基于單片機的直流伺服電機轉(zhuǎn)速控制實驗系統(tǒng)

作者：scb521　欄目：單片機

基于單片機的直流伺服電機轉(zhuǎn)速控制實驗系統(tǒng)

朱惠明張愛武高洪霞

摘　要：介紹了一種基于單片機的直流伺服電機轉(zhuǎn)速控制實驗裝置,論述了其硬件組成原理和軟件設計思想。通過實踐證明,該裝置是學生進行課程設計、掌握單片機應用技術的一種切實可行的實驗教學設備。
關鍵詞：單片機;直流伺服電機;實驗裝置
中圖分類號：TP368.1　　文獻標識碼：A

Experiment SYSTEM of Controt DC Servomotor Rotational Speed Using MicroCONTROLler

Zhu HuimingZhangZi-wu
(1.Department of COMPUTER ENGINEERING)
Gao Hongxia
(2.College of Electrical POWER ENGINEERING,Shandong UNIVERSITY of TECHNOLOGY,Jinan 250061 CHINA)

　　Abstract：A kind of experiment INSTRUMENT to CONTROL DC servomotor rotational speed using microCONTROLler is introduced.The designof HARDWARE and SOFTWARE of the INSTRUMENT is deseribed.It is proved that the experiment INSTRUMENT is feasible and applied for student to comprehend microCONTROLler practice TECHNOLOGY in their design lesson.
　　Key words：miroCONTROLler;DC servomotor;experiment INSTRUMENT

　　近年來,隨著科技的飛速發(fā)展,單片機的應用正在不斷地走向深入。在儀器儀表、家用電器和專用裝備的智能化以及過程控制等方面,單片機都扮演著越來越重要的角色。作為高等工科院校,將單片機的應用引入實驗教學必將對微電子控制技術的研究與實踐注入強大活力。我們研制的直流伺服電機控制實驗裝置即以單片機作為核心部件,它可完成對直流伺服電機轉(zhuǎn)速、方向、行程的閉環(huán)控制。本文重點論述該實驗裝置的硬件組成,軟件設計以及控制方案的實施。

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獎！好文章給獎勵金錢:150 admin 2006-11-1 16:59:10

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作者： scb521 于 2006/11/1 16:55:58 發(fā)布：

1　系統(tǒng)硬件組成

　　本系統(tǒng)由IBM-PC機、MCS-51單片機開發(fā)系統(tǒng)、模擬控制板、PWM脈寬調(diào)制控制板以及帶齒片和光電傳感器的直流伺服電動機等組成。其各部分主要功能如圖1所示。

圖1　直流伺服電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖

1.1　以IBM-PC機作為本系統(tǒng)的輔助機
　　為了便于對單片機進行有效的開發(fā),通過RS-232串行接口直接與IBM-PC機相連,使單片開發(fā)機能充分利用IBM-PC的CRT、磁盤、打印機和各種軟硬件資源�？赏瑫r在IBM-PC機上進行編輯程序—交叉匯編—屏幕模擬調(diào)試,最后通過串行通訊軟件將目標程序傳輸?shù)絾纹_發(fā)機上,從而極大地方便了程序的調(diào)試。
1.2　MCS-51單片開發(fā)機
　　通過一條40芯仿真插頭使該單片開發(fā)機與直流伺服電機控制板相連,系統(tǒng)在總線控制器的作用下,使8031在監(jiān)控狀態(tài)和用戶狀態(tài)之間切換。實驗程序有單步斷點、連續(xù)運行方式,包括INT0，INT1，T0，T1和串行口的中斷服務程序。
1.3　模擬控制板
　　該板由DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器、譯碼電路、T1中斷信號整形電路、運算放大器電路及三極管驅(qū)動電路組成。譯碼電路完成對DAC0832的片選,0832芯片完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。四運放芯片F324,前兩級運放構(gòu)成雙極性輸出,其輸出正、負由單片機輸出的代碼決定,即D7=0輸出為正,D7=1輸出為負,由此驅(qū)動電機正、反轉(zhuǎn)。第三級運放為電壓放大,將±5V放大到±12V,運放后面跟著兩級功放,為射級跟隨器輸出形式。
1.4　PWM脈寬調(diào)制控制板
　　該板由T9224光電隔離、T1中斷信號整形、電機轉(zhuǎn)向控制以及功放驅(qū)動電路組成。采用脈寬調(diào)制控制電機的轉(zhuǎn)速,首先要確定采樣周期和定時脈沖周期以及它們之間的關系,然后決定調(diào)節(jié)方式。
1.5　直流伺服電動機
　　直流伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中常用作執(zhí)行元件,對它的要求是要有下垂的機械特性、線性的調(diào)節(jié)特性和對控制信號能作出快速反應。該系統(tǒng)采用的是電磁式直流伺服電動機,其型號為45SY01型,其轉(zhuǎn)速n的計算公式如下

n=E/KΦ=(U_a-I_aR_a)/KΦ

式中　n為轉(zhuǎn)速;Φ為磁通;E為電樞反電勢;U_a為外加電壓;I_aR_a為電樞電流和電阻。

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作者： scb521 于 2006/11/1 17:02:46 發(fā)布：

2　系統(tǒng)軟件設計

2.1　軟件設計思想
　　在自動控制系統(tǒng)中,數(shù)字PID控制是采用最廣泛的一種控制方法。由于電機轉(zhuǎn)速與電樞外加電壓U_a的大小基本上成正比,這就構(gòu)成了PID調(diào)節(jié)的基礎。PID調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖

圖中：D_s為轉(zhuǎn)速設定值,D_c為采樣值,e為偏差,PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的差分方程為

)

　　在PID參數(shù)整定過程中,以整定比例系數(shù)為主,K_p主要影響響應速度,K_p越大,響應越快,但太大會引起較大的超調(diào)和振蕩,甚至產(chǎn)生不穩(wěn)定。積分時常數(shù)T_i主要影響靜態(tài)精度,可消除靜差。微分調(diào)節(jié)的加入有助于減小超調(diào),克服振蕩,使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

4樓：

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作者： scb521 于 2006/11/1 17:03:44 發(fā)布：

由于要分別完成PWM調(diào)節(jié)和模擬量調(diào)節(jié)兩種方式的閉環(huán)控制實驗,所以控制程序要分別考慮。
　　(1)關于PWM控制
　　在直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)中,我們采用的是雙極式H型可逆PWM變換器,通過調(diào)節(jié)正、負脈沖的寬窄來控制電機的正、反轉(zhuǎn),以改變脈沖信號的占空比來控制加在電機電樞上電壓的平均值,實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速控制。電機轉(zhuǎn)速信號由光電傳感器檢測,經(jīng)光電隔離輸入到單片機的P₁口。T₀作定時器,T₁作轉(zhuǎn)速計數(shù)。
　　(2)模擬量控制
　　首先要將輸出量u根據(jù)設定的轉(zhuǎn)向變?yōu)檠a碼形式,然后經(jīng)D/A變換芯片完成雙向數(shù)模轉(zhuǎn)換,最后經(jīng)功率放大驅(qū)動伺服電機。

5樓：

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作者： scb521 于 2006/11/1 17:04:16 發(fā)布：

2.2　軟件的組成
　　該系統(tǒng)軟件由主控程序模塊和5個子程序模塊組成。系統(tǒng)程序流程圖所圖3所示。
2.2.1　主控程序
　　主程序的功能主要是進行初始化工作,并構(gòu)造一個顯示段。
2.2.2　T0中斷服務程序
　　每隔1ms進入該中斷服務程序,根據(jù)采樣結(jié)果對電機進行控制。每隔0.256s(PWM控制用)或0.128s(模擬控制用)調(diào)用采樣和PID調(diào)節(jié)控制子程序并更新顯示緩沖區(qū)。
2.2.3　顯示子程序
　　該模塊將放于數(shù)據(jù)顯示緩沖區(qū)中的BCD碼,變成七段字形碼送顯示器。
2.2.4　采樣和PID調(diào)節(jié)控制算法子程序
　　該模塊的功能是將電機轉(zhuǎn)速的采樣值與設定值進行比較,求出偏差e,再乘以比例系數(shù),加到累加單元中。
2.2.5　更新顯示緩沖區(qū)子程序
　　根據(jù)轉(zhuǎn)速的計算公式,求出電機轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)換成BCD碼送入顯示緩沖區(qū)。