PID電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東白云學(xué)院 劉 康 程尹力

電機(jī)是電控系統(tǒng)當(dāng)中必不可少的控制設(shè)備，本設(shè)計(jì)選用STC-89C52RC單片機(jī)作為核心處理器設(shè)計(jì)一款能夠?qū)崿F(xiàn)PID算法調(diào)控的電機(jī)控制系統(tǒng)，調(diào)速功能采用PWM作為轉(zhuǎn)速控制方式配合霍爾傳感器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到PID算法控制調(diào)速的功能實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)多檔位PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能。

電機(jī)是電控系統(tǒng)當(dāng)中必不可少的控制設(shè)備，電機(jī)產(chǎn)品根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同而采用不同的控制方式，其中直流電機(jī)的應(yīng)用是較為廣泛的，直流電機(jī)的控制難度低并且驅(qū)動(dòng)性和制動(dòng)性都比較好，因此，設(shè)計(jì)一種基于PID算法的直流電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

PID電機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)功能模塊可以分為主控部分、數(shù)據(jù)顯示部分、按鍵控制部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、測(cè)速感應(yīng)部分、電源部分，六個(gè)部分功能模塊實(shí)現(xiàn)各自的分工智能，統(tǒng)籌配合以后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的目標(biāo)功能。主控部分的功能是協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部分功能器件實(shí)現(xiàn)各自的功能，數(shù)據(jù)顯示部分和按鍵控制部分構(gòu)成人機(jī)交互部分，人機(jī)交互部分的功能主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示和相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分則是驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)的核心電路和測(cè)速感應(yīng)電路構(gòu)成電機(jī)閉環(huán)控制部分也是系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)核心電路設(shè)計(jì)

STC89C52RC單片機(jī)內(nèi)置ISP在線編程功能，可以通過(guò)串口接口進(jìn)行程序下載，其系統(tǒng)核心電路包括了復(fù)位電路和晶振電路，晶振電路的作用是為單片機(jī)的運(yùn)行提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)決定了單片機(jī)的運(yùn)行速度的快慢，本設(shè)計(jì)選用11.0592MHz的石英晶振作為晶振電路的晶振源，配合STC89C52RC單片機(jī)1T的運(yùn)行速度可以達(dá)到接近12MHz的機(jī)器周期。系統(tǒng)核心電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)核心電路圖

2.2 LCD12864電路設(shè)計(jì)

液晶顯示器是系統(tǒng)選中的數(shù)據(jù)顯示器件，LCD12864顯示器可以顯示128行64列像素顯示區(qū)域，采用ST7920作為驅(qū)動(dòng)器件內(nèi)部自帶漢字庫(kù)，能夠方便的實(shí)現(xiàn)漢字?jǐn)?shù)據(jù)和基本字符數(shù)據(jù)，并且?guī)в蠫RAM字模顯示功能，LCD12864液晶顯示電路如圖3所示。

圖3 LCD12864電路圖

2.3 按鍵電路設(shè)計(jì)

PID電機(jī)控制系統(tǒng)選用了矩陣鍵盤(pán)，其功能是輸入PID參數(shù)和設(shè)定目標(biāo)速度。因?yàn)橹皇沁M(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，所以電路中沒(méi)有做防靜電干擾方面的設(shè)計(jì)。又因?yàn)閱纹瑱C(jī)引腳內(nèi)部帶有上拉電阻，所以矩陣鍵盤(pán)沒(méi)有獨(dú)立加上拉電阻。

圖4 按鍵電路圖

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

PID電機(jī)控制系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)最高達(dá)到46V的電壓并且輸出電流可以達(dá)到2A，內(nèi)置四路的達(dá)林頓管，帶有四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出能夠?qū)崿F(xiàn)兩路電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)，在信號(hào)輸入端加入光耦實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和L298的電氣信號(hào)隔離，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.5 電源電路設(shè)計(jì)

PID電機(jī)控制系統(tǒng)的電器元件都是5V供電的元器件，所以在電源電路的設(shè)計(jì)上采用了5V鋰電池外部供電的方案，為了讓低頻和高頻信號(hào)都可以穩(wěn)定的通過(guò)，在電路設(shè)計(jì)上采用大電容并上小電容的設(shè)計(jì)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。電源電路如圖6所示。

圖6 電源電路圖

3 系統(tǒng)仿真

本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)利用Proteus電路仿真軟件搭建系統(tǒng)的硬件電路，然后在單片機(jī)當(dāng)中導(dǎo)入編譯完成的hex文件即可開(kāi)啟電路仿真功能模擬。

仿真啟動(dòng)以后的仿真狀態(tài)如圖7所示，其中LCD12864液晶顯示器的顯示內(nèi)容的第一行顯示的是參數(shù)說(shuō)明信息，由圖可見(jiàn)初始化的PID控制參數(shù)分別是100、20、15，這三個(gè)PID數(shù)據(jù)都是放大了一百倍以后的數(shù)據(jù)值便于系統(tǒng)調(diào)節(jié)，初始化以后的速度值是50轉(zhuǎn)每分鐘，而反饋的當(dāng)前轉(zhuǎn)速是51轉(zhuǎn)每分鐘，因?yàn)榉抡嬷械碾姍C(jī)選用的是帶有編碼反饋的motor-encoder電機(jī)所以可以通過(guò)其反饋的脈沖信號(hào)可以檢測(cè)到此時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而仿真當(dāng)中的四個(gè)LED燈則是指示設(shè)定狀態(tài)的指示燈。

圖7 電路仿真圖

通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)重新設(shè)定了電機(jī)轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)每分鐘，設(shè)定以后的仿真電路如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)仿真圖

經(jīng)過(guò)Proteus仿真電路仿真以后電機(jī)控制系統(tǒng)的各個(gè)功能已經(jīng)順利完成了，在仿真中利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號(hào)控制電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)結(jié)合調(diào)速控制，在電機(jī)速度控制上采用了PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試調(diào)整仿真電路運(yùn)行穩(wěn)定符合設(shè)計(jì)要求。