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

1、基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)和各種智能產(chǎn)品中常常會(huì)用用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制，而現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)的控制要求越來越精確和迅速，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)要求越來越圖o本設(shè)計(jì)以AT89C511片機(jī)為核心， 基于Proteus單片機(jī)仿真軟件， 完成了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)測(cè)量及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能。在設(shè)計(jì)中采用PW瞰術(shù)和PID控制技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，并且利用數(shù)碼管設(shè)計(jì)的人機(jī)界面系統(tǒng)顯示轉(zhuǎn)速的設(shè)定值及實(shí)際值，通過應(yīng)用PID算法對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。還利用了VisualBasic6.0編程軟件編寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的上位機(jī)軟件，顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化情況，對(duì)PID參數(shù)的整定提供

2、依據(jù)。關(guān)鍵詞：Proteus,AT89C51,PID,PWM調(diào)速，VisualBasic6.0基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄第一章緒論1.1.1直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)背景11.2本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基本功能11.3設(shè)計(jì)目的及意義1第二章總體規(guī)劃2.2.1直流電機(jī)控制原理及特點(diǎn)22.2直流電機(jī)調(diào)速控制方式選擇22.3 PWM脈寬調(diào)制方式32.4電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的獲取32.5總體設(shè)計(jì)框圖42.6上位機(jī)界面設(shè)計(jì)4第三章硬件設(shè)計(jì)5.3.1 AT89C52芯片介紹63.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)73.3按鍵模塊設(shè)計(jì)73.4數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)83.5用口電路設(shè)計(jì)8第四章軟件設(shè)計(jì)9.4.1主程序94.2定時(shí)器0

3、中斷服務(wù)程序104.3 PID控制輸出程序10第五章硬件與軟件聯(lián)合調(diào)試5.1運(yùn)行時(shí)速度設(shè)定值與實(shí)際值125.2運(yùn)行時(shí)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況125.3運(yùn)行時(shí)上位機(jī)運(yùn)行情況12基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)13.14附錄15基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章緒論1.1直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)背景對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制即可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率(額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比)要小得多； 當(dāng)要求的靜差率相同

4、時(shí)， 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。1.2本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基本功能(1)按鍵設(shè)定并顯示轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速(2)按鍵控制電機(jī)起停、正反轉(zhuǎn)(3)PW瞰速閉環(huán)控制。(4)上位機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)曲線顯示1.3設(shè)計(jì)目的及意義本課程是機(jī)械電子工程本科專業(yè)的重要實(shí)踐課程，是單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的一個(gè)綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過這門課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，能夠提出基于單片機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、論證設(shè)計(jì)方案；熟悉單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟硬件設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟；初步學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試的方法，具備技術(shù)實(shí)現(xiàn)能力；基本上能夠處理實(shí)踐過程中出現(xiàn)的問題并提出解決辦法；提高理論付諸于實(shí)踐的能力，提高工程設(shè)計(jì)

5、能力和處理實(shí)際問題的能力,開發(fā)和創(chuàng)新能力。基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章總體規(guī)劃2.1直流電機(jī)控制原理及特點(diǎn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制即可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性： 閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時(shí)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。直流電機(jī)的速度控制方案如圖1所示圖1直流電機(jī)速度控制方案2.2直流電機(jī)調(diào)速控制方式選擇2.2.1電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的

6、分壓， 從而達(dá)到調(diào)速的目的。 但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。2.2.2繼電器采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制， 通過開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。 這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單， 缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、 機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、 壽命較短、可靠性不高。2.2.3H橋組成的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)芯片基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)L298N是SG泌司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收

7、標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。橋型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。兼于上述三種方案調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計(jì)采用方案三。2.3 PWM永寬調(diào)制方式調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PW嘛沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。2.4電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速獲取在Proteus中只有一種直流電機(jī)集成了測(cè)速傳感器，在搜索欄里搜索motor-encoder，即可得到這種電機(jī)模型。本設(shè)計(jì)中設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)一圈

8、發(fā)出60個(gè)脈沖根據(jù)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況及結(jié)合所編寫程序，確定轉(zhuǎn)速公式為：V=N*15;V:速度R/minN:每秒采樣的脈沖個(gè)數(shù)如右圖所示，為帶測(cè)速功能的直流電機(jī)模型基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.5總體設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)采用AT89C51作為控制核心，用按鈕來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和數(shù)碼管來顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速和測(cè)量轉(zhuǎn)速。由上述提供的方案和最后選擇結(jié)果，則用H橋組成的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)芯片L298作為本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路和用帶有測(cè)速計(jì)的電機(jī)模型來取得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。LEDLED數(shù)碼管顯示單元AT89C51AT89C51圖4直流電機(jī)控制系統(tǒng)總體框圖驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)測(cè)速計(jì)單片機(jī)2.6上位機(jī)界面設(shè)計(jì)基于Prot

9、eus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章硬件設(shè)計(jì)3.1AT89C52芯片介紹3.1.1芯片特點(diǎn)AT89C521一個(gè)低電壓， 高性能CMOS的單片機(jī)， 片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM,器件采用ATME公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。3.1.2主要功能特性1、兼容MCS5指令系統(tǒng)2、8k可反復(fù)擦寫（大于1000次）FlashROM;3、32個(gè)雙向I/O口；停止urn比二晨tJ?tJ?OUTiOUTit

10、ntnIM*IM*OUT?日再ENEENEQUEQUESENSSENS明QvnQvnSEIHSEGWDSEIHSEGWD3基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、256x8bit內(nèi)部RAM5、3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷；6、時(shí)鐘頻率0-24MHZ；7、2個(gè)串行中斷，可編程UART串行通道；8、2個(gè)外部中斷源，共8個(gè)中斷源；9、2個(gè)讀寫中斷口線，3級(jí)加密位；10、低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能;11、有PDIP、PQFPTQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.2.1 L298芯片介紹L298N是SG%司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏

11、輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器， 接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)?？沈?qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUTkOUT刖OUT3OUT心間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENAENEK控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。3.2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)輸出的電機(jī)控制PWM&號(hào)接在ENA端口，IN1和IN2端口控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)， 通過一個(gè)非門實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)的OUT儕口OUT2俞出接在直流電機(jī)兩端。U4：A1215-6-11基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3按鍵模塊設(shè)計(jì)按鍵模塊由四個(gè)獨(dú)立按鍵組成，它

12、們分別控制電機(jī)的速度增加、減小、停止、和正反轉(zhuǎn)。電機(jī)狀態(tài)的設(shè)定要點(diǎn)是按鍵的去抖動(dòng)處理。軟件法去抖動(dòng)的實(shí)質(zhì)是軟件延時(shí)加上自鎖編程，即檢測(cè)到某一鍵狀態(tài)變化后延時(shí)一段時(shí)間，再檢測(cè)該按鍵的狀態(tài)是否保持著，并處于循環(huán)檢測(cè)狀態(tài)。如是則作為按鍵處理，能夠保證按一次鍵只發(fā)生一次事件。去抖動(dòng)的延時(shí)時(shí)間一般參考資料多描述為20ms左右，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)大于20ms否則，會(huì)導(dǎo)致按一次多處理，影響程序正常執(zhí)行。按鍵如下圖所示：SW1換向.SW-SPDT-WIOMSW-SPDT-WIOM.燈EX1.:加速/-o/-oo-o-.r-jMkJ J減速3.4數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)數(shù)碼管主要是用于數(shù)字的顯示。數(shù)碼管有共陰和共陽的區(qū)分

13、，單片機(jī)都可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但是驅(qū)動(dòng)的方法卻不同。本設(shè)計(jì)中選取共陰四位一體數(shù)碼管7SEG-MPX4-CC,如下圖所示：基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.5串口電路模塊設(shè)計(jì)在實(shí)際的接口電路中，電腦串口電平與單片機(jī)電平不同，需要電平轉(zhuǎn)換器件MAX-232專換電平。但是在Proteus中是用虛擬用口，通過虛擬串口軟件將電腦上的兩個(gè)COMP連接，在這個(gè)系統(tǒng)中使用的是COM茅DCOM4在虛擬串口軟件中設(shè)置好后，再利用Proteus中的COMPI嘛擬元件設(shè)置為COM4在VB編寫的程序中設(shè)置用口號(hào)為COM3這樣在Proteus中就可以與VB編寫的上位機(jī)軟件通信了。需要注意的是，在Proteus中如

14、果放上MAX-232虛擬元件的話，反而仿真不了，因此無需電平轉(zhuǎn)換器件，直接將COMPIM1單片機(jī)的RXD及TXD弓唧相連。如下圖所示：轉(zhuǎn)速實(shí)際值轉(zhuǎn)速設(shè)定值CDDQLULktS!XH愛基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)P11_6273849DCDDSRRXDRTSTXDCTSDTRRI串口通信ERRORCQMPIM第四章軟件設(shè)計(jì)4.1主程序券主程序主要做了系統(tǒng)初始化，定時(shí)器0的初始化、按鍵掃描、數(shù)碼管顯示定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和PW嘛出。流程圖如下圖所示：基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2定時(shí)器0中斷服務(wù)程序定時(shí)器0中斷程序中用來對(duì)數(shù)碼管顯示送段友和位碼，以及在固定周期內(nèi)

15、計(jì)算轉(zhuǎn)速和進(jìn)行PID計(jì)算。流程圖如下圖所示：4.3 PID控制輸出程序當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變，或電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時(shí)，會(huì)引起偏差的階躍，使e增大,PID的輸出uk將急劇增加或減小，以至于超過控制量的上下限，電機(jī)的轉(zhuǎn)速SPEEDSET然不斷上升，但由于控制量受到限制，其增長的速度減慢，偏差E將比-10-基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)正常情況下持續(xù)更長的時(shí)間保持在較大的偏差值,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)速來計(jì)算偏差，從而用PW嘛出方式來確定輸出脈沖的寬度。-11-基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五章硬件與軟件聯(lián)合調(diào)試5.1運(yùn)行時(shí)速度設(shè)定值與實(shí)際值5.2運(yùn)行時(shí)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況5.3運(yùn)行時(shí)上位機(jī)運(yùn)行情況（恒速時(shí)）-12-基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)1王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全M.北京：JL京航空航天大學(xué)出版社，1998.2孫育才編.單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用M.江蘇：東南大學(xué)出版社，1987.3王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制M.北京：兒京航空航天大學(xué)出版社.2OO2.4徐愛鈞.智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì)M.北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，19965王琰.FLASH單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，1998-13-基于Proteus的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)致謝對(duì)給予各類資助、 指導(dǎo)