基于單片機的直流電機pid系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 子的飽和截止模式下，效率非常高； H型電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩定性 也極佳，是一種廣泛采用的 PWM 調速技術。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩定；并且在采用單片機產生 PWM 脈沖的軟件實現上比較方便。且對于直流電機，采用軟件延時所產生的定時誤差在允許范圍。 K1 K2A+VCCVCC 圖 21 PWM 波調速電路 其結構圖如圖 22 所示： 江西理工大學 2020屆本科畢業設計（論文） 11 圖 22 電機 PID調速系統總體設計框圖 （二）方案二：晶閘管調速 采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動系統是最早應用靜止式變流裝置供電的直流電動機調速系統。 1957 年，晶閘 管（俗稱 “ 可控硅 ” ）問世，到了 60 年代，已生產出成套的晶閘管整流裝置，并應用于直流電動機調速系統，即晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（ VM 系統）。如圖 13， VT 是晶閘管可控整流器，通過調節觸發裝置 GT 的控制電壓 cU 來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓 dU ，從而實現平滑調速。晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數在 410 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統的動態性能。因此，在 60 年代到 70 年代，晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（ VM 系統）代替旋轉變流機組直流電動機調速系統（ GM 系統），得到了廣泛的應用。但是由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難；晶閘管對過電壓、過電流和過高的 dudt 與 didt 都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。另外，由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成 “ 電力公害 ” ，因此必須添置無功補償和諧波濾波裝置。 兼于方案二 調速特性優良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大 ，因此本設單片 機（速度的測量計算、輸入設定及系統控制） 霍爾傳感器速度采集 單片機（ PID 運算控制器、PWM 模擬發生器） 直流電動機 電機驅動電路 江西理工大學 2020屆本科畢業設計（論文） 12 計采用方案一。 檢測方案 選擇 電機控制系統中信號檢測是必不可少的，不僅開環控制狀態的極限控制需要，如過電流、過電壓、過熱和欠電壓等嚴重影響系統正常工作的信號，而且對于絕大多數閉環控制系統，狀態信 息的檢測更是不可缺少，即進行實時檢測并利用檢測信號控制電機的正常運行。檢測信號分為電量和非電量兩類。電量有電流、電壓、電荷量和電功率等。在檢測系統中占絕大多數檢測信號屬于非電量信號，如位置、速度等。在電機控制系統中，常用的檢測信號主要有電流、電壓、轉子位置和轉速等物理量。下面分別介紹這些 物理量的檢測方法。 檢測方案 位置傳感器主要用于轉子位置檢測和速度計算，為了正確的獲得轉子位置信息，不僅要合理 地設計轉子位置傳感器與單片機的接口，還要考慮位置信號處理的方法。合理選擇測速元件，這里我 們選擇霍爾傳感器作為測速元件。 （ 1）霍爾傳感器 由于霍爾元件產生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。 圖 24霍爾元件 接線圖： 圖 25霍爾原件接線圖 霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形較小，如圖所示，是其中一種型號江西理工大學 2020屆本科畢業設計（論文） 13 的外形圖。 （ 2）霍爾效應 如圖 23 所示，在半導體薄片兩端通以控制電流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為 B 的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓，它們之間的關系為 ： 。 H IBU =k d 圖 23霍爾原理圖 式中 d 為薄片的厚度， k稱為霍爾系數，它的大小與薄片的材料有關。 上述效應稱為霍爾效應，它是德國物理學家霍爾于 1879 年研究載流導體在磁場中受力的性質時發現的。 （ 3）霍爾元件 根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感 、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。 霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。 ? 線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。 ? 開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。 （ 1）線性型霍爾傳感器的特性 江西理工大學 2020屆本科畢業設計（論文） 14 圖 25電壓與外磁場關系 輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如圖 25 所示，可見，在 B1～ B2 的磁感應強度范圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現飽和狀態。 （ 2）開關型霍爾傳感器的特性 如圖 26 所示，其中 BOP 為工作點“開”的磁感應強度， BRP 為釋放點“關”的磁感應強度。 當外 加的磁感應強度超過動作點 Bop 時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點 Bop 以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點 BRP 時，傳感器才由低電平躍變為高電平。 Bop 與 BRP 之間的滯后使開關動作更為可靠。 另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關型霍爾傳感器，其特性如圖27 所示。 圖 26霍爾原件特性 B V0 O Brp Bop V+ on off 江西理工大學 2020屆本科畢業設計（論文） 15 當磁感應強度超過動作點 Bop時，傳感器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消后，其輸出狀態保持不變（即鎖存狀態），必須施加反向磁感應強度達到 BRP 時，才 能使電平產生變化。 按被檢測對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，這個磁場是被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電學量來進行檢測和控制。 線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。例如： 1．電流傳感器 由于通電螺線管內部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導線 中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優點是不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。 28霍爾電流傳感器原理圖 V0 Bop O Brp B 圖 27 鎖鍵型特性 江西理工大學 2020屆本科畢業設計（論文） 16 霍爾電流傳感器工作原理如圖 28所示，標準圓環鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺 口中，圓環上繞有線圈，當電流通過線圈時產生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。 2．位移測量 如圖 29 所示，兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在 Z軸上作 △Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。 圖 29位移測量 如果把拉力、壓力等參數變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，如圖 210所示，是按這一原理制成的力傳感器。 圖 210壓力傳感器 開關型霍爾傳感器主要用于測轉數、轉速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自 動控制電路等。 1．測轉速或轉數 如圖 211 所示，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉數（計數器），若接入頻率計，便可測出轉速。 圖 211 霍爾傳感器測轉速 如果把開關 型霍爾傳感器按預定位置有規律地布置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據脈沖信號的分布江西理工大學 2020屆本科畢業設計（論文） 17 可以測出車輛的運動速度。 單片機的選擇 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機，片內含4K 的可編程的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 8051 指令系統及引腳。它集 Flash 程序存儲器既可在線編程（ ISP）也可用傳統方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片機芯片中，ATMEL 公司的功能強大， 低價位 AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合， 可靈活應用于各種控制領域。 主要性能參數： ? 與 MCS51 產品指令系統完全兼容 ? 4K字節在系統編程（ ISP） Flash 閃速存儲器 ? 1000 次擦寫周期 ? 的工作電壓范圍 ? 全靜態工作模式： 0HZ33MHZ ? 三級程序加密鎖 ? 128*8 字節內部 RAM ? 32個可編程 I/O 口線 ? 2個 16位定時 /計數器 ? 6個中斷源 ? 全雙工串行 UART 通道 ? 低功耗空閑和掉電模式 ? 中斷可從空閑模式喚醒系統 ? 看門狗（ WDT）及雙數據指針 ? 掉電標示和快速編程特性 AT89S51 引腳圖如下圖： 江西理工大學 2020屆本科畢業設計（論文） 18 212 AT89S51引腳圖 ： AT89S51 提供以下標準功能： 4K 字節閃速存儲器， 128 字節內部 RAM， 32 個I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個數據指針，兩個 16 位定時 /計數器，一個 5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時， AT89S51可降至 0HZ 的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存 RAM 中到內容，但振蕩器停 止工作并禁止其它所有工作部件直到下一個硬件復位。 引腳功能說明： Vcc:電源電壓 GND:地 P0口： P0 口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數據總線復用口。作為輸出口時，每位能驅動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低 8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 在 Flash 編程時， P0口接收指令字節，而在程序校驗時，輸出指令字節，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1口： P1 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內部的上拉電江西理工大學 2020屆本科畢業設計（論文） 19 阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 P2口： P2 口是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 在訪問外部 程序存儲器或 16位地址的外部數據存儲器（例如執行 MOVE @DPTR指令）時， P2 口送出高 8 位地址數據。在訪問 8 位地址的外部數據存儲器（如執行 MOVX @Ri 指令）時， P2 口線上的內容（也即特殊功能寄存器（ SFR））區中P2寄存器的內容），在整個訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗時， P2 亦接收高位地址和其他控制信號。 P3口： P3 口是一組帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“ 1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。作輸入端 時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。 P3口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能。 RST:復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打開或關閉該功能。 DISRTO 位缺省為 RESET 輸出高電平打開狀態。 ALE/~PROG:當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時， ALE（地址所存允許）輸出脈沖用于所存地址的低 8位字節。即使不訪問外部存儲器， ALE仍以時鐘振