ” 來(lái)改變平均電壓的大小 ，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此， PWM 又被稱(chēng)為 “ 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ” 。本系統(tǒng)以 AT89S52 單片機(jī)為核心，通過(guò)單片機(jī)控制， C 語(yǔ)言 編程實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的平滑調(diào)速。 本系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù) PWM 調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并通過(guò)單片機(jī)控制速度的變化。本文所研究的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。而軟件部分，是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)，加以采 集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)控制器所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，達(dá)到控制器自動(dòng)對(duì)電機(jī)速度的有效控制 。 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 4 總體硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 圖 12 直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖 直 流電機(jī) 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 反饋 LED 顯示 鍵盤(pán)控制 PWM AT89S52 單片機(jī)（速度的測(cè)量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制） 驅(qū)動(dòng)電路 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 5 2 PWM 脈寬調(diào)制原理 PWM 調(diào)速原理 PWM 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術(shù)。 下式是占空比計(jì)算公式： 式中 t1 表示一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管導(dǎo) 通的時(shí)間， T 表示一個(gè)周期的時(shí)間。 占空比 D 表示了在一個(gè)周期里，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值 ， 變化范圍為0≤ D≤1 。由 上式 可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值 為D maxV =V *D ， 因此 改變 占空比 D 就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是 PWM 調(diào)速原理。 如圖所示： 圖 21 PWM 信號(hào)的占空比 根據(jù)上圖，如果電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 maxV ，占空比為 D=1t /T，則電機(jī)的平均速度為： D maxV =V *D ，可見(jiàn)只要改變占空比 D，就可以得 到不同的電機(jī)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 PWM 調(diào)速方法 在 PWM 調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)。以下是三種可改變占空比的方法： （ 1）定寬調(diào)頻法 :保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 （ 2）調(diào)寬調(diào)頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 （ 3）定頻調(diào)寬法：保持周期（ 或頻率）不變，同時(shí)改變、。 1). ( 2 1TtD ?單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 6 單片機(jī)控制器 驅(qū)動(dòng)電路 直流電機(jī) 光電編碼器 r 被控量 y 給定 量 + 速度反饋 PWM 矩形波 前 2 種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此應(yīng)用較少。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用第 3 種方法。 定頻調(diào)寬法 是利用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的接通或斷開(kāi)，并通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此， PWM 又被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 PWM 實(shí)現(xiàn)方式 方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖 寬度極 其精確，誤差只在幾個(gè) us。 方案二：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入 中斷后，將有一定的誤差。故采用方案一。 同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。 如圖 22，通過(guò)單片機(jī)控制器產(chǎn)生 PWM 矩形波， PWM 矩形波經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的放大對(duì)直流電機(jī) 進(jìn)行 PWM 控制，由速度傳感器對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，并將測(cè)得的速度反饋到輸入端即讓反饋信號(hào)與給定量進(jìn)行比較。從而達(dá)到對(duì)直流電機(jī)的較為精確的控制。 圖 22 直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)原理圖 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 7 3 硬件部分 單片機(jī)的選型： AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常 規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使