基于AT89C52的直流电...PWM调速实验创新教学研究_张金萍.pdf

基于 的直流电机 调速实验创新教学研究张金萍，刘海华，卢亚娟（河南工学院 电气工程与自动化学院，河南 新乡 ）摘要：为提升实验课的教学创新性，将虚拟仿真技术引入实验教学。以直流电机调速实验为例，基于虚拟仿真软件 完成直流电机调速系统硬件电路的搭建，主要包含单片机最小系统、驱动电路、显示电路、按键电路等模块。在此基础上，利用 编程软件对 单片机进行编程，完成电机控制程序的编写，主要包含转速计算、转速调节器设计、调速实现等部分。最后进行联合仿真调试，完成直流电机调速虚拟仿真实验。虚拟仿真有助于学生加深理解原理、掌握方法，提高学生创新性解决复杂工程应用问题的能力。关键词：直流电机；调速；虚拟仿真中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言虚拟仿真技术是提高实践教学效率的有效手段。虚拟仿真软件拥有丰富的元件库，为设计者提供了一个功能强大的电路仿真平台。同时通过加载 编程软件生成的 文件到仿真单片机中可以实现软硬件的联合仿真。直流电机调速实验在电气控制、单片机控制等领域都是一个典型的实验，目的是让学生掌握直流电机工作原理与调速方法。本文试图将实际工程问题融入实验教学，利用 虚拟仿真软件搭建直流电机调速系统仿真电路，进行直流电机调速虚拟仿真实验，开发与工程应用紧密相关的实验项目，积极推进学生实验技能和科研能力的培养，提升学生分析问题与解决工程实际问题的能力。直流电机调速原理直流电动机转速的表达式为：（）由式（）知，电机电枢电压与转速变化成正比关系，也即调节电枢电压可以实现电机调速的目的。而对电机电枢电压的控制常采用开关驱动方式，此方式下半导体功率器件工作在开关状态，通过脉冲宽度调制（，）来控制直流电机的电枢电压，从而实现电机调速。调速方式有三种，即定宽调频法、调频调宽法和定频调宽法。前两种方法在调速时改变了控制脉冲频率，当频率与系统固有频率接近时，会引起系统振荡，因此本实验选择定频调宽法进行驱动电压的调节。脉 冲 波 形 图 如 图 所 示。其 中，为 波的周期，为开关管导通的时间，为开关管关闭的时间。假设 控制直流电机转速时的占空比为，此时电枢电压平均值为：图 波形第 卷第期 年月河南工学院学报 收稿日期：基金项目：河南省科技攻关项目（）第一作者简介：张金萍（），女，河南南阳人，高级工程师，硕士，主要从事精密伺服电机控制研究。（）由式（）可知，若想改变机端电压，就需要改变直流电机的占空比。实验方案设计实验方案设计主要包含仿真模型搭建和软件程序编写。设计的重点在于模型搭建、电机转速计算、转速调节器设计及 调速实验几个部分。实验模型搭建实验模型使用 软件进行搭建，主要由单片机最小系统、带编码器的直流电机、桥驱动电路、显示电路及按键电路组成，具体的电机调速系统模型如图所示。图直流电机调速仿真实验模型实验采用 公司研制的一款低电压、高性能位单片机 为主控芯片，晶振频率为 。单片机采集编码器输出的脉冲信号后进行电机实际转速计算，与给定转速比较后利用 调节器进行转速闭环控制，最终根据 调节器输出值进 行 实 时 更 新，从 而 实 现 调 速。部分管脚说明如表所示。表 部分接口说明管脚名称功能说明管脚名称功能说明 设置值自加 编码器脉冲输入 设置值自减 信号输出 切换调整参数 正转选择 电机启停及方向控制 反转选择 电机转速计算电机转速测量采用 法测速，具体原理如图所示。旋转编码器输出的脉冲由外部中断 口捕获，每捕获一个编码器脉冲信号，则进入中断读取定时器 的值，计算脉冲宽度。图法测速原理在获取脉冲宽度后，计算 内编码器脉冲个数，再除以电机旋转一周脉冲数，便可得到电机的转速，转速计算公式如式（）所示。（）在此应注意转速较慢时的处理方式。如果脉冲宽度大于 的最大计数，则需记录定时器 中断次数以计算正确的脉冲周期。转速调节器设计为了使直流电机转速能快速准确地达到给定转速，本实验引入转速调节器实现转速的闭环调节。转速 调节控制框图如图所示，即直流电机的给定转速与实测转速进行比较后通过 调节器调张金萍，等：基于 的直流电机 调速实验创新教学研究节输出 信号到 桥驱动电路，以达到直流电机调速的目的。图转速 调节控制框图其中，转速调节器采用增量式 调节。该算法的输出量是对目标控制的增量，而不是直流电机的实际 转速数值。经 过离 散化之后 得 到 增 量 式 的数学表达式：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，为比例系数；为积分系数；为微分系数；（）为第次偏差量；（）为第次偏差量；（）为第次偏差量。由式（）知，通过测量连续的三次偏差值（）、（）与（）便可计算控制量（）。因此本实验在采集前后次转速测量偏差值的基础上，通过程序内部软件获取转速 调节器的增量值，转速 算法程序流程如图所示。图转速 控制算法流程图 调速实现本实验采用的调制方法为定频调宽法，通过单片机的 定时器中断产生的不同占空比波用于电机调速。其中，定时器 工作在方式。单片机 的 口输出 信号。其中，实验设计 频率为 ，具体软件流程图如图所示。图实现流程图实验仿真分析直流电动机的主要参数如表所示。表直流电机模型参数额定电压 线圈电阻 线圈电感 空载转速 旋转一周脉冲个数 实验内容如下：（）电机启停与正反转实验；（）电机 调速实验；（）确认按键能实现相应的功能，显示模块能否正常显示。电机启停及正反转实验电机启停及正反转控制通过按键 实现。当 第一次被按下时，直流电机启动，实现正转；当第二次被按下时，电机反转；当第三次被按下时，电机停止，转速降为，具体实验结果如图、所示。（）电机启动测试河南工学院学报 年第期（）电机停止测试图电机启停实验（）电机正转测试（）电机反转测试图电机正反转实验 电机 调速实验系统运行后，设置电机目标转速为 ，在按下按键 后，电机转速开始从 逐渐增加到 ，并最终稳定在目标转速。图为示波器测量的电机实际转速与波形。其中，黄色为电机输出的转速脉冲信号，蓝色为对应的波形。由图知，随着转速升高，的占空比也随之增加。（）（）（）（）图电机调速实验结语本文利用 虚拟仿真软件搭建直流电机调速系统仿真电路，进行直流电机调速虚拟仿真实验，由实验结果可知设计的系统能够满足实验教学过程中对测试数据及波形的要求，运行环境逼真，参数调速不受硬件条件限制，便于操作和理解，有助于学生理解原理、掌握方法，在有效提高实验教学效果的同时，也有利于培养学生的综合应用能力及软硬件开发能力。（责任编辑王磊）参考文献：孙砚飞，王连猛，成艳亭虚拟仿真技术在测控总线技术课程教学中的应用探索高教学刊，（）：王玉香，张喜红 基于 和 的直流电机控制实验仿真系统设计喀什大学学报，（）：全瑞坤，杨浩基于增量式 控制的直流电机仿真实验创新设计实验室研究与探索，（）：曾海妮，邹琦萍直流电机调速系统探究性实验设计装备制造技术，（）：，高庆华，王洁 基于 的单片机综合设计实验教学 实验室科学，（）：杨丽新，马迎 基于 仿真的教学机器人智能小车设 实验室研究与探索，（）：朱奥辞，赵钢基于 的直流电动机闭环调速系统设计实验室研究与探索，（）：王露峰 基于 控制的电动汽车直流驱动电机调速研究 汽车实用技术，（）：池建华，蔡延光，陈子恒基于 的直流电机调速系统优化设计现代工业经济和信息化，（）：龚茂林，张凤一种基于 的 直流电机控制系统张金萍，等：基于 的直流电机 调速实验创新教学研究电子产品世界，（）：马永华，刘茜，于海兰基于单片机的直流伺服电机调速系统设计电子测试，（）：，（，）：，：；（上接第 页），（，）：，：；河南工学院学报 年第期