CN104682790A - 一种基于飞思卡尔单片机的直流电机恒速控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于飞思卡尔单片机的直流电机恒速控制系统，其组成包括主控芯片、反馈元件、直流力矩电动机、直流测速发电机、信号调理电路，其中主控芯片通过对设定转速与实际转速做比较，经PID算法后，由主控芯片的PWM发生器模块，发出PWM波对直流电机进行控制，完成直流电机的恒速控制，直流力矩电动机通过皮带带动直流测速发电机转动，直流测速发电机产生与转速成线性比例的电动势，经信号调理电路供单片机采集，主控芯片通过对设定转速与实际转速做比较，经PID算法后，由主控芯片的PWM发生器模块，发出PWM波对直流电机进行控制，完成直流电机的恒速控制，同时将设定转速和实际转速送往数码管进行实时显示。

Description

一种基于飞思卡尔单片机的直流电机恒速控制系统

技术领域

本发明涉及的是一种嵌入式电机控制系统，特别涉及一种利用单片机进行直流电机的恒速控制系统。

背景技术

电动机作为动力设备，已广泛应用于机械行业的工作母机，大至冶金企业使用的高达上万千瓦的电动机，小到小功率电动机、乃至几瓦的微电动机。在各类动力机械中，电动机的容量已经超过总容量的60%。在电力工业中，发电机是生产电能的主要设备；在机械、冶金、纺织、煤炭、石油、化工、交通运输和家用电器等行业中，电动机是各种生产机械的主要动力设备；在国防和民用的各种自动控制系统中，控制电机是重要的不可缺少的元件。因此，电机在国民经济的各个领域中起着极其重要的作用。

电动机根据其使用交流电或者是直流电的不同，可以分为直流电机和交流电机两大类。由于交流电在远距离输送过程中较直流电明显的优势，在工农业生产和人们日常生活中多使用交流电，致使交流电机的数量较直流电机要多得多，其中大部分电量也是通过交流电动机加以利用的。但直流电机凭借其优良的起制动特性，静态特性线性，调速范围大且平滑，精度高等特点，在国民经济中仍占有重要的地位。对直流电动机的控制方法进行研究，对于控制精度提高，响应速度的加快以及节约能源等都有巨大的显示意义。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种针对直流电机的嵌入式控制系统和测量方法，以提高电机的控制精度和响应速度。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于飞思卡尔单片机的直流电机恒速控制系统，其组成包括主控芯片、反馈元件、直流力矩电动机、直流测速发电机、信号调理电路，其中主控芯片通过对设定转速与实际转速做比较，经PID算法后，由主控芯片的PWM发生器模块，发出PWM波对直流电机进行控制，完成直流电机的恒速控制。

所述的一种基于飞思卡尔单片机的直流电机恒速控制系统，其特征在于直流电机恒速控制系统软件部分主要由下位机部分和上位机部分组成。

所述的一种基于飞思卡尔单片机的直流电机恒速控制系统，其特征在于直流电机恒速控制系统中，闭环部分主要使用了PID增量式算法。

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

=K_P[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

式中，K_P称为比例增益；称为积分系数；K_D=K_PT_D/T称为微分系数。

对直流力矩电动机进行建模，将其视为一阶惯性环节，通过阶跃响应法容易得到其传递函数为

$G\left(s\right)=\frac{822}{0.23s+1}$

本发明的直流电机恒速控制系统采用了飞思卡尔半导体公司生产的MC9S12XS128作为主控芯片，由直流测速发电机作为反馈元件，直流力矩电动机通过皮带带动直流测速发电机转动，直流测速发电机产生与转速成线性比例的电动势，经信号调理电路供单片机采集，主控芯片通过对设定转速与实际转速做比较，经PID算法后，由主控芯片的PWM发生器模块，发出PWM波对直流电机进行控制，完成直流电机的恒速控制，同时将设定转速和实际转速送往数码管进行实时显示。

直流电机恒速控制系统软件部分主要由下位机部分和上位机部分组成。下位机部分主要包括控制系统初始化（包括时钟初始化，I/O口初始化，PWM模块初始化，A/D模块初始化以及显示模块初始化等）和直流电机的PID控制等。上位机部分通过USB串口与下位机通信，主要负责显示当前速度曲线，对PID参数进行调整，保存和导出数据。直流电机恒速控制系统的初始化部分完成上电后的初始化，包括时钟初始化，I/O口初始化，PWM模块的初始化，A/D模块的初始化以及数码显示模块初始化等。为了在初始化过程中防止意外中断的到来，在初始化开始时，先关闭所有的中断，等初始化完成后，再开中断。

在直流电机恒速控制系统中，闭环部分主要使用了PID增量式算法，PID增量式算法的基本公式如下

Du(k)=u(k)-u(k-1)

=K_P[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

式中，K_P称为比例增益；称为积分系数；K_D=K_PT_D/T称为微分系数。

对直流力矩电动机进行建模，将其视为一阶惯性环节，通过阶跃响应法容易得到其传递函数为

$G\left(s\right)=\frac{822}{0.23s+1}$

附图说明

图1为系统硬件结构图；

图2为系统软件主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，图1为系统硬件结构图。本论文设计的直流电机恒速控制系统采用了飞思卡尔半导体公司生产的MC9S12XS128作为主控芯片，由直流测速发电机作为反馈元件，直流力矩电动机通过皮带带动直流测速发电机转动，直流测速发电机产生与转速成线性比例的电动势，经信号调理电路供单片机采集，主控芯片通过对设定转速与实际转速做比较，经PID算法后，由主控芯片的PWM发生器模块，发出PWM波对直流电机进行控制，完成直流电机的恒速控制，同时将设定转速和实际转速送往数码管进行实时显示。电源模块是关系到系统能否正常工作的重要模块，由于构成直流电机恒速控制系统的各个模块正常工作电压不同，如直流力矩电动机额定电压24V，MC9S12XS128最小系统正常工作需+5V电压，信号调理模块运放芯片OPA2277需要±15V双电源供电等等。因此要求电源模块需要提供系统正常工作的多种电压。

电源直接由市电220V50Hz输入，经一个25W的变压器输出3组电压分别为20V、+12V和-12V，再经过两个整流桥KBP310分别向各个部分供电。由于工频电压存在不稳定性，经过变压和整流之后的电压也会不稳定。所以将整流之后的24V电压经过开关电源芯片

LM2576-ADJ调节后供给力矩电机，+12V和-12V经过整流得到+15V和-15V供给信号调理模块，显示模块和单片机需要5V电压供电，所以+15V经过一片开关电源芯片LM2576-5.0稳压得到5V提供给显示模块和单片机模块。

结合图2，图2是系统软件主程序流程图。直流电机恒速控制系统软件部分主要由下位机部分和上位机部分组成。下位机部分主要包括控制系统初始化，包括时钟初始化，I/O口初始化，PWM模块初始化，A/D模块初始化以及显示模块初始化等，直流电机的PID控制等。上位机部分通过USB串口与下位机通信，主要负责显示当前速度曲线，对PID参数进行调整，保存和导出数据。直流电机恒速控制系统的初始化部分完成上电后的初始化，包括时钟初始化，I/O口初始化，PWM模块的初始化，A/D模块的初始化以及数码显示模块初始化等。为了在初始化过程中防止意外中断的到来，在初始化开始时，先关闭所有的中断，等初始化完成后，再开中断。初始化之后显示转速，判断是否需要闭环控制，如果需要就进行PID控制，如果不需要进行闭环控制则进行开环控制，之后进行响应通讯，循环直至结束。

Claims (3)

1.一种基于飞思卡尔单片机的直流电机恒速控制系统，其组成包括主控芯片、反馈元件、直流力矩电动机、直流测速发电机、信号调理电路，其中主控芯片通过对设定转速与实际转速做比较，经PID算法后，由主控芯片的PWM发生器模块，发出PWM波对直流电机进行控制，完成直流电机的恒速控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞思卡尔单片机的直流电机恒速控制系统，其特征在于直流电机恒速控制系统软件部分主要由下位机部分和上位机部分组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于飞思卡尔单片机的直流电机恒速控制系统，其特征在于直流电机恒速控制系统中，闭环部分主要使用了PID增量式算法。

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

=K_P[e(k)-e(k-1)]+K_Ie(k)+K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

式中，K_P称为比例增益；称为积分系数；K_D=K_PT_D/T称为微分系数。

对直流力矩电动机进行建模，将其视为一阶惯性环节，通过阶跃响应法容易得到其传递函数为

$G\left(s\right)=\frac{822}{0.23s+1}$