基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计

基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计I摘要在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。本设计以AT89C51单片机为核心，基于Proteus单片机仿真软件，完成了直流电机的转速自动测量及转速调节功能。在设计中采用PWM技术和PID控制技术对电机进行控制，并且利用数码管设计的人机界面系统显示转速的设定值及实际值，通过应用PID算法对占空比的计算达到精确调速的目的。还利用了VisualBasic6.0编程软件编写了一个简单的上位机软件，显示实际转速的变化情况，对PID参数的整定提供依据。关键词：Proteus，AT89C51，PID，PWM调速，VisualBasic6.0基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计目录第一章绪论....................................................................................................11.1直流电机闭环调速系统背景.............................................................................11.2本设计实现的基本功能.....................................................................................11.3设计目的及意义..................................................................................................1第二章总体规划..............................................................................................22.1直流电机控制原理及特点.................................................................................22.2直流电机调速控制方式选择.............................................................................22.3PWM脉宽调制方式...........................................................................................32.4电机实际转速的获取.........................................................................................32.5总体设计框图......................................................................................................42.6上位机界面设计.................................................................................................4第三章硬件设计..............................................................................................53.1AT89C52芯片介绍.............................................................................................63.2电机驱动电路设计.............................................................................................73.3按键模块设计.....................................................................................................73.4数码管显示模块设计.........................................................................................83.5串口电路设计.....................................................................................................8第四章软件设计..............................................................................................94.1主程序.................................................................................................................94.2定时器0中断服务程序...................................................................................104.3PID控制输出程序.........................................................................................10第五章硬件与软件联合调试5.1运行时速度设定值与实际值...........................................................................125.2运行时直流电机转动情况...............................................................................125.3运行时上位机运行情况...................................................................................12基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计参考文献........................................................................................................13致谢.............................................................................................................14附录.............................................................................................................15基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计-1-第一章绪论1.1直流电机闭环调速系统背景对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时,闭环调速系统的调速范围可以大大提高。1.2本设计实现的基本功能（1）按键设定并显示转速，实时显示实际转速（2）按键控制电机起停、正反转（3）PWM转速闭环控制。（4）上位机转速实时曲线显示1.3设计目的及意义本课程是机械电子工程本科专业的重要实践课程，是《单片机原理与应用》课程的一个综合性、设计性的实践环节。通过这门课程的学习与实践，能够提出基于单片机的机电系统的设计思路、论证设计方案；熟悉单片机系统开发、研制的过程，软硬件设计方法和设计步骤；初步学会设计单片机系统软硬件设计及调试的方法，具备技术实现能力；基本上能够处理实践过程中出现的问题并提出解决办法；提高理论付诸于实践的能力，提高工程设计能力和处理实际问题的能力，开发和创新能力。基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计-2-第二章总体规划2.1直流电机控制原理及特点对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时,闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控制方案如图1所示。+-图1直流电机速度控制方案2.2直流电机调速控制方式选择2.2.1电阻网络或数字电位器采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。2.2.2继电器采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。2.2.3H桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片驱动电路调节器直流电机测速装置转速设定值偏差转速输出基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计-3-L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。桥型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于上述三种方案调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。2.3PWM脉宽调制方式调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。2.4电机实际转速获取在Proteus中只有一种直流电机集成了测速传感器，在搜索栏里搜索motor-encoder，即可得到这种电机模型。本设计中设置电机转一圈发出60个脉冲。根据实际运转情况及结合所编写程序，确定转速公式为：V=N*15;V:速度R/minN:每秒采样的脉冲个数如右图所示,为带测速功能的直流电机模型基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计-4-2.5总体设计框图本系统采用AT89C51作为控制核心，用按钮来调节电机转速和数码管来显示设定转速和测量转速。由上述提供的方案和最后选择结果，则用H桥组成的高电压大电流双全桥式驱动芯片L298作为本系统的驱动电路和用带有测速计的电机模型来取得电机的实际转速。图4直流电机控制系统总体框图2.6上位机界面设计驱动电路直流电机测速计按钮LED数码管显示单元上位机AT89C51单片机基于Proteus的直流电机闭环调速系统设计-5-第三章硬件设计3.1AT89C52芯片介绍3.1.1芯片特点AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机