CN202713217U - 一种新型双单片机控制直流电机转速测控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双单片机控制的直流电机转速测控系统，其特征在于：系统采用两片单片机，其中一片实现PID控制器，专门进行PID运算和PWM控制信号输出；另一片为系统控制器，完成直流电机速度的键盘设定，转速测量，转速显示，并将设定值和测量值向PID控制器发送等。采用专用小型直流电机驱动芯片实现电机驱动；采用定频调宽方式，使得电动机在运转时比较稳定。本实用新型所述的一种双单片机控制的直流电机转速测控系统，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，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。该系统结构简单，运行可靠，调速性能良好，可以广泛的推广应用。

Description

一种新型双单片机控制直流电机转速测控系统

技术领域：

本实用新型涉及转速测控系统，具体来说为一种双单片机控制的直流电机转速测控系统。

背景技术：

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流电机的控制方法多种多样，常用的有电枢回路串电阻调速，降低电源电压调速，减弱磁通调速，直流脉宽调制等。电枢回路串电阻调速方法简单、操作方便，但相对稳定性差，而且串入电阻使能耗增大，经济性较差；降低电源电压调速可以实现无级调速，转速稳定性好，但调速时需要一套电压可连续调节的直流电压，设备投资大；减弱磁通调速受到电动机机械强度和换向火花限制，调速范围D不大，一般为1.2～1.5V；直流脉宽调制是利用电子开关，将直流电源电压转换成为一定频率的方波脉冲电压，然后再通过对方波脉冲宽度的控制来改变供电电压大小与极性，从而达到对电动机进行变压调速的一种方法，电流脉动小，电枢电流容易连续，不用在主回路中串入大电感，仅靠电枢电感就可滤波，系统低速特性稳定调整范围宽，且无需另加设备就可实现可逆调速，元件只工作在开关状态，主电路损耗小，设备效率较高，交流侧的功率因素和对电网的干扰都比晶闸管整流装置要好。

目前实现直流电机的无级调速还存在一些问题，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，控制器的智能化程度不高，可移植性差。

发明内容：

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种新型基于双单片机控制的直流电机转速测控系统，其实现对电机转速的测量和控制，解决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。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：系统采用两片单片机，其中一片实现PID控制器，专门进行PID运算和PWM控制信号输出；另一片为系统的主控芯片，完成直流电机速度的键盘设定，转速测量，转速显示，并将设定值和测量值向PID控制器发送等。采用专用小型直流电机驱动芯片实现电机驱动；采用定频调宽方式，使得电动机在运转时比较稳定。

在所述的直流电机转速测控系统中，还包括LCD显示模块，所述显示模块和/单片机1(系统控制器)连接。

在所述的直流电机转速测控系统中，还包括按键设置模块，所述按键模块和/单片机1(系统控制器)连接。

在所述的直流电机转速测控系统中，所述单片机1(系统控制器)和单片机2(PID控制器)通过串口连接，实现数据交换。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用两片单片机，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，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。该系统结构简单，运行可靠，调速性能良好，可以广泛的推广应用。

附图说明：

图1为本实用新型所述一种新型双单片机控制直流电机转速测控系统的结构框图。

图2为本实用新型所述直流电机速度采集电路中的转速/频率转换电路。

图3为本实用新型所述直流电机速度采集电路中的脉冲滤波整形电路。

图4为本实用新型所述电机驱动电路。

图5为本实用新型所述显示模块和单片机接口电路。

图6为本实用新型所述单片机1(系统控制器)软件的主流程图。

图7为本实用新型所述单片机2(PID控制器)软件的主流程图。

图8为本实用新型所述单片机2(PID控制器)软件的增量式积分分离PID算法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。本实施例仅仅是对本实用新型实施方式的描述，并不对本实用新型的范围有任何限制。

本实用新型所述一种新型双单片机控制直流电机转速测控系统的结构框图如图1所示：两片单片机均采用AT89S52，单片机1作为系统控制器，完成直流电机速度的键盘设定，转速测量，转速显示；单片机2作为PID控制器，进行PID运算和PWM控制信号输出。显示模块采用RT12232F点阵型点液晶显示器。

所述的一种新型双单片机控制直流电机转速测控系统中直流电机速度采集电路主要由转速/频率转换电路和脉冲滤波整形电路构成，如图2和图3所示：将转速测量转化为电脉冲频率的测量，采用三极管输出型红外光电耦合器，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端输出一个上脉冲，即完成了转速/频率的转换，如图2所示，其中DS1为红外发射头，Q1为红外接收头，B1为直流电机，R1为限流电阻，设计中取值为470Ω，R2取值510Ω。电机在转动的过程中有晃动，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，设计中在红外接收头Q1的OUT输出端加电容滤波C取值0.001μF。由于单片机中断I/O口的需要输入信号是标准的TTL矩形脉冲，故电路的脉冲整形电路采用反向器74LS06进行两次反向后输入单片机P3.2口，如图3所示为脉冲滤波整形电路，U1和U2为反向器74LS06，R2取值为510Ω。

所述的一种新型双单片机控制直流电机转速测控系统中所述电机驱动电路如图4所示：采用L298N直流电机驱动芯片，其采用单片集成塑装，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以内的电机控制电压，在直流运转条件下，可以通过高达2A的电流，满足了一般小型电机的控制要求，图中二极管D4、D5、D6、D7的作用是消除电机的反向电动势，保护电路。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。

所述的主机中的显示模块，本实施例是采用的RT12232F是一种内置8192个16*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128×32全点阵液晶显示器组成，可完成图形显示，也可以显示7.5×2个(16×16点阵)汉字，与外部CPU接口采用并行或串行方式控制。设计中采用并行方式控制，可以通过电位器R调节液晶屏的亮度，RT12232F中的RS、RW、E分别接单片机AT89S52的P0.0、P0.1和P0.2，DB0～DB7接单片机的P1口，如图5所示。

单片机1(即系统控制器)的主流程图如图6所示，其中调用按键子程序即通过按键完成发送设定值，使用定时中断1来实现系统时间记时和处理，使用定时器0和外中断0配合，实现测量计算转速。单片机2(即PID控制器)的主流程图如图7所示，分别采用外中断0和1完成接收设定值，接收测量值和PID计算处理。设计考虑到电机的工作环境一般比较恶劣，故除了硬件抗干扰外，从程序上也进行了抗干扰设计，从而实现大范围检错、纠错或丢弃错误等。在程序设计中，对严重不符合要求的测量数据进行了丢弃处理，而对于正常范围内的数据错误采用了采5取3求平均的数字滤波算法，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个数据求平均值。实验表明，此方法有效的降低了系统采集转速中出现的错误。对于转速的测量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。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，同时低速状态的错误发生几率较小，所以不采用采5取3求平均处理。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。

PID控制器采用增量式积分分离PID算法，流程图如图8。先采用增量式控制算法计算出控制量的增量，然后加上上一次的控制量即可以得到本次的控制量，PID算法表达式如下：

u(k)＝Δu(k)+u(k-1)

＝q₀e(k)+q₁e(k-1)+q₂e(k-2)+u(k-1)

q₀＝k_p[1+T_s/T_I+T_D/T_S]q₁

其中，＝-k_p[1+2T_D/T_S]q₂＝k_pT_D/T_S

以增量式算法实现位置PID算法的结果，使控制得到简化、容易实现。设计中抑制PID算法的“饱和”作用采用积分分离法，在开始时不进行积分，直到偏差达到一定的阀值后才进行积分累计，算法流程图如图8所示。图中A、B、C分别代表q0，q1，q2。这样，一方面防止了一开始有过大的控制量，另一方面即使进入饱和后，因积分累积小，也能较快退出，减少了超调。通过实验分析修正PID各项系数，使系统最终处在一个较佳的工作状态。启动时，电机经过约5秒钟进入稳定状态，没有出现过大的超调或欠调。稳态时，转速误差在±3转/秒。由于转速测量装置晃动大，由此引起的测量值会意外发生错误，使电机有时会出现转速的瞬间飙升或骤减，但不会引起系统失调，系统会迅速自动调整转速，再次达到稳定状态。

以上所述的实施例，所涉及的数据和计算方法仅作为示意性说明，举凡依本实用新型申请专利范围所做的等同设计，均应为本实用新型的技术所涵盖。

Claims (2)

1.一种新型双单片机控制直流电机转速测控系统，其特征在于：系统采用两片单片机，其中一片实现PID控制器，专门进行PID运算和PWM控制信号输出；另一片为系统的主控芯片，完成直流电机速度的键盘设定，转速测量，转速显示，并将设定值和测量值向PID控制器发送等,采用专用小型直流电机驱动芯片实现电机驱动；采用定频调宽方式，使得电动机在运转时比较稳定。

2.根据权利要求1所述的一种新型双单片机控制直流电机转速测控系统，其特征在于：所述的两片单片机通过串口连接，实现数据交换。 

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