内燃机高铁异步电动机
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  基于单片机的直流电机调速与测速系统 PAGE PAGE 4 [2011年]基于单片机的直流电机调速与测速系统 [2011年] 基于单片机的直流电机 调速与测速系统 指导老师:魏 勇 参赛队员:朱继田、何兆胜、刘成 完成时间:2011—8—25 摘要:(200字以内) 在现代工业自动化高速发展的时期,异步电动机内燃机高铁几乎所有的机械装备都离不开电机,形形色色的电机在不同领域发挥着很重要的作用。与之而来的问题是怎样控制好电机,对于不同的场合,对电机的要求是不同的。本系统分析的是最典型、最实用的控制方法PWM调速,并通过光电对管的原理来测得电机的速度。 本系统利用光电对管来完成对电机速度的测量,它以单片机ATMEL89C52作为电机控制和数据处理的中心。电机驱动电路采用MC33886芯片来实现完成。 关键词:电机 、PWM 、 光电对管 、单片机 一.系统方案设计和论证 本系统主要由五部分组成:1.控制系统;2.LCD显示模块;3.键盘;4.MC33886驱动模块;5.测速装置。 控制系统采用的由ATMEL公司的AT89C52单片机具有高密度、非易失性、低电压、高性能等优点,异步电动机且满足本系统和电子设计大赛的两方面要求,因此采用AT89C52作为微控制器,该部分方案设计将在文章第三、内燃机高铁四部分详细介绍。 二.系统硬件实现 系统总体框图: 测速 测 速 装 置 LCD显示 AT89C52单片机 AT89C52 单 片 机 驱动电路 驱动电路 转速设定键盘直流电机 转速设定键盘 直流电机 图1 直流电机测速与调速系统框图 本系统采用AT89C52单片机,它是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8KB的可反复擦写的Flash程序存储器和256B的随机数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置有8位中央处理器(CPU)。功能强大的AT89C52单片机适用于许多较为复杂的控制应用场合。 电路中选用红外光敏二极管作为受光器件,它与红外发光二极管一起组成一对红外发射接收管,红外光敏二极管在电路中处于反向工作状态。没有光照射时,光敏二极管处于截止状态,反向电阻很大,反向电流(暗电流)很小。随着光照的增强,光敏二极管处于导通状态,其反向电阻减小,反向电流(光电流)增大,其光电流与照度之间呈线性关系。 转速显示选用字符型液晶显示模块LCD12864,可显示16×8或16×16点阵字符。其主控制驱动电路为HD44780,具有标准的接口特性,适配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作时序;模块内部具有64个字节的自定义字符RAM,可自定义显示字符。该模块采用+5V电源供电,共有20个引脚。 直流电机驱动采用飞思卡尔公司的5A集成H桥芯片MC33886。MC33886内置了控制逻辑、电荷泵、门驱动电路以及低导通电阻的MOSFET输出电路,适合用来控制感性直流负载,可以用来提供持续的5A电流,并且集成了过流保护、过热保护、欠压保护。 当系统开机后,单片机首先读取默认的电机转速,该转速值可以通过外部按键进行修改设置。单片机通过测速装置反馈回来的数值和设定的值进行比较,对PWM波进行调整以驱动电机加速或是减速,并将电机的实时转速反馈给单片机使其不断的调节输出的PWM波,从而电机转速稳定在设定的转速值。 图2 直流电机测速装置示意图 核心电路原理及理论分析与计算 上图是由MC33886芯片构成的驱动电路,由于只对一路电机驱动,因此我们将芯片的两路输入与输出分别连接到一起,以增强驱动能力,芯片的操作比较简单。给MC33886上电工作后,在4、19管脚分别给高低电平,电机正转;将电平反接则电机反转。在系统中只要将高低电平换成相对应的PWM波即可。 上图是光电对管的PCB原理图,通过控制三极管NPN的开断使发射管是否发射红外线。当NPN导通时,发射管产生红外线并由接收管接收,经过简单的处理后形成TTL信号送入单片机,经单片机计数处理后通过LCD液晶显示出来实时测得的电机转速。 四、算法与软件设计 1.系统的控制算法 PID控制是指比例、积分、微分控制,实现PID控制的装置称为PID调节器。传递函数为: 式中:K为其它环节总增益;为比例系数;为积分系数;为微分系数;;。 比例控制可快速、及时、按比例调节偏差,提高控制灵敏度。但是有静差,控制精度低。积分控制能消除偏差,提高精度、改善稳态性能,但是容易引起震荡,造成超调。微分控制是一种朝前控制,能调节系统速度、减小超调量、提高稳定性,但是其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大,过小则调节周期长、效果不显著。比例、积分、微分控制相互配合,合理选择PID调节器的参数,即比例系数、积分时间常数和微分时间常数,可迅速、准确、平稳的消除偏差,达到良好的控制效果。采用增量式算法位置式输出PID算法: 式中:,,为设定值与i次实测值的偏差;;T为采样周期,为积分时间,为微分时间。上式为PID控制软件的编程依据。参数的选取是在参考经验数据的基础上用实验法确定,本系统中取,,,,这些参数在运行时刻适当调整,以获得满意的效果。 2、软件设计 主程序包括初始化、按键设置及控制模块和显示模块的调用。转速信号的采集、控制算法以及转速显示等功能的实现由各子程序完成。软件的主要流程是:利用测速装置将测量到的转速值与设定的转速值进行比较,根据得到的偏差和偏差的变化率计算控制量,输出PWM信号控制MC33886驱动电机工作。启动、停止以及给定值通过键盘利用外部中断产生,有按键输入时则调用中断服务程序。 显示 数据系统初始化开 始 显示 数据 系统初始化 开 始 设置转速与实测转速一致? 设置转速与实测转速一致? PID 算法程序 PID 算法程序 否 是 是否停机? 否 是否停机? 停 机 是 停 机 主程序流程图 五、系统测试与结果分析 1.在同等条件下,测试电机由启动至达到设定转速所需时间及误差。 表1 设定转速 实测转速 转速误差 调整时间 理论分析 200/min 300/min 400/min 500/min 800/min 1000/min 1200/min 2.在相同的条件下,测试电机由一个转速调整到另一转速所需时间。 起始转速 设定转速 转速误差 调节时间 理论分析 200/min 800/min 300/min 800/min 400/min 800/min 500/min 800/min 800/min 1000/min 800/min 1200/min 800/min 六、总结 从开始的对电机一无所知到能独立的做出一个简单的电机控制系统并且指标能达到基本的要求,在这期间,我们查阅了很多的资料、遇到了很多的问题,同时也多次请教老师的指导和帮助。虽然困难重重,探索的路上步履蹒跚,但我们从不曾放弃、坚定而执着的朝着最初的目标努力。要么不曾开始,要么就有始有终。每条路都不会很平坦,这条路走到头,内燃机高铁已选择的下一条路上依然有不肯服输、努力前行的身影! 七.参考文献 1.李维军、韩小刚、李晋——《基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统》——辽宁石油化工大学机械工程学院机电工程系 2.模型车电机特性和MC33886驱动芯片 3.汪玉成——直流电机PWM调速系统设计——浙江理工大学机控学院 4.陈景贤——单片机控制的直流电机PWM调速控制器设计——湛江师范学院学报 5.肖衡、陈春俊、梁健——单片机在直流电机转速测量及控制中的应用——西南交通大学机械工程学院 6.全国大学生电子设计竞赛电路设计(第2版) 7.赵鸿图——基于单片机AT89C51的直流电机PWM调速系统——河南理工大学计算机学院

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