基于光电传感器的单片机控制直流电机精编.docx
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基于光电传感器的单片机控制直流电机精编
Documentnumber:
WTT-LKK-GBB-08921-EIGG-22986
基于光电传感器的单片机控制直流电机精编
毕业论文(设计)
题目:
直流电机多级调速控制系统实现
学生:
黄哲
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
1002班
学号:
11
指导老师:
赵卫
摘要
本设计的重点是采用AT89S52型号的单片机控制产生PWM调制信号的输出,以此来进行对直流电机的转速实现控制,本文简要的介绍了AT89S52型号单片机的有关参数,而且还对PWM脉冲信号的基本原理、信号的产生方式和怎么样实现利用软件编程调节PWM信号的占空比等作了一系列的论述。
本设计使用独立按键进行速度设定以及直流电机的正反转,通过LCD1602液晶显示器作为显示速度设定值和速度测量值的器件。
除此之外,本设计还运用L298芯片组成直流电机的正、反转以及控制速度的驱动电路,并且相对详细的说明了PID算法、系统初始化等子程序的编程以及程序的实现,本设计利用光电感应器对射式MOC70T4和比较器LM339芯片来实现直流电机转速的相对精确测量,而且以此作为反馈值传回到单片机实现PID补偿运算,从而实现了对直流电机速度的控制。
关键词:
PWM技术;PID算法;AT89S52;直流电机
ABSTRACT
ThefocusofthisdesignistheuseofAT89S52typePWMMCUcontrolsignaloutput,soastorealizetocontrolthespeedofDCmotor,thispaperintroducestheparametersofAT89S52modelofSCM,butalsothebasicprincipleofthepulsesignal,PWMsignalgenerationmethodandhowtoachieveregulationofPWMsignalusingthesoftwareprogrammingofthedutyratioforaseriesofdiscussion.ThisdesignusesindependentkeyspeedsettingandreversibleDCmotor,throughtheLCD1602LCDasthedisplayspeedsettingdeviceandspeedmeasurement.Inaddition,thedesignofdrivingcircuitusestheL298chipoftheDCmotor,inversionandspeedcontrol,andadetaileddescriptionoftheimplementationofthePIDalgorithm,thesysteminitializationsubroutineprogrammingandprogram,relativelyaccuratemeasurementofthedesignofthephotoelectricsensorfortypemoc70t4andLM339chiptorealizethespeedofDCcomparatorthemotor,butalsoasafeedbackvaluebacktotheMCUPIDcompensationoperation,soastorealizethespeedcontrolofaDCmotor.
Keywords:
PWM;PIDalgorithm;AT89S52;DCmotor
1.绪论
研究背景
开发背景
直流伺服电机在调速方面所拥有的起动、制动性能非常优越,在平滑调速的很大范围内都能够很好得到的使用,广泛的应用在很多需要调速或者是需要快速正反向的电子电力技术方面中。
由控制的角度出发,交流拖动技术还是基于直流调速系统的,以前直流电动机的控制通常都是基于模拟电路的,一般由运算放大器、非线性集成电路和少量的数字电路组成,控制系统的硬件方面特别的繁杂,目的性很单一,并且控制系统的灵活性很低、难以调试,成为直流电动机控制技术发展的阻碍和应用范围得到推广的屏障。
但是由于单片机技术发展与运用,实现了非常多的控制功能以及算法基本都能利用软件技术来解决,很大程度上增强了直流电动机控制的灵活性,而且还为系统带来了更好的性能。
此外,运用单片机所构建成的控制系统,不仅能够节省人力资源以及减少系统成本,还对工作效率的提高有帮助。
直流电机广泛运用于在冶金技术、矿山机械、化学工业、交通运输业、机械自动化、纺织业、航天航空等领域中,早期直流电机控制的运用通常都是相对简单的,要实现调速很困难,无法满足智能化。
更为传统的控制系统一般是利用模拟元器件,即使能够某种程度上解决了生产要求,可是由于元器件非常易于老化并且在运用的过程中经常受外界环境的干扰,还有电路线路冗杂、不适合通用,元器件的性能、湿度等因素常常使控制效果得到偏离,因此发生事故,就仅仅因为不能确定系统的运行可靠性和准确性。
目前,具有小体积、轻重量、功能强大、抗干扰性强、灵活性高以及方便应用和便宜价格等优点的单片机在各种控制及自动化方面的领域得到广泛应用。
单片机显然已经成为直流电机调速控制的不可分割的一部分,自动控制技术的发展也因为单片机的应用技术发展迈向一个新的里程碑,推动社会发展步入一个新的时代。
选题的目的和意义
如今,由于电子技术发展的不断深入,直接地带动了直流电机调速控制系统由以前模拟化朝着现代数字化的高技术水平不断进步,尤其是单片机运用技术的发展,更是促进了直流电机调速技术迈向一个新的高峰,并向着智能化、可靠性强的方向不断完善,所以直流电机调速系统的数字化已经相当成熟了,已经走向实用化,因此,该研究具有重要意义。
早在上世纪七十年代就孕育而生的直流电机脉冲宽度调制(PulseWidthModulation-简称PWM)技术在调速系统就展现了其优越的效果。
至上世纪末以来,因为电路技术的提高以及晶体管器件水平的发展和宽调速永磁直流电机的产生,这几者之间的相互结合发展,推动了PWM技术的飞快发展,也将电气驱动技术发展到一种新的高峰。
在国外,军事工业和空间技术最先得到了PWM技术的运用,这些需要高速度、高精度的跟踪系统也因为PWM技术性能的优越性得到了实现,十年来,PWM技术的运用不断的覆盖一些民用工业中,尤其是像机床生产、自动化生产和机器人发展等。
今天,电机控制系统的主流也显现了电机控制技术和电力电子技术、计算机技术相结合的优势,这些都不断催促着电机控制技术必须要用更快的速度发展着,伴随着市场的发展,人们也用更高的要求来要求电机驱动控制,不仅要它的功能强大、没有噪声、更为复杂的算法,还要有很高的系统可靠性与系统操作安全,同时还要求马达恒速向变速发展,还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。
直流电机调速原理简介
直流电机的模型如下图1-1所示,有一个能够转动的圆柱体铁磁在磁极N、S之间,一个线圈固定在铁磁的表面上,如果有电流流过线圈的时候,电磁力作用于线圈上,由此铁磁发生旋转,根据左手定则可知,如果流过线圈的电流突然发生方向变化,也就使得线圈的方向发生变化,所以可以利用变化线圈的方向来达到变化电机的方向。
图1-1直流电机模型
有两大类可以控制直流电机转速的方法,分别是:
励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法也就是通过对磁通的控制,优点是控制功率很小,但是在电机低速运转时会被磁场饱和所限制,在电机高速运转时会被换向火花和转向器结构强度所限制,此外,励磁线圈所具有较大电感会使系统的动态响应差,因此一般所使用的方法是通过变化电枢端电压的电枢电压控制法[1]。
电枢电压控制也就是在励磁电压不变的条件下,在电机电枢上通过控制电压信号的输入,用来实现对电机转速的控制,像脉冲宽度调制就是利用这点。
脉冲宽度调制常常被运用于工业生产上,脉冲宽度调速通过在一个不变的频率上来对电源的“打开”或“关闭”进行控制,并利用对一个周期内“打开”和“关闭”时间长短的改变,也就是通过改变电枢电压上的“占空比”来改变电机的平均电压大小,以此达到对电机转速控制的目的。
PID算法简介
在过程控制中,依据偏差的比例(Proportion)、积分(integral)和微分(differential)来实现控制的PID控制器,是迄今为止最为广泛应用于实际工程中的一种自动控制器,PID控制规律对连续系统动态品质校正非常有效,对于参数整定方式简单方便,结构变化灵活。
PID控制器的产生距今已经有七十年了,由于它所具有的结构简单、便于实现、良好的稳定性、适用范围广、控制参数相互独立等优越性,成为现代工业控制的主要技术之一。
如果我们无法全部掌握被控对象的结构和参数时,或者是无法建立出准确的数学模型时,甚至是无法利用控制理论的其它技术时,那么系统控制器的结构和参数的确定就只能凭借经验和现场调试,此时最简单的方法就是应用PID控制技术,也就是在我们无法完全了解系统和被控对象时,或者是系统参数无法运用目前的测量手段来得到时,那就使用PID控制技术解决问题,因为PID控制器能够在很大程度上满足一般控制系统的大部分要求。
模拟PID
在模拟控制系统中,一般控制器所使用的控制规律通常都是PID控制,普通的PID控制器的系统原理框架如图1-2所示,由模拟PID控制器部分、执行部分和被控对象部分所组成,图中的r(t)表示系统的输入值,c(t)表示实际的输出值,u(t)表示PID的控制量[14]。
图1-2模拟PID的原理框架图
PID控制器属于线性的调节器,控制偏差是由系统输入值r(t)和实际输出值c(t)两者之间的差值所构成的:
(1-1)
图1-2所示的模拟PID控制器的数学表达式为:
(1-2)
上式中,为比例系数;
为积分时间常数;
为微分时间常数。
式(1-2)也可以写成:
(1-3)
上式中,为比例系数;
为积分系数;
为微分系数;
大概的说明一下PID控制器中各个校正部分的作用:
比例部分:
利用比例控制,系统的输出与误差量是成正比,当有误差量产生,控制器马上就会产生一个修正的量,以促使误差量的减少,但不能使误差为零;
积分部分:
积分控制所产生的恢复力是与过去误差的累积量和时间的乘积成正比例,积分控制的介入能消除系统的稳态误差,但是系统整体的稳定性会降低;
微分部分:
微分控制无法单独使用,只是改变系统响应时间,即在变化初期提供一个相当大的修正信号来加快系统的响应速度,并且能够有效解决过冲问题。
由上式可知,模拟PID控制器的转换函数表达式为:
(1-4)
数字PID
由于计算机能够识别的只是数字量,无法将连续的控制算式直接拿来做运算,因此在计算机控制系统中没有办法对前面所提到的模拟PID控制器的表达式执行处理,所以我们必须先将模拟PID控制器的表达式做一个处理。
也就是在一个采集周期T变得非常小的时候,将积分部分和微分部分的算法用数值计算去接近它,这样的方法可以做到很小的误差,即可以实现数字PID控制了[13]。
我们将式(1-2)进行离散化处理,如图1-2所示我们可以使用不同的r(n)、e(n)、u(n)、c(n)作为计算机在第N次采集r(t)、e(t)、u(t)、c(t)时的数据,因而偏差表
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