一种直流电机转速测量控制装置及方法与流程

本发明涉及电机控制技术，具体涉及一种直流电机转速测量控制装置及方法。

背景技术：

pid控制技术是工业控制的主要技术之一。pid解决了自动控制理论所需要解决的最基本问题，即系统的快速性、准确性和稳定性。通过调节参数，在系统稳定的前提下，满足系统的抗扰和负载能力，同时，在pid中加入积分项，使之成为一阶或多阶的系统，而这样的系统阶跃响应稳态误差为零。此外，其还具备结构简单、工作可靠、调整方便的特点。

在我国，pid控制技术已经渗透到了铁道运输、钢铁生产、汽车制造、航天航空、物流配送、医疗、饮料生产等各个领域。一大批机器设备制造商正处于蓬勃发展阶段，除满足本土市场庞大的机器设备需求外，走向国际市场，参与国际竞争也成为现实需求。

本申请就是提出一种应用pid控制技术实现对直流电机的转速进行实时精确控制，提高直流电机工作的稳定性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提出一种直流电机转速测量控制装置及方法，对直流电机转速进行实时精确控制，提高直流电机工作的稳定性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

直流电机转速测量控制装置，包括：

控制器模块、键盘模块、显示模块、电机驱动模块和测速模块；所述测速模块采样直流电机当前转速，并传递给控制器模块；所述控制器模块产生受pid调节的pwm脉冲并传输给电机驱动模块，所述电机驱动模块的电压输出信号连接直流电机；所述测速模块采集直流电机当前转速，并反馈给控制器模块；控制器模块经过pid运算后改变输出的pwm脉冲的占空比；所述键盘模块和显示模块均与所述控制器模块电连接。

作为进一步优化，所述测速模块包括圆盘、信号发射单元和信号接收单元；所述圆盘设置在直流电机的转轴上，可与直流电机同速旋转，圆盘的盘面上设置有通孔；所述信号发射单元与信号接收单元分别固定设置在圆盘的左右两侧，当圆盘转动至盘面上的通孔与信号发射单元产生的信号位于同一水平线时，信号接收单元能够接收到该信号。

作为进一步优化，所述信号发射单元包括发光二极管和第一电阻；所述发光二极管的正极通过第一电阻接+5v电压，负极接地；所述信号接收单元包括光敏三极管和第二电阻；所述光敏三极管的集电极连接控制器模块的一个输入信号端，并通过第二电阻接+5v电压，光敏三极管的发射极接地。

作为进一步优化，所述控制器模块采用stm32f103c8单片机。

作为进一步优化，所述键盘模块采用4x4矩阵键盘。

作为进一步优化，所述显示模块采用oled显示屏。

作为进一步优化，所述电机驱动模块采用l298n电机驱动芯片。

此外，基于上述装置，本发明还提供了一种直流电机转速测量控制方法，其包括：

控制器模块产生受pid调节的pwm脉冲并传输给电机驱动模块，经过电机驱动模块控制改变输出电压来控制直流电机转速，同时，测速模块将采集的直流电机的当前转速反馈到控制器模块中，控制器模块经过pid运算后改变输出的pwm脉冲的占空比，实现电机转速闭环控制。

作为进一步优化，该方法还包括

通过键盘模块进行直流电机的转速设定，通过显示模块显示直流电机的当前转速、设定转速和误差值。

本发明的有益效果是：

设计的转速测量控制装置以控制器模块为控制核心，以数字pid为基本控制算法，产生占空比受数字pid算法控制的pwm脉冲实现对直流电机转速的控制，同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的，提高电机工作稳定性。

附图说明

图1为实施例中的直流电机转速测量控制装置结构框图；

图2为直流电机转速测量控制装置具体实施时的电路引脚连接示意图。

图2中，d1为发光二极管，q1为光敏三极管，r1、r2分别为第一电阻和第二电阻。

具体实施方式

本发明旨在提出一种直流电机转速测量控制装置及方法，对直流电机转速进行实时精确控制，提高直流电机工作的稳定性。

本发明采用控制器模块作为控制核心，以数字pid为基本控制算法，产生占空比受数字pid算法控制的pwm脉冲实现对直流电机转速的控制。同时利用光电传感器将电机速度转换成脉冲频率反馈到单片机中，实现转速闭环控制，达到转速无静差调节的目的。

下面结合附图及实施例对本发明的方案作进一步的描述：

如图1所示，本实施例中的直流电机转速测量控制装置包括：控制器模块、键盘模块、显示模块、电机驱动模块和测速模块；所述测速模块采样直流电机当前转速，并传递给控制器模块；所述控制器模块产生受pid调节的pwm脉冲并传输给电机驱动模块，所述电机驱动模块的电压输出信号连接直流电机；所述测速模块采集直流电机当前转速，并反馈给控制器模块；控制器模块经过pid运算后改变输出的pwm脉冲的占空比；所述键盘模块和显示模块均与所述控制器模块电连接。

在具体实现上，各个组成结构的实现方式介绍如下：

控制器模块：采用stm32f103c8作为此系统控制核心，stm32f1系列属于32位arm微控制器，该系列芯片是意法半导体(st)公司出品，其内核是cortex-m3。最高72mhz工作频率，运行速度快，硬件资源丰富。

电机驱动模块：采用专用的电机驱动芯片，如l298n电机驱动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全以及可靠行，设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。并且还能使设计电路简单、抗干扰能力强、可靠性好。

测速模块：由圆盘、信号发射部分和信号接收部分组成；其中，圆盘设置在直流电机的转轴上，可与直流电机同速旋转，圆盘的盘面上设置有通孔；信号发射部分与信号接收部分分别固定设置在圆盘的左右两侧，当圆盘转动至盘面上的通孔与信号发射单元产生的信号位于同一水平线时，信号接收单元刚好能够接收到该信号，从而产生一个脉冲，代表电机转轴转动了一圈，因此，通过控制器模块对脉冲计数就能够检测到电机的转速。

显示模块：采用oled显示屏，该显示屏具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单，驱动电压低、能耗低等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。最关键是还可以选择并行或者串行模式，串行模式可节约i/o口资源。

键盘模块：采用4x4矩阵键盘，这种键盘的特点是列线、行线分别接输出线、输入线。按键设置在行、列线的交叉点上，利用这种矩阵结构只需4根行线和4根列线，因此在需要按键数量较多的场合适合用此键盘。

上述各个模块之间的电路引脚连接如图2所示：

测速模块的信号发射单元包括发光二极管d1和第一电阻r1；所述发光二极管d1的正极通过第一电阻r1接+5v电压，负极接地；所述信号接收单元包括光敏三极管q1和第二电阻r2；所述光敏三极管q1的集电极连接stm32f103c8单片机的一个输入信号端pb0，并通过第二电阻r2接+5v电压，所述光敏三极管q1的发射极接地。

电机驱动芯片的信号输入端接stm32f103c8单片机的pa0引脚，信号输出端连接直流电机。

oled的dc引脚、d0引脚、d1引脚、scl引脚、sda引脚、cs引脚分别对应连接stm32f103c8单片机的pa8引脚、pb8引脚、pb9引脚、pb6引脚、pb7引脚、pb15引脚；

4x4矩阵键盘的4根行线和4根列线分别对应连接stm32f103c8单片机的pa1引脚、pa3引脚、pa5引脚、pa7引脚、pb10引脚、pb11引脚、pb12引脚和pb13引脚。

基于上述装置，本实施例提供的直流电机转速测量控制方法包括：

通过4×4矩阵键盘设定直流电机转速并启动，启动后可以通过oled显示屏了解电机当前的转速，设定转速以及当前误差。启动后电机转速的控制方式为：stm32f103c8单片机产生受pid调节的pwm脉冲并传输给电机驱动模块，经过电机驱动模块控制改变输出电压来控制直流电机转速，同时，测速模块将采集的直流电机的当前转速反馈到stm32f103c8单片机中，stm32f103c8单片机经过pid运算后改变输出的pwm脉冲的占空比，实现电机转速闭环控制。