傳輸設備速度控制器的設計論文.doc

畢 業(yè) 設 計（論文）論文題目： 傳輸設備速度控制器的設計 湖北科技學院本科畢業(yè)論文：傳輸設備速度控制器的設計摘 要轉速是直流電機運行中的一個重要物理量，如何準確、快速測量出電機轉速，并且實現(xiàn)對電機的調速在實際工作中具有非常大的使用價值。直流電機具有良好的啟動性能和調速特性，它的特點是啟動轉矩大，能在寬廣的范圍內平滑、經(jīng)濟地調速，轉速控制容易，調速后效率很高。本文設計的直流電機調速系統(tǒng)，主要由51單片機、電源、驅動電路、LED液晶顯示器、霍爾測速電路以及獨立按鍵組成的電子產品。電源采用78系列芯片實現(xiàn)+5V、+15V對電機的調速采用PWM波方式，PWM是脈沖寬度調制。本系統(tǒng)以AT89S52單片機為控制核心，產生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM脈沖實現(xiàn)對直流電機轉速的控制。通過獨立按鍵實現(xiàn)對電機的啟停、調速、轉向的人工控制，LED實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)（速度）的顯示。電機轉速利用霍爾傳感器檢測輸出方波，通過51單片機對1秒內的方波脈沖個數(shù)進行計數(shù)，計算出電機的速度，實現(xiàn)了直流電機的反饋控制。 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。關鍵詞：直流電機；調速；單片機；霍爾傳感器；PWM；PID第 2 頁 共 45 頁 ABSTRACTSpeed is an important physical quantity in the running DC motor, how to accurately and quickly measure the motor speed has a very large value in use in practical work on the motor speed control. DC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. This design of DC motor speed control system, mainly by the microcontroller 51, power supply, driver circuits, LED liquid crystal display, the Hall velocity and independent key component circuits of electronic products. Power supply with 78 series chip +5 V, +15 V for motor speed control using PWM wave mode, PWM is a pulse width modulation, duty cycle by changing the MCU 51. Achieved through 3independent buttons start and stop the motor, speed control, turning the manual control, LED realizes the measurement data (speed) of the display. Motor speed using Hall sensor output square wave, by 51 seconds to 1 microcontroller square wave pulses are counted to calculate the speed of the motor to achieve a DC motor feedback control.聞創(chuàng)溝燴鐺險愛氌譴凈。KEY WORDS: Dc motor; Speed regulation; Single chip microcomputer; Hall sensor; PWM；PID殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。 目 錄1 緒論1釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。1.1 課題背景.1彈貿攝爾霽斃攬磚鹵廡。1.2 選題的目的和意義.2謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。1.3 研究方法.2廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。2 基本原理闡述.3煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。2.1 直流電機調速.32.1.1 直流電機原理.32.1.2 直流電機調速方法42.2 PWM原理及其實現(xiàn)方法62.2.1 PWM基本原理72.2.2 PWM脈寬調制方式.8鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。2.3 PID算法簡介82.3.1 PID控制.8籟叢媽羥為贍僨蟶練淨。2.3.2 數(shù)字PID算法.8 預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。2.3.3 數(shù)字PID參數(shù)整定方法.10滲釤嗆儼勻諤鱉調硯錦。3 系統(tǒng)總體設計方案113.1 單片機設計方案113.2 驅動電路設計方案.12鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。3.3 速度采集模塊設計方案.12擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。3.4 顯示電路設計方案.13贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。3.5 輸入電路設計方案.13壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。3.6 電源設計方案.13蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。4 系統(tǒng)硬件設計.15買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。4.1 系統(tǒng)基本組成.15綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。4.2 電源電路設計.15驅躓髏彥浹綏譎飴憂錦。4.3 電機驅動電路設計.16貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。4.4 轉速測量電路設計.17鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。4.5 AT89S52的簡介.18構氽頑黌碩飩薺齦話騖。4.5.1 AT89S52主要性能.18輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩。4.5.2 AT89S52主要功能例舉.18堯側閆繭絳闕絢勵蜆贅。4.5.3 AT89S52各引腳功能介紹.19識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。4.6 LED顯示電路設計.19凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。 4.6.1 LED簡介.19恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。4.6.2 LED七段數(shù)碼管的結構.20鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。4.7 鍵盤電路設計.20碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。4.8 整體硬件電路圖215 系統(tǒng)軟件設計225.1 主程序流程圖225.2 直流電機速度控制程序設計22閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。5.3 鍵盤程序程序流程245.4 定時程序流程256 系統(tǒng)調試.27氬嚕躑竄貿懇彈瀘頷澩。6.1 keilc51軟件簡介.27釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。6.2系統(tǒng)Proteus仿真.27慫闡譜鯪逕導嘯畫長涼。6.3 仿真結果分析.30總結與展望.34致 謝.35參考文獻36附 錄37 1 緒論1.1課題背景直流電動機電力拖動與交流電動機電力拖動在19世紀中葉先后誕生，直流電動機的數(shù)學模型簡單，轉矩易于控制。其換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦。1960年以來，晶閘管整流器的應用，使得直流拖動控制技術得到了飛速的發(fā)展，對滯留拖動控制系統(tǒng)調節(jié)器的設計也有了一套實用的工程設計方法。電機在各行各業(yè)發(fā)揮著重要的作用，而電機轉速是電機重要的性能指標之一，因而測量電機的轉速和電機的調速，使它滿足人們的各種需要，更顯得重要。隨著科技的發(fā)展，PWM調速成為電機調速的新方式，并憑借它的開關頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點，在電機調速中被普遍運用。利用單片機對直流電機進行直接的控制具有準確的自動調節(jié)作用。諺辭調擔鈧諂動禪瀉類。在實際應用中，電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，一是要具有較高的能量轉換效率；二是應能根據(jù)生產工藝的要求調整轉速。直流電機由于具有速度控制容易，啟動制動性能良好，且能在寬范圍內平滑調速等特點而在電力、冶金、機械制造等工業(yè)部門中得到廣泛應用。直流電動機轉速的控制方法可分為兩類：勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態(tài)響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調速的電樞電壓控制法。嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。傳統(tǒng)的改變端電壓的方法是通過調節(jié)電阻來實現(xiàn)的，但這種調壓方法效率低。隨著電力電子技術的發(fā)展。創(chuàng)造了許多新的電樞電壓控制方法。其中脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)是常用的一種調速方法，調節(jié)電機的輸入占空比就可以控制電機的平均電壓，控制轉速。熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術。鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。1.2 選題的目的和意義直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。紂憂蔣氳頑薟驅藥憫騖。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。目前，直流電動機調速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向實用化，伴隨著電子技術的高度發(fā)展，促使直流電機調速逐步從模擬化向數(shù)字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電機調速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。1.3 研究方法本文主要研究了利用MCS-51系列單片機，以鍵盤作為輸入達到控制直流電機的啟停、速度和方向，完成了基本要求和發(fā)揮部分的要求。在設計中，采用了PWM技術對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調速的目的。由于當今科學技術的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結合現(xiàn)代控制理論思想或實現(xiàn)無諧振軟開關技術將會成為PWM控制技術發(fā)展的主要方向之一。本文就是利用這種控制方式來改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。本文介紹了直流電機的工作原理和數(shù)學模型、脈寬調制（PWM）控制原理，根據(jù)模型，利用PROTEUS軟件對各個子電路及整體電路進行了仿真，確保設計的電路能夠滿足性能指標要求，并給出了仿真結果。擠貼綬電麥結鈺贖嘵類。2 基本原理闡述2.1直流電機調速2.1.1直流電機原理直流電動機，多年來一直用作基本的換能器。絕大多數(shù)的直流電動機都是由電磁力形成一種方向不變的轉矩而實現(xiàn)連續(xù)的旋轉運動的。圖2-1為直流電機的物理模型圖，其中，固定部分（定子）由磁鐵（稱為主磁極）和電刷組成；轉動部分（轉子）由環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組組成，定子與轉子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和B兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，換向片與轉軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向器和電刷與外電路接通。賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。圖2-1直流電機的物理模型圖直流電動機的工作原理如圖2-2所示。給兩個電刷加上直流電源，如圖2-2所示，有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉矩，使得轉子逆時針轉動；如果轉子轉到圖2-2所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷B流出。此時載流導體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產生的轉矩仍然使得轉子逆時針轉動。電樞一經(jīng)轉動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊ab和cd流入，使線圈邊只要處于N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向，而在S極下時，總是從電刷B流出的方向，這就保證了每個磁極下線圈邊中的電流始終是一個方向，這樣的結構，就可使電動機連續(xù)旋轉。塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊庫。圖2-2 直流電機原理圖2.1.2 直流電機調速方法根據(jù)勵磁方式不同，直流電機分為自勵和他 勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電機機械特性曲線有所不同。對于直流電機來說，穩(wěn)態(tài)轉速方程式為：裊樣祕廬廂顫諺鍘羋藺。 （2-1）式中n轉速（r/min）；U電樞電壓（V）；I電樞電流（A）；R電樞回路總電阻（）；勵磁磁通（Wb）；由電機結構決定的電動勢常數(shù)。由公式（2-1）可知，直流電動機的調速方法有三種： （1）調節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉速向下變速，屬恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應，但是需要大容量可調直流電源。倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁。（2）改變電動機主磁通。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調速，但只能減弱磁通進行調速（簡稱弱磁調速），從電機額定轉速向上調速，屬恒功率調速方法。變化時間遇到的時間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應速度較慢，但所需電源容量小。 （3）改變電樞回路電阻R。在電動機電樞回路外串電阻進行調速的方法，設備簡單，操作方便。但是只能進行有級調速，調速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調速作用；還會在調速電阻上消耗大量電能。 基于以上特性，改變電樞電壓，實現(xiàn)對直流電機速度調節(jié)的方法被廣泛采用。改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，如晶閘管供電速度控制系統(tǒng)大功率晶體管速度控制系統(tǒng)、直流發(fā)電機供電速度控制系統(tǒng)及晶體管直流脈寬調速系統(tǒng)等。綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。調節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種： （1）旋轉變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。 （2）靜止可控整流器（簡稱V-M系統(tǒng)）。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產生可調的直流電壓。 （3）直流斬波器（脈寬調制變換器）。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調制的方法產生可調的直流平均電壓。驍顧燁鶚巰瀆蕪領鱺賻。旋轉變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現(xiàn)變流，由發(fā)電機給需要調速的直流電動機供電，調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調節(jié)電動機的轉速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉向都隨著改變，所以G-M系統(tǒng)的可逆運行是很容易實現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當?shù)男D電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。且技術落后，因此擱置不用?，嶀暈R曖惲錕縞馭篩涼。V-M系統(tǒng)是當今直流調速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實現(xiàn)平滑調速。V-M系統(tǒng)的缺點是晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。它的另一個缺點是運行條件要求高，維護運行麻煩。最后，當系統(tǒng)處于低速運行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產生較大的諧波電流危害附近的用電設備。鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類。 圖2-3晶閘管電動機調速系統(tǒng)原理框圖（V-M系統(tǒng)）直流斬波器又稱直流調壓器，是利用開關器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負載上，通過通、斷時間的變化來改變負載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調的直流電源，亦稱直流直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應用于地鐵、電力機車、城市無軌電車以及電瓶搬運車等電力牽引設備的變速拖動中。 櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。圖2-4為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中VT代表開關器件。當開關VT接通時，電源電壓U。加到電動機上；當VT斷開時，直流電源與電動機斷開，電動機電樞端電壓為零。如此反復，得電樞端電壓波形如圖2.4（b）所示。轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應。圖2-4 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 （a）原理圖 （b）電壓波型峴揚斕滾澗輻灄興渙藺。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關狀態(tài)。當晶閘管被觸發(fā)導通時，電源電壓加到電動機上，當晶閘管關斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調速。詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：（1）由于PWM調速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調速范圍較寬，可達1：10000左右。由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機的損耗和發(fā)熱都比較小。則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。（2）同樣由于開關頻率高，若與快速響應的電機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強。脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。（3）由于電力電子器件只工作在開關狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。脈寬調速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調制式變換器，簡稱PWM變換器。脈寬調速也可通過單片機控制繼電器的閉合來實現(xiàn)，但是驅動能力有限。目前，受到器件容量的限制，PWM直流調速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)。鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。2.2 PWM原理及其實現(xiàn)方法2.2.1 PWM基本原理PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調整方法。PWM可以應用在許多方面，如電機調速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅動控制的調整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。 稟虛嬪賑維嚌妝擴踴糶。如圖2-2所示，在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機轉速得到控制。陽簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。 圖2-5 電樞電壓“占空比”與平均電壓關系圖設電機始終接通電源時，電機轉速最大為，設占空比為D=t1/T，則電機的平均速度為= （2-2）溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應。式中，電機的平均速度； 電機全通電時的速度(最大)； D=t1/T占空比。 由公式（2-2）可見，當我們改變占空比D=t1/T時，就可以得到不同的電機平均速度,從而達到調速的目的。嚴格來說，平均速度與占空比D并非嚴格的線性關系，但是在一般的應用中，我們可以將其近似的看成是線性關系。鋇嵐縣緱虜榮產濤團藺。2.2.2 PWM脈寬調制方式PWM脈寬調制的方式有3種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。我們采用了定頻調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定；并且存采用單片機產生PWM脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。懨俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮。PWM的一個優(yōu)點是從AT89S52到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，才能對數(shù)字信號產生影響。這也是PWM用于通信的主要原因。謾飽兗爭詣繚鮐癩別瀘。2.3 PID算法簡介2.3.1 PID控制在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID控制算法得到了廣泛的應用，是技術最成熟的控制規(guī)律。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為PID控制。實際經(jīng)驗和理論分析都表明，PID控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。由于本文只用到數(shù)字PID，所以只介紹數(shù)字PID算法。咼鉉們歟謙鴣餃競蕩賺。2.3.2 數(shù)字PID算法模擬PID控制器的基本算式為： （2-3）式中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。簡單的說，PID調節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減少偏差；（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強；瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴減。（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間。麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。為將模擬PID控制規(guī)律離散化，我們把、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、表示，于是式（2-3）變?yōu)椋?(2-4)當采樣周期T很小時可以用T近似代替，可用近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 (2-5) (2-6)這樣，式（2-3）便可離散化以下差分方程 (2-7)上式中是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例（P）項,即 = (2-8)第二項起積分控制作用,稱為積分(I)項即 (2-9)第三項起微分控制作用,稱為微分(D)項即 (2-10)式（2-7）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構每次采樣時刻應達到的位置。因此,式（2-7）又稱為位置型PID算式。工業(yè)應用中，采用PID位置算法是不夠方便和有欠缺的。由于要累加誤差，占用內存多，并且安全性較差，考慮到這種情況，在工業(yè)應用中，還有一種增量式算法。納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。增量式算法是位置算法的一種改進。由式（2-7）可以得到（k-1）次的PID輸出表達式： （2-11）由式（2-7）與式（2-11）可得 （2-12）2.3.3 數(shù)字PID參數(shù)整定方法PID調節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設計調節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實際用得較多的還是工程整定法。下面簡單介紹兩種常用的簡易工程整定法。風攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。（1）擴充臨界比例度法。這種方法是對連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法的擴充，適用于有自平衡特性的被控對象，不需要準確知道對象的特性。滅噯駭諗鋅獵輛覯餿藹。（2）經(jīng)驗法確定PID參數(shù)。經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設定值曲線，來調整P、I、D三者參數(shù)的大小的。鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。圖2-6 增量式PID框圖3 系統(tǒng)總體設計方案調速系統(tǒng)的硬件原理方框圖如圖3-1所示，本系統(tǒng)由6個部分組成，單片機系統(tǒng)是核心，其外圍電路有五個部分：輸入電路，電源，驅動電路，顯示電路，測速電路。攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。單片機輸入電路電源顯示電路測速電路驅動電路圖3-1 系統(tǒng)的硬件原理方框圖其中單片機負責控制運算、數(shù)據(jù)采集等任務，輸入電路用于設定直流電機預期速度及控制直流電機的啟動、正反轉、停止，顯示電路用于顯示直流電機的當前轉速，測速電路用于測量直流電機的實際轉速，驅動電路用于驅動直流電機。趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。本控制系統(tǒng)中，直流電機的轉速是待檢測的參數(shù)，也是反饋檢測量，通過測速電路將直流電機轉速轉化為反饋信號輸入單片機，通過PID算法來控制PWM(脈沖寬度調制)輸出的占空比，進而對直流電機的轉速實現(xiàn)閉環(huán)控制，使其轉速達到預期設定值。夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。3.1 單片機設計方案方案一：采用AT89S51/AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S52單片機是AT89S51的升級版，擁有更多功能，它的算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。并且它還具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領域中應用廣泛。視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖糲。方案二：采用傳統(tǒng)的AT89C51單片機作為運動物體的控制中心。它和AT89S2一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低,使用簡單等特點，但是它的頻率較低、運算速度慢， RAM、ROM空間小等缺點。若采用89C51需要做RAM，ROM來擴展其內存空間，其硬件工作量必然大大增多。偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。綜合上述兩種方案比較，采用AT89S52作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機運動較為簡單，可以滿足設計要求。因此在本次設計選用方案一。緦徑銚膾齲轎級鏜撟廟。3.2 驅動電路設計方案本次設計的主要目的是控制電機的轉速，因此電機驅動模塊是必不可少，其方案有一下兩種。方案一：采用大功率晶體管組合電路構成驅動電路，這種方法結構簡單，成本低、易實現(xiàn)，但由于在驅動電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復雜、抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實際的生產實踐過程中可靠性是一個非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。方案二：采用專用的電機驅動芯片，例如L298N、L297N等電機驅動芯片，由于它內部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。設計者不需要對硬件電路設計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設計中，大大的提高了工作效率。癘騏鏨農剎貯獄顥幗騮?；谏鲜隼碚摲治龊蛯嶋H情況，電機驅動模塊選用方案二。3.3 速度采集模塊設計方案本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調節(jié)過程中需要將設定與當前實際轉速進行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設計的，其設計方案以下三種：鏃鋝過潤啟婭澗駱讕瀘。方案一：采用霍爾集成片。該器件內部由三片霍爾金屬板組成。當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應，金屬板發(fā)生橫向導通，因此可以在電機上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進行電機速度的檢測。榿貳軻謄壟該檻鯔塏賽。方案二：采用對射式光電傳感器。其檢測方式為：發(fā)射器和接受器相互對射安裝，發(fā)射器的光直接對準接受器，當測物擋住光束時，傳感器輸出產生變化以指示被測物被檢測到。通過脈沖計數(shù)，對速度進行測量。邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。方案三：采用測速發(fā)電機對直流電機轉速進行測量。該方案的實現(xiàn)原理是將測速發(fā)電機固定在直流電機的軸上，當直流電機轉動時，帶動測速電機的軸一起轉動，因此測速發(fā)電機會產生大小隨直流電機轉速大小變化的感應電動勢，因此精度比較高，但由于該方案的安裝比較復雜、成本也比較高，在本次設計沒有采用此方案。嶁硤貪塒廩袞憫倉華糲。以上三種方案中，第三種方案不宜采用，第一種和第二種方案的測速原理基本相同都是將電機轉速轉換為電脈沖的頻率進行測量，但考慮到霍爾式精度比較高，頻率比較快，成本低。最主要的是它對外部環(huán)境的要求不高，并且工作溫度可以達到150，所以綜合考慮在設計中選用第一種方案進行設計。該櫟諼碼戇沖巋鳧薩錠。3.4 顯示電路設計方案在電機轉速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對參數(shù)、工作方式以及電機當前運行狀態(tài)的顯示，因此在整個系統(tǒng)中必須設計一個顯示模塊，考慮有三種方案： 方案一：使用七段數(shù)碼管（LED）顯示。數(shù)碼管具有亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅動簡單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點，并且它可采用BCD編碼顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調試簡單。劇妝諢貰攖蘋塒呂侖廟。方案二：采用1602LCD液晶顯示器，該顯示器控制方法簡單，功率低、硬件電路簡單、可對字符進行顯示。方案三：采用12864LCD液晶顯示器，該顯示器功率低，驅動方法和硬件連接電路較上面兩種方案復雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。臠龍訛驄椏業(yè)變墊羅蘄。根據(jù)本次設計的設計要求以及成本考慮，顯示模塊選用方案一。3.5 輸入電路設計方案在電機轉速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進行參數(shù)的輸入、工作方式的設定以及電機起停的控制，因此鍵盤在整個系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案：鰻順褸悅漚縫囅屜鴨騫。方案一：采用獨立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實現(xiàn)簡單，并且各按鍵相互獨立，每個按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。這種鍵盤的優(yōu)點是：電路簡單，各條檢測線獨立，識別按下按鍵的軟件編寫簡單。適用于鍵盤按鍵數(shù)目較少的場合，不適用于鍵盤按鍵數(shù)目較多的場合，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。穡釓虛綹滟鰻絲懷紓濼。方案二：采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點是行線、列線分別接輸入線、輸出線。按鍵設置在行、列線的交叉點上，利用這種矩陣結構只需m根行線和n根列線就可組成個按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合。但此種鍵盤的軟件結構較為復雜。隸誆熒鑒獫綱鴣攣駘賽。根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設計的系統(tǒng)硬件連接不是很復雜，對軟件的運行速度要求不高，所以采用方案二獨立式鍵盤進行設計。浹繢膩叢著駕驃構碭湊。3.6 電源模塊設計方案電源是任何系統(tǒng)能否運行的能量來源，任何一種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對于該模塊考慮下兩種方案：方案一：通過電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機運行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際應用系統(tǒng)同一般不宜采用。鈀燭罰櫝箋礱颼畢韞糲。方案二：通過固定芯片對整流后的電壓進行降壓、穩(wěn)壓處理（如7812、7805等），此種方案可靠性、安全性高，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實現(xiàn)。愜執(zhí)緝蘿紳頎陽灣熗鍵。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。 經(jīng)過上述的分析與論證，系統(tǒng)各模塊采用的方案如下：（1）控制模塊： 采用AT89S52單片機；（2）電機驅動模塊：采用直流電機驅動芯片L298N實現(xiàn)；（3）速度采集模塊：采用霍爾測速傳感器；（4）顯示模塊： 采用LED液晶顯示模塊；（5）鍵盤模塊： 采用獨立式鍵盤；（6）電源模塊： 采用7805、7812芯片實現(xiàn)。4 系統(tǒng)硬件設計4.1系統(tǒng)基本組成AT89S52LED顯示電路電機驅動電路電機霍爾測速電路鍵盤電源圖4-1 系統(tǒng)組成框圖鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過P1.0與P1.1其中一口輸出與轉速相應的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大，驅動電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉向與轉速的控制。電動機的運轉狀態(tài)通過LED顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉時最高位顯示“三” ，其它三位為電機轉速；反轉時最高位顯示“F”，其它三位為電機轉速。每次電動機啟動后開始顯示，停止時LED顯示出“0000”。 貞廈給鏌綞牽鎮(zhèn)獵鎦龐。4.2 電源電路設計電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關系到系統(tǒng)能否運行。在本系統(tǒng)中直流電機需要12V電源，而單片機、顯示模塊等其它電路需要5V的電源，因此電路中選用7805和7812兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為1.5A，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖4-2所示。嚌鯖級廚脹鑲銦礦毀蘄。圖4-2 電源電路4.3 電機驅動電路設計驅動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的I/O口不能直接驅動電機，只有引入電機驅動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用L298N電機驅動芯片驅動電機，該芯片是由四個大功率晶體管組成的H橋電路構成，四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關狀態(tài)，通過調整輸入脈沖的占空比，調整電動機轉速。其中輸出腳（SENSEA和SENSEB）用來連接電流檢測電阻，Vs接邏輯控制的電源。Vs為電機驅動電源。IN1-IN4輸入引腳為標準TTL邏輯電平信號，用來控制H橋的開與關即實現(xiàn)電機的正反轉，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號實現(xiàn)電機調速。其電路如圖5-3所示，利用兩個光電耦合器將單片機的I/O與驅動電路進行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機產生的PWM脈沖控制L298N的選通端，使電機在PWM脈沖的控制下正常運行，其中四個二極管對芯片起保護作用。薊鑌豎牘熒浹醬籬鈴騫。圖4-3 電機驅動電路4.4 轉速測量電路采用霍爾元件測量轉速是較為常用的測量方法?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用?；魻杺鞲衅鞣譃榫€性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。開關型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。齡踐硯語蝸鑄轉絹攤濼。本文采用市場上應用較多的霍爾開關傳感器3010T ，它采用三端平塑封裝，具有工作電壓范圍寬、外圍電路簡單、輸出電平與各種數(shù)字電路兼容、可靠性高等優(yōu)點。 紳藪瘡顴訝標販繯轅賽。霍爾器件測量電動機轉速裝置由一個測速齒輪和霍爾傳感器構成。測速齒輪厚度大于2mm，固定在待測電機的轉軸上?；魻栐潭ㄔ诰帻X輪外圓1mm的探頭上，對面粘貼小磁鋼，當測速齒輪的每個齒經(jīng)過探頭正前方時，改變了磁通密度，霍爾元件就輸出了一個脈沖信號。 飪籮獰屬諾釙誣苧徑凜。測速齒輪上共有24個齒，顯然每個齒轉過霍爾元件都會引起一個脈沖信號，則電動機每轉一周總共產生24個信號。如果單片機在1s 內檢測到N 個脈沖信號，就表明電動機轉過的周數(shù)n=N/24。因為轉速常用r/min 表示，所以電動機轉速 V=60N/24=2.5N(r/min)。 烴斃潛籬賢擔視蠶賁粵。將脈沖信號接在定時器T1上，當外部脈沖信號出現(xiàn)一個由“1”到“0”的負跳變時，計數(shù)器T1就進行計數(shù)。 通過設置讓定時器T0每50ms產生一次中斷，滿20次即為 1s ，此時統(tǒng)計計數(shù)器T1的計數(shù)值，就可以算出電動機轉速：V=2.5N=2.5(TH1*256+TL1) (r/min)。鋝豈濤軌躍輪蒔講嫗鍵。 圖4-4(a)測速齒輪 圖4-4（b）霍爾傳感器安裝示意圖擷偽氫鱧轍冪聹諛詼龐。4.5 A