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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)

        2016-08-29 02:14:34湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院
        電子世界 2016年15期
        關(guān)鍵詞:碼盤閉環(huán)控制直流電機(jī)

        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。

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