直流电机闭环调速系统的设计
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2系统的设计目标及主要内容 1
1.3论文的章节安排 2
2.系统硬件设计 3
2.1 硬件设计总体方案 3
2.2 MC9S12XS128单片机最小系统设计 3
2.3电源转换模块的设计 5
2.3.1 5V电源模块 5
2.3.2 3.3V电源模块 6
2.4 独立键盘电路设计 6
2.5 OLED显示模块设计 7
2.6 通信模块电路设计 8
2.7 驱动电路设计 8
2.8 测速电路设计 10
3. 系统软件设计 12
3.1 系统软件总体设计 12
3.2 MC912XS128单片机初始化 12
3.2.1系统时钟初始化 12
3.2.2 OLED初始化 13
3.2.3 串口初始化 15
3.2.4 定时器初始化 15
3.3 独立键盘的软件设计 16
3.4 PWM波产生软件设计 17
3.5 PID算法原理及转速闭环软件设计 20
3.5.1 PID算法的原理 20
3.5.2电机转速闭环软件设计 22
3.6 存储模块软件设计 23
4.系统调试 25
4.1调试工具 25
4.2电机转速PID闭环调试 26
4.3硬件调试 28
5.总结与展望 29
5.1总结 29
5.2展望 29
参考文献 30
附录 31
附录1 系统原理图 31
附录2 实物图 32
附录3 核心程序 33
致谢 35
1. 绪论
1.1课题研究的背景及意义
在这飞速发展的时代，电动机一直在现代化生产和生活中扮演着举足轻重的角色。不仅是在家庭生活、农业灌溉生产、交通运输、城市发展、国防教育中发挥着重大
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
作用，推动了社会的发展，而且在日常生活使用的家用电器中，都可以看见电动机的身影。直流电动机就是大家族中不可或缺的一员。
早期直流电机调速比较简单，采用恒定直流电压稳定的向直流电机的电枢供电，并通过调节电枢电阻阻值来改变电机速度，这种方法不久就被淘汰。虽然这种方法设备成本低、简单易行、维护简便，但因为转换效率低，机械方面性能软，不能自动大范围平滑的调速，在科技高速发展的今天基本不适用。二十世纪三十年代末伴随着旋转变流组的出现了，磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件也发挥出了自己功能，这些控制器件构成了新的调速方法，获得前所未有的优良调速性能，但还是因为体积庞大，维修困难等原因被淘汰。到二十世纪六十年代还陆续出现通过汞弧变流器、晶闸管直流调速等技术，但最终还是淹没在科技时代的浪潮中。
二十世纪八十年代后，直流电机调速控制的电路实现了超高集成、微型化、高性能及低成本，使直流电机调速系统的性能指标大幅提高，直流电机调速技术不断发展。二十世纪九十年代后微电子技术的涌现以及新型电力电子功率器件的不断的发展，通过微处理器和传感器组合产成的变频技术、脉宽调制技术已成为电动机控制的当代技术。直流电机调速通过硬件的搭建和调试的方法已经退出历史舞台，而采用微处理器、通用计算机，微型控制器等现代手段构成的数字控制系统得到迅速发展。
当今时代，在一些性能要求相对较高的直流电动机控制场合里，传统的控制算法已难以满足系统要求。直流电动机调速也在朝着高精度化，高性能化，模糊化的方向不断前进。
1.2 系统的设计目标及主要内容
系统设计主要目标是实现直流电动机的转速恒定，分为虚拟示波器观测部分和单片机控制部分，两者之间通过基本的串口通信进行数据传输。单片机控制部分实现电机的动作，个人PC机上实现监测、校验、调整。本系统的主要功能有以下几个方面：
在OLED模块显示方面，OLED显示模块上要显示四个重要参数即转速设定值、P值、I值、D值。作为一个人机交互的界面，电机转速闭环时要实时监测的一个数值即当前转速，这个参数是检验闭环效果的一个重要指标。
在系统输入方面，键盘功是要实现最基本的数字0~9输入功能，考虑到P、I、D不一定是整数的情况下还需要加一个小数点的按键。实现不同参数的设置，需要有一个切换模式的按键。电机的正反转信号还需要一个按钮来确定，预留了3个按键作为备用。
电机转速闭环方面，通电后的电机从速度为零时刻开始加速，慢慢向设定值靠近。若比例带设置过大，转速不会恒定，实时转速经PID算法调整，慢慢靠近设定值，但也存在精度误差，不能完全和设定值相等。若比例带设置的过小，调节的时间相对会较长，不利于系统工作。
参数掉电存储方面，当没有程序下载的情况下，参数掉电存储模块就派上用场。单片机无法烧录程序时自然也得不到合适的参数信息，那么重要的参数还可利用掉电存储模块和键盘调节修改，系统掉电时，MC9S12XS128单片机中的FLASH还可以自动记录上次设定好的参数。
1.3论文的章节安排
第1章：绪论，介绍了直流电机发展历史和研究现状，然后阐述课题的研究目标及主要内容。
第2章：系统硬件设计，介绍直流电机闭环硬件系统的组成与设计，主要介绍MC9S12XS128最小系统、电源模块、键盘模块、显示模块、通讯模块、驱动电路、测速电路。
第3章：系统软件设计，介绍MC9S12XS128基本模块初始化，键盘控制模块软件设计，PWM波产生的软件设计，PID算法软件设计,参数存储模块软件设计方法。
第4章：系统调试，调试工具简介，电机转速闭环PID算法调试、硬件调试，对硬件部分的调试过程作分析。
第5章：总结与展望，主要是对本课题设计和研究的总结，并提出了本设计的不足之处和改进的方向。
2.系统硬件设计
2.1 硬件设计总体方案
良好的硬件基础是系统的基石，是软件发挥作用的一个重要平台。系统的硬件总体方案大致可以分为以下流程:电源方面稳压源输出9V供电给驱动芯片，并在稳压源9V处分出分支，通过LM2596稳定降压到5V给单片机、测速模块供电，再由LM1117芯片把5V电压稳压到3.3V给OLED供电。基本模块方面OLED作为基本显示模块贯穿整个系统，MC9S12XS128是控制模块，单片机产生PWM波由驱动电路驱动电机转动，通过键盘模块调节参数，由光电码盘测得实际转速显示在OLED上,使用通讯模块通过虚拟示波器检验闭环效果需要。理清了各模块的相互关联，着手绘制原理图，合理的布置PCB走线，防止电气干扰影响系统功能。系统硬件电路结构如图21所示。
1. 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2系统的设计目标及主要内容 1
1.3论文的章节安排 2
2.系统硬件设计 3
2.1 硬件设计总体方案 3
2.2 MC9S12XS128单片机最小系统设计 3
2.3电源转换模块的设计 5
2.3.1 5V电源模块 5
2.3.2 3.3V电源模块 6
2.4 独立键盘电路设计 6
2.5 OLED显示模块设计 7
2.6 通信模块电路设计 8
2.7 驱动电路设计 8
2.8 测速电路设计 10
3. 系统软件设计 12
3.1 系统软件总体设计 12
3.2 MC912XS128单片机初始化 12
3.2.1系统时钟初始化 12
3.2.2 OLED初始化 13
3.2.3 串口初始化 15
3.2.4 定时器初始化 15
3.3 独立键盘的软件设计 16
3.4 PWM波产生软件设计 17
3.5 PID算法原理及转速闭环软件设计 20
3.5.1 PID算法的原理 20
3.5.2电机转速闭环软件设计 22
3.6 存储模块软件设计 23
4.系统调试 25
4.1调试工具 25
4.2电机转速PID闭环调试 26
4.3硬件调试 28
5.总结与展望 29
5.1总结 29
5.2展望 29
参考文献 30
附录 31
附录1 系统原理图 31
附录2 实物图 32
附录3 核心程序 33
致谢 35
1. 绪论
1.1课题研究的背景及意义
在这飞速发展的时代，电动机一直在现代化生产和生活中扮演着举足轻重的角色。不仅是在家庭生活、农业灌溉生产、交通运输、城市发展、国防教育中发挥着重大
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
作用，推动了社会的发展，而且在日常生活使用的家用电器中，都可以看见电动机的身影。直流电动机就是大家族中不可或缺的一员。
早期直流电机调速比较简单，采用恒定直流电压稳定的向直流电机的电枢供电，并通过调节电枢电阻阻值来改变电机速度，这种方法不久就被淘汰。虽然这种方法设备成本低、简单易行、维护简便，但因为转换效率低，机械方面性能软，不能自动大范围平滑的调速，在科技高速发展的今天基本不适用。二十世纪三十年代末伴随着旋转变流组的出现了，磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件也发挥出了自己功能，这些控制器件构成了新的调速方法，获得前所未有的优良调速性能，但还是因为体积庞大，维修困难等原因被淘汰。到二十世纪六十年代还陆续出现通过汞弧变流器、晶闸管直流调速等技术，但最终还是淹没在科技时代的浪潮中。
二十世纪八十年代后，直流电机调速控制的电路实现了超高集成、微型化、高性能及低成本，使直流电机调速系统的性能指标大幅提高，直流电机调速技术不断发展。二十世纪九十年代后微电子技术的涌现以及新型电力电子功率器件的不断的发展，通过微处理器和传感器组合产成的变频技术、脉宽调制技术已成为电动机控制的当代技术。直流电机调速通过硬件的搭建和调试的方法已经退出历史舞台，而采用微处理器、通用计算机，微型控制器等现代手段构成的数字控制系统得到迅速发展。
当今时代，在一些性能要求相对较高的直流电动机控制场合里，传统的控制算法已难以满足系统要求。直流电动机调速也在朝着高精度化，高性能化，模糊化的方向不断前进。
1.2 系统的设计目标及主要内容
系统设计主要目标是实现直流电动机的转速恒定，分为虚拟示波器观测部分和单片机控制部分，两者之间通过基本的串口通信进行数据传输。单片机控制部分实现电机的动作，个人PC机上实现监测、校验、调整。本系统的主要功能有以下几个方面：
在OLED模块显示方面，OLED显示模块上要显示四个重要参数即转速设定值、P值、I值、D值。作为一个人机交互的界面，电机转速闭环时要实时监测的一个数值即当前转速，这个参数是检验闭环效果的一个重要指标。
在系统输入方面，键盘功是要实现最基本的数字0~9输入功能，考虑到P、I、D不一定是整数的情况下还需要加一个小数点的按键。实现不同参数的设置，需要有一个切换模式的按键。电机的正反转信号还需要一个按钮来确定，预留了3个按键作为备用。
电机转速闭环方面，通电后的电机从速度为零时刻开始加速，慢慢向设定值靠近。若比例带设置过大，转速不会恒定，实时转速经PID算法调整，慢慢靠近设定值，但也存在精度误差，不能完全和设定值相等。若比例带设置的过小，调节的时间相对会较长，不利于系统工作。
参数掉电存储方面，当没有程序下载的情况下，参数掉电存储模块就派上用场。单片机无法烧录程序时自然也得不到合适的参数信息，那么重要的参数还可利用掉电存储模块和键盘调节修改，系统掉电时，MC9S12XS128单片机中的FLASH还可以自动记录上次设定好的参数。
1.3论文的章节安排
第1章：绪论，介绍了直流电机发展历史和研究现状，然后阐述课题的研究目标及主要内容。
第2章：系统硬件设计，介绍直流电机闭环硬件系统的组成与设计，主要介绍MC9S12XS128最小系统、电源模块、键盘模块、显示模块、通讯模块、驱动电路、测速电路。
第3章：系统软件设计，介绍MC9S12XS128基本模块初始化，键盘控制模块软件设计，PWM波产生的软件设计，PID算法软件设计,参数存储模块软件设计方法。
第4章：系统调试，调试工具简介，电机转速闭环PID算法调试、硬件调试，对硬件部分的调试过程作分析。
第5章：总结与展望，主要是对本课题设计和研究的总结，并提出了本设计的不足之处和改进的方向。
2.系统硬件设计
2.1 硬件设计总体方案
良好的硬件基础是系统的基石，是软件发挥作用的一个重要平台。系统的硬件总体方案大致可以分为以下流程:电源方面稳压源输出9V供电给驱动芯片，并在稳压源9V处分出分支，通过LM2596稳定降压到5V给单片机、测速模块供电，再由LM1117芯片把5V电压稳压到3.3V给OLED供电。基本模块方面OLED作为基本显示模块贯穿整个系统，MC9S12XS128是控制模块，单片机产生PWM波由驱动电路驱动电机转动，通过键盘模块调节参数，由光电码盘测得实际转速显示在OLED上,使用通讯模块通过虚拟示波器检验闭环效果需要。理清了各模块的相互关联，着手绘制原理图，合理的布置PCB走线，防止电气干扰影响系统功能。系统硬件电路结构如图21所示。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzdq/696.html
