单片机电机测试系统的研制-上位机监控系统设计

武汉工程大学毕业设计（论文）说明书

毕业设计（论文）

题 目 ：单片机电机测试系统的研制-上位机监控系统设计

姓 名 学 号 ：

指 导 教 师 ：

年级专业班级：2008过程控制自动化 所 在 学 院 ：电气信息学院

2012年 6 月 6 日

教 师 职 称 ：副教授

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目 录

摘要 .............................................................................................................................. 1 Abstract ................................................................................................................... 1

1绪言 ........................................................................................................................... 4 1.1课题背景 .................................................................................................................. 4 1.2课题任务需求分析 .................................................................................................. 6 1.3论文结构 .................................................................................................................. 7 2 系统方案论证 ....................................................................................................... 7 2.1基于Labview上位机调试方案 .............................................................................. 8 2.2基于VB上位机调试方案 ...................................................................................... 8 2.3基于Matlab上位机调试方案 ................................................................................ 9 2.4方案选择 .................................................................................................................. 9

3 系统设计 .............................................................................................................. 10

3.1界面设计 ................................................................................................................. 11 3.2测速程序设计 ........................................................................................................ 13 3.3电机控制程序设计 ................................................................................................ 21 3.4后台文件存取程序设计 ........................................................................................ 28 3.5底层通信程序设计 ................................................................................................ 29 3.5.1制定串行通信协议 ............................................................................................. 29 3.5.2 MATLAB实现串行通信的程序设计 ............................................................... 30 3.5.3单片机实现串行通信的程序设计 ............................................................................... 34

4 试验测试及分析 ................................................................................................ 36

4.1 测试方法 ....................................................... 36 4.1.1T法测速 ...................................................... 37 4.1.2 PI调节 ...................................................... 39 4.1.3输出转速信号转换成PWM输出 ................................... 46

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4.2 开环调试 ....................................................... 41 4.2.1开环调试结果 ................................................. 41 4.3闭环调试 ....................................................... 42 4.3.1闭环PID参数整定 ............................................. 42 4.3.2闭环调试结果分析 ........................................................................................... 43

结束语........................................................................................................................45 致谢............ ................................................................................................................46 参考文献...................................................................................................................47 附录............................................................................................................................48

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单片机电机测试系统的研制-上位机监控系

统设计

摘要：随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标

之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

然而现代化集中管理需要对现场数据进行统计、分析、制表、打印、绘图、报警等,同时,又要求对现场装置进行实时控制，完成各种规定操作，达到集中管理的目的。加之单片机的计算能力有限，难以进行复杂的数据处理。因此在功能比较复杂的控制系统中，通常以PC机为上位机，单片机为下位机，由单片机完成数据的采集及对装置的控制，而由上位机完成各种复杂的数据处理及对单片机的控制。

文章提出了一种基于MATLAB和单片机的直流电机变频调速测控系统方案，主要利用MATLAB的serial设备控制箱访问串口设备实现上位机和下位机之间的串行通信，借助MATLAB友好的图形界面和单片机可直接面向设备的特点，实现对电机转速的监测和闭环PID调节控制。用单片机对电机转速进行采样，并将转速信号上传给上位机;在上位机利用MATLAB设计图形用户界面，在界面上输入电机给定转速和PID参数;MATLAB通过串口发送数据给单片机；单片机进行PID运算后控制变频器，最终控制电机转速，实现电机转速闭环，这就是本系统的工作流程。

关键词: MATLAB用户图形界面；单片机；GUI；串行通信；数字PID调节器；PWM；闭环变频调速；

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Single-chip testing system-motor control

software design

Abstract ：with the continuous improvement of people's living standard, SCM

control is one of the goals that people pursue, it brings convenience to also cannot be negative, for modern people work, scientific research, life, provide better and more convenient facilities needs from SCM technology proceed with, all to the digital control, intelligent control direction.

Modernization of centralized management of on-site data statistics, analysis, tabulation, print, drawing, alarm, at the same time, and the requirements of field device for real-time control, complete the various provisions of the operation, to achieve the purpose of centralized management. Coupled with microcontroller with limited computational power, it is difficult to carry out complex data processing. Therefore in the function of complex control system, usually with PC as a host computer, single-chip machine, composed of a single chip microcomputer data acquisition and control of the apparatus, and the PC to complete all kinds of complex data processing and on the single chip microcomputer control.

This article proposed one kind based on the Matlab and AC motor variable frequency speed control system, the main use of Matlab serial device control box access serial port equipment to achieve the position machine and the lower position machine serial communication between Matlab, with friendly graphic interface and the chip can be directly facing the equipment characteristics, to achieve motor speed monitoring and closed loop pid control. Chip on the motor speed is sampled, and the speed signal is sent to computer; in the pc using Matlab to design a graphical user

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interface, the interface input motor given speed and pid parameters; Matlab through the serial port to send data to the scm; scm pid algorithms to control the frequency converter, the ultimate control of motor speed, motor speed closed-loop, this is the work flow of the system.

Key words: Matlab graphical user interface; Single chip microcomputer; GUI;

Serial communication; Digital pid adjuster; PWM; Closed loop variable frequency speed regulation;

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1 绪论

目前，随着数字控制技术的以及电机控制发展，可检测，可显示，集成，大型，安全，方便简易的装备越来越被使用到工业控制中，如汽车的流水线作业，污水处理，小车的在线模拟控制等等发展，利用单片机上位机系统可以解决生活中一些可靠精度高，又不复杂，可以方便检查和管理的系统运行情况！

1.1课题背景：

由于直线电机具有结构简单、无接触、无磨损、噪声低、速度快、精度高等优点。基于直线电机自身独特的优势，在汽车，伺服器，航天，能源动力等领域都有很大应用，许多的国家开展了对直线电机的专题研究，越来越多的相关优质产品出现。

在直流电机问世一百四十多年的历史中，在设计和制造技术领域有很大突破, 新材料、新技术的应用以及整流电源的普及, 促进了一般工业用直流电机的不断扩大, 品种的日益繁多。从小至数瓦, 大到万余千瓦, 广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重运输、机床制造、纺织印染等各个部门中, 特别是近几年电子计算技术广泛应用在直流电机设计制造中。从直流电动机的演变历史, 也可以纵观直流电动机的发展历史和动向、从四十年代后期到五十年代的前期, 直流电动机的电源主要是采用M-G电动发电机组,六十年代初, 电动发电机组电源已被水银整流器逐渐代替, 到六十年代后期, 由于可控硅整流装置的出现, 并得到迅速发展, 可控硅整流电源已占统治地位。由于直流电源供电方式的不断更新换代, 特别是在最近的十几年期问, 进一步促使了直流电动机的单机功率、转速不断提高, 目前朝着高速、大功率方向发展。另外, 由于绝缘技术和分析技术的进步, 直流电动机已迅速向小型轻量, 低惯量方面发展。随着各种技术的进步和研究的展开,诸多高质量的直线电机产品和科研成果纷纷出现。1985年,美国Ingersol铣床公

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司生产了采用永磁同步直线电机的HVM600高速加工中心,它最大进给速度达到76.2m/min。而在1997年,汉诺威12.EMO展览会上有20多家公司展出了直线电机传动装置,如德国Trumpf公司的激光机床,法国Renault automation公司的加工中心等,展出的直线电机最大速度达150～200 m/min。这些被称为最有前途的展品表明,在高速度机床的进给机构中愈来愈多的采用直线电机。新型磁性材料和控制技术、冷却方法的出现,为应用经济高速高动力直线电机创造了条件。 这些技术应用经济（1）在交通运输业中。可由直线电机驱动的磁悬浮列车、高速高动力直线电机创造了条件。如 Indramat公司研制了最地铁等，具有高速、舒适、安全、无污染等优点，将在新兴交通完整系列的直线电机，包括无罩壳同步直线电机，无罩壳异步输送工具中发挥重要作用。直线电机和封闭式异步直线电机。直线电机的控制系统有标（2）在工业中。直线电机在直线传动和物料输送等方面具准接口，可保证与各种改型的数字变换器和程序控制器的兼有独特的优势，如分拣输送线、升降机等。在各种工业机床中容性。也可广泛使用直线电机代替旋转电机，主要是利用其速度快。在我国，直线电机的研究和应用发展起步较晚，从 20世精度高的特点，如直线电机驱动的冲压机、压铸机、电火花成纪 70年代初开始。1972年，浙江大学首先翻译了《直线感应形机等。电动机》译文集。之后，上海大学、中科院电工所等又编译了一（3）在民用方面。一些生活用品如家电（空调、冰箱等）动门等都可用上直线电机，日本的日东工器公司制造的工程及其自动化研究。常成熟的产品。因此应用领域相当广泛！（4）在军事方面。由于直线电机的速度极高，利用这点可将其应用于导弹、火箭和大炮中，这也是完全可能的。直线电机有其独特的特点，但也有其自身的缺点，在实际应用研究中，应该权衡利弊，选择能充分发挥直线电机自身优势的场合。通过直线电机的应用，推动各个领域技术的进步。目前，我们正尝试将直线电机应用于电火花成形机，通过将直线伺服系统先进的最近技术融入到成熟的电火花加工技术中，从而使电火花成形加工的性能得到较大的提高。

电机测试意义：电机测试科学技术的发展对电机性能和质量指标提出了越来越高的要求，电机测试技术的发展与电机工业的发展是密切相关的。电机试验是对电机装配质量及技术性能综合评价的重要环节，是电机制造

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和生产的重要工序。传统的试验设备和方法由于操作时间长，需观测的仪器多，人工读取测试数据和进行数据分析、计算，在一定程度上影响了电机试验的质量和精度。随着目前电机设计水平、工艺水平的进一步提升，以及电机原材料的性能不断提高，电机的性能和质量指标有了很大的提高。因此，对电机测试技术的要求也日益提高。

国内外电机测功机发展现状：基本上都是采用电机试验台、电机试验系统、电机综合试验台、电机综合试验系统、直流电机综合试验台、直流电机综合试验台. 测量方式：采用微机测量—测量柜配置电流、电压传感器，中间环节采用信号调理接口模块，由计算机完成信号采集和测量任务。

1.控制方式：采用汽车级MCU直接控制—采用德国西门子公司汽车级的微型控制器进行联锁控制，联锁程序可根据用户的要求定制、修改，控制系统性能稳定、系统可扩展性好。

2.操作方式：手动操作和自动操作方式并存—为避免微机故障时影响试验工作，采用手动控制（面板按钮操作）和自动控制（计算机键盘/鼠标操作）并存的方式，不便采用自动控制或微机出现故障，可以采用手动操作进行试验。

3.试验数据处理：试验结果保存工控机或服务器内—微机试验台配置国内外知名品牌原装工业计算机，自动试验的结果数据直接保存在试验工控机硬盘中，手动测量的数据可由人工输入到试验软件界面，再保存在存储器内，提供本机数据库功能，可以进行试验数据的本机查询访问，设计有试验报告自动生成功能并提供输出打印功能（配置惠普多功能激光打印机）

1.2课题任务需求分析

课题基于Matlab上位机仿真测试平台，主要完成对直流电机的转速采样，PID的控制以及监控数据图像显示！MATLAB_GUI界面测控系统可以方便直观地完成电机运行工况的实时监测以及电机转速、正反转、启动停止、开闭环运行的实时调节控制。界面相关控件包括电机给定转速的输入，PID

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调节之比例系数、积分系数和微分系数的输入，电机正反转和停止控制按钮，电机开环/闭环运行控制按钮，以及开启和关闭系统的按钮，此外还包括显示电机转速变化情况的坐标轴和文本框，以及保存和查看相关数据和信息历史记录的菜单项。

1.3论文结构

本课题讨论了上位机调试平台有基于Labview上位机调试方案, 基于VB上位机调试方案, 基于Matlab上位机调试方案,这些测试平台要完成设备控制箱访问串口设备实现上位机和下位机之间的串行通信，借助MATLAB友好的图形界面和单片机可直接面向设备的特点，实现对电机转速的监测和闭环PID调节控制。用单片机对电机转速进行采样，并将转速信号上传给上位机;在上位机利用MATLAB设计图形用户界面，在界面上输入电机给定转速和PID参数;MATLAB通过串口发送数据给单片机；单片机进行PID运算后控制变频器，最终控制电机转速，实现电机转速闭环，最后开环闭环调试分析结果,这就是论文的大致结构。

2系统结构方案论证

2.1基于Labview上位机调试方案

采用LabVIEW作为软件的开发平台，是因为图形化编程环境LabVIEW，满足建立灵活的可扩展式测试测量和控制应用系统的要求，同时满足以最小成本最快速地开发系统的需求。LabVIEW支持多任务，同时对外设有C语言接口。但是使用数据流程图（data flow diagram），这表明LabVIEW的所有用户都必须以某种特定方式编程。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uuyt.html