摘要：本文讨论了传统卷烟机中直流电动机传动控制系统的数字化改造的问题，设计出一套以单片机为控制核心的直流调速系统。本方案以AT89S51单片机和IGBT管组成的H桥为硬件基础，软件定时中断产生PWM信号，通过驱动芯片EXB840来驱动IGBT管。为了满足系统的动态和静态性能指标的要求，采用了PID控制算法，通过调节PWM信号占空比来实现直流电机的调速。本文给出了相应的硬件电路和软件编程，主电路和PID模型的仿真。
关键词：51单片机；PID调节；PWM；直流调速系统
1 绪论
早期卷烟机中大都采用直流电机。直流拖动控制系统在理论和实践上都比较成熟。本设计就是基于AT89S51单片机为控制核心对卷烟机中的直流调速系统进行改造设计。使主电机能够稳定地实现无级调速，使得控制变得简单易操作，同时降低了成本。
伺服系统又称随动系统，是指目标值随时间的变化的一类自动控制系统。本系统直流电机控制采用闭环控制。速度控制闭环比起开环控制，性能大大提高：理想空载转速相同时，静差率要小；要求的静差率相同时，调速范围更宽。
2 系统的硬件设计
2.1 系统总体设计
本系统以单片机为CPU，主要由显示电路、转速测量、电机驱动、电源、模式选择五个子模块来构成，由开关来控制单片机来产生各种不同占空比的PWM信号，以完成对电机的速度和方向控制。
2.2 运行方式选择模块
运行方式选择模块采用独立式按键。各微动开关接单片机P1口，每个开关口都接一个上拉电阻（5.1KΩ）。单片机检测P1口电平，正常状态下为高电平，按下后变为低电平。当检测到P1口从高电平变为低电平（下降沿）时判断出开关按下，单片机接收到动作指令。
2.3 电机驱动模块
单片机产生的PWM信号（P3.3，P3.4）接入驱动芯片EXB840，驱动由4个IGBT管构成的“H”桥来驱动电机。
主要器件选型：IGBT管选用仙童SGH40N60UFDTU（40A/600V）。IGBT管的续流二极管选用快速恢复型FR257（2.5A/1000V）。
2.4 显示模块
数码管选用四位一体共阳极LED。各个段码接单片机P0口，位选端接单片机P20-P23。三极管是PNP型9012（作为开关管使用）。R8—R15为限流电阻取330Ω，R18—R21为限流电阻取1KΩ。
2.5 转速测量模块
本设计利用霍尔元件产生脉冲测量电机转速。电机转盘上安装一个小磁片，霍尔元件A44E输出端接单片机P15口。正常下输出高电平，当磁片转到霍尔元件A44E附近时，霍尔元件输出一个低电平，即产生一个下降沿脉冲。单片机在一段时间内对脉冲进行计数，从而测量转速。
3 系统的软件设计
本系统的控制程序采用模块化结构设计。软件总流程如图3.0所示：
图3.0 主流程图
3.1 PID调节
本系统的基本设计核心是运用PID调节器，从而实现直流电机在带负载的情况下也能稳定的运行。在转速算法设计中选择经典PID算法。本文在PID控制编程中采用增量式算法。PID的控制参数Kp，Ki，Kd先计算后输入程序。PID在主程序中的调用如下：
图3.1 增量式数字PID控制流程图
3.2 PWM设计
采用定时中断产生脉宽可调的PWM波。定时/计数器每中断一次，就产生一个高电平或低电平。周期=中断时间*100。
程序中定时器T0采用定时方式2，在主程序中初始化如下。
ORG 000BH ；定时器0中断服务子程序入口（产生PWM波）
LJMP IT0P
ORG 0030H
MAIN：……
SETB EA ；开中断总允许
MOV TMOD，#22H ；初始化T0，T1为定时方式2
MOV 40H，#20 ；高电平中断次数放40H单元，初值20
MOV 41H，#80 ；低电平中断次数放41H单元，初值80
MOV 45H，#80 ；定时器当前正使用的中断次数放在45H单元
MOV R1，#40H ；使R1指向40H单元
MOV TH0，#00H ；给T0赋初值。256×TM
MOV TL0，#00H
SETB ET0 ；允许T0 中断
CLR P3.3 ；使PWM波输出口P3.3 P3.4先输出低电平
CLR P3.4
SETB TR0 ；使T0 开始工作，产生PWM 波
4 系统的仿真
4.1 PID控制器的SIMULINK仿真
Simulink仿真采用直流电机参数：额定功率2.8KW，额定电压110V，额定转速1400r/min，电机电动势系数Ce=0.2 V•min/r。装置放大系数Ks=44，滞后时间常数Ts=0.0017s。电枢回路总电阻R=1Ω，电枢回路电磁时间常数T =0.0017s，电力拖动系统机电时间常数Tm=0.075s，α=110/1400=0.079。
设计指标：超调量≤5%；调整时间≤0.5S；静差率≤5%；调速范围≥30。
经试验，PID参数取Kp=0.5；Ti=0.005；Td=0.16；Ki=Kp/ Ti=100；Kd=Kp* Td=0.08。在高速1400r/min，中速700r/min，低速46r/min（调速范围=30.4>30）时，仿真各指标均满足要求。
由低速输出波形图得：超调量=
静差率=
调整时间＜ 0.5S
由中速输出波形图得：超调量= 
静差率=
调整时间＜ 0.5S
由高速输出波形图得：超调量= 
静差率=
调整时间＜ 0.5S
各指标均满足设计要求。
4.2 主电路的PROTEUS仿真
在仿真软件Proteus平台下，对测速电路、显示电路、PWM信号输出等进行仿真。
示波器B通道测量模拟霍尔元件产生的脉冲；A通道测量的是控制电机正转时单片机产生的PWM波（占空比设为20%）；C通道测量的是控制电机反转时单片机产生的PWM波（占空比设为20%）。由此可计算电机转速为1400*0.2*（220*0.9）/110=504 r/min。用8.4HZ的脉冲代替霍尔元件测量转速的脉冲，显示出500r/min，误差为0.8%。
参考文献
[1]赵彩虹.卷烟机组中伺服控制系统的设计[J].重庆大学：学位论文，2006.
[2]易泓可.电气控制系统设计基础与范例[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3]朱玉玺，崔如春.计算机控制技术[M].北京：电子工业出版社，2010.
论文作者:陈卡,陈天骥
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/23
标签：单片机论文; 霍尔论文; 转速论文; 电机论文; 测量论文; 直流电机论文; 脉冲论文; 《基层建设》2018年第6期论文;