基于Proteus的直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱奧辭， 趙 鋼

(天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)仿真軟件功能不斷完善，處理速度快速提升，仿真在自動(dòng)控制系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的發(fā)揮著舉足輕重的作用，當(dāng)原型硬件電路和嵌入式代碼主要部分實(shí)現(xiàn)后，就可以在仿真軟件中將硬件電路和軟件結(jié)合起來(lái)并開(kāi)始測(cè)試工作，從而可以測(cè)試算法的可靠性，即提出的一種類RCP的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。所謂類RCP實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是我們不需要在系統(tǒng)硬件搭建完成后才能對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，而是通過(guò)在Proteus仿真軟件中搭建硬件電路圖，算法通過(guò)keil軟件編譯下載到仿真電路圖中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文利用Proteus仿真軟件設(shè)計(jì)了以AT89C52單片機(jī)為核心的算法驗(yàn)證直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，完成了硬件電路模型的設(shè)計(jì)和PID算法程序的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)PID控制策略，驗(yàn)證了PID控制算法，為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本方案利用Proteus仿真軟件設(shè)計(jì)了以AT89C52單片機(jī)為核心的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，快速的完成了硬件電路模型的設(shè)計(jì)和PID算法程序的調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)PID控制策略[1]。將單片機(jī)產(chǎn)生的脈寬調(diào)制控制信號(hào)加在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L293D芯片上驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和加減速運(yùn)動(dòng)的控制，4個(gè)獨(dú)立按鍵分別控制電機(jī)的速度增加、減小、停止、和正反轉(zhuǎn)等功能，用帶有測(cè)速裝置的電機(jī)模塊獲得實(shí)際轉(zhuǎn)速。通過(guò)控制系統(tǒng)輸出的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的精確控制，運(yùn)用偏差糾正偏差的閉環(huán)控制以及軟硬件相結(jié)合的實(shí)時(shí)仿真可以直觀地觀測(cè)到直流電機(jī)的給定速度和實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)調(diào)速控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 PWM調(diào)壓調(diào)速原理

脈沖寬度調(diào)制(PWM)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)電壓，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制[2]。PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬硬件電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，簡(jiǎn)單的講就是對(duì)輸出的脈沖寬度進(jìn)行控制[3]。PWM 有 3 個(gè)參數(shù)，分別是頻率、占空比、周期。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整采用脈寬調(diào)制(PWM)辦法，控制電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，電源并非連續(xù)地向電機(jī)供電，而是在一個(gè)特定的頻率下以方波脈沖的形式提供電能。不同占空比的方波信號(hào)能對(duì)電機(jī)起到調(diào)速作用，這是因?yàn)殡姍C(jī)實(shí)際上是一個(gè)大電感，它有抑制輸入電流突變的能力，因此脈沖輸入信號(hào)被平均分配到作用時(shí)間上，通過(guò)改變?cè)谑寄芏薊N1 和EN2 上輸入方波的占空比就能改變加在電機(jī)兩端的電壓大小，從而改變了轉(zhuǎn)速[4-5]。如圖2所示，占空比就是在輸出的PWM中，高電平持續(xù)的時(shí)間和該 PWM 信號(hào)的周期持續(xù)的時(shí)間之比?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，占空比越大，速度越快，如果全為高電平，占空比為100%時(shí)，速度達(dá)到最快。

圖2 PWM信號(hào)的占空比

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)核心

主控制器采用AT89C52單片機(jī)，AT89C52芯片是8位的CPU，片內(nèi)有振蕩器和時(shí)鐘電路，工作頻率為1～12 MHz，片內(nèi)有256 byte RAM，片內(nèi)26個(gè)特殊功能寄存器，4個(gè)8位的并行I/O口，1個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位定時(shí)器，可處理6個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)。通常單片機(jī)的引腳分為3類：電源和時(shí)鐘引腳、編程控制引腳、I/O口引腳。單片機(jī)模塊主要由 AT89C52 單片機(jī)及外圍濾波、電源管理、晶振和復(fù)位電路組成,CPU總是按一定的時(shí)鐘節(jié)拍與時(shí)序工作[6]。

2.2 鍵盤(pán)及顯示模塊

控制系統(tǒng)使用基于兩個(gè)I/O口的獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速和減速，直接在驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)按鍵用于電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)停止。直流電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際速度狀態(tài)和給定的速度分別通過(guò)兩塊4位LED組成的顯示模塊顯示。

鍵盤(pán)模塊的特點(diǎn)在于采用獨(dú)立式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，使用AT89C52的P3.6和P3.7兩個(gè)引腳控制兩個(gè)獨(dú)立按鍵。按鍵在閉合和斷開(kāi)會(huì)存在抖動(dòng)現(xiàn)象，通常通過(guò)鍵盤(pán)軟件消抖的方法。單片機(jī)檢測(cè)按鍵是否按下的依據(jù)是檢測(cè)該鍵對(duì)應(yīng)的I/O口是否為低電平。兩塊四位LED通過(guò)鎖存端74LS245接在單片機(jī)P2.0～P2.7口上，分別顯示給定電機(jī)轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速。

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

2.3.1L293D芯片介紹

L293D內(nèi)部等效電路圖如圖3所示，是雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L293D提供雙向驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)600 mA，電壓4.5～36 V，可以方便驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī),兼容所有的TTL電平輸入。每個(gè)輸出都是推拉式驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)高電平送入使能端，與之對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路被啟用，驅(qū)動(dòng)器的輸出為活躍狀態(tài)，當(dāng)使能端輸入為低電平，驅(qū)動(dòng)器輸出被禁用關(guān)閉，處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。用合適的電平輸入，驅(qū)動(dòng)電路形成一個(gè)完整的H橋可逆驅(qū)動(dòng)器即可用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖3 L293D內(nèi)部等效電路圖

2.3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

用單片機(jī)控制直流電機(jī)時(shí)，需要加驅(qū)動(dòng)電路，為直流電機(jī)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，通常有三極管電流放大驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)模塊(L293D)和達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器等等。本設(shè)計(jì)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L293D，AT89C52單片機(jī)通過(guò)P1.0口產(chǎn)生PWM波信號(hào)接在L293D的使能端，通過(guò)IN1和IN2端口控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，通過(guò)一個(gè)非門(mén)實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)的OUT1和OUT2輸出接在直流電機(jī)兩端，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

2.4 直流電機(jī)位置編碼器

本設(shè)計(jì)選用Proteus元件庫(kù)中的直流電機(jī)位置編碼器裝置(DC POSITION ENCODER MOTOR)，MOTOR-encoder中間的是編碼器，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，編碼器檢測(cè)出一次高電平，根據(jù)這個(gè)原理可以測(cè)出轉(zhuǎn)速，檢測(cè)左右兩邊可以看出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。MOTOR-encoder的編碼輸出與本系統(tǒng)所要求的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器具有同等功能，可提供兩路具有90°相位差的編碼脈沖，根據(jù)編碼器輸出的兩路具有90°相位差的編碼脈沖,反饋給單片機(jī)計(jì)數(shù)器T0后計(jì)數(shù)，既可以測(cè)速又可以判斷方向[7]。利用其中任何一個(gè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。本系統(tǒng)對(duì)MOTOR-encoder設(shè)置參數(shù)為如下圖5所示。

圖5 MOTOR-encoder參數(shù)設(shè)置

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件由主程序、中斷子程序、PID子程序組成。

3.1 主程序

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置，主程序是一個(gè)循環(huán)程序。其主要思路是,先在程序中設(shè)定好速度的給定值，這個(gè)給定值與MOTOR-encoder測(cè)速電機(jī)送來(lái)的速度相比較得到一個(gè)誤差值,然后用PID算法輸出控制參數(shù)給PWM發(fā)生電路，從而改變波形的占空比,進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[8]。單片機(jī)檢測(cè)是否有按鍵按下，通過(guò)對(duì)按鍵的判斷改變電機(jī)給定速度，從而改變系統(tǒng)輸出占空比。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 定時(shí)器0中斷服務(wù)子程序

定時(shí)器0中斷程序先初始化清軟件計(jì)數(shù)器，然后判斷T0是否進(jìn)入定時(shí)狀態(tài)，如果進(jìn)入定時(shí)狀態(tài)則對(duì)光電編碼盤(pán)發(fā)出有脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，在固定周期內(nèi)計(jì)算轉(zhuǎn)速和PID計(jì)算，同時(shí)定時(shí)器0具有對(duì)數(shù)碼管顯示送入段選和位選。流程圖如圖7所示。

圖7 定時(shí)器流程圖

3.3 PID控制子程序

比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)系統(tǒng)偏差瞬息進(jìn)行判斷，比例系數(shù)越大，控制作用越強(qiáng)，但比例系數(shù)如果過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定；積分環(huán)節(jié)雖然可以消除靜態(tài)誤差，但過(guò)大的積分作用會(huì)增加系統(tǒng)的超調(diào)量，響應(yīng)速度變慢，出現(xiàn)等幅振蕩等；微分環(huán)節(jié)的作用是可以起到超前作用，阻止偏差變化，能夠減小超調(diào)量，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，但魯棒性差[9]。該程序主要是把設(shè)定的轉(zhuǎn)速現(xiàn)當(dāng)前測(cè)量得到的轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算偏差，從而用PWM輸出方式來(lái)確定輸出脈沖的寬度。

常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖8所示。該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成。圖中，r(t)是給定值,y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差[10]。

e(t)=r(t)-y(t)

(1)

式中：e(t)為PID控制的輸入；u(t)為PID控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。所以模擬PID控制器的控制規(guī)律為：

(2)

式中：Kp為控制器的比例系數(shù)；Ti為控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù)；Td為控制器的微分時(shí)間，也稱微分系數(shù)[11]。

圖8 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖

對(duì)式(2)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，即可以進(jìn)行數(shù)字PID控制。數(shù)字PID控制算法可以分為位置式PID和增量式PID控制算法。

位置式PID表達(dá)式為：

(3)

增量式PID控制算法公式：

Δuk=uk-uk-1=

Aek+Bek-1+Cek-2

(4)

由式(4)可以看出，如果單片機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定A、B、C，只要使用前后3次測(cè)量的偏差值，就可以由式(4)求出控制量。增量式PID控制算法與位置式PID控制算法相比，計(jì)算量小得多，因此本次設(shè)計(jì)中采用的PID算法是增量式的[12-13]。圖9所示為軟件實(shí)現(xiàn)PID算法流程圖。

圖9 增量式PID控制程序流程圖

4 單片機(jī)控制系統(tǒng)綜合仿真調(diào)試

4.1 系統(tǒng)仿真聯(lián)調(diào)

本次設(shè)計(jì)采用Keil軟件和Proteus仿真軟件對(duì)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的PID算法進(jìn)行調(diào)試、驗(yàn)證、仿真。首先在Keil中對(duì)電機(jī)調(diào)速程序進(jìn)行編寫(xiě)和調(diào)試，編譯生產(chǎn)“.HEX”的目標(biāo)代碼文件，時(shí)鐘頻率設(shè)置為12MHz。然后下載到Proteus中組建完成的硬件系統(tǒng)中進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)仿真。最終仿真效果如圖10所示[14-15]。

圖10 系統(tǒng)仿真效果圖

4.2 仿真結(jié)果

為了更直觀的觀察仿真結(jié)果，從虛擬儀器模式中選取示波器模塊分別對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的使能端信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，利用圖表模式對(duì)編碼器的兩路信號(hào)和單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波信號(hào)進(jìn)行電壓信號(hào)分析。

當(dāng)系統(tǒng)仿真開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，程序設(shè)定初始給定速度為240 r/min，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速開(kāi)始慢慢加速，最終穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速。當(dāng)點(diǎn)擊加速按鍵或是減速按鍵時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)短暫的超調(diào)或滯后，最終會(huì)穩(wěn)定在給定設(shè)置速度。通過(guò)連接示波器可以直觀的觀察到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和當(dāng)前速度PWM的波形圖，通過(guò)圖表模式，添加激勵(lì)源探針，可以觀察到編碼器的電壓信號(hào)。示波器測(cè)量不同轉(zhuǎn)速波形如圖11所示。圖表測(cè)得波形如圖12所示。

圖11 電機(jī)加速前后的速度和PWM信號(hào)波形

圖12 編碼器電壓信號(hào)和PWM電壓信號(hào)

5 結(jié) 語(yǔ)

從圖11中可以看出，加速后系統(tǒng)的占空比增大，編碼器轉(zhuǎn)速的波形圖抖動(dòng)頻率變大，電機(jī)速度變快，給定速度和電機(jī)實(shí)際速度相吻合，所以符合設(shè)計(jì)要求。采用PID閉環(huán)調(diào)速算法有效地抑制轉(zhuǎn)速的超調(diào)，調(diào)速精確，效率高。運(yùn)用Proteus和Keil對(duì)直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)，有效地驗(yàn)證了PID算法，起到了本文提出的類快速控制原型的效果。

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