基于Proteus的直流電動機閉環調速系統設計

朱奧辭， 趙 鋼

(天津理工大學 天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津 300384)

0 引 言

隨著計算機仿真軟件功能不斷完善，處理速度快速提升，仿真在自動控制系統和產品設計中的發揮著舉足輕重的作用，當原型硬件電路和嵌入式代碼主要部分實現后，就可以在仿真軟件中將硬件電路和軟件結合起來并開始測試工作，從而可以測試算法的可靠性，即提出的一種類RCP的實驗設計方法。所謂類RCP實驗設計方法是我們不需要在系統硬件搭建完成后才能對算法進行驗證，而是通過在Proteus仿真軟件中搭建硬件電路圖，算法通過keil軟件編譯下載到仿真電路圖中進行仿真驗證。本文利用Proteus仿真軟件設計了以AT89C52單片機為核心的算法驗證直流電動機閉環調速系統，完成了硬件電路模型的設計和PID算法程序的調試，實現了閉環PID控制策略，驗證了PID控制算法，為實際系統的設計打下了理論與技術基礎。

1 系統總體設計方案

1.1 系統總體設計框圖

本方案利用Proteus仿真軟件設計了以AT89C52單片機為核心的直流電機閉環調速系統，快速的完成了硬件電路模型的設計和PID算法程序的調試，從而實現閉環PID控制策略[1]。將單片機產生的脈寬調制控制信號加在電機驅動模塊L293D芯片上驅動直流電機實現正反轉和加減速運動的控制，4個獨立按鍵分別控制電機的速度增加、減小、停止、和正反轉等功能，用帶有測速裝置的電機模塊獲得實際轉速。通過控制系統輸出的脈沖寬度實現電機速度的精確控制，運用偏差糾正偏差的閉環控制以及軟硬件相結合的實時仿真可以直觀地觀測到直流電機的給定速度和實際轉速，實現單片機對直流電動機的閉環調速控制，系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 PWM調壓調速原理

脈沖寬度調制(PWM)，簡稱脈寬調制，是通過調節脈沖寬度來調節電壓，最終實現對電機轉速的控制[2]。PWM是利用微處理器的數字輸出來對模擬硬件電路進行控制的一種非常有效的技術，簡單的講就是對輸出的脈沖寬度進行控制[3]。PWM 有 3 個參數，分別是頻率、占空比、周期。

對于電動機的轉速調整采用脈寬調制(PWM)辦法，控制電動機的時候，電源并非連續地向電機供電，而是在一個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能對電機起到調速作用，這是因為電機實際上是一個大電感，它有抑制輸入電流突變的能力，因此脈沖輸入信號被平均分配到作用時間上，通過改變在始能端EN1 和EN2 上輸入方波的占空比就能改變加在電機兩端的電壓大小，從而改變了轉速[4-5]。如圖2所示，占空比就是在輸出的PWM中，高電平持續的時間和該 PWM 信號的周期持續的時間之比。控制電機轉速時，占空比越大，速度越快，如果全為高電平，占空比為100%時，速度達到最快。

圖2 PWM信號的占空比

2 系統硬件設計

2.1 控制系統核心

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

2.2 鍵盤及顯示模塊

控制系統使用基于兩個I/O口的獨立按鍵實現電機的加速和減速，直接在驅動模塊設計兩個雙向開關按鍵用于電機的正反轉和啟動停止。直流電機運行的實際速度狀態和給定的速度分別通過兩塊4位LED組成的顯示模塊顯示。

鍵盤模塊的特點在于采用獨立式鍵盤結構，使用AT89C52的P3.6和P3.7兩個引腳控制兩個獨立按鍵。按鍵在閉合和斷開會存在抖動現象，通常通過鍵盤軟件消抖的方法。單片機檢測按鍵是否按下的依據是檢測該鍵對應的I/O口是否為低電平。兩塊四位LED通過鎖存端74LS245接在單片機P2.0～P2.7口上，分別顯示給定電機轉速和反饋轉速。

2.3 驅動模塊

2.3.1L293D芯片介紹

L293D內部等效電路圖如圖3所示，是雙H橋直流電機驅動芯片，L293D提供雙向驅動電流高達600 mA，電壓4.5～36 V，可以方便驅動兩個直流電動機,兼容所有的TTL電平輸入。每個輸出都是推拉式驅動電路，當高電平送入使能端，與之對應的驅動電路被啟用，驅動器的輸出為活躍狀態，當使能端輸入為低電平，驅動器輸出被禁用關閉，處于高阻抗狀態。用合適的電平輸入，驅動電路形成一個完整的H橋可逆驅動器即可用于驅動電機。

圖3 L293D內部等效電路圖

2.3.2驅動電路設計

用單片機控制直流電機時，需要加驅動電路，為直流電機提供足夠大的驅動電流，通常有三極管電流放大驅動電路、電機專用驅動模塊(L293D)和達林頓驅動器等等。本設計采用電機驅動模塊L293D，AT89C52單片機通過P1.0口產生PWM波信號接在L293D的使能端，通過IN1和IN2端口控制電機正反轉，通過一個非門實現。對應的OUT1和OUT2輸出接在直流電機兩端，驅動電路如圖4所示。

圖4 驅動電路設計圖

2.4 直流電機位置編碼器

本設計選用Proteus元件庫中的直流電機位置編碼器裝置(DC POSITION ENCODER MOTOR)，MOTOR-encoder中間的是編碼器，電機每轉一周，編碼器檢測出一次高電平，根據這個原理可以測出轉速，檢測左右兩邊可以看出電機的正反轉。MOTOR-encoder的編碼輸出與本系統所要求的增量式旋轉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,反饋給單片機計數器T0后計數，既可以測速又可以判斷方向[7]。利用其中任何一個可實現對轉速的檢測。本系統對MOTOR-encoder設置參數為如下圖5所示。

圖5 MOTOR-encoder參數設置

3 系統軟件設計

軟件由主程序、中斷子程序、PID子程序組成。

3.1 主程序

當系統啟動后，單片機進行初始化設置，主程序是一個循環程序。其主要思路是,先在程序中設定好速度的給定值，這個給定值與MOTOR-encoder測速電機送來的速度相比較得到一個誤差值,然后用PID算法輸出控制參數給PWM發生電路，從而改變波形的占空比,進而控制電機的轉速[8]。單片機檢測是否有按鍵按下，通過對按鍵的判斷改變電機給定速度，從而改變系統輸出占空比。系統的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 定時器0中斷服務子程序

定時器0中斷程序先初始化清軟件計數器，然后判斷T0是否進入定時狀態，如果進入定時狀態則對光電編碼盤發出有脈沖進行計數，在固定周期內計算轉速和PID計算，同時定時器0具有對數碼管顯示送入段選和位選。流程圖如圖7所示。

圖7 定時器流程圖

3.3 PID控制子程序

比例環節的作用是對系統偏差瞬息進行判斷，比例系數越大，控制作用越強，但比例系數如果過大會導致系統振蕩不穩定；積分環節雖然可以消除靜態誤差，但過大的積分作用會增加系統的超調量，響應速度變慢，出現等幅振蕩等；微分環節的作用是可以起到超前作用，阻止偏差變化，能夠減小超調量，使系統更穩定，但魯棒性差[9]。該程序主要是把設定的轉速現當前測量得到的轉速來計算偏差，從而用PWM輸出方式來確定輸出脈沖的寬度。

常規的模擬PID控制系統原理框圖如圖8所示。該系統由模擬PID控制器和被控對象組成。圖中，r(t)是給定值,y(t)是系統的實際輸出值，給定值與實際輸出值構成控制偏差[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象的輸入。所以模擬PID控制器的控制規律為：

(2)

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

圖8 模擬PID控制系統原理圖

對式(2)進行適當的變換，即可以進行數字PID控制。數字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，如果單片機控制系統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，計算量小得多，因此本次設計中采用的PID算法是增量式的[12-13]。圖9所示為軟件實現PID算法流程圖。

圖9 增量式PID控制程序流程圖

4 單片機控制系統綜合仿真調試

4.1 系統仿真聯調

本次設計采用Keil軟件和Proteus仿真軟件對直流電機閉環調速的PID算法進行調試、驗證、仿真。首先在Keil中對電機調速程序進行編寫和調試，編譯生產“.HEX”的目標代碼文件，時鐘頻率設置為12MHz。然后下載到Proteus中組建完成的硬件系統中進行軟硬件聯調仿真。最終仿真效果如圖10所示[14-15]。

圖10 系統仿真效果圖

4.2 仿真結果

為了更直觀的觀察仿真結果，從虛擬儀器模式中選取示波器模塊分別對電機驅動模塊的使能端信號進行檢測，利用圖表模式對編碼器的兩路信號和單片機產生的PWM波信號進行電壓信號分析。

當系統仿真開始運行時，程序設定初始給定速度為240 r/min，電機實際轉速開始慢慢加速，最終穩定在給定轉速。當點擊加速按鍵或是減速按鍵時，電機轉速會出現短暫的超調或滯后，最終會穩定在給定設置速度。通過連接示波器可以直觀的觀察到電機的實際轉速和當前速度PWM的波形圖，通過圖表模式，添加激勵源探針，可以觀察到編碼器的電壓信號。示波器測量不同轉速波形如圖11所示。圖表測得波形如圖12所示。

圖11 電機加速前后的速度和PWM信號波形

圖12 編碼器電壓信號和PWM電壓信號

5 結 語

從圖11中可以看出，加速后系統的占空比增大，編碼器轉速的波形圖抖動頻率變大，電機速度變快，給定速度和電機實際速度相吻合，所以符合設計要求。采用PID閉環調速算法有效地抑制轉速的超調，調速精確，效率高。運用Proteus和Keil對直流電機閉環調速進行了軟硬件的設計，有效地驗證了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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