基于单片机的直流电机闭环调速控制系统

湖南铁道职业技术学院　刘　彤



基于单片机的直流电机闭环调速控制系统

湖南铁道职业技术学院刘彤

本文介绍一种小型直流电机转速闭环控制系统，以单片机为核心，输出PWM驱动电机，数字增量式PID调节转速，实现对直流电机转速控制，给出了软硬件设计方案，进行了实验效果对比，取得了较好的控制效果。

直流电机；L298N；PWM；增量式PID

0　引言

直流电机在工业控制、家电领域得到了广泛应用，其调速有用专用芯片实现的，有用单片机实现的。51系列单片机作为入门级的单片机，也能够实现对直流电机的调速控制，基于PID算法的速度调节，具有精度高、成本低等优点，比较适合初学者学习和使用。

1　系统结构设计

设计一个小型直流电机调速系统，实现直流电机启动、停止、加速、减速等功能。系统以单片机为核心，扩展电机驱动电路驱动直流电机，扩展转速检测电路检测电机的转速，扩展人机交互电路，按键控制电机，调节电机转速，电机转速反馈经PID算法调节输出，在LCD上显示出来，系统结构如图1所示。

图1　系统结构框图

系统选用STC89C52RC单片机为核心，指令执行速度比普通51单片机快一倍，且具有三个16位定时/计数器，适合小型直流电机控制，成本低廉，性价比高［1］。人机交互电路包括按键电路和LCD显示电路。按键电路由四个独立按键接入单片机I/O端口，完成电机启动、停止、加速和减速等的操作控制，LCD显示使用LCD1602液晶显示器，显示2行，每行16个字符，第一行显示电机设置转速、第二行显示当前转速。

2　电机驱动

直流电机采用专用驱动芯片L298N，L298N是一种高电压，大电流的电机驱动芯片，最高工作电压可达46V，持续工作电流为2A，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电机和步进电机、继电器线圈等感性负载。与电机控制相关的引脚每个电机有三个，ENA 、IN1和IN2一组，ENB、IN3和IN4一组。ENA、ENB是使能端，IN1、IN2、IN3、IN4是方向控制端，使能端和方向控制端组合完成电机控制，控制关系表见表1所示。

表1　L298N电机控制功能表

直流电机驱动电路如图2所示［2］，L298N的使能控制端ENA或ENB直接接+5V电源，打开使能端，IN1、IN2、IN3和IN4接单片机的I/O端口，根据上表，单片机输出高、低电平，控制电机旋转，如果输出采用PWM方式，就可以控制电机的转速。L298N电源采用二组供电，一组电源+5V供给逻辑控制电路，另一组电源+12V供给电机驱动。电机输出加入续流二极管，保护驱动电路。

图2　L298驱动接口电路

3　电机测速

系统使用红外光电传感器加旋转码盘来测量电机转速，红外光电传感器的发射器和接收器分别位于U型槽的两边，圆形码盘四周刻上一定数量的长方形槽，码盘和电机旋转轴固定，和电机一起旋转，当码盘开槽的地方经过U型红外传感器，发射管发射的光电信号能够被接收管接受，当码盘没有开槽的地方经过U型槽，阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关信号，经施密特触发器整形送入单片机端口，电机测速原理如图3所示。

图3　电机测速原理图

转速计算公式为:r/min，其中，n是脉冲的个数，N是码盘槽数，t是采样时间。可以看出速度v的误差主要是由码盘上的槽数的多少决定的，提高槽的数量 可以减少系统误差，这里取凹槽数N为120，采样时间t为0.5秒，单片机定时器定时采样测速［3］。

4　软件设计

软件设计重点是转速调节，采用转速闭环控制，具体策略是利用单片机定时器定时采样，测量电机转速，经过PID算法改变单片机输出PWM波的占空比，调节电机转速。系统软件主要由主程序和一个定时中断程序组成，主程序完成系统初始化、按键操作和LCD显示等功能，流程图如图4所示。

图4　主程序流程图

图5　定时器中断流程图

转速PID调节采用数字增量式PID算法，即：

其中，Kp-比例系数，KI= Kp*（T/Ti），KD=Kp*（Td/T）将速度采样作为当前输入，与速度设定值进行相减得偏差，对偏差进行PID运算产生输出结果控制定时器输出占空比进而控制转速［4］，定时器0.1s做一次速度采集、PID运算和PWM占空比改变，调节电机转速，定时器中断程序流程图如图5所示。

5　实验与调试

为了验证PID转速调节的效果，分别进行无PID调节转速测试和有PID调节转速测试对比实验，测试转速1800r/min时的数据绘制曲线，如图6所示。

曲线1是无PID调节转速曲线，曲线2是有PID调节转速曲线，可以看出，加入PID调节后的转速闭环控制，转速超调量减小，稳定时间缩短，提高了转速控制的精度和稳定性。

图6　转速PID调节效果图

6　结论

本文以单片机为核心，设计直流电机转速闭环控制系统，PWM输出驱动电机，采用数字增量式PID调节PWM输出占空比，取得了较好的转速控制效果，实现了直流电机启动、停止、加减速等功能，并且显示在LCD上。

［1］周航慈.单片机应用程序设计技术（第3版）［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1991.

［2］孙贤安，陈南，王金湘.基于51单片机的小车避障电路实现［J］.机械制造与自动化，2005（05）.

［3］曹应明.基于STC单片机的直流电机调速系统设计［J］.计量与测试技术.2014（11）.

［4］ 向科，刘晓燕，文方.PIC16F777单片机在直流电机闭环调速系统中的应用［J］.电气应用，2007（01）

基金支持：2016年湖南铁道职业技术学院校级课题（课题编号：K201609）。

刘彤（1972-），男，湖南株洲人，工学硕士，讲师，主要研究领域：控制理论与控制工程。