基于單片機(jī)的無刷直流電機(jī)速度伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

論文名稱：基于單片機(jī)的直流伺服電機(jī)測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)科專業(yè)：申請人：指導(dǎo)老師:摘要在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的場合，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中,常需要分時(shí)或連續(xù)測量、顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)速度。當(dāng)前主要流行的測速方法有霍爾測速、磁電式測速和光電編碼測速等，但是霍爾測速不僅價(jià)格相對較高，而且信號雜波大，需要額外的濾波電路開銷;而磁電式測速容易受外界環(huán)境干擾，因此不適合用于強(qiáng)電磁干擾的工業(yè)環(huán)境,本系統(tǒng)采用光電編碼測試進(jìn)行速度伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速，且保證測量的實(shí)時(shí)性,本文提出了一種基于單片機(jī)的直流伺服電機(jī)測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.該系統(tǒng)通過定時(shí)器模擬PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用外部中斷的邊沿觸發(fā)功能捕獲測速脈沖，并以此分析計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速,然后顯示到LED數(shù)碼管上面；此外,為了達(dá)到更精確的電機(jī)控制，設(shè)計(jì)的串行通信方案,通過PC機(jī)下傳指令改變PWM輸出占空比,以此控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)軟件在KeilC51集成開發(fā)環(huán)境中采用C語言編寫，并在Proteus軟件中搭建電路，仿真驗(yàn)證了方案的可行性.關(guān)鍵詞：測速;單片機(jī)；直流伺服電機(jī);串行通信

ABSTRACT

目錄TOC\o"1—3"\h\z\uHYPERLINK\l”_Toc354397632”摘要 1_Toc354397635"第一章 緒論 51。1課題研究意義 5HYPERLINK\l”_Toc354397637"1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 5_Toc354397639”第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 72。1硬件設(shè)計(jì)方案 72。2軟件設(shè)計(jì)方案 8第三章 硬件設(shè)計(jì) 93.1 硬件框圖設(shè)計(jì) 93.2。2最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10HYPERLINK\l”_Toc354397647”3.3 與PC機(jī)通信模塊 113。4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 13_Toc354397651"3.5 電機(jī)測速模塊 143。6 LED顯示模塊 153。7 本章小結(jié) 16HYPERLINK\l”_Toc354397654"第四章 軟件設(shè)計(jì) 17HYPERLINK\l”_Toc354397655”4.1軟件框架 174。2電機(jī)控制 184.3LED顯示 204。4RS232串口通信 21HYPERLINK\l”_Toc354397659”4.5本章小結(jié) 22第五章 系統(tǒng)測試 23HYPERLINK\l”_Toc354397661"5.1電機(jī)測試 235。2串行通信測試 255。3本章小結(jié) 28HYPERLINK\l”_Toc354397664"第六章結(jié)論 29_Toc354397666”6.2后續(xù)工作 29HYPERLINK\l”_Toc354397667"致謝 31HYPERLINK\l”_Toc354397668”參考文獻(xiàn) 32和“ASSIGNCOM2〈SIN〉SOUT[回車]”，然后退出Debug模式，重新編譯鏈接,生成的hex文件即與COM2綁定了.其中這兩行指令的具體解釋為MODECOM29600,0,8,1%分別設(shè)置COM2的波特率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位ASSIGNCOM2〈SIN〉SOUT%把單片機(jī)的串口和COM2綁定到一起。因?yàn)樗玫膯纹瑱C(jī)是AT89C51，只有一個(gè)串口，所以用SIN，SOUT,如果單片機(jī)有多個(gè)串口,可以選擇S0OIN，S0OUT，S1IN，S1OUT. Step3：在Proteus軟件中綁定COM2。雙擊AT89C51單片機(jī)元件，在彈出的對話框中選定晶振為11.0592MHz，以配合9600bps的波特率，若晶振設(shè)定不對會(huì)出現(xiàn)亂碼現(xiàn)象；然后雙擊COMPIM虛擬串口元件，在彈出的編輯對話框中選定端口，并設(shè)置通信的波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)如圖5—3所示.然后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，運(yùn)行單片機(jī)程序。 Step4：設(shè)置PC機(jī)串口參數(shù)。PC機(jī)通過串口調(diào)試助手與COM4綁定，并將其波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位等通信參數(shù)設(shè)置成與COM2相同，如圖5—4所示.然后在發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)輸入“1”，單擊手動(dòng)發(fā)送，以此下傳PWM占空比值49（%）給單片機(jī).再次觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速為43r/min，如圖5—5所示,明顯叫90%占空比時(shí)的65r/min小，可知占空比設(shè)定指令正確下達(dá)，電機(jī)轉(zhuǎn)速改變。圖5-SEQ圖5—\＊ARABIC3COMPIM虛擬串口屬性設(shè)置圖5—SEQ圖5—\*ARABIC4PC機(jī)串口通信參數(shù)設(shè)置圖5—SEQ圖5—\＊ARABIC5串口改變占空比仿真結(jié)果此時(shí)再觀察VSPD軟件右側(cè)發(fā)送與接受數(shù)據(jù)，如圖5-6所示，可以看到不但所虛擬的串口分別成功地與Protues和PC機(jī)的串口調(diào)試助手綁定,而且兩者之間能正常通信，PC機(jī)每次下傳的數(shù)據(jù)都被單片機(jī)所接收到。圖5—SEQ圖5—\*ARABIC6VPSD串口連接情況綜上所述，本系統(tǒng)所提出的基于單片機(jī)的無刷直流電機(jī)測速方案具有一定的可行性。不僅如此，PC機(jī)還可隨時(shí)通過串口下傳指令給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的伺服控制.5。3本章小結(jié) 本章在Proteus軟件中搭建了系統(tǒng)硬件電路,并加載了軟件生成的單片機(jī)hex文件,控制系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)測試分電機(jī)測速和串行通信測試兩部分實(shí)現(xiàn),由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:（1）單片機(jī)模擬的PWM能通過L298N驅(qū)動(dòng)芯片正確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),并且所設(shè)計(jì)的測速方案運(yùn)行可靠，誤差能控制在3%以內(nèi)；(2）PC機(jī)與單片機(jī)通信正常，PC機(jī)下傳的占空比指令能被單片機(jī)正確接收并執(zhí)行，最終電機(jī)轉(zhuǎn)速改變。

第六章結(jié)論6.1已完成工作本文提出了一種基于單片機(jī)的無刷直流電機(jī)速度伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并在Proteus軟件中仿真驗(yàn)證了方案的可行性。該系統(tǒng)通過定時(shí)器模擬PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,采用外部中斷的邊沿觸發(fā)功能捕獲測速脈沖，并以此分析計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速,然后顯示到LED數(shù)碼管上面；此外，為了達(dá)到更精確的電機(jī)控制,設(shè)計(jì)的串行通信方案，通過PC機(jī)下傳指令改變PWM輸出占空比，以此控制電機(jī)轉(zhuǎn)速.針對該方案的具體實(shí)施方法,本文完成了如下工作:（1)提出了一種無刷直流電機(jī)測速方案.即通過增量式光電編碼器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，并采用單片機(jī)的外部中斷管腳捕獲光電編碼器的輸出脈沖，通過分析計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)確定電機(jī)轉(zhuǎn)速。(2）完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)通過Protues軟件搭建電路連接圖，軟件通過KeilC51集成開發(fā)環(huán)境編寫PWM、串行通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)測速及LED顯示等各級模塊驅(qū)動(dòng)程序。（3）仿真驗(yàn)證了方案的可行性。在Protues軟件中通過LED數(shù)碼管顯示所測轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速誤差在3％以內(nèi)；此外，通過VPSD軟件虛擬串口對，模擬串行通信實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制.6.2后續(xù)工作當(dāng)然，由于時(shí)間和能力的限制,論文不可避免地存在一些問題,本文仍需進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。（1）當(dāng)前情況下，PC機(jī)只下達(dá)了PWM占空比調(diào)節(jié)指令，后續(xù)工作中可以設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的通信協(xié)議，下達(dá)更加豐富的控制指令。（2）所設(shè)計(jì)的方案只是在Proteus仿真軟件中仿真驗(yàn)證通過，若能搭建具體的硬件電路進(jìn)行驗(yàn)證分析,則更具說服力。(3)電機(jī)控制是一個(gè)經(jīng)典問題，后期最好能根據(jù)測得的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)相應(yīng)的PID控制算法，提升被控對象的響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量等性能指標(biāo)，以期達(dá)到更加精確的伺服跟蹤效果。

致謝

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附錄系統(tǒng)源程序附錄如下：#include〈reg51。h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodetable［]=｛0x3F，0x06，0x5B,0x4F,0x66，0x6D，0x7D,0x07，0x7F,0x6F，0x00,0x40｝；//0—9,’滅'，'—’sbitR=P2^1;sbitL=P2^0；sbitPWM=P2^2；bitFlag=1;uchardida=0；ucharMotorPluse=0;uintMotorSpeed=0；ucharDutyCycle=90； //mustbein[0,100］voiddelay（uinti）//延時(shí)1ms子程序{ uintj; for（i;i>0;i—-） for(j=110；j〉0;j--)；}voidTurnClock（）｛ R=1; L=0;｝voidTurnAntiClock（）{ R=0； L=1;}voidInit（）｛ TMOD=0x21; //TMR1工作于方式2 TH1=0xfd； TL1=0xfd; //波特率為9600 SCON=0x50; //方式1，10位可變波特率，允許接收 TR1=1； //啟動(dòng)T1 ES=1; //允許串行中斷 ET0=1; TR0=1； IT0=1； //邊沿觸發(fā)方式 EX0=1； IT1=1; EX1=1； EA=1； PWM=1；}voidLEDDisplay(){ P1=table[MotorSpeed/100］； P2&=~0x20; delay（1)； P2|=0xf0； P1=table［MotorSpeed％100/10]； P2&=~0x40； delay(1）; P2｜=0xf0； P1=table[MotorSpeed%10]; P2＆=～0x80; delay(1）； P2｜=0xf0;}voidmain（）｛ Init(); while(1） { if(Flag) TurnAntiClock（）; else TurnClock（)； LEDDisplay(）； }｝voidEx0（）interrupt0{ Flag=！Flag；}voidEx1()interrupt2{ MotorPluse++; ｝voidtime_0()interrupt1{ TH0=(65536-10000）/256;//10ms