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1、小功率直流电机的测速和控制摘要 本 设计采用两片 MCU（AT89S52），完成了小型直流 电机转速的采集、计算、显示、键盘设定，并将非均匀采样情况下的增量式积分分离 PID 控制算法 应用于直流电机的 PWM 调速，实现了对电机转速的测量和控制，解决了通常低采 样周期时系统的超调以及 PID 算法的积分饱和问题。关键词 转速 PID 控制 mcu AT89S52 PWM目前见到的许多关于直流电机的测速与控制类文献中，虽然能实现直流电机的无级调速，但还存在一些问题，如无法与计算机直接接口，许多较为复杂的控制算法无法在不增加硬件成本的情况下实现，控制器的人机界面不理想。总的来讲，控制器的智能化程
2、度不高，可移植性差。虽然采用 PWM 芯片来实现电机无级调速的方案成本较低，但当控制器针对不同的应用场合增加多种附加功能时，其灵活性不够，而且反而增加硬件的成本5。还有一些使用 PLC 控制器或高档处理器芯片（如 DSP 器件）的文献，它们虽然具有较高的控制性能，但由于这些高档处理器价格过高，需要更多的外围器件，因此也不具备在通常情况下大规模使用的条件。从发展趋势上看，总体的研究方向是提出质量更高的算法和调速方案，以及在考虑成本要求的前提下选择适合这种算法的核心控制器。1 设计方案论证根据设计任务，要求调速采用 PID 控制器，因此需要设计一个闭环直流电机控制系统。该系统采用脉宽调速，使电机速
3、度等于设定值，并且实时显示电极的转速值。通过对设计功能分解，设计方案论证可以分为：系统结构方案论证，速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM 软件实现方案论证。1.1 系统结构方案论证方案一：采用一片单片机（AT89S52）完成系统所有测量、控制运算，并输出 PWM 控制信号。方案二：采用两片单片机（AT89S52）,其中一片做成 PID 控制器，专门进行 PID 运算和PWM 控制信号输出；另一片则系统主芯片，完成电机速度的键盘设定、测量、显示，并向PID 控制器提供设定值和测量值，设定 PID 控制器的控制速度等。方案一的优点是系统硬件简单，结构紧凑。但是其造成 CPU
4、 资源紧张，程序的多任务处理难度增大，不利与提高和扩展系统性能，也不利于向其他系统移植。方案二则与方案一相反，虽然硬件增加，但在程序设计上有充分的自由去改善速度测量精度，缩短测量周期，优化键盘，显示及扩展其它功能。与此同时，PID 控制算法的实现可以精益求精，对程序算法或参数稍加改动即可移植到其他 PID 控制系统中。因此通过比较，选择方案二。1.2 转速测量方案论证方案一：采用记数的方法。具体是通过单片机记单位时间 S（秒）内的脉冲数 N，每分钟的转速：M=N/S60。方案二：采用定时的方法。是通过定时器记录脉冲的周期 T，这样每分钟的转速：M=60/T。比较两个方案，方案一的误差主要是1
5、误差（量化误差） ，设电机的最低设计转速为 120 转/分，则记数时间 S=1s，所以其误差得绝对值|=|(N1)/S60-N/S60|=60（转/ 分） ，误差计算公式表明，增大记数时间可以提高测量精度，但这样做却增大了速度采样周期，会降低系统控制灵敏度。而方案二所产生的误差主要是标准误差，并且使采样时间降到最短，误差=60/（T1）-60/T ，设电机速度在 1206000 转/分之间，那么 0.01sT0.5s，代入公式得：0.00024|0.6（转/分） 。由此明显看出,方案二在测量精度及提高系统控制灵敏度等方面优于方案一，所以本设计采用方案二。1.3 电机驱动方案论证方案一：采用专用
6、小型直流电机驱动芯片。这个方案的优点是驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳
7、，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。通过比较和对市场因素的考虑，本设计采用方案一，使系统的设计核心在 PID 控制上。1.4 键盘显示方案论证方案一：采用 44 键盘，可直接输入设定值。显示部分使用 4 位数码管，优点是显示亮度大，缺点是功耗大，不符合智能化趋势而且不美观。方案二：使用 4 个按键，进行逐位设置。显示部分是使用支持中文显示的 LCD，优点是美观大方，有利于人与系统的交互，及显示内容的扩展；缺点是成本高，抗干扰能力教差。单片机（速度的测量计算、输入设定及系统控制）单片机（PID 运算控制器、PWM 模拟发生器）电机速度采集电路电机驱动电路键 盘显示器为了系统容易扩展、操作以及美
8、观，本设计完全采用方案二。1.5 PWM 软件实现方案论证 脉宽调制的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本设计采用了定频调宽方式，采用这种方式的优点是电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。对于实现方式则有两种方案。方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个 us。方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。由于本设计采用了两片 AT89S52 单片机，MCU 资源充足，因此选
9、择方案一。2 系统原理框图设计系统原理框图如图 2.1 所示，是一个带键盘输入和显示的闭环测量控制系统。主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算输出控制信息。图 2.1 系统原理框图3 各模块的分析、计算与硬件电路设计3.1 速度测量电路的设计3.1.1 转速 /频率转换电路的设计理论上，是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压，电流等。设计中将转速测量转化为电脉冲频率的测量。基于这一思想，可以采用一对霍尔感应传感器，使输出信号的一只在转轮一侧固定，另一只则粘在对应位置的转轮上，这样，电机每转一圈，传感器将会输出一个脉冲，然后将脉冲放大、整形后即可通过单片机测量其频率求出转速。实际实验中，
10、由于市场采购原因，暂用三极管输出型红外光电耦合器代替霍尔传感器。如图 3.1 所示，在电机转轮一处MB1otrQ亮DS470R52PW(CGNOUTV3.uF6开孔，这样，每转一圈，三级管（红外接收头）透光导通一次，OUT 端输出一个上脉冲，即完成了转速频率的转换3.1.2 脉冲滤波整形电路的设计由于电机在转动的过程中有很大的晃动，而且本设计中测量装置做工粗糙，因此所获得的脉冲信号参杂有高频噪声或误动脉冲。为了提高测量的准确，且尽可能地减少错误，设计中如图 3.2 所示 OUT 输出端加一电容接地。为了既能抑制噪声又不影响测量，电容值 C 的选择很重要。根据实际测量，设计中所使用的直流电机转速
11、可达 6000 转/ 分。其所产生的脉冲周期T=1/(6000/60)S=0.01S，一个周期内，脉冲持续时间约为 1/8T=0.00125S，低电平时间约为7/8T=0.00875S，由于接收头感光导通电阻很小，所以电容迅速充电，当低电平到来时开始放电，为保证下一个脉冲的检测，放电时间 t 应小于低电平持续时间 7/8T，根据电路，t=R2C0.00875，代入 R2 值解不等式可得：C0.F。单位换算得 C0.017F ，为了方便整形，实际设计中 C=0.001F 。由于单片机中断 I/O 口的需要输入信号是正规的矩形脉冲，所以电路的脉冲整形电路采用 74 系列反向器 74LS06 进行两
12、次反向后输入单片机。图 3.1 转速/频率转化电路图 3.2 脉冲滤波整形电路OUT4IN3GDEAVS21BL98CPWM 567亮otr3.2 电机驱动电路的设计3本设计采用目前市场上较容易买到的 L298N 直流或步进电机驱动芯片，它采用单片集成塑装， 是一个高电压、大电流全双桥驱动器，由标准的 TTL 电平控制。L298N 支持 50V 以内的电机控制电压，在直流运转条件下，可以通过高达 2A 的电流，因此它满足了一般小型电机的控制要求。其内部原理结构如图 3.3。接法见图 3.4，图中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。PWM 控制信号由 in1
13、、in2 输入。如果 in1 为高电平，in2 为低电平时电机为正向转速，反之 in1 为低电平，in2 为高电平时，电机为反向转速。本设计将 in2 直接接地，即采用单向制动的方式。通过实验，本设计中不必使用双向制动也可达到设计要求。 图 3.3：L298N 内部原理结构图图 3.4：电机驱动电路3.3 LCD 显示电路与单片机的接口设计1234567890LCDRTFVSOWEB亮P.KGN开始系统初始化显示初始化调用按键子程序系统总控制器 PID 控制器开始系统初始化PID 参数初始化空操作（循环用）有键按下？无键处理子程序PID 参数计算中断 0接收设定值子程序中断返回中断 1接收测量
14、值子程序中断返回PID 计算处理计算 PWM 定时值定时中断 0、外中断 0测量计算转速发送测量值有中断返回定时中断 1系统时间记时、处理中断返回属于总控制器通过按键完成发送设定值设计中采用的 LCDRT12232F 是一种内置 8192 个 16*16 点汉字库和 128 个 16*8 点ASCII 字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/ 列驱动器及 12832 全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示 7.52 个(1616 点阵) 汉字，与外部 CPU 接口采用并行或串行方式控制。本设计采用并行方式控制，LCD 与单片机的通讯接口电路如图 3.5 所示采用直连的方法，这样设
15、计的优点是在不影响性能的条件下还不用添加其它硬件，简化了电路，降低了成本。4 系统总程序框图设计系统程序程序框图如图 4.1 所示，概述了程序的总体结构和工作过程。图 3.5：LCD 显示电路与单片机的接口图 4.1 系统总程序框图5 系统各部分子功能程序设计5.1 电机转速测量程序设计设计中考虑到电机的工作环境一般比较恶劣，因此除了硬件外，从程序上除了要更高的精确度也需要进行更多的抗干扰设计，从而实现软件的大范围检错、纠错或丢弃错误等。在程序的设计过程中，对严重不符合要求的测量数据（如大于 6000 转对应的数据）进行了丢弃处理，而对于正常范围内的数据错误采用了采 5 取 3 求平均的算法（
16、即采集 5 个数据，去掉 一个最大值一个最小值，然后将剩余 3 数据求平均） 。实验表明，此方法降低了系统采集转速中出现的错误。对于转速的测量方法，是通过速度脉冲信号下降沿触发单片机的外中断，中断服务子程序在某一个脉冲的下降沿开启定时器记时，然后在下一个下降沿关闭定时器，通过对定时器数据进行运算处理可以得到信号周期进而得到速度值。其程序框图如图 5.1。可以看出，此方法下的采样周期是随转速变化的，转速越高采样越快。通过这种非均匀的速度采样方式可以使电机在高速情况下，实现高速度高精度的控制。图 5.1 外中断 0 服务子程序框图5.2 键盘程序设计 键盘程序设计的任务是赋予各按键相应的功能，完成速度设定值的输入和向 PID 控制器的发送。4 只按键一只用来位循环选择，告诉单片机要调整的是设定值的个位、十位、百位还是千位。否为“0”为“1”否否是是否是进入中断检测中断标志开定时器记时设中断标志为“1”系统时间初始化中断返回关闭定时器及总
