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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，控制器的智能化程度不高，可移植性差。虽然
2、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，使电机速度等于设定值，并且实时显示电极的转速值。通
3、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
4、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
5、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
6、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，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。
7、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。为了系统容易扩展、操作以及美观，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
8、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。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
9、器图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，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
10、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
11、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：C0.000017F。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3.2 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
12、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、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设计中采用的LCDRT12232F是一种内置8192个1
13、6*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。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？
14、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
15、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（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。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中断判断数据是否正常保存数据是否“采5”处理？说明：当电机转速过低时，如果进行采3取5处理将会使控制速度太低，同时低速状态
