基于PWM和PID的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

張 濤， 張曉宇， 王輝俊

(華北科技學(xué)院，河北 三河 065201)

0 引 言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。在自動(dòng)控制系統(tǒng)的教學(xué)過程中，直流電動(dòng)機(jī)是常用的控制對(duì)象。

伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。

相對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)而言，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速基本原理比較簡單。只要改變直流電動(dòng)機(jī)的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。改變電壓的方法很多，最常見的是采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓的占空比就可以控制直流電動(dòng)機(jī)的平均電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

本文以單片機(jī)為控制器，以小型直流電機(jī)為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)和制作利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)原理和PID控制原理來實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)，并在LED數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示給定轉(zhuǎn)速及動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速[1-2]。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本系統(tǒng)是對(duì)小型直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，要實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)為：調(diào)速范圍500～5 000 r/min，靜差率s≤10%，超調(diào)量σ%≤20%，調(diào)節(jié)時(shí)間≤2 s。

本設(shè)計(jì)選擇的小型直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為：額定電壓12 V，空載轉(zhuǎn)速15 000 r/min，減速后為100 r/min，空載電流20 mA。另外，小型直流電動(dòng)機(jī)自帶AB相光電編碼器，16脈沖。小型直流電動(dòng)機(jī)共6根接線，分別為：編碼器VCC(+5 V)，GND，A，B，電樞2根線。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PWM和PID的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，通過改變直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。系統(tǒng)可以通過單片機(jī)鍵盤或者電位器來控制給定速度的大小[3-4]。

圖1 直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的原理框圖

依據(jù)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的原理框圖，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)首先通過4*4鍵盤或者電位器給定轉(zhuǎn)速；然后系統(tǒng)利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路控制直流電動(dòng)機(jī)；直流電動(dòng)機(jī)通過光電編碼器反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)供單片機(jī)采集動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速，與反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的控制，達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的。電流檢測可以測量電樞繞組電流大小，防止過電流。2組4位LED數(shù)碼管分別用于給定轉(zhuǎn)速和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速[5-8]。

圖2 直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

PWM廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)，它是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)[9-11]。

基于雙極式控制可逆PWM變換器的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，其中VPC可接+12 V或+5 V直流電源，PWM接P1.6，MOT1、MOT2接電樞繞組。電阻R15串聯(lián)在電樞繞組中，為電流取樣電阻，通過采集其上的電壓值可知道電樞電流的大小。

圖3 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)

本設(shè)計(jì)選用AT89S52型號(hào)的單片機(jī)。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8 b微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。

單片機(jī)系統(tǒng)電路由AT89S52單片機(jī)和復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路、控制電路(地址鎖存允許控制、程序儲(chǔ)存允許控制、外部訪問允許控制)等部分組成。

4.2 鍵盤電路設(shè)計(jì)

圖4 鍵盤電路

4.3 顯示電路設(shè)計(jì)

圖5 顯示電路

4.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要是對(duì)電位器給定電壓和電樞電流信號(hào)進(jìn)行采集，根據(jù)電位器電壓改變給定轉(zhuǎn)速的大小。設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。由于要實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，所以需要采集電樞電流信號(hào)，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)使電機(jī)停轉(zhuǎn)。所采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為ADC0804，是一個(gè)單通道8位逐次比較式器件，而要采集的信號(hào)有兩路，所以增加了一個(gè)多路選擇開關(guān)CD4051，實(shí)現(xiàn)通道的選擇。其中IN0接電樞電流，IN1接電位器輸出電壓。ADC0804片選端和CD4051地址端通過74LS373分別接AD11、AD12、AD13、AD14，通道0地址為0x00FF，通道1地址為0x10FF。

圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

5 軟件設(shè)計(jì)

主程序軟件流程圖如圖7所示，主要完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，完成系統(tǒng)初始化后，實(shí)現(xiàn)鍵盤處理、刷新顯示等功能[12-16]。

6 仿真驗(yàn)證

根據(jù)前述的硬件電路設(shè)計(jì)方案和軟件程序設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的Proteus仿真模型，仿真模型如圖8所示。仿真結(jié)果表明，前述的硬件電路設(shè)計(jì)方案和軟件程序設(shè)計(jì)方案具有可行性，可以進(jìn)行實(shí)物制作。

圖7 主程序軟件流程圖

圖8 直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型

7 實(shí)物制作

在仿真模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，根據(jù)前述的硬件電路設(shè)計(jì)方案和軟件程序設(shè)計(jì)方案，首先制作印刷電路板(PCB)，然后焊接各種元器件；其次，編制和調(diào)試軟件程序，將軟件程序下載到硬件電路；最后運(yùn)行直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，檢驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

8 結(jié) 語

設(shè)計(jì)的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在硬件上采用了基于PWM技術(shù)的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路，解決了直流電動(dòng)機(jī)的效率問題，在軟件上也采用較為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法，提高了單片機(jī)的使用效率，且更有效地實(shí)施了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的速度控制。本文利用仿真軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)內(nèi)容的正確性和可行性，并通過制作實(shí)物證明了基于單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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