课程设计（论文）-小功率直流电机的测速和控制

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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mcuAT89S52PWM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

2、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

3、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

4、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

5、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/S×60。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，所以其误差得绝对值

6、γ

7、=

8、(N±1)/S×60-N/S×60

9、=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

10、，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γ=[60/（T±1）-60/T]，设电机速度在120—6000转/分之间，那么0.01s≤T≤0.5s，代入公式得：0.00024≤

11、γ

12、≤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

13、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，是一种广泛

14、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4×4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。1.5PWM