摘 要： 介紹了基于PID單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)為控制器，并在此基礎(chǔ)上完成了硬件設(shè)計(jì)。利用脈寬調(diào)制技術(shù)，解決直流調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)節(jié)時(shí)間長、抗干擾能力差等問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)速度的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，對(duì)負(fù)載的變化具有較強(qiáng)的魯棒性。
關(guān)鍵詞： 脈寬調(diào)制；直流電動(dòng)機(jī)；PID
直流電機(jī)具有調(diào)速范圍廣、易于平滑調(diào)速、啟動(dòng)/制動(dòng)和過載轉(zhuǎn)矩大、易于控制、可靠性高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于對(duì)調(diào)速性能要求較高的傳動(dòng)系統(tǒng)中[1]。但是開環(huán)控制抗干擾能力差，響應(yīng)時(shí)間長。伴隨著單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及單片機(jī)自身具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈活、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，選用單片機(jī)作為控制器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速是一種較為理想的選擇。PID控制具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且在工業(yè)控制中得到廣泛的運(yùn)用。本文選用單片機(jī)為控制器，采用傳統(tǒng)PID控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。
1 PWM控制技術(shù)
脈沖寬度調(diào)制技術(shù)簡稱PWM(Pulse Width Modulation)技術(shù)，就是用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速[3]。由其基本原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在負(fù)載兩端的PWM脈沖與相等時(shí)間內(nèi)加在負(fù)載上沖量相等的直流電壓等效，那么在時(shí)間T內(nèi)脈沖寬度為t0，幅值為U，其等效直流電壓U0為：
由式(1)可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比?琢來實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到利用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的[3]。由于PWM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍廣，所以應(yīng)用越來越廣泛。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)方框圖
根據(jù)設(shè)計(jì)需要，構(gòu)建如圖1所示調(diào)速系統(tǒng)。
系統(tǒng)的主電路主要由電源模塊、控制器、驅(qū)動(dòng)放大模塊、測量反饋、實(shí)時(shí)顯示模塊構(gòu)成。其中電源模塊一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器單片機(jī)系統(tǒng)提供直流電源，同時(shí)為驅(qū)動(dòng)模塊提供電源；測量反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的測速同時(shí)反饋給控制器作為輸入信號(hào)；顯示模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，更好地反映了直流電機(jī)的速度變化過程。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。
2.2 直流電機(jī)
作為調(diào)速系統(tǒng)的被控對(duì)象，直流電機(jī)的選型很關(guān)鍵。本系統(tǒng)選用了Mitsumi公司的m25n型永磁直流電機(jī)。該電機(jī)額定電壓5 V~12 V，空載電流僅有30 mA~55 mA，輸出轉(zhuǎn)矩最大為35 mN/m，最高轉(zhuǎn)速達(dá)8 000 r/min，被廣泛應(yīng)用于航空模型、機(jī)器人、玩具等領(lǐng)域，作為實(shí)驗(yàn)研究很有代表性。
2.3 電源模塊
穩(wěn)定的工作電源是保證調(diào)速系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。本文選用L7809穩(wěn)壓芯片給直流電動(dòng)機(jī)供電，用L7805穩(wěn)壓芯片給控制器和傳感器供電。可將12 V直流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V和9 V直流電，負(fù)載可達(dá)1.5 A。采用這種供電方式，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，對(duì)電機(jī)運(yùn)行無影響，能夠滿足系統(tǒng)要求。
2.4 控制器設(shè)計(jì)
控制器是系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)需要一個(gè)定時(shí)器、一個(gè)計(jì)數(shù)器來計(jì)算轉(zhuǎn)速，兩個(gè)8位I/O口用以轉(zhuǎn)速顯示。因此選用STC89C52單片機(jī)為核心控制器，它具有4 KB EEPROM存儲(chǔ)器、512 B RAM、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、工作頻率12 MHz、32個(gè)I/O口，資源足夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。
2.5 驅(qū)動(dòng)模塊硬件設(shè)計(jì)
由于控制器的驅(qū)動(dòng)能力僅有幾毫安，不能直接控制電機(jī)，因此需要驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。SGS公司生產(chǎn)的L298芯片是一種高電壓、大電流雙H橋功率集成放大電路，最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到2.5 A，可用來驅(qū)動(dòng)繼電器、線圈、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等感性負(fù)載，因此選用L298能滿足系統(tǒng)需求。
2.6 傳感器
要構(gòu)成轉(zhuǎn)速反饋環(huán)就要借助速度傳感器，因此選用了霍爾效應(yīng)傳感器。霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)，在電機(jī)的軸上安裝一個(gè)磁性碼盤，傳感器表面接近磁場時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)，再將這個(gè)信號(hào)送入控制器進(jìn)行測速用來計(jì)算轉(zhuǎn)速。這是一種數(shù)字測速方法，原理簡單，性能可靠，省去了模擬測量中的A/D轉(zhuǎn)換，節(jié)省了控制器資源。
3.3 主程序軟件流程圖
主程序軟件流程圖如圖3所示。
3.4 控制器輸出波形
控制器產(chǎn)生的PWM輸出波形如圖4所示。霍爾傳感器實(shí)時(shí)輸出波形如圖5所示，由波形可看出轉(zhuǎn)速是很穩(wěn)定的，經(jīng)計(jì)算其轉(zhuǎn)速為2 604 r/min，測量轉(zhuǎn)速2 640 r/min與其差別不大,是可以接受的。
本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制器，基于PID控制算法，利用PWM技術(shù)完成了直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)性能可靠，能克服較大的擾動(dòng)，且具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能和較強(qiáng)的魯棒性，設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。
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