湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院　劉　彤

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基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院劉彤

本文介紹一種小型直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，輸出PWM驅(qū)動電機(jī)，數(shù)字增量式PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，給出了軟硬件設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)效果對比，取得了較好的控制效果。

直流電機(jī)；L298N；PWM；增量式PID

0　引言

直流電機(jī)在工業(yè)控制、家電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其調(diào)速有用專用芯片實(shí)現(xiàn)的，有用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。51系列單片機(jī)作為入門級的單片機(jī)，也能夠?qū)崿F(xiàn)對直流電機(jī)的調(diào)速控制，基于PID算法的速度調(diào)節(jié)，具有精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，比較適合初學(xué)者學(xué)習(xí)和使用。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個小型直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)啟動、停止、加速、減速等功能。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，擴(kuò)展電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動直流電機(jī)，擴(kuò)展轉(zhuǎn)速檢測電路檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，擴(kuò)展人機(jī)交互電路，按鍵控制電機(jī)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋經(jīng)PID算法調(diào)節(jié)輸出，在LCD上顯示出來，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)選用STC89C52RC單片機(jī)為核心，指令執(zhí)行速度比普通51單片機(jī)快一倍，且具有三個16位定時/計(jì)數(shù)器，適合小型直流電機(jī)控制，成本低廉，性價比高［1］。人機(jī)交互電路包括按鍵電路和LCD顯示電路。按鍵電路由四個獨(dú)立按鍵接入單片機(jī)I/O端口，完成電機(jī)啟動、停止、加速和減速等的操作控制，LCD顯示使用LCD1602液晶顯示器，顯示2行，每行16個字符，第一行顯示電機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速、第二行顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

2　電機(jī)驅(qū)動

直流電機(jī)采用專用驅(qū)動芯片L298N，L298N是一種高電壓，大電流的電機(jī)驅(qū)動芯片，最高工作電壓可達(dá)46V，持續(xù)工作電流為2A，內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載。與電機(jī)控制相關(guān)的引腳每個電機(jī)有三個，ENA 、IN1和IN2一組，ENB、IN3和IN4一組。ENA、ENB是使能端，IN1、IN2、IN3、IN4是方向控制端，使能端和方向控制端組合完成電機(jī)控制，控制關(guān)系表見表1所示。

表1　L298N電機(jī)控制功能表

直流電機(jī)驅(qū)動電路如圖2所示［2］，L298N的使能控制端ENA或ENB直接接+5V電源，打開使能端，IN1、IN2、IN3和IN4接單片機(jī)的I/O端口，根據(jù)上表，單片機(jī)輸出高、低電平，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，如果輸出采用PWM方式，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。L298N電源采用二組供電，一組電源+5V供給邏輯控制電路，另一組電源+12V供給電機(jī)驅(qū)動。電機(jī)輸出加入續(xù)流二極管，保護(hù)驅(qū)動電路。

圖2　L298驅(qū)動接口電路

3　電機(jī)測速

系統(tǒng)使用紅外光電傳感器加旋轉(zhuǎn)碼盤來測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，紅外光電傳感器的發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，圓形碼盤四周刻上一定數(shù)量的長方形槽，碼盤和電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸固定，和電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)碼盤開槽的地方經(jīng)過U型紅外傳感器，發(fā)射管發(fā)射的光電信號能夠被接收管接受，當(dāng)碼盤沒有開槽的地方經(jīng)過U型槽，阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)信號，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形送入單片機(jī)端口，電機(jī)測速原理如圖3所示。

圖3　電機(jī)測速原理圖

轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為:r/min，其中，n是脈沖的個數(shù)，N是碼盤槽數(shù)，t是采樣時間。可以看出速度v的誤差主要是由碼盤上的槽數(shù)的多少決定的，提高槽的數(shù)量 可以減少系統(tǒng)誤差，這里取凹槽數(shù)N為120，采樣時間t為0.5秒，單片機(jī)定時器定時采樣測速［3］。

4　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，具體策略是利用單片機(jī)定時器定時采樣，測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過PID算法改變單片機(jī)輸出PWM波的占空比，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)軟件主要由主程序和一個定時中斷程序組成，主程序完成系統(tǒng)初始化、按鍵操作和LCD顯示等功能，流程圖如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

圖5　定時器中斷流程圖

轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)采用數(shù)字增量式PID算法，即：

其中，Kp-比例系數(shù)，KI= Kp*（T/Ti），KD=Kp*（Td/T）將速度采樣作為當(dāng)前輸入，與速度設(shè)定值進(jìn)行相減得偏差，對偏差進(jìn)行PID運(yùn)算產(chǎn)生輸出結(jié)果控制定時器輸出占空比進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速［4］，定時器0.1s做一次速度采集、PID運(yùn)算和PWM占空比改變，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，定時器中斷程序流程圖如圖5所示。

5　實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

為了驗(yàn)證PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的效果，分別進(jìn)行無PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速測試和有PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速測試對比實(shí)驗(yàn)，測試轉(zhuǎn)速1800r/min時的數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖6所示。

曲線1是無PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速曲線，曲線2是有PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速曲線，可以看出，加入PID調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速超調(diào)量減小，穩(wěn)定時間縮短，提高了轉(zhuǎn)速控制的精度和穩(wěn)定性。

圖6　轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)效果圖

6　結(jié)論

本文以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，PWM輸出驅(qū)動電機(jī)，采用數(shù)字增量式PID調(diào)節(jié)PWM輸出占空比，取得了較好的轉(zhuǎn)速控制效果，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)啟動、停止、加減速等功能，并且顯示在LCD上。

［1］周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)（第3版）［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1991.

［2］孫賢安，陳南，王金湘.基于51單片機(jī)的小車避障電路實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械制造與自動化，2005（05）.

［3］曹應(yīng)明.基于STC單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)量與測試技術(shù).2014（11）.

［4］ 向科，劉曉燕，文方.PIC16F777單片機(jī)在直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電氣應(yīng)用，2007（01）

基金支持：2016年湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級課題（課題編號：K201609）。

劉彤（1972-），男，湖南株洲人，工學(xué)碩士，講師，主要研究領(lǐng)域：控制理論與控制工程。