单片机控制的直流电机PWM调速控制器设计

第29卷第3期湛江师范学院学报

JOURNALOFZHANJIANGNORMALCOLLEGEJun1,2008Vol129　No13

单片机控制的直流电机PWM调速控制器设计

陈　景　贤

(广东海洋大学信息学院,广东湛江524088)

　　摘　要:以微处理器为核心的直流调速系统具有调速精度高、稳定性好和调试过程容易等优点.文中介绍了一种以单片机ATS52为主处理器、PIC16F877A为从处理器构成的双闭环直流脉宽调速系统,结合其它外围电路,可实现电机调速、保护、转速在线监测和显示等多种功能,实验结果表明,该控制系统具有良好的工作性能.

关键词:单片机;直流电机调速;双闭环;PWM

中图分类号:TP272　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1006-4702(2008)03-0123-04

在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能,直流电机调速系统已广泛运用于

工业、航天领域的各个方面,最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术,具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点[1].而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段,数字控制系统硬件电路的标准化程度高,控制软件能够进行复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律,此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法实现的功能[2].

本文主要以MCL-Ⅱ型电力电子及电气传动教学实验系统为设计平台,对双闭环直流脉宽调速系统进行改进设计,以ATS52、PIC16F877A单片机构成直流电机PWM调速控制器,调节控制参数.

1　双闭环直流脉宽调速系统的组成

双闭环直流脉宽调速系统从结构上看是一个以电流调节环作为内环,以转速调节环为外环的转速、电流双闭环调节系统[2],系统主要包括:转速调节器ASR,电流调节器ACR,三角波振荡器GM,脉宽调制器UPW,逻辑延时环节DLD,GD为基级驱动器,PWM为脉宽调制变换器,FA为瞬时动作的过流保护,如图1

电动机M的转速n由测速发电机TG测量,速度反馈信号Un与速度给定电压U03同时加在速度调节器ASR的输入端,构成调速系统的外环.电动机的电枢电流Ia由电流传感器TA检测,其输出电压Ui与速度调节器输出电压U03同时加到电流调节器ACR的输入端,构成调速系统的电流内环.

美国硅通用公司的第二代产品SG3525A系列的脉宽调制器,功能全,通用性强,是一种广泛使用的PWM控制器[3].但其外接基准电压为模拟电压,调整需通过电位器分压,不易调整,损耗大.作为实验教学系统,需要经常调整基准电压和振荡周期,本设计利用微处理器实现控制过程,采用ATS52为主处理器,PIC16F877A为从处理器,设计PWM脉宽调速控制电路,具有精度高,基准电压和振荡周期易调整,可靠性强等特点.

2　直流PWM脉宽控制调制器的设计

2.1　系统结构

本调速控制器系统以ATS52为主处理器,负责人机界面的信息交互,PIC16F877A为从处理器,负责

收稿日期:2008-03-22

基金项目:广东海洋大学实验研究

),男,广东汕尾人,广东海洋大学教师,硕士,从事电子科学与技术研究.作者简介:陈景贤(1971—

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湛江师范学院学报(自然科学)第29卷

对来自主处理器信号和反馈信号的处理.系统结构原理如图2所示.

图1　双闭环直流脉宽调速系统

图2　系统结构原理

系统工作原理:在新的采样周期到来时,从光电编码器测得的电机速度反馈信号通过PSP接口反馈到

从处理器PIC16F877A,从处理器通过PSP接口从主处理器ATS52处获得电机给定速度,或是由单片机系统自行给定速度.单片机系统根据给定的运动速度与速度的反馈信号相减,得出偏差,经过各种算法(如PID)得出控制量,再把控制量以PWM的形式输出,经过脉冲分配延时,功率放大驱动直流电机.数码显示主要用于软件调试和一些需要显示特定参数的场合.2.2　硬件设计

ATS52负责人机界面的信息交互,主要由显示部分,键盘部分和数据通路组成.

显示部分由ATS52的P1,P2口组成.P2是八位的显示数据通路,P1.1-P1.4是4个LED的使能线,达到动态显示4位数据的效果.

键盘部分由INT0,INT1,CT0,CT1组成.利用中断的优先级

表1　各种命令输入格式

A命令1-START2-STOP3-SETTING

B2数据1-P2-I3-DF-OK

嵌套实现命令与数据的输入,减少了键盘的体积.系统包括四个按0-EXIT

键,依次为退出按钮、确认按钮、微调加按钮、微调减按钮.

数据通路部分主要是PSP的控制.PSP是PIC16FX系列微处理器专门针对8位机的通用数据端口,由CS,WR,RD,8位数据线组成,可供ATS52直接控制.PIC收到PSP的数据后会产生一个中断响应,由软件设计者决定该中断如何处理.因此,我们可以设定A为命令字,B为数据字,供控制使用,0X00-0X09为数据输入,组合起来为一菜单形式,就可以实现各种控制功能.例如,启动电机步骤为:A-1;设置PID中的P参数为0.2,步骤为:A-3-B-1-0200-F.各种控制命令输入格式如表112.3　控制软件2.3.1　总体程序框图

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本调速控制系统软件要完成数据采集,对数据依据PID调节规律进行运算,利用偏差对电机转速实行调节,同时能够接受键盘修改参数,使系统达到最佳工作状态.设计上采用模块化设计方法,各个功能子块,调节方便,并且容易根据需要扩展.整个软件在结构上分为主程序和中断服务程序.主程序包括转速给定、转速反馈和电流反馈的A/D转换、交流电压同步、速度调节和电流调节算法的执行.如图3所示.

首先系统初始化,设定中断优先级,中段优先级如图4所示.接着程序分四步:第一步检测上位机是否有命令发出,并进行相应处理;如果没有设定参数,则按预设值启动电机.第二步检测交流电压是否同步.如果交流电压处于上升沿,单片机启动PWM信号.第三步检测电流是否过载,若从电枢测得的电流超出允许范围,进入电流闭环调节模块.第四步检测当前电机转速是否达到设定值,若不符合,进入速度闭环调节模块,对速度进行调节.2.3.2　控制算法软件设计

本系统的PID数学表达式为:Y(t)=kpe(t)+kl

e(t)d(t)+k[de(t)/dt]

∫

0

d

j=n

1

为了方便在计算机上处理,可将上述公式用下式表示:Y(n)=kpe(n)+kl

j=0e(j)ΔT+k∑d

[e(n)e(n21)]/ΔT

式中:Y(n)-第n次的采样值;

e(n)-第n次采样的偏差值;

e(n-1)-第n-1次采样的偏差值;e(j)-第j次采样的偏差值PID控制算法程序如下:{

intE,tempMOTOR_Speed1,tempMOTOR_Speed2,tempMOTOR_Speed3;unsignedcharduty;

E=motor_speed_set-MOTOR_Speed;while(E!=0&&MOTOR_On){

中断优先级时间周期切换上位机命令交流电压同步电流闭环调节速度闭环调节图4　中断优先级

图3　总体程序框图

voidpid_control(intmotor_speed_set,unsignedcharp,unsignedchari,unsignedchard)

　E=motor_speed_set-MOTOR_Speed;//求误差

　tempMOTOR_Speed2=MOTOR_Speed;　duty=p3E+i3tempMOTOR_Speed1+d3tempMOTOR_Speed3;//占空比表达式

　DUTY=duty;//outputforthemotorduty

　tempMOTOR_Speed1=　MOTOR_Speed+E;//SIGMA(E)//误差积分

　tempMOTOR_Speed3=　MOTOR_Speed;　tempMOTOR_Speed3=　tempMOTOR_Speed2-tempMOTOR_Speed3;//DELTA(E)//误差微分

　}　　}

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3　实验

通过计算和实验相结合,在实际应用中速度调节算法的PID参数P=0.3,I=0.01,D=0.1,T=0.1,在此组参数下,可得到PWM控制信号波形和较好的阶跃响应曲线如图5(a)(b),从曲线图可看出,超调量为1%,稳定时间为40秒左右,系统具有较好的快速性和控制精度.

(a)PWM控制信号波形(b)阶跃响应曲线图5　PWM控制信号波形和阶跃响应曲线4　结　语

利用ATS52作为主处理器,PIC16F87X作为从处理器的直流脉宽调速控制器,使控制精度大为提高,可达10位PWM精度.ATS52与PIC16F87X具有在线编程功能,功能齐全,片上资源丰富,可以满足系统升级要求.该系统同时还具有可靠性强、易调整的特点,可方便调整基准电压和振荡周期,具有教学系统的特色.参考文献:

[1]张立勋,沈锦华,路敦民,等.AVR单片机实现的直流电机PWM调速控制器[J].机械与电子,2004(4):29-321[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第3版1北京:机械工业出版社,20031

[3]徐玲,姚融融.直流电动机调速双闭环系统的数学仿真[J].物理测试,2007,5(1):59-621

DesignofPWMRegulatingSpeedsystemofDCMotor

BasedonSingle2ChipMicrocomputer

CHENJing2xian

(InformationCollege,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang524088,China)

Abstract:Therearemanyadvantages,suchashighprecision,goodstabilityandeasydebugging,forDCmoter’sspeedadjustingsystembasedonsingle-chipmicrocomputer.ThispaperintroducesadoubleclosedloopDCPWMspeedregulationsystemwhichisbasedonATS52asprimarycontrollerandPIC16F877Aassecondarycontroller.Withotherperipheralelectriccircuits,thisdesigncancontainsmulti2purposeincludingthespeedadjustingforDCmotor,theprotection,thereal2timetestingforspeedandthevaluetodisplay.Experimentalresultsshowthatthiscontrolsystemhasbetterfunctions.

Key:words:Microcomputer;Direct2currentspeedregulation;Doubleclosedring;PWM