1、杭州電子科技大學電子系統設計綜合實驗設計報告實驗名稱大組號1 直流電機速度控 制1小組號姓名學號 徐志朗 指導教師2018 年 6 月 15 日目錄設計目的直流電機轉速控制設計任務設計內容設計要求總體設計方案設計思想系統框圖硬件設計控制器/ 13電機速度采集電路設計方案論證方案設計4.3 電機驅動電路設計方案論證與設計4.3.2主要芯片介紹 4.4電機邏輯控制部分的設計4.5 電源設計軟件設計PID 算法軟件流程圖測量結果與誤差分析摘要：本方案以 MSP430單片機為控制核心以及直流電機、遙控鍵 盤、 LCD和傳感器構成的轉速閉環控制系統。其中光電傳感 器負責對電機轉速進行測量，并將測量的結果

2、反饋給控制 中心，并由控制中心將之與設定值進行比較得到偏差，再 由偏差產生直接控制作用去消除偏差。 采用直流電機集成 驅動芯片 L298N 作為直流電機驅動模塊。 并由單片機對電 機轉速和轉向進行控制，因為單片機單元和電機供電部分 不采用同一單元的電源為安全起見使用光耦對兩部分電路/ 13 進行強弱隔離。由光電傳感器 TLP521 完成實際轉速的檢 測，單片機對經整形處理后檢測信號進行識別并加以計算 由顯示模塊進行顯示。關鍵字 : MSP430F149直流電動機 PWME PEC3T144C6N PID一 設計目的編制程序，將直流電機的運轉狀態在 LCD 上顯示出 來。掌握直流電機的驅動原理。

3、了解直流電機調速的方法，了解直流電機的工作原理。掌握 PID 算法及 PWM 控制技術。學會直流電機驅動程序的設計。進一布提高單片機應用系統的設計和調試水平。二直流電機轉速控制設計任務設計內容 ：掌握直流電機控制系統的硬件設計方法和直 流電機轉速調節。學會編制直流電機驅動程序的軟件設計 方法。通過 PWM 脈寬調制來達到調節直流電機轉速的目 的。遙控鍵盤實現電機的啟動、停止、加速、減速、反轉的控 制，并在 LCD上顯示電機運行的當前狀態。/ 13設計要求 ：設計出電路原理圖，說明工作原理，編寫 程。序及程序流程圖。總體設計方案設計思想 ：主要由電機驅動電路、電機速度采集電路、 電機、遙控鍵盤、

4、 NOKIA5110 、單片機 msp430）組成。電 機速度采集電路反映機械轉速的高低，單片機 msp430 是該 系統的核心部分，一方面負責計算電機的轉速，另一方面將計算 得到的轉速與設定轉速相比較，經過計算處理，得到相應 的控制信號，并將該信號輸入到電機驅動電路從而控制電 機轉速。通過鍵盤可以設定工作模式 通過輸入設定轉速， 單片機自動控制電機轉速，使其接近設定值）設定轉速。 由單片機檢測哪一個按鍵按下，實現設定值的修改，并通 過 NOKIA5110 實時顯示設定值以及測的轉速。3.2 系統框圖 ：/ 13硬件設計4.1控制器用 MSP430 為控制器，對傳感器的輸出信號測頻計數，將測

5、得數據顯示在液晶 NOKIA5110 上。單片機通過一系列 的數據處理并發出控制轉速的信號。電機速度采集電路設計4.2.1方案論證 方案一：采用干簧管構成電機轉速采集模塊電路。 方案二：采用反射式光電耦合器構成電機轉速采集模塊電路。方案三：采用凹槽型光電開光作為電機轉速采集模塊電路。因為考慮到電機轉速采集模塊安裝方便，易于調試。故采/ 13用方案三作為直流電機轉速采集模塊電路。4.2.2方案設計在本系統中因為要將電機本次采樣的速度與上次采樣 的速度進行比較，通過偏差進行 PID 運算，因此速 度采集電路是整個系統不可缺少的部分。本次設計 中應用了比較常見的光電測速方法來實現，其具體 做法是將電

6、機軸上固定一圓盤，且其邊緣上有 N 個 等分凹槽如圖 a）所示，在圓盤的一側固定一個發 光二極管，其位置對準凹槽處，在另一側和發光二極 光平行的位置上固定一光敏三極管，如果電動機轉 到凹槽處時，發光二極管通過縫隙將光照射到光敏 三極管上，三極管導通，反之三極管截止，電路如 圖 b）所示，從圖中可以得出電機每轉一圈在P3.3的輸出端就會產生 N 個低電平。這樣就可根據低 電平的數量來計算電機此時轉速了。例如當電機以 一定的轉速運行時， P3.3 將輸出如圖 （b電機速度采集方案/ 13（c 傳感器輸出脈沖波形電機驅動電路設計4.3.1 方案論證與設計方案一：采用 IRF640 絕緣柵型 CMO）

7、S 場效應管構成電流可逆向控制電路模塊來驅動直 流電機。方案二：采用開關管 9013 構建成 H 橋結構電路來作為直流 電機驅動模塊。方案三：采用直流電機集成驅動芯片 L298N 作為直流電 機驅動模塊。因為 L298N 為直流電機集成驅動芯片，比自己實際用 9013 構建的 H 橋直 流電機驅動模塊的性能更穩定，更 可靠；與采用 IRF64CMO）S 場效應管構建電流可逆 向電機驅動模塊相比，其更具有控制精度高特點。 綜上所訴，為使系統性能最終更具有優越性，故選 擇方案三作為直流電機驅動電路模塊。4.3.2 主要芯片介紹L298N 是專用驅動集成電路，屬于 H 橋集成電路， 與 L293D

8、的差別是其輸出電流增大，功率增強。其 輸出電流為 2A ，最高電流 4A ，最高工作電壓 50V ， 可以驅動感性負載，如大功率直流電機，步進電機， 電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯，/ 13從而很方便地受單片機控制。當驅動直流電機時，可以直接控制步進電機，并可以實現電機正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。為了避免電機對單片機的干擾，本模塊加入光耦，進行光電隔離，從而使系統能穩定可靠的工作。L298N 引腳圖電機邏輯控制部分的設計方案一：采用 5V 微型繼電器作為邏輯控制開關電路，實現邏輯控制電路與電機驅動電路上的電氣隔離， 來作為電機邏輯控制執行電路模塊。方案二：采用

9、光敏三極管構建成邏輯控制開關電路，實現邏輯控制電路與電機驅動電路上的電氣隔離， 來作為電機邏輯控制執行電路模塊。方案三：采用光電耦合開關4N35）作為邏輯控制開關電路，實現邏輯控制電路與電機驅動電路上的電氣隔離，來作為電機邏輯控制執行電路模塊。/ 13因為考慮到 5V 微型繼電器在邏輯切換控制中具有開關 噪聲難免會影響整個系統的控制性能；而光敏三極管在 頻率傳輸特性上不能較好的達到控制要求，故采用光電 耦合開關 4N35）作為邏輯控制開關電路模塊 4.5 電源設計如圖：軟件設計5.1 PID 算法因為整個系統是閉環控制 ,因此軟件需要包含輸出控制 ,反饋檢測 ,并通過反饋再次計算調整輸出 .輸

10、出控制部分由軟件控制 MSP430 單片機內部的 PWM 模塊完成 ./ 13反饋部分通過傳感器和信號處理由軟件和定時器控制單 片機內部的信號捕獲模塊來獲取電機轉速. 計算部分采用 PID 算法計算控制量 .將偏差的比例 Proportion )、積分 Integral )和微分Differential )通過線性組合構成控制量，用這一控制量 對被控對象進行控制，這一算法是項目上常用的高效算 法 . 能在外界條件變換并影響被控對象后快速調整, 以使被控對象恢復正常工作 .本系統的基礎數學建模如下 :給 定 速 度 為 no(t) ,實 際 轉 速 為 n(t) ,由 此 得 到 誤 差 量 e

11、(t) n0(t) n(t),經過 PID 計算后得到輸出量 u(t) 控制直流電機.輸出量： u(t) K pe(t) T1I 0e(t)dt TD ded(tt)/ 13 式中， K P 為比例系數， TI 為積分時間常數， TD 為微分時間 常數。簡單的說， PID 調節器各校正環節的作用是：1)比例環節：即時成比例地反應控制系統的偏差信號e(t),偏差一旦產生，調節器立即產生控制作用以減少偏 差；2)積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。 積分作用的強弱取決于積分時間常數TI ， TI 越大，積分作用越弱，反之則越強；3)微分環節：能反映偏差信號的變化趨勢變化速率)，并能在偏差

12、信號的值變得太大之前，在系統中引入一 個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度， 減少調節時間。因為計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續輸出控制 量量，進行連續控制。因此采用以下的離散化算法 :tk0 e(t)dt T kj 0e(jT )de(t) e(kT) e(k 1)T ek ek 1dt T T以上兩項為積分和微分部分 .最終簡化得到 :uk Kpek TTi kj 0 ej Td ek Tek 1其中 k 是采樣序號Uk 是第 k 次采樣后的輸出值 Ek 是第 k 次采樣時的偏差值/ 13Ek-1 是 k-1 次時的偏差值如果采樣周期足夠小，近似計算可以獲得足夠精確的結 果，離散控制過程與連續過程十分接近。5.2 軟件流程圖測量結果與誤差分析設定轉速 rad/s)實測轉速 rad/s)最大測量 誤差3030311.0%5049511.0%7070711.0%12 / 139089911.0%誤差分析：首先本系統主要通過單片機的軟件設計