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基于51单片机的小型直流电机PWM调速系统设计_图文

基于51单片机的小型直流电机PWM调速系统设计
赵亚丽1。陈奇栓1,齐晓旭1,李友军2 1.承德石油高等专科学校(河北承德067000 2.北京雄越科技发展有限公司(北京,100080) 【摘要】本文采用AT89S51单片机为控制核心,通过光电 传感器测量电机转速,采用数字PID调节器算法来控制PWM波 形输出,通过电机驱动芯片L298N对电机转速进行调节,达到 了对直流电机转速平滑调节的目的。本系统控制电路简单,实现 方便,可广泛应用于各类玩具小车或小型直流电机调速领域。 【关键词】51单片机;直流电机调速;PWM;PID 中图分类号:TN


统电路连接见图2。采用AT89S51单片机作为核心器件,转速 检测模块作为电机转速测量装置,通过AT89S5l的P3.3口将 电脉冲信号送入单片机处理,L298N作为直流电机的驱动模块, 利用1602显示器和4×4键盘作为人机接口。 采用按键作为命令的输入,单片机在程序控制下定时不断 给直流电机驱动芯片L298N发送PWM波形.以控制电机的转速, 同时单片机不停的将从电机所反馈的数据送到显示模块去显示, 从中读取其速度。限于篇幅,下面仅对主要电路设计方案进行 介绍,

文献标识码:A

引言

直流电动机具有良好的起动、制动性能,且凋速范围广, 易于平滑调节和控制…。为了实现产品的便携性、低成品以及对 电源的限制,使得小型直流电机应用相当广泛。 本文以AT89S51单片机为控制核心。同时利用光电元件将 电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中,构成转速闭环控制 系统,通过数字PID算法控制的PWM脉冲输出达到小型直流电 机转速无静差调节的目的。 2直流电机转速调节原理和实现 直流电动机的转速调节主要有三种方法【'】:调节电枢供电的 电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。在直流调速系统中. 主要是以变压调速为主。其方法主要是通过改变电机电枢电压 接通时间与通电周期的比值(即占空比)来控制电机速度:这 种方法称为脉冲宽度调制,简称PWM。PWM调速系统的开关 频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流, 低速特性好,稳速精度高、调速范围宽。

4}4嚣L3
H0~I-13

"1。¨P1~
◆P1 4~PI 7

P0 0 ̄Po 7




1602

显示模块


P2 0~P2 3

INI~IN4

P2P2.AT89S51;PwM:电淼块
PwM
P2 7

l电机嚣罚模块
电机

电源模块


◆VSS

电机供电P3

3心T1●

转速测量

图2直流电机PWM调速系统原理图 3.1直流电机驱动电路设计 由于本系统单片机不能直接驱动直流电机,因此拟采用电 机驱动芯片L298N。1298N内含两个H桥的高电压大电流双全 桥式驱动器,接收标准TrL逻辑电平信号.可驱动46V、2A以 下的电机。
+5V
+12V

圪▲


1 2
.一t◆

MOTORl P2 0 INl◆> VS

..T◆ 0 图l 0.5

P2 1

IN2◆



P2 2

IN3◆

L298N

PWM控制曲线

P2 3

IN4- ENA-

驱动模块

毫: 盯 叫 仉 叫 叽
∞ 町

MOTOR2

图1是直流电动机PWM控制曲线二这种调速方法称为脉
P2.6

宽调速。设脉冲宽度为t.脉冲周期为7’.电机的平均转速为 v(,=v…×D:式中,D=tlT称为占空比。占空比越大,转速越高, 反之就越低:平均转速为v。与占空比D之间的关系如图曲线1, 由图l可知,平均转速与占空比的关系非完全线性关系,但可 以近似看成线性,如图1中虚线2对于特定的电机,其最大、,。。 是确定的,因此控制平均转速就要控制占空比。 小功率直流电机由定子和转子组成.对小功率直流电机调 速系统.使用单片机是极为方便的:只要改变电机定子绕组电 压的通、断电时间,即可达到调节电机转速的目的二 3系统硬件设计 该小型直流电机PWM调速系统以AT89S51单片机为控制 核心,由电源模块、电机驱动模块、控制模块、速度检测模块、 人机交互模块组成.软件部分采用C语言进行程序设计:本系 图3直流电机驱动电路 基于L298N的电机驱动电路如图3所示。OUTl、OUT2和 OUT3、OUT4之间分别接2台电机。Vss接逻辑控制的电源;vs 为电机驱动电源。INI—IN4输人单片机控制电平,用来控制H 桥的开与关即实现电机的正反转;ENA、ENB引脚则为使能控 制端,用来输入PWM信号实现电机调速:这样单片机产生的 PWM脉冲控制L298N的选通端,使电机在PWM脉冲的控制下 正常运行j 3.2直流电机测速电路设计 本设计中,电机速度榆测电路应用了比较常见的光电测速
P2.7 ENB◆

GND-_

劳2

万方数据

方法来实现.其具体做法是将电机轴上固定一圆盘,且其边缘 上有N个等分凹槽,在圆盘的一侧固定一个发光二极管,其位 置对准rm槽处,在另一侧和发光二极光平行的位置上固定一光 敏三极管,如果电动机转到凹槽处时,发光二极管通过缝隙将 光照射到光敏j极管上,i极管导通,反之j极管截止,电路 如图4所示,从图中可以得出电机每转一圈在P3.3的输出端就 会产生N个低电平。这样就可根据低电平的数量来计算电机的 实时转速。
+5V R1
—c-\、

据与设定值进行比较得出偏差e(n),对偏差进行P、l、D运算最 终利用运算结果控制PWM脉冲的占空比来实现对加在电机两端 电压的调节,进而控flOggL转速㈣。其运算公式为:

u(n)=Kp[已(,z)一e(胛一1】+K rP(门)+ KD[e(n)一2e(n一1)+已(行一21+u0
因此要想实现PID控制在单片机就必须存在上述算法。
4.2

PWM调速控制主程序设计

按照系统运行要求,设计的PWM调速控制主程序流程图如
R2

■l-470



图6所示


P3.3

开始


200 Q

模块初始化
’ T

.I

]77


4系统软件设计










判断按键


发光二极管圆盘光敏三极管 图4直流电机测速电路 4.1测速程序及PID运算 本系统中电机速度采集是一个非常重要的部分,它的精度 直接影响到整个控制的精度。在设计中采用了光电传感器做为 测速装置.其计算公式为:



加速

方向调节

减速

测量计算显示


结束

图6调速控制主程序 5结论 本文采用5l单片机为控制核心,使用光电传感器将直流电 机转速转换为脉冲频率.比较精确的测量出电机的转速,从而 与设定值进行比较产生偏差,实现比例、积分、微分的控制, 达到转速无静差调节的目的;控制程序采用数字PID算法.利 用软件实现控制PWM波形输出,具有更改灵活,节约硬件等优 点:用户可以方便的通过显示模块和按键自由调整电机的转速。


v一志…60

m讯

从公式可以看出速度v的误差主要是由圆盘边缘上的凹槽 数的多少决定的,为了减少系统误差应尽量提高凹槽的数量. 在本次设计中取凹槽数N为120,采样时间1为0.5s.则速度计 算具体程序流程如图5所示:

t20?5s?可


仿真及实验结果表明,本直流电机调速系统运行稳定,电机速 度调节响应速度快.在工程及民用领域均有广泛的应用前景。 参考文献 【1]钱雨晔.直流电机调速与测速系统设计LI].电子世界,
2013.17,139—142



计算r=n/120


计算v=(r/0.5)*60



【21李彩云,胡洪波.Pg/'M技术在直流电机调速中的应用U1. 南昌高专学报,!(1118.23(5),162 【31张琛,耿标.数字PID算法与PWM在直流电机调速中 的应用U1.科技与生活,2010.11,12 作者简介:赵亚丽(1982-),女,硕士,;n-Ijt'.保定人,承 德石油高等专科学校讲师,主要从事检测技术教学和科研工作。

返回 图5测速程序流程 本系统设计的核心算法为PID算法.它根据本次采样的数

(上接第1页)目,促进公司的可持续、快速健康发展:对于学 校来说有效地提高了专业教师的“双师型”素质和研发能力 对学生来说通过参与项目的研发与生产,学生学有目标.就业 更有方向,培养出来的学生实用性更强。 参考文献 111潘懋元.再论新建本科院校的定位、特色与发展L1]. 荆门职业技术学院学报?教育学刊,2f)08,(7):1—4. 12】谢勇.以学生为本视角下的高职思政教育接受机制lI]. 职教论坛.2011.2.

【3]徐胜云,宫唤春.校企合作汽车实训教学体系研究U]. 实验技术与管理,2012,l,(29):148-150. 41詹星.地方本科院校培养目标和课程体系研究iDl. 江西师范大学,:r107. |51荆楚理工学院“中国特色基层型大学的理论与实践”课 题组.“中国特色基层型大学”基本理论与实践[EB/OL].
http:/,7、、1、、Vjctl c edu.cn/article.php?ardcleid242(35,!l‘}11—03一I-17

【61眭依凡.关于大学人才培养问题的思考教育发展研究,
20(。}6.(3):31.

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万方数据


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