1、杭州电子科技大学电子系统设计综合实验设计报告实验名称 1直流电机速度控制大组号 1小组号 49姓名学号 徐志朗 11192127指导教师2013 年 6 月 15 日目录一.设计目的二.直流电机转速控制设计任务2.1 设计内容2.2 设计要求三.总体设计方案3.1 设计思想3.2 系统框图四.硬件设计4.1 控制器4.2 电机速度采集电路设计4.2.1 方案论证4.2.2 方案设计4.3 电机驱动电路设计4.3.1 方案论证与设计4.3.2 主要芯片介绍4.4 电机逻辑控制部分的设计4.5 电源设计五.软件设计5.1 PID 算法5.2 软件流程图六.测量结果与误差分析摘要：本方案以 MSP4
2、30 单片机为控制核心以及直流电机、遥控键盘、LCD 和传感器构成的转速闭环控制系统。其中光电传感器负责对电机转速进行测量，并将测量的结果反馈给控制中心，并由控制中心将之与设定值进行比较得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。采用直流电机集成驱动芯片 L298N 作为直流电机驱动模块。并由单片机对电机转速和转向进行控制，由于单片机单元和电机供电部分不采用同一单元的电源为安全起见使用光耦对两部分电路进行强弱隔离。由光电传感器 TLP521 完成实际转速的检测，单片机对经整形处理后检测信号进行识别并加以计算由显示模块进行显示。关键字:MSP430F149 直流电动机 PWM EPEC3T14
3、4C6N PID一 设计目的1. 编制程序，将直流电机的运转状态在 LCD 上显示出来。2. 掌握直流电机的驱动原理。3. 了解直流电机调速的方法，了解直流电机的工作原理。掌握 PID 算法及 PWM 控制技术。4. 学会直流电机驱动程序的设计。5. 进一布提高单片机应用系统的设计和调试水平。二 直流电机转速控制设计任务2.1 设计内容：掌握直流电机控制系统的硬件设计方法和直 流电机转速调节。学会编制直流电机驱动程序的软件设计方法。通过 PWM 脉宽调制来达到调节直流电机转速的目的。遥控键盘实现电机的启动、停止、加速、减速、反转的控制， 并在 LCD 上显示电机运行的当前状态。2.2 设计要求
4、：设计出电路原理图，说明工作原理，编写程。序及程序流程图。三 总体设计方案3.1 设计思想：主要由电机驱动电路、电机速度采集电路、电机、遥控键盘、NOKIA5110、单片机（msp430）组成。电机速度采集电路反映机械转速的高低，单片机 msp430 是该系统的核心部分，一方面负责计算电机的转速，另一方面将计算得到的转速与设定转速相比较，经过计算处理，得到相应的控制信号，并将该信号输入到电机驱动电路从而控制电机转速。通过键盘可以设定工作模式（通过输入设定转速，单片机自动控制电机转速，使其接近设定值）设定转速。由单片机检测哪一个按键按下，实现设定值的修改，并通过 NOKIA5110 实时显示设定
5、值以及测的转速。3.2 系统框图：msp430 单片机（PID 控制）开始显示数据FPGA 产生 PWM电机遥控控制四 硬件设计4.1 控制器用 MSP430 为控制器，对传感器的输出信号测频计数，将测得数据显示在液晶 NOKIA5110 上。单片机通过一系列的数据处理并发出控制转速的信号。4.2 电机速度采集电路设计4.2.1 方案论证方案一：采用干簧管构成电机转速采集模块电路。方案二：采用反射式光电耦合器构成电机转速采集模块电路。方案三：采用凹槽型光电开光作为电机转速采集模块电路。由于考虑到电机转速采集模块安装方便，易于调试。故采用方案三作为直流电机转速采集模块电路。4.2.2 方案设计在
6、本系统中由于要将电机本次采样的速度与上次采样的速度进行比较，通过偏差进行 PID 运算，因此速度采集电路是整个系统不可缺少的部分。本次设计中应用了比较常见的光电测速方法来实现，其具体做法是将电机轴上固定一圆盘，且其边缘上有 N个等分凹槽如图（a）所示，在圆盘的一侧固定一个发光二极管，其位置对准凹槽处，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三极管上，三极管导通，反之三极管截止，电路如图（b）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此时转速了。例如当电机以一定的
7、转速运行时，P3.3 将输出如图（c）所示的脉冲，若知道一段时间 t 内传感器输出的低脉冲数为 n，则电机转速 v=r/s。(a) (b)电机速度采集方案(c) 传感器输出脉冲波形4.3 电机驱动电路设计4.3.1 方案论证与设计方案一：采用 IRF640 绝缘栅型（CMOS）场效应管构成电流可逆向控制电路模块来驱动直流电机。方案二：采用开关管 9013 构建成 H 桥结构电路来作为直流电机驱动模块。方案三：采用直流电机集成驱动芯片 L298N 作为直流电机驱动模块。由于 L298N 为直流电机集成驱动芯片，比自己实际用 9013 构建的 H 桥直 流电机驱动模块的性能更稳圆 盘 光 敏 三
8、极 管发 光 二 极 管+5V P3.47020R1 R2定，更可靠；与采用 IRF64（CMOS）场效应管构建电流可逆向电机驱动模块相比，其更具有控制精度高特点。综上所诉，为使系统性能最终更具有优越性，故选择方案三作为直流电机驱动电路模块。4.3.2 主要芯片介绍L298N 是专用驱动集成电路，属于 H 桥集成电路，与L293D 的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为 2A，最高电流 4A，最高工作电压 50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正
9、转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。为了避免电机对单片机的干扰，本模块加入光耦，进行光电隔离，从而使系统能稳定可靠的工作。 L298N 引脚图4.4 电机逻辑控制部分的设计方案一：采用 5V 微型继电器作为逻辑控制开关电路，实现逻辑控制电路与电机驱动电路上的电气隔离，来作为电机逻辑控制执行电路模块。方案二：采用光敏三极管构建成逻辑控制开关电路，实现逻辑控制电路与电机驱动电路上的电气隔离，来作为电机逻辑控制执行电路模块。方案三：采用光电耦合开关（4N35）作为逻辑控制开关电路，实现逻辑控制电路与电机驱动电路上的电气隔离，来作为电机逻辑控制执行电路模块。由于考虑到 5V 微型继电器在逻辑
10、切换控制中具有开关噪声难免会影响整个系统的控制性能；而光敏三极管在频率传输特性上不能较好的达到控制要求，故采用光电耦合开关（4N35）作为逻辑控制开关电路模块。4.5 电源设计如图：五 软件设计5.1 PID 算法由于整个系统是闭环控制,因此软件需要包含输出控制,反馈检测,并通过反馈再次计算调整输出.输出控制部分由软件控制 MSP430 单片机内部的 PWM 模块完成.反馈部分通过传感器和信号处理由软件和定时器控制单片机内部的信号捕获模块来获取电机转速.计算部分采用PID 算法计算控制量.将偏差的比例（Proportion） 、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性
11、组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这一算法是工程上常用的高效算法.能在外界条件变换并影响被控对象后快速调整,以使被控对象恢复正常工作.本系统的基础数学建模如下:给定速度为 ,实际转速为 ,由此得到误差量)(tno )(tn,经过 PID 计算后得到输出量 控制直流电)(0te )(tu机.输出量： )()(1)()(0dteTteTteKtuDtIp式中， 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间PI D常数。简单的说，PID 调节器各校正环节的作用是：（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号,偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减少)(te偏差；（2）积分环节：主
12、要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越大，积ITI分作用越弱，反之则越强；（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量量，进行连续控制。因此采用以下的离散化算法: TeTkedtejt kjt 100 )1()( 以上两项为积分和微分部分.最终简化得到: 01kj kkk TedeTieKpu其中 k 是采样序号Uk 是第 k 次采样后的输出值E
13、k 是第 k 次采样时的偏差值Ek-1 是 k-1 次时的偏差值如果采样周期足够小，近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制过程与连续过程十分接近。5.2 软件流程图六 测量结果与误差分析设定转速（rad/s）实测转速（rad/s） 最大测量误差30 30 31 1.0%50 49 51 1.0%70 70 71 1.0%90 89 91 1.0%误差分析：首先本系统主要通过单片机的软件设计的 PID计算调节输出 PWM 波的占空比从而控制在电机的转速，PID算法的精度会直接引起测量数据的误差；其次由于转叶在转动时受到空气阻力，单片机对光电传感器输出方波的定时测频的结果跟实际会有误差，以及单片机控制通过光电耦合后的输出 PWM 信号和最后单片机从传感器部分接收过来的信号都不是很标准的方波，含有一定的杂波信号，这些都会引起测量的不准确，造成误差产生的结果。
