基于单片机的运动控制系统

摘 要

运动控制系统主要是电动机的控制，如今电动机在人们的工业生产和生活中

起着十分重要的作用，其中直流电机以其优异的性能一直具有广泛的应用，而数字化控制是运动控制系统一个重要发展趋势。

本设计为基于单片机的运动控制系统，以AT89C52单片机作为控制核心，小型直流电机作为控制对象。硬件部分包括电源电路、矩阵键盘、L298电机驱动电路、液晶显示等；软件部分包括按键扫描、PWM波生成、转速测量、PID调节、液晶显示以及上位机设计等。利用定时器计算出电机实时转速，将实时转速在LCD1602上显示并通过串口发送给上位机，然后将实时转速与矩阵键盘设定的转速值比较，再经过PID调节，改变PWM波的占空比，从而调节电机转速。经过多次调试，本系统基本能够实现转速无静差，而且抗扰动性能良好。

关键词：单片机，PWM波，PID调节，直流闭环调速，上位机

ABSTRACT

The motion control system is mainly designed for electric motor．Nowadays,the electric motor plays a crucial role in industrial production and people’s daily life. And DC motor is widely used for its outstanding performance. Meanwhile, digital control is an important development tendency in motion control system.

This is a design of motion control system based on single chip microcomputer，which is the

cybernetic core while the control object is a small DC motor. In the system，thehardware part consists of power circuit、matrix keyboard、DC motor driver used L298N、liquid crystal display etc; And the software part consists of key-scan subroutine、 PWM wave subroutine、speed measurement、PID regulation、LCD subroutine and supervisor software etc. The single chip microcomputer work out the real-time speed with its inner timer. Then the real-time speed is shown on LCD1602 and is sent to supervisor software through serial port. Next,the single chip microcomputer

will compare the real-time speed with the set-speed，and after the regulation of PID controller，the duty cycle of PWM wave is changed. As a result，the speed of DC motor is changed. After many times of system debugging，this system is able to eliminate steady-state error of speed and have good disturbance-resistant performance.

KEY WORDS:

Single Chip Microcomputer, PWM Wave, PID regulation,

closed-loop DC motor speed regulation，supervisor software

目录

第1章 绪论???????????????????????????1

1.1 运动控制系统的组成 ???????????????????1 1.2 运动控制系统的发展 ???????????????????2

1.3 单片机在电动机控制中的优点????????????????3 1.4 上位机在控制工程中的作用?????????????????4 1.5 本次设计所研究的内容和意义????????????????4 2.1 系统设计及功能??????????????????????5 2.2 调速方案选择???????????????????????5 2.3 调压方案选择???????????????????????6 2.4 控制回路选择???????????????????????7 2.5 上位机界面设计选择????????????????????9 3.1 电源模块?????????????????????????11 3.2 控制芯片选择???????????????????????12 3.3 电机及驱动模块??????????????????????13 3.4 转速及电流检测??????????????????????14 3.5 键盘及显示模块??????????????????????15 3.6 本章小结?????????????????????????16 4.1 系统主程序设计??????????????????????17 4.2 数字PID控制算法?????????????????????17 4.3 矩阵键盘设计???????????????????????18 4.4 中断处理程序???????????????????????19

4.4.1 PWM波生成程序???????????????????19 4.4.2 重设参数程序????????????????????20 4.5.1 转速测量??????????????????????21 4.5.2 数字滤波??????????????????????22

第2章 系统总体设计???????????????????????5

第3章 硬件设计?????????????????????????11

第4章 软件设计?????????????????????????17

4.5 转速测量及数字滤波????????????????????21

4.6 上位机程序设计??????????????????????22 4.7 本章小结?????????????????????????24 第5章 硬件调试?????????????????????????25

5.1 硬件电路调试???????????????????????25

5.2 软件调试?????????????????????????25 5.3 系统联合调试???????????????????????28 5.4 本章小结?????????????????????????29 6.1 系统设计成果???????????????????????30 6.2 经验收获?????????????????????????30 6.3 展望???????????????????????????30 致谢???????????????????????????????31 参考文献?????????????????????????????32 附录???????????????????????????????33

第6章 结论与展望????????????????????????30

第1章 绪 论

电动机能够实现电能与机械能之间的转换，根据电动机的数学模型可知，电机的输入量包括电压、电流、频率等，输出量包括转速、力矩、位移等，而运动控制系统的任务是通过控制电机的输入量来改变电机的输出量，使之满足人们的工业生产和其它方面的需求。

1.1 运动控制系统的组成

典型的运动控制系统可分为三大部分，即控制、驱动、反馈。由电动机、功率放大与变换装置、控制器和相应的转速、电流等传感器组成。

电动机作为运动控制技术的控制对象，从工作原理上可以分为直流电动机、交流异步电动机和交流同步电动机。直流电机具有调速性能好、启动和制动转矩大、过载能力强等优点，因而广泛应用于启动和调速性能要求高的场合，但其结构复杂，消耗较多有色金属，制作成本高，维护比较麻烦，而且电刷和换向器限制了它的转速和容量，因此其应用受到了一定限制。相比之下，交流电动机的结构简单，制作方便，价格便宜，运行可靠，改变励磁即可换向，无需机械换向器，因此其允许转速和容量均大于直流电机，但其缺点是：必须从电网吸收滞后的无功电流来建立磁场，使得电网的功率因数变坏，电能损耗增加，但异步电动机存在启动和失步问题，而且在恒频电源供电时调速较为困难。

目前的功率放大和变换装置多采用电力电子型，早期的电路多采用半控型器件晶闸管SCR，只能通过门极使晶闸管开通，但无法使其关断，必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂。随着电力电子技术的发展，电机调速得到快速提升，采用全控型电力电子器件，无需强迫换流，主回路结构简单，而且其开关频率很高，提高了调速质量。目前的电力电子器件已经由单一的器件发展成为具有驱动、保护的功能的功率模块，提高了可靠性。

运动控制器可分为模拟控制器和数字控制器，模拟控制器主要有运算放大器和电气元件实现，虽然控制信号流向直观，控制规律体现在硬件电路上但线路复杂，而且模拟器件性能容易受到温度的影响。以微处理器为核心的数字控制器控制规律体现在软件设计上，容易修改，没有温度漂移问题。但是前者的运算能并行运行，滞后时间可忽略，数字控制器为串行工作方式，滞后时间相对较大，为此可采用高速处理器减少滞后时间。 为了使运动控制系统具有较好的调速性能，常采用转速、电流、位置等反馈回路，为此需要采用传感器进行信号检测。同时由控制理论可知，控制系统对反馈通道上的扰动无抑制作用，因此传感器必须具有较高的精度，才能保证控制系统的准确性。电流传感器

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