STCCAS单片机PWM电机调速系统.docVIP

控制科学与工程综合技术实验 项目设计说明书 项 目：电机转速控制系统 姓 名： 学 号： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx系 xxxx年xx月xx日 1 概述（系统基本功能描述） 本项目主要介绍一种单片机实现直流电机闭环转速控制系统，该项目可以根据用户设定电机的转速，然后由单片机控制电机的转速在设定的范围内。该项目分为上位机的软件实现和下位机的软硬件实现，在上位机上可以设定电机的转速和PID控制中的参数，下位机实现控制电机转速为设定值。 2 总体设计 本系统以STC12C5A16S2单片机为核心，进行PWM斩波控制，以实现普通直流电机按设定速度运行。其中利用光电开关检测普通直流电机的转速，通过信号放大和滤波电路，输出到单片机闭环系统对信号进行处理，达到上位机对直流电机设置的速度，并实时显示电机转速。 2.1 系统功能及技术指标（分类细化系统功能和技术指标） 此单片机的直流闭环调速控制系统需要具有以下功能： 1.上位机与单片机进行串口通信； 2.通过上位机对直流电机的参数（速度）和控制参数（比例系数、积分系数、微分系数）设置； 3.下位机能够产生直流信号驱动直流电动机； 4.下位机实现对直流电机的速度控制； 5.检测电路对直流电机的转速检测； 6.实时在上位机显示直流电机的转速。 2.2 系统构成（尽量采取图示描述） 电机转速控制系统主要由上位机及下位机构成。上位机就是PC机，完成电机转速系统速度设定和控制参数的设定，实时显示电机的转速。下位机由电源、检测单元，控制单元以及驱动电机单元组成。如图2-1所示。 图2-1 电机转速控制系统结构框图 2.3 主要设备及元器件选型（说明选择依据） 电机转速控制系统主要的设备及元器件：综合训练1号电路板、STC12C5A60S2系列单片机、L298N电机驱动芯片、7805电压转换芯片、光电开关、发光二极管、电阻、电容、串行通信线、普通直流电机。 2.4 系统核心处理策略（控制算法、信号处理方法等） 电机转速控制系统采用自制光电传感器实时检测反馈脉冲信号，经单片机处理获得直流电机的实时速度，与给定速度比较得速度偏差e；速度偏差e，通过PID算法计算获得所要求的PWM占空比，形成PWM控制电压驱动直流电动机运转，直至偏差e为0，实现普通直流电机的速度调节。 在电机转速控制系统中，对直流电机的速度的控制采用了常用的PID控制算法，即比例、积分、微分算法。一个系统要正常工作，起码的条件是要保证系统的稳定性，即系统不产生持续的振荡，甚至扩散的振荡。衡量一个系统的控制品质还有其他一些指标，分为稳态指标和动态指标两大类。稳态指标最重要的是稳态误差，在本例中就是稳态下的速度误差。动态指标主要包括：调节时间，超调量和振荡次数。PID控制中的每一项对系统的性能会产生不同的影响。 PID算法包括3项：比例项、积分项和微分项。比例控制是根据被控制量(在本控制系统中是电机的实时转速)的期望值与实测值之差(控制误差)驱动被控对象(电机)；积分控制是根据控制误差的积分去驱动被控对象；微分控制是根据控制误差的微分(在数字系统中就是差分)去驱动被控对象。 根据系统品质要求，为上述3个控制项选择合适的比例常数——、和并把它们综合起来，产生一个综合的控制作用，就构成了PID控制算法。 在本系统中，我们将实际转速值与预置转速值比较，得出差值。单片机通过对该差值进行PID运算，得出控制量，再由单片机输出控制参数，由PWM输出电路改变电机两端的有效电压，最终达到控制转速的目的。 2.5 系统软硬件功能划分 直流电机控制环节由转速检测环节、单片机控制环节、电机驱动电路以及上位机软件组成。其中转速检测环节和电机的驱动电路环节属于该系统的硬件环节；而单片机控制环节和上位机软件属于该系统的软件环节。下面对系统的硬件和软件功能分别进行表述。 2.5.1 系统硬件功能 电机转速控制系统中，系统的硬件功能主要有：电机转速的检测环节和电机驱动电路环节。 电机转速的检测环节是目的是检测电机的实际转速，本系统是通过间接的方法获得电机的转速，它通过光电开关的打开与关闭这两种状态的交替次数计算出电机的实际转速。 电机转速控制系统的电机驱动电路环节采用L298N驱动芯片产生电机驱动信号，直接驱动直流电机运行。由电机检测环节检测到的上一时刻的速度，与设定值作比较，得出速度偏差e，单片机内部对偏差信号e经PID运算后，输出PWM控制信号给驱动芯片L298N，根据PWM波形的占空比不同，施加在电机输入端的电压不同，从而达到对电机速度形成闭环控制。 2.5.2 系统软件功能 电机转速控制系统的软件分为上位机软件与下位机软件。 上位机软件主要完成向下位机设置电机的设定速度；设置PID调节的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd；显示电机的实时转