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摘 要:设计一种直流电机实验板,方便人们对电机、PID闭环控制、电机驱动、单片机等方面的知识的深入综合地学习和教学,也可为工程师提供设计参考。本文给出了一种基于菲利普公司P87LPC768的软硬件实现方法。
关键词:P87LPC768 PID 直流电机
中图分类号:TP368 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(a)-0064-01
直流电动机因其良好的特性,使得其在现代工业控制领域得到了广泛的应用,在教学中也占有重要的地位。该直流电机平台能提供详细的相关知识,从电机到驱动电路,从驱动电路到控制算法,教会您相关电机原理和控制应用。适合教学和从事运动控制方面工作的人员使用。
1 系统总体功能概述
该系统以P87LPC768作为核心控制部件,外加一定的辅助电路来完成系统的预期任务,即电机的恒转速控制并送显示。利用上位机软件作为电机的速度输入端,通过上位机与P87LPC768的即时通讯,利用其内部的A/D转换器为电机输入给定转速,通过电位器电阻大小的改变来改变A/D采样的结果,由A/D采样结果来输出与之相对应的PWM波形。本系统使用PWM方波驱动电机,利用光敏三极管和发光二极管的光电特性,设计测速电路实时测量电机的转速,利用P87LPC768的串口送电机的实测转速,通过调用PID算法实现对电机的恒转速控制。
整体电路的框图如图1所示。
2 系统硬件实现
核心芯片选择
(1)芯片P87LPC768
P87LPC768是20脚封装,基于80C51的加速处理器结构使指令执行速度为标准80C51MCU的两倍,可以在宽范围的性能要求下实现高集成度、低成本的解决方案。
其主要特性如下:①4通道10位脉宽调制器(PWM)。②4通道多路8位A/D转换器。③看门狗定时器利用片内独立振荡器,无需外接元件,溢出时间有8种选择。
(2)MC33886电机驱动
电机驱动电路主要是对P87LPC768输出的PWM波形进行功率放大,本系统中采用电机驱动芯片MC33886来驱动电机.MC33886是一款用于电机驱动的高效单片集成芯片,能够向负载电机提供高达5.0A的连续的直流感应电流,最高可以处理10kHz频率的PWM调制脉冲.
(3)电机
本系统中采用标准微型马达有限公司生产的直流电机,其型号为RS380-ST,其工作条件为:驱动电压7.2V,即马达端子电压为7.2V的直流恒压。工作温度范围为10～30℃,工作湿度范围为30%～95%,无负荷最小转速1200r/min,无负荷最大电流630mA。
3 系统软件实现
本系统中程序设计采用模块化的设计方法。多个功能模块的功能相互独立,又能够互相调用,修改非常方便,具有较强的可读性。
3.1 软件功能概述
一个完整的系统都离不开对系统状态的监控,为了更好的协调软件、硬件各个部分正常工作,就必须对整个系统进行严密监控。为了防止系统死机,使系统能够更好的工作,通过编程对EPROM的UCFG1寄存器的WDTE位启动,定时装置必须定时得到软件清除,以防止其溢出使MCU复位,但是定时装置不能被关闭。定时器中断服务程序担任监控任务,PID调节程序根据输入的偏差值进行运算进而控制输出。
3.2 主要程序模块
主程序完成的任务相对简单,只是完成初始化而进入等待方式。
串行通信子程序包括:单片机发送数据程序和上位机接收数据程序。P87LPC768根据A/D输入端电阻大小确定PWM1波形的输出占空比,从而确定电机的给定转速。通过测速电路测出电机的实际转速,再经过串行通信将转速传送给上位机软件显示出来。
PID控制子程序采用增量型PID控制算法,其算式为:
设
所以,有:,即为离散化的增量型PID表达式.当系数Kp,KI,KD求出后,分别存放在指定的RAM单元。在初始化程序中,将E(K-1),E(K-2),Pp(K)单元清零,若采用浮点运算,当Kp,KI,KD分别求出(并转换成三字節浮点数),且存放在指定的内部RAM单元中。
本系统有T0中断服务程序担任监控任务,每0.5s对电机测速装置、A/D转换进行一次采样,并进行相应的处理,再经过调节器调节来实现电机的恒转速控制。因为时钟以每0.5s为一个计数单元,定时器0为每1/8s中断一次,则4次中断即为1/2s,需做时间调整。
4 结语
本文设计了一种简易型直流电机实验板并给出了软硬件设计方案,方便人们对直流电机、PID控制算法、闭环控制等相关知识的综合、深入学习和教学,也可以为工程师提供设计参考便于科研,解决了在电机控制等方法学习难,教学难问题,具有重要的意义。
参考文献
[1] 孙育才,MCS-51系列单片微型计算机及其应用,第4版,东南大学出版社[J],2000.
[2] 周航慈等,PHILIPS51LPC系列单片机原理及应用,北京航空航天大学出版社,[J],2001.
[3] 秦继荣,现代直流饲服控制系统,机械工业出版社[J],1993.
[4] MC33886 TECHNICAL DATA,FREESCALE SEMICONDUCTOR,[J]2005.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词:P87LPC768 PID 直流电机
中图分类号:TP368 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(a)-0064-01
直流电动机因其良好的特性,使得其在现代工业控制领域得到了广泛的应用,在教学中也占有重要的地位。该直流电机平台能提供详细的相关知识,从电机到驱动电路,从驱动电路到控制算法,教会您相关电机原理和控制应用。适合教学和从事运动控制方面工作的人员使用。
1 系统总体功能概述
该系统以P87LPC768作为核心控制部件,外加一定的辅助电路来完成系统的预期任务,即电机的恒转速控制并送显示。利用上位机软件作为电机的速度输入端,通过上位机与P87LPC768的即时通讯,利用其内部的A/D转换器为电机输入给定转速,通过电位器电阻大小的改变来改变A/D采样的结果,由A/D采样结果来输出与之相对应的PWM波形。本系统使用PWM方波驱动电机,利用光敏三极管和发光二极管的光电特性,设计测速电路实时测量电机的转速,利用P87LPC768的串口送电机的实测转速,通过调用PID算法实现对电机的恒转速控制。
整体电路的框图如图1所示。
2 系统硬件实现
核心芯片选择
(1)芯片P87LPC768
P87LPC768是20脚封装,基于80C51的加速处理器结构使指令执行速度为标准80C51MCU的两倍,可以在宽范围的性能要求下实现高集成度、低成本的解决方案。
其主要特性如下:①4通道10位脉宽调制器(PWM)。②4通道多路8位A/D转换器。③看门狗定时器利用片内独立振荡器,无需外接元件,溢出时间有8种选择。
(2)MC33886电机驱动
电机驱动电路主要是对P87LPC768输出的PWM波形进行功率放大,本系统中采用电机驱动芯片MC33886来驱动电机.MC33886是一款用于电机驱动的高效单片集成芯片,能够向负载电机提供高达5.0A的连续的直流感应电流,最高可以处理10kHz频率的PWM调制脉冲.
(3)电机
本系统中采用标准微型马达有限公司生产的直流电机,其型号为RS380-ST,其工作条件为:驱动电压7.2V,即马达端子电压为7.2V的直流恒压。工作温度范围为10～30℃,工作湿度范围为30%～95%,无负荷最小转速1200r/min,无负荷最大电流630mA。
3 系统软件实现
本系统中程序设计采用模块化的设计方法。多个功能模块的功能相互独立,又能够互相调用,修改非常方便,具有较强的可读性。
3.1 软件功能概述
一个完整的系统都离不开对系统状态的监控,为了更好的协调软件、硬件各个部分正常工作,就必须对整个系统进行严密监控。为了防止系统死机,使系统能够更好的工作,通过编程对EPROM的UCFG1寄存器的WDTE位启动,定时装置必须定时得到软件清除,以防止其溢出使MCU复位,但是定时装置不能被关闭。定时器中断服务程序担任监控任务,PID调节程序根据输入的偏差值进行运算进而控制输出。
3.2 主要程序模块
主程序完成的任务相对简单,只是完成初始化而进入等待方式。
串行通信子程序包括:单片机发送数据程序和上位机接收数据程序。P87LPC768根据A/D输入端电阻大小确定PWM1波形的输出占空比,从而确定电机的给定转速。通过测速电路测出电机的实际转速,再经过串行通信将转速传送给上位机软件显示出来。
PID控制子程序采用增量型PID控制算法,其算式为:
设
所以,有:,即为离散化的增量型PID表达式.当系数Kp,KI,KD求出后,分别存放在指定的RAM单元。在初始化程序中,将E(K-1),E(K-2),Pp(K)单元清零,若采用浮点运算,当Kp,KI,KD分别求出(并转换成三字節浮点数),且存放在指定的内部RAM单元中。
本系统有T0中断服务程序担任监控任务,每0.5s对电机测速装置、A/D转换进行一次采样,并进行相应的处理,再经过调节器调节来实现电机的恒转速控制。因为时钟以每0.5s为一个计数单元,定时器0为每1/8s中断一次,则4次中断即为1/2s,需做时间调整。
4 结语
本文设计了一种简易型直流电机实验板并给出了软硬件设计方案,方便人们对直流电机、PID控制算法、闭环控制等相关知识的综合、深入学习和教学,也可以为工程师提供设计参考便于科研,解决了在电机控制等方法学习难,教学难问题,具有重要的意义。
参考文献
[1] 孙育才,MCS-51系列单片微型计算机及其应用,第4版,东南大学出版社[J],2000.
[2] 周航慈等,PHILIPS51LPC系列单片机原理及应用,北京航空航天大学出版社,[J],2001.
[3] 秦继荣,现代直流饲服控制系统,机械工业出版社[J],1993.
[4] MC33886 TECHNICAL DATA,FREESCALE SEMICONDUCTOR,[J]2005.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文