基于单片机控制的智能调速系统.docx
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基于单片机控制的智能调速系统
摘要
随着现代科技的发展,基于单片机控制的智能调速系统已成为电机控制的主流。
本设计为一种永磁无刷直流电机(PMBLDC)的闭环调速系统。
该系统采用美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机AT89S51单片机为控制核心,采用美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件LMD18200。
通过光电编码器来反馈BLDC的位置,在单片机中进行转速运算,并通过PID计算子程序进行闭环计算,达到精确控制电机转速。
通过键盘输入控制BLDC的启停和正反转。
单片机中的程序能产生PWM波形,通过光电耦合与LMD18200相连。
采用LMD18200的双极性驱动方式,通过单片机产生的PWM控制信号的占空比来决定BLDC的转速,利用光电编码器捕获到的电机转子位置采样信号进行转速计算,并设计一组4位LED数码管显示瞬时转速。
本设计的单片机智能控制器在BLDC的调速系统中有着广泛的应用。
关键词:
永磁无刷直流电机(PMBLDC);单片机;LMD18200;脉宽调制(PWM);闭环PID控制。
ControllerDesignofPermanentMagnet
BrushlessDCMotor
Abstract:
Withthedevelopmentofthemodernscienceandtechnology,theintelligentvelocitymodulationsystem,whichisbasedonsingle-chip,hasbecomethemainstream.Thedesignwasaclosed-loop-speed-controlsystemofapermanentmagnetbrushlessDCmotor,whichcoreisalowpower,high-performanceCMOS8-bitsingle-chipAT89S51producedbytheUnitedStatesATMELcompany.HbridgeLMD18200whichhasbeenproducedbytheUSANationalSemiconductorCompany(NS)andisgoodusedtodrivetheDCmotorwasused.TheDCmotor’srotorlocationwasfeedbackthroughaoptical-elecencoder,andwasconversedbythesingle-chip,andclose-loopwascalculatedbythePIDsubroutine,soastocontrolthemotor’sspeedexactly.TheBLDC’sstartingandpauseandpositive-antipositiveturningwascontrolledbyinputtingthekeyboard.Theprogrammerinthesingle-chipcanproducethePWMwave,whichthroughtheoptocouplerconnectedwithLMD18200.TheBLDC’sspeedwasdeterminedbythedutycycleofthePWMcontrolsignal,whichwasgeneratedinthesingle-chip,andbyusingLMD18200’sbipolardrivemode,andthespeedsignalcanbecalculatedbyusingthesamplingsignaloftherotorlocationcapturedbytheoptical-elecencoder,andtheinstantaneousspeedcanbedisplayedbyagroupoffourLEDdigitaltube.Thisdesignintelligentspeedcontrol,whichisbasedonthesingle-chip,hasbeenwidelyusedinthespeedcontrolsystemoftheBLDC.
Keywords:
PMBLDC;Thesingle-chip;LMD18200;PWM;Closed-loopPIDcontrol.
1绪论
1.1单片机控制系统的国内外研究现状
近年来微型计算机技术的发展,BLDC矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。
D.Naunin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统,采用了十六位单片机8097作为控制计算机,实现了高精度、高动态响应的全数字控制。
八十年代末,九十年代初B.K.Bose等发表了大量关于永磁电动机矢量控制系统全数字控制的论文。
九十年代初期,R.B.Sepe首次在转速控制器中采用自校正控制。
早期自适应控制主要应用于直流电机调速系统。
刘天华等也将鲁棒控制理论应用于永磁电机伺服驱动。
自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能,N.Matsui,J.H.Lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统。
仿真和实验结果表明,自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。
滑模变结构控制由于其特殊的“切换”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关”模式相似,并且具有良好的鲁棒控制特性,因此,在电机控制领域有广阔的应用前景。
1.1.1永磁无刷直流电机结构及原理
从20世纪70年代末,特别使80年代初以来,由于电子技术、计算机技术、传感器技、电力电子技术、现代控制理论和新型永磁材料的发展,永磁无刷直流电机及其控制技术已有突破性进展。
进20年来,永磁无刷直流电机因其调速性能好,控制方法灵活多变、效率高、启动转矩大、运行寿命长等诸多优点,日趋广泛的应运于航空航天、计算机、军事、汽车、工业和家用电器等领域。
BLDC是指无机械电刷和换向器的永磁直流电动机,它以电子换向器代替机械电刷和换向器,实现直流电机的换相,解决了直流电机的换相问题,同时保留了直流电动机的优良特性。
它既有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便的优点,又具有直流电机的启动转矩大、调速性能好的优点[1]。
BLDC的控制器和电机本体紧密结合,是典型的机电一体化器件,有电动机本体、控制器和转子位置传感器三部分组成,如图1-1所示。
图1-1永磁无刷直流电机的构成
BLDC本体在结构上与永磁同步电动机相似,仍有定子和转子两大部分组成。
定子部分作为电动机的电枢,在其上开有齿槽,齿槽数与转子极数和相数有关,是它们的整倍数;同时在定子铁芯中安放对称的多相绕组(绕组的相数有二、三、四、五相),这些绕组可接成星型和角型,各相绕组分别与逆变器中各开关管相连接。
转子部分是由永磁材料制成的具有一定磁极对数的永磁体,其主要作用是在电动机的气隙中建立足够强度的磁场。
永磁转子主要有两种结构形式。
第一种结构是将扇形的永磁体贴在转子外表面,称为外裝式,该种结构的转子具有电枢电感小,齿槽效应转矩小的优点,但同时具有磁通不集中,气隙磁通密度低且容易受到电枢反应影响的缺点,所以该种结构的转子适应于小容量的低速电机;第二种结构是将矩形的永磁体内嵌到转子铁芯中,称为内装式,该结构的转子具有磁通很集中、气隙磁通密度大且不易受到电枢反应的影响的优点,但同时具有电枢电感大,齿槽效应转矩大的缺点,所以该种结构的转子适应于大容量的高速电机。
转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部分,其作用是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的相对位置,为逆变电路提供正确的换向信息,即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号,然后去控制定子绕组换相,使电动机定子绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相,从而形成气隙中步进式的旋转磁场,驱动永磁转子连续不断的旋转[2]。
1.1.2直流调速系统的数字化
控制与驱动电路是指直流电动机的调速系统。
所谓直流调速是指人为的或自动的改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。
从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。
直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对直流电动机进行供电,通过改变电路的输出电压从而控制电动机的转速。
传统的控制系统采用模拟元件,如晶体管、各种线性运算电路等,虽在一定程度上满足了生产要求,但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰的影响,并且线路复杂、通用性差,控制效果受到器件性能、温度等因素的影响,从而致使系统的运行特性也随之变化,故系统的运行可靠性及准确性得不到保证,甚至出现事故。
随着微电子技术,微处理机以及计算机软件的发展,使直流调速控制的各种功能几乎均可以通过基于微处理机的控制器硬件结合软件模块来加以实现,即从过去的模拟控制向现在的模拟—数字混合控制发展,乃至实现全数字化的直流调速控制系统。
直流电动机调速系统通过单片机控制可实现人及对话,极大的提高设备的自动化程度,能提高生产率、可靠性与柔性。
在数字化系统中除具有常规的调速功能外,还可以实现故障报警,诊断及显示等功能。
数字系统还可以形成数字通信能力,通过选配适当的通信接口模块,可以方便的实现主站和从站间的数字通信,组成分级多机的自动化系统。
为易于调试,数字系统的软件一般设计有调节器参数的自优化功能。
通过启动优化程序可实现自动寻优和确定系统的动态参数,以及实现如直流电机磁化特性曲线的自动测试等,有利于缩短调试时间和提高控制性能。
国外一些电气公司都有成系列的与模拟调整系统相对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用,新开发的调速系统几乎全是数字式的。
与模拟系统类似,全数字调速系统已发展成为紧凑型和模块式两大类,因为全数字调速系统有模拟系统无法比拟的优点,技术更新进,操作更方便。
数字调速系统与模拟调速系统相对比,技术性能有如下优点:
(1)静态精度高且能长期保持;
(2)动态性能好,借助于丰富的软件,易于实现各类自适应和复合控制;
(3)调速范围宽;
(4)电压波动小;
(5)参数实现软件化,无漂移影响;
(6)所有元件数量少,不易失效;
(7)设定值量化程度高,且状态重复率好;
(8)放大器和级间耦合噪声很小,电磁干扰小;
(9)调试即投产,灵活方便,易于设计和修改设计;
(10)标准及通用化程度高;
(11)适用范围广,可实现各类变速控制;
直流电机可逆调速系统数字化已走向实用化,其主要特点是:
(1)常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替,从而简化系统结构,减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障,而且维修方便;
(2)动态参数调整方便;
(3)系统可以方便的设计监控、故障诊断、故障自动复原程序,以提高系统的可靠性;
(4)可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能;
(5)可采用数字反馈来提高系统的精度;
(6)容易和上一级的计算机交换数据;
(7)具有信息存储、数据通信功能;
1.1.3基于单片机的数字化直流调速系统
单片机由于其具有简单易学、稳定性好、成本低等优点,成为控制领域主力产品。
本设计采用基于单片机的数字化直流调速系统,因其具有开发流程短、外围器件少、运行可靠、参数修改方便和与上级计算机实时通信等优点。
在单片机内的程序能使单片机产生可变的PWM波形,以其驱动开关管,让电机转动。
电机的速度通过增量式光电编码器与单片机通信,在单片机内进行转速计算。
然后通过LED数码管显示出来,并且在单片机内运用程序计算速度偏差,以达到调节PWM输出效果,使电机稳定、精确的运转于特定速度。
其系统运行图如图1-2。
图1-2系统结构图
随着人工智能技术的发展,单片机智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支,电气传动控制系统中运用单片机智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向,并且将带来电气传动技术的新纪元。
目前,实现单片机智能控制的有效途径有三条:
基于人工智能的专家系统(ExpertSystem);基于模糊集合理论(FuzzyLogic)的模糊控制;基于人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork)的神经控制。
B.K.Bose等人从八十年代后期一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用,并取得了可喜的研究成果[3]。
1.2课题研究的目的和意义
在目前的传动系统中,尽管交流电机在调速控制领域取得了飞速的发展,在许多领域取代了直流电机,但直流电机在起动、制动和调速方面,以及在只有直流电源的场合的应用优势,使直流电机仍然具有广泛的应用。
BLDC调速方法很多,如调压调速、弱磁调速等,它们存在着调速响应慢、精度差、调速装置复杂的缺点,目前随着电力开关半导体器件的发展,永磁无刷直流电机脉宽调制(PWM)调速技术得到了飞速发展,它具有的调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点,使之成为BLDC应用的主要调速方式。
同时,BLDC具有转矩系数大、功率因素高、无励磁损耗和调速性能好等特点,使之在现代电机时代有很强的竞争力。
开展基于永磁无刷集成控制电机的高智能系统研究与实践,对于完善永磁无刷电机的理论,加快永磁无刷电机的应用和推广,开发拥有通用型智能工业产品具有重大意义。
1.3设计方案
本设计选用美国国家半导体公司(NS)生产的专门用于运动控制的LMD18200智能功率集成电路和单片机智能控制。
LMD18200是一种体积小、驱动能力强、内部集成了多种保护电路、单片即可实现电机全桥驱动的集成功率放大器,故可有效减少系统发生故障的可能性,显著提高系统的可靠性,充分体现了集成功率放大器外围电路简单、性能稳定可靠、控制功能全面的优点。
本系统设计的方案要点是:
(1)电机电气参数:
直流电机;最高转速2500r/min;额定电压45V。
(2)选用AT89S51单片机为核心控制永磁无刷直流电机运转,产生PWM波,驱动可控硅。
(3)可控硅选用集成芯片LMD18200,以减少硬件电路所引起的不良效应。
(4)测速元件光电编码器。
本设计主要工作:
(1)确定系统的组成单元;
(2)进行各单元硬件电路元件参数;
(3)编制系统主软件并进行调试;
2系统硬件选型
为了突出硬件电路的简单化,可靠性,对控制核心单片机选择技术成熟,价格低廉,操作方便的AT89S51,可控硅整流器件选择直流电机专用驱动芯片LMD18200,测速元件选用光电编码器,突出的显示了硬件电路的简单化。
2.1单片机选型
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbetys的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器,既可以在线编程(ISP)也可以用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片内。
所以,单片机AT89S51的高性价比可灵活的应运于各种控制领域。
主要特性:
与MCS-51产品指令系统完全兼容;
4k字节在线系统编程(ISP)Flash闪速存储器;
1000次擦写周期;
4.0—5.5V的工作电压范围;
全静态工作模式:
0Hz—33Hz;
三级程序加密锁;
128*8字节内部RAM;
32个可编程I/O口线;
2个16位定时/计数器;
6个中断源;
全双工串行UART通道;
低功耗空闲和掉电模式;
中断可从空闲模式唤醒系统;
看门狗(WDT)及双数据指针;
掉电标识和快速编程特性;
灵活的在线编程(ISP字节或页写模式);
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
2.2驱动电路选型
LMD18200是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件[4]。
同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件,利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。
LMD18200广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。
主要性能:
峰值输出电流高达6A,连续输出电流达3A;
工作电压高达55V;
LowRDS(ON)typically0.3Wperswitch;
TTL/CMOS兼容电平的输入;
无“shoot-through”电流;
具有温度报警和过热与短路保护功能;
芯片结温达145℃,结温达170℃时,芯片关断;
具有良好的抗干扰性。
典型应用:
驱动直流电机和步进电机;
伺服机构系统位置与转速;
应用于机器人控制系统;
应用于微机与数字控制系统;
应用于电脑打印绘图仪。
内部结构和引脚说明:
LMD18200外形结构如图2-1所示,内部电路框图2-2所示。
它有11个引脚,采用TO-220和双列直插式封装。
图2-1LMD18200外部结构图
图2-2LMD18200内部结构图
1、11脚:
桥臂1、2的自举输入电容连接端,在脚1与脚2、脚10与脚11之间应接入10nF的自举电容。
2、10脚:
H桥输出端。
3脚:
方向输入端。
转向时,输出驱动电流方向LMD18200逻辑表2-1,该脚控制输出1与输出2之间的电路方向,从而控制电机的转向。
4脚:
刹车输入端。
刹车时,输出驱动电流方向见逻辑表2-1,通过该端将电机绕组短路而使其刹车。
刹车时,将该脚置逻辑高电平,并将PWM信号输入端(脚5)置逻辑高电平,脚3的逻辑状态决定于短路电机所用的器件。
3脚为逻辑高电平时,H桥中两个低端晶体管导通。
脚4置逻辑高电平,脚5置逻辑低电平时,H桥中所有晶体管关断,此时,每个输出端只有很小的偏流(1.5mA)。
脚5:
PWM信号输入端。
PWM信号与驱动电流方向的关系见逻辑表2-1,该端与3脚如何使用,决定于PWM信号类型。
6、7脚:
电源正端与负端。
8脚:
电流取样输出端,提供电流取样信号。
9脚:
温度报警输出。
提供温度报警信号,芯片结温达145度时,该端变为低电平,结温达170度时,芯片关断。
表2-1LMD18200逻辑表
PWM
转向
刹车
实际输出驱动电流
电机工作状态
H
H
L
流出1、流入2
正转
H
L
L
流入1、流出2
反转
L
×
L
流出1、流出2
停止
H
H
H
流出1、流出2
停止
H
L
H
流入1、流入2
停止
L
X
H
NONE
4.工作原理:
内部集成了四个DMOS管,组成一个标准的H型驱动桥。
通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压,充电泵电路由一个300kHz左右的工作频率。
可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路,外接电容越大,向开关管栅极输入的电容充电速度越快,电压上升的时间越短,工作频率可以更高。
引脚2、10接直流电机电枢,正转时电流的方向应该从引脚步到引脚10;反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。
电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻,通过电阻来输出过流情况。
内部保护电路设置的过电流阈值为10A,当超过该值时会自动封锁输出,并周期性的自动恢复输出。
如果过电流持续时间较长,过热保护将关闭整个输出。
过热信号还可通过引脚9输出,当结温达到145度时引脚9有输出信号。
2.3位置传感器选型
光电编码器[5]是一种角度(角速度)检测装置,它将输入给轴的角度量,利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量,具有体积小、精度高、工作可靠、接口数字化等优点。
它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。
光电编码器的分辨率取决于光栅盘的刻线和信号输出方式。
光电编码器工作原理:
光电编码器是由激光照射光栅发出脉冲的,而光栅安装在光电编码器的转轴上,转轴每转一周,编码器就产生一定数量(比如600个)脉冲,该脉冲只与转轴速度有关,而与温度无关。
因此,只要准确测出光
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