基于PID算法的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計.doc

課程設(shè)計 1 計算機(jī)控制技術(shù)計算機(jī)控制技術(shù) 課課 程程 設(shè)設(shè) 計計 成績評定表 設(shè)計課題設(shè)計課題 基于 PID 算法直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計 學(xué)院名稱學(xué)院名稱 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級專業(yè)班級 自動 F0902 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 學(xué)學(xué) 號號 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 設(shè)計地點設(shè)計地點 31 503 設(shè)計時間設(shè)計時間 2012 06 11 2012 06 15 指導(dǎo)教師意見 成績 簽名 年 月 日 課程設(shè)計 2 計算機(jī)控制技術(shù)計算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名學(xué)生姓名專業(yè)班級專業(yè)班級自動 F0902學(xué)號學(xué)號 題題 目目基于 PID 算法直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計 課題性質(zhì)課題性質(zhì)工程設(shè)計課題來源課題來源網(wǎng)絡(luò) 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 參數(shù) 參數(shù) 利用 89S51 設(shè)計 PID 算法的直流電機(jī)控制系統(tǒng) 實現(xiàn)以下功能 1 直流電機(jī)以最快的速度穩(wěn)定 2 實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 3 電機(jī)的震蕩小 任務(wù)要求任務(wù)要求 進(jìn)度 進(jìn)度 第 1 天 熟悉課程設(shè)計任務(wù)及要求 查閱技術(shù)資料 確定設(shè)計方案 第 2 天 按照確定的方案設(shè)計單元電路 要求畫出單元電路圖 元件及 元件參數(shù)選擇要有依據(jù) 各單元電路的設(shè)計要有詳細(xì)論述 第 3 天 軟件設(shè)計 編寫程序 第 4 5 天 撰寫課程設(shè)計報告 主要參考主要參考 資料資料 1 孫傳友 測控系統(tǒng)原理與設(shè)計 M 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 2003 160一166 174 2 潘松 黃繼業(yè) EDA 技術(shù)實用教程 M 北京 科學(xué)出版社 2003 33 3 Atmel AT89S51 數(shù)據(jù)手冊 DB OL 4 ST L298N 數(shù)據(jù)手冊 DB OL 5 泰繼榮 現(xiàn)代直流控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版 社 1993 141 145 6 張俊漠 單片機(jī)中級教程 M 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 2006 96 7 何立民 MCS 51 系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù) M 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 1990 83 87 課程設(shè)計 3 審查意見審查意見 系 教研室 主任簽字 系 教研室 主任簽字 年年 月月 日日 目 錄 1 引言引言 4 2 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計 5 停2 1 硬件組成 5 停2 2 方案論證 6 停2 3 總體方案 9 3 硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計 9 停3 1 單片機(jī)及其外圍電路 9 停3 2 速度傳感器與信號調(diào)理電路 10 停3 3 電源電路設(shè)計 11 停3 4 直流電機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計 12 停3 5 電路顯示模塊的設(shè)計 12 停3 6 鍵盤輸入電路的設(shè)計 14 4 軟件設(shè)計及系統(tǒng)檢測軟件設(shè)計及系統(tǒng)檢測 14 停4 1 PID 的基本算法 14 停4 2 數(shù)字 PID 算法 15 停4 3 電機(jī)速度的算法 17 停4 4 程序流程圖 18 停4 5 屏幕顯示程序流程圖 20 停4 6 系統(tǒng)的測試與分析 22 5 結(jié)論結(jié)論 23 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 23 附錄 附錄 25 課程設(shè)計 4 1 引言 自動控制經(jīng)由數(shù)百年的發(fā)展到如今已經(jīng)涵蓋了社會的方方面面 其在生物 電子 機(jī)械 軍事 經(jīng)濟(jì)等各個領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用 這更推動了自動 控制的快速發(fā)展 在中國古代時期自動控制機(jī)構(gòu)就已經(jīng)被發(fā)掘如指南車采用擾動補(bǔ)償原理的 方向開環(huán)自動調(diào)整系統(tǒng) 銅壺滴漏計時裝置采用非線性限制器的多級阻容濾波 觀測天象的水力天文裝置內(nèi)有樞輪轉(zhuǎn)速恒定系統(tǒng)采用內(nèi)部負(fù)反饋并進(jìn)行自震蕩 的系統(tǒng)等 這些控制系統(tǒng)在我國古代得到了廣泛的應(yīng)用 及隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn) 步和人們對自動裝置的追求 控制器也發(fā)生了翻天覆地的變化 不斷地深入人 心 它將成為當(dāng)今社會的主流之一 深入到各個行業(yè)和領(lǐng)域 在現(xiàn)代社會 我 國神舟飛船的飛天 各個檢測器的出現(xiàn)及應(yīng)用都將推動自動控制系統(tǒng)的飛躍 控制理論經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論 現(xiàn)代控制理論和智能控制理論賽格階段 而一個完整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該如下 這此圖中的調(diào)節(jié)器 檢測元件 執(zhí)行機(jī)構(gòu)都 是控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分 而控制器系統(tǒng)主要包括傳感器 變速器 控制器 計算機(jī) 單片機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) I O 口 控制系統(tǒng)的被測參數(shù)經(jīng)傳感器 變送器轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電信號送到控制器 再經(jīng)一定的算法輸出需要值然后加在 被控系統(tǒng)上 而目前 PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器在社會生活中廣泛 使用 而 PID 作為一種經(jīng)典算法也越來越受國內(nèi)外各個行業(yè)的關(guān)注 PID 控制器發(fā)展至今已有 70 多年的歷史形成了結(jié)構(gòu)簡單 穩(wěn)定性好 工作 可靠 調(diào)整方便等優(yōu)點使其在工業(yè)控制中發(fā)揮著不可泯滅的作用 又隨著現(xiàn)代 科技的突飛猛進(jìn)各種儀器 儀表的出現(xiàn)更加推動了 PID 控制器的發(fā)展 當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或者不能有效的獲取相關(guān)的參數(shù)信 息時 以 PID 控制技術(shù)控制是最適用的 實際應(yīng)用中也有 PI PD 控制 PID 控制器就是偏差的比例 積分 微分進(jìn)行控制 比例能夠迅速反應(yīng)誤差 減少 誤差 積分是對靜態(tài)誤差的時間積累這樣即便誤差很小隨著時間的增加而增大 使控制器的輸出增大 進(jìn)一步減小穩(wěn)態(tài)誤差直至為 0 而微分控制能偏差信號 課程設(shè)計 5 的變化趨勢 能夠超前控制 克服系統(tǒng)的慣性 加快動態(tài)響應(yīng)速度 減少超調(diào) 量 提高穩(wěn)定性 在不同的工程中我們可根據(jù)工程的特點 需求來選擇不同的 控制器 隨著社會的進(jìn)步和客戶的不同要求 我們可以借助物聯(lián)網(wǎng)來遠(yuǎn)程控制 我們的系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成熟并廣泛應(yīng)用而控制系統(tǒng)也將向精度更高 穩(wěn)定性更好 易于交流和網(wǎng)絡(luò)控制的方向發(fā)展 本次設(shè)計主要研究的是 PID 算法在運動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用 采用經(jīng)典的被 控對象直流電機(jī) 直流電機(jī)由于其調(diào)速范圍寬 且易于平滑調(diào)速 易于控制 快速性高 調(diào)速時能量損耗小等優(yōu)點已經(jīng)在電腦硬盤 CPU 風(fēng)扇 光驅(qū)等這些 精密的小型電機(jī)中大量應(yīng)用 也在電子加工流水線設(shè)備 紡織印染 化工機(jī)電 冶金 鋼鐵 制造 電梯等各個行業(yè)和大型設(shè)備中使用 然而在這些應(yīng)用中電 機(jī)的轉(zhuǎn)速控制占據(jù)著無比重要的地位 因此本次設(shè)計主要針對電機(jī)轉(zhuǎn)速的問題 利用經(jīng)典 PID 算法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 其設(shè)計思路為 以 AT89C52 單片機(jī)為控 制核心 產(chǎn)生占空比受 PID 算法控制的 PWM 脈沖以及 L298N 電機(jī)驅(qū)動芯片共 同實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制 同時利用光電傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻 率反饋到單片機(jī)中 構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng) 達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的 還 有在系統(tǒng)中采 128 64LCD 顯示器作為顯示部件 通過 4 4 鍵盤設(shè)置 P I D V 四個參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制 啟動后通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速 和運行時間 因此該系統(tǒng)在硬件方面包括 電源模塊 電機(jī)驅(qū)動模塊 控制模 塊 速度檢測模塊 人機(jī)交互模塊 軟件部分采用 C 語言進(jìn)行程序設(shè)計 其優(yōu) 點為 可移植性強(qiáng) 算法容易實現(xiàn) 修改及調(diào)試方便 易讀等 本次設(shè)計系統(tǒng)的主要特點 1 采用數(shù)字 PID 算法 以及可移植性強(qiáng)的 C 語言編程方法 能夠使程序易 讀 便于修改和共享 其次能使控制系統(tǒng)更加靈活 簡便 2 使用線性的光電隔離器達(dá)到主 控電路的隔離 有利于保護(hù)電路元件 減 少損失 3 采用 128 64LCD 屏顯示模塊讓人更直觀地了解電機(jī)的轉(zhuǎn)速 運行時間易 于操作者的控制 4 采用光電傳感器將速度轉(zhuǎn)化成脈沖頻率反饋到單片機(jī)控制 將比例 積分 微分的靜態(tài)誤差進(jìn)行比較 以致達(dá)到消除誤差 提高了控制的精度 2 總體方案設(shè)計 課程設(shè)計 6 2 1 硬件組成 按照實際生活中對電機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)要求 控制系統(tǒng)的硬件應(yīng)包括以下幾部 分 1 控制器 作為控制系統(tǒng)的核心 可采用單片機(jī) PLC DCS 等 在實 際應(yīng)用中按照需求和經(jīng)濟(jì)形勢來選擇 按照輸入其中的 PID 經(jīng)典算法把輸入來 的偏差信號按照比例 積分 微分的計算方式計算后輸出較小偏差的電信號驅(qū) 動電機(jī)的轉(zhuǎn)動 啟停 2 速度檢測通道 將速度信號通過光電傳感器轉(zhuǎn)化成脈沖頻率反饋到單 片機(jī) 來影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速 3 控制輸出通道 控制器輸出的控制信號經(jīng)該通道對電機(jī)轉(zhuǎn)速實施控制 4 人機(jī)交互界面 在電機(jī)轉(zhuǎn)動啟停過程中都能通過該界面了解到電機(jī)的 轉(zhuǎn)速 運行時間 方便工作人員更好地操作 5 電機(jī)驅(qū)動模塊 L298N 考慮到了電路的抗干擾能力 安全性 可靠性 使電路設(shè)計更加簡單 大大提高了工作效率 6 鍵盤模塊 采用個按鍵的鍵盤 雖然操作速度會有所降低但其功能m n 更加豐富 7 電源模塊 通過固定芯片 7812 7805 對整流后的電壓進(jìn)行降壓 穩(wěn)壓處理提高安全性 可靠性 節(jié)省電路元件 電路方框圖如圖 2 1 所示 鍵盤模塊 控制 器模 塊 電機(jī)驅(qū)動模塊 直流 電機(jī) 速度檢測模塊顯示模塊 圖 2 1 硬件方框圖 2 2 方案論證方案論證 1 控制器 根據(jù)設(shè)計任務(wù) 控制器主要用于產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 脈沖 并對電機(jī)當(dāng)前速度進(jìn)行采集處理 根據(jù)算法得出當(dāng)前所需輸出的占空比 脈沖 對于控制器的選擇有以下兩種方案 課程設(shè)計 7 方案一 采用 AT89S51 作為系統(tǒng)控制的方案 AT89S51 單片機(jī)算術(shù)運算功 能 強(qiáng) 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 1 吟 相對于 FPGA 來說 它的芯片引腳少 在硬件很容易實現(xiàn) 并且它還具有功耗 低 體積小 技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點 在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛 方案二 采用 FPGA 現(xiàn)場可編輯門列陣 作為系統(tǒng)的控制器 FPGA 可以實 現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能叫模塊大 密度高 它將所有器件集成在一塊芯片上 減少了體積 提高了穩(wěn)定性 并且可應(yīng)用 EDA 軟件仿真 調(diào)試 易于進(jìn)行功能 控制 FPGA 采用并行的輸入輸出方式 提高了系統(tǒng)的處理速度 適合作為大 規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心 通過輸入模塊將參數(shù)輸入給 FPGA FPGA 通過程序 設(shè)計控制 PWM 脈沖的占空比 但是由于本次設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高 FPGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn) 并且由于其集成度高 使其成本偏高 同時由于芯片的引腳較多 實物硬件電路板布線復(fù)雜 加重了電路設(shè)計和實際 焊接的工作 2 速度檢測通道模塊 方案一 采用測速發(fā)電機(jī)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量 該方案的實現(xiàn)原理是 將測速發(fā)電機(jī)固定在直流電機(jī)的軸上 當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動時 帶動測速電機(jī)的軸 一起轉(zhuǎn)動 因此測速發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生大小隨直流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動勢 因此精度比較高 但由于該方案的安裝比較復(fù)雜 成本也比較高 在本次設(shè)計 沒有采用此方案 方案二 采用霍爾集成片 該器件 內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成 當(dāng)磁鐵 正對金屬板肘 由于霍爾效應(yīng) 金屬板發(fā)生橫向?qū)?lsl 因此可以在電機(jī)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(jìn)行電機(jī)速度 的檢測 方案三 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(zhǔn)接受器 當(dāng)壩 IJ 物擋住光束時 傳感器輸出產(chǎn)生 變化以指示被測物被檢測到 通過脈沖計數(shù) 對速度進(jìn)行測量 3 電機(jī)驅(qū)動模塊 方案一 采用專用的電機(jī)驅(qū)動芯片 例如 L298N L297N 等電機(jī)驅(qū)動芯片 課程設(shè)計 8 由于它內(nèi)部己經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力 安全 可靠行 所以我們在應(yīng)用 時只需考慮到芯片的硬件連接 驅(qū)動能力等問題就可以了 所以此種方案的電 路設(shè)計簡單 抗干擾能力強(qiáng) 可靠性好 設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很 多 可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中 大大的提高了工作效率 方案二 采用多級放大晶體管構(gòu)成復(fù)合晶體管增大驅(qū)動電流而形成的驅(qū)動 電路 但由于采用的晶體管較多增大了驅(qū)動電路中的元件數(shù)目 使電路復(fù)雜化 抗干擾能力差 安全性低 4 電源模塊 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(jī)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(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用 方案二 通過固定芯片對整流后的電壓進(jìn)行降壓 程 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) 5 顯示模塊 方案一 使用七段數(shù)碼管 C 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(qū)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(diào)試簡單 但由于在此次設(shè)計中需要設(shè)定 的參數(shù)種類多 而且有些需要進(jìn)行漢字和字符的顯示 所以使用 LED 顯示器不 能完成設(shè)計任務(wù) 不直采用 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(jìn)行顯示 但考慮到 1602LCD 液晶顯示器的屏幕小 不能 顯示漢字 因此對于需要顯示大量參數(shù)的系統(tǒng)來說不宜采用 方案三 采用 128x64LCD 液晶顯示器 該顯示器功率低 驅(qū)動方法和硬件連 接電路較上面兩種方案復(fù)雜 顯示屏幕大 可對漢字和字符進(jìn)行顯示 6 鍵盤模塊 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 按鍵的工作狀態(tài) 不會影響其它按鍵上的輸入狀態(tài) 但是由于獨立式鍵盤每個按鍵需要占用一根 課程設(shè)計 9 輸入口線 所以在按鍵數(shù)量較多時 I10 口浪費大 故此鍵盤只適用于按鍵較 少或操作速度較高的場合 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(shè)置在行 列線的交叉點上 利用這種矩陣結(jié)構(gòu)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m n 的場合 但此種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 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 AT89S51 單片機(jī) 2 速度檢測模塊 采用光電傳感器 3 電機(jī)驅(qū)動模塊 采用 L298N 4 電源模塊 采用較穩(wěn)定的芯片 7812 5 顯示模塊 采用 128 64LCD 液晶顯示器 6 鍵盤模塊 采用個按鍵的鍵盤m n 2 3 總體方案 按照上述方案論證的結(jié)果 基于 PID 算法的直流電機(jī)控制的總體方案框圖 如圖 2 2 所示 圖 2 2 中 光電傳感器輸出的微弱信號經(jīng)過放大器放大后輸入到 V F 轉(zhuǎn)換電路 將放大后的模擬電信號轉(zhuǎn)化成脈沖信號 脈沖的頻率與輸入的 模擬信號成正比 這個轉(zhuǎn)化后的脈沖信號經(jīng)過光電隔離器輸入到 MCU 中 單片 機(jī)對輸入的脈沖信號處理后與計劃的值相比較輸入較小的穩(wěn)態(tài)誤差的信號 經(jīng) L298N 驅(qū)動芯片 放大器后送至直流電機(jī) 同時把電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運行時間顯示 在 LED 屏上 從而方便得到比較理想的信號 其總體方框圖如 2 2 所示 光 電 傳 感 器 放 大 電 路 V F 轉(zhuǎn) 換 電 路 光 電 隔 離 器 光 電 隔 離 器 電 機(jī) 驅(qū) 動 芯 片 直 流 電 機(jī) MCU LED 顯 示 屏 M N 鍵 盤 圖 2 2 總體方框圖 3 硬件電路設(shè)計 3 1 單片機(jī)及其外圍電路 課程設(shè)計 10 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗 高性能 CMOS8 位單片機(jī) 片內(nèi)含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器 器件采用 ATMEL 公司 的高密度 非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn) 兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳 它集 Flash 程序存儲器 既可在線編程 ISP 也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位 微處理器于單片芯片中 ATMEL 公司的功能強(qiáng)大 低價位 AT89S51 單片機(jī)可 為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合 可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 AT89C52 的主要性能參數(shù) 與 MCS 51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程 ISP Flash 閃速存儲器 1000 次擦寫周期 4 0 5 5V 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式 0Hz 33MHz 三級程序加密鎖 128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個可編程 I O 口線 2 個 16 位定時 計數(shù)器 6 個中斷源 全雙工串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗 WDT 及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程 ISP 字節(jié)或頁寫模式 AT89S51 的主要內(nèi)部的結(jié)構(gòu) 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個 I O 口線 看門狗 WDT 兩個數(shù)據(jù)指針 兩個 16 位定時 計數(shù)器 一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu) 課程設(shè)計 11 一個全雙工串行通信口 片內(nèi)振蕩器及時鐘電路 同時 AT89S51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作 并支持兩種軟件可選的節(jié)電 工作模式 空閑方式停止 CPU 的工作 但允許 RAM 定時 計數(shù)器 串行通 信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作 3 2 速度傳感器與信號調(diào)理電路 在本系統(tǒng)中由于要將電機(jī)本次來樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較 通過 偏差進(jìn)行 PID 運算 因此速度來集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部分 本次設(shè)計 中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn) 其具體做法是將電機(jī)軸上固定一困 盤 且其邊緣上有 N 個等分凹槽 在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管 其位置 對準(zhǔn)凹槽處 在另一側(cè)和發(fā)光二極光平行的位置上固定一光敏三極管 如果 電動機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處肘 發(fā)光二極管通過縫隙將光照射到光敏三極管上 電路如 圖 3 1 所示 三極管導(dǎo)通 反之三極管截止 從圖中可以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圍在 P3 3 的輸出端就會產(chǎn)生 N 個低電平 這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機(jī) 此時轉(zhuǎn)速了 例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運行時 P3 3 將輸出如圖 3 2 所示的 脈沖 若知道一段時間 t 內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為 n 則電機(jī)轉(zhuǎn)速 v r s 5v R12 20 R13 470 P3 3 圖 3 1 光電傳感器示意圖 圖 3 2 傳感器輸出脈沖波形圖 3 3 電源電路設(shè)計 課程設(shè)計 12 為獲得穩(wěn)定的電壓和較穩(wěn)定的電流 我們采用相對較為便宜且性能比較良 好的電源芯片 7812 7805 7912 最大的輸出電流為 1 5A 其原理圖如圖 3 3 220v GND 1000uF C1 0 33uF C3 1000uF C2 0 33uF C4 in out GND 7812 in out GND 7912 1uF C5 1uF C6 R1 470 R3 470 R2 240 in out GND 7805 5v 12v 圖 3 3 穩(wěn)壓電源圖 3 4 直流電機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計 驅(qū)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(jī)的 I O 口不能直接 驅(qū)動電機(jī) 只有引入電機(jī)驅(qū)動模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運行 在這里邊 用 L298N 電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī) 該芯片是由四個大功率晶體管組成的 H 橋 電路構(gòu)成 四個晶體管分為兩組 交替導(dǎo)通和截止 用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使 之工作在開關(guān)狀態(tài) 通過調(diào)整輸入脈沖的占空比 調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速 其中輸出 腳 C SENSEA 和 SENSEB 用來連接電流檢測電阻 Vss 接邏輯控制的電源 Vs 為電機(jī)驅(qū)動電源 INI IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號 用來控制 H 橋 的開與關(guān)即實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn) ENA ENB 引腳則為使能控制端 用來輸入 P 磯幣 4 信號實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速 其電路如圖 3 4 所示 利用兩個光電相合器將 單片機(jī)的 1 0 與驅(qū)動電路進(jìn)行隔離 保證電路安全可靠 這樣單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 脈沖控制 L298N 的邊通端口 1 使電機(jī)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(hù)作用 課程設(shè)計 13 IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 ENA 6 ENB 11 GND 8 NC 16 SENSEB 15 SENSEA 1 OUT4 14 OUT3 13 OUT2 3 OUT1 2 Vs 4 Vss 9 U3 L298N 12v C7 20uF C8 20uF 5v A 12v GND 470 R4 U3 TLP521 U4 TLP521 R5 470 R6 5K R7 470 R8 5K P 2 6 P 2 5 P 2 7 圖 3 4 直流電機(jī)驅(qū)動電路示意圖 3 5 電路顯示模塊的設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求要對系統(tǒng)各項參數(shù)和電機(jī)運行狀態(tài)進(jìn)行顯示 因此在電路中加入 顯示模塊是非常必要的 在系統(tǒng)運行過程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較都 而且需要 漢字顯示 在這里邊用128x64 液晶顯示器比較適合 它是一種圖形點陣液晶 顯示器 主要由行驅(qū)動器 列驅(qū)動器及128x64 全點陣液晶顯示器組成 可完 成漢字 16x16 顯示和圖形顯示共有20 個引腳l S l 其引腳名稱及引腳編號 的對應(yīng)關(guān)系如表格3 5 所示 引腳符號功能引腳符號功能 1VSS 電源 地 15CS1 CS1 1選左64 64點 2VDD 電源 5v 16CS2 CS2 1選右64 64點 3VO 液晶驅(qū)動電源 17 RST 復(fù)位端 4RS H 輸入L 輸出 18VEE 屏驅(qū)動負(fù)電源 5R W H 讀取L 寫入 19A 背光正電源 6E 使能端 20K 背光負(fù)電源 7 14DB0 DB7 數(shù)據(jù)線 圖3 5 引腳名稱和標(biāo)號示意圖 其電路連接圖如圖3 6所示 課程設(shè)計 14 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RXT 9 P3 0 RXD 10 P3 1 TCD 11 P3 2 INT1 12 P3 3 13 P3 4 14 P3 5 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 U1 89S51 R10 10K R11 470 220uF C9 VSS 1 VDD 2 VO 3 RS 4 R W 5 E 6 DB0 7 DB1 8 DB2 9 DB3 10 DB4 11 DB5 12 DB6 13 DB7 14 CS1 15 CS2 16 RST 17 VEE 18 A 19 K 20 U2 12864 LED 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 R9 10K 5v 10K 5v P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P3 3 圖3 6 12864屏顯示電路圖 3 6 鍵盤輸入電路的設(shè)計 根據(jù)設(shè)計需求 本系統(tǒng)中使用了4x4 鍵盤用以實現(xiàn)對P I D 三個參數(shù) 和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的設(shè)定 以及對電機(jī)啟動 停止 暫停 繼續(xù)的控制 其電路原 理圖如圖3 7所示 圖中L0 L3 為4x4 鍵盤的列信號 H0 H3 為4x4 鍵盤的行 信號 在本系統(tǒng)中 用Pl 0 P1 1 P1 2 Pl 3 連鍵盤的列信號L0 L3 用 P0 4 PO 7 連接鍵盤的行信號H0 H3例 按照要求設(shè)計操作面板如圖3 7所示 課程設(shè)計 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9停停停 停停 停停 停停 停停 停停 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 圖3 7 鍵盤模塊 鍵盤操作說明 在系統(tǒng)開始運行時 128x64LCD 將顯示開機(jī)界面 若按 下設(shè)置鍵顯示屏進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面 此時按1 2 3 4 進(jìn)入相應(yīng)參數(shù)的設(shè) 置的狀態(tài) 輸入相應(yīng)的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設(shè)置 待所有量設(shè)置完成后按正 反控制鍵設(shè)置正反轉(zhuǎn) 最后按啟動鍵啟動系統(tǒng) 在運行過程中可按下相應(yīng)鍵 對電機(jī)進(jìn)行暫停 繼續(xù) 停止運行的控制 4 軟件設(shè)計及系統(tǒng)檢測 4 1 PID 的基本算法 PID控制是比例 積分 微分控制的簡稱 在自動控制領(lǐng)域中 PID 控制是 歷史最久 生命力最強(qiáng)的基本控制方式 PID 控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào) 量實測值與設(shè)定值之間的偏差 利用偏差的比例 積分 微分三個環(huán)節(jié)的不同 組合計算出對廣義被控對象的控制量 圖4 1是常規(guī)PID 控制系統(tǒng)的原理圖 比例 積分 微分 執(zhí)行機(jī)構(gòu)對象 r t e t u t y t 圖4 1 PID控制原理圖 y t 構(gòu)成的控制偏差信號e t e t r t y t 1 課程設(shè)計 16 其輸出為該偏差信號的比例 積分 微分的線性組合 也即PID 控制律 式中 Kp 為比例系數(shù) TI 為積分時間常數(shù) TD 為微分時間常數(shù) 根據(jù)被控對象動態(tài)特性和控制要求的不同 式 2 中還可以只包含比例和積 分的PI 調(diào)節(jié)或者只包含比例微分的PD 調(diào)節(jié) 下面主要討論PID 控制的特點及 其 對控制過程的影響 數(shù)字PID 控制策略的實現(xiàn)和改進(jìn) 以及數(shù)字PID 控制系統(tǒng) 的設(shè)計和控制參數(shù)的整定等問題 4 2 數(shù)字 PID 算法 在連續(xù)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中 通常采用如圖l 所示的PID 控制 其對應(yīng) 的傳遞函數(shù)表達(dá)式為 對應(yīng)的控制算法表達(dá)式為 模擬調(diào)節(jié)器很難實現(xiàn)理想的微分de t dt 而利用計算機(jī)可以實現(xiàn)式 10 所 表示的差分運算 故將式 11 稱為理想微分?jǐn)?shù)字PID 控制器 基本的數(shù)字PID 控制器一般具有以下兩種形式的算法 1 位置型算法 模擬調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動作是連續(xù)的 任何瞬間的輸出控制量u 都對應(yīng)于執(zhí)行機(jī) 構(gòu) 如調(diào)節(jié)閥 的位置 由上式可知 數(shù)字控制器的輸出控制量u k 也和閥門位 置相對應(yīng) 故稱為位置型算式 簡稱位置式 相應(yīng)的算法流程圖如圖4 2所示 由圖可以看出 因為積分作用是對一段時間內(nèi)偏差信號的累加 因此 利用 計算機(jī)實現(xiàn)位置型算法不是很方便 不僅需要占用較多的存儲單元 而且編程 也不方便 因此可以采用其改進(jìn)式一一增量型算法來實現(xiàn) PID 位置算法 控制器被控對象 r t e t u t y t 課程設(shè)計 17 圖4 2 數(shù)字PID位置型控制器示意圖 2 增量型算法 增量型算法僅僅是在算法設(shè)計上的改進(jìn) 其輸出是相對于上次控制輸出量 的增量形式 并沒有改變位置型算法的本質(zhì) 即它仍然反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置開 度 如果希望輸出控制量的增量 則必須采用具有保持位置功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 數(shù)字PID 控制器的輸出控制量通常都是通過D A 轉(zhuǎn)換器輸出的 在D A 轉(zhuǎn)換器 中將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號 4 20 mA的電流信號或0 5V 的電壓信號 然后 通過放大驅(qū)動裝置作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu) 信號作用的時間連續(xù)到下一個控制量到來 之前 因此 D A 轉(zhuǎn)換器具有零階保持器的功能 增量型算法的程序流程圖 如圖4 3 所示 PID 增值算法 控制器被控對象 t t r e t u y t 圖4 3 數(shù)字PID增值型控制器示意圖 因此又有經(jīng)典的控制理論和對PID算法 的深入了解得到PID算法的基本流程圖 4 4可為 圖4 4 PID算法的基本流程圖 4 3 電機(jī)速度的算法 本系統(tǒng)中電機(jī)速度來集是一個非常重要的部分 它的精度直接影響到整個 控制的精度 在設(shè)計中采用了光電傳感器做為測速裝置 其計算公式為 課程設(shè)計 18 v n N t 60 r min從這里可以看出速度v 的誤差主要是由困盤邊緣上的 凹槽數(shù)N的多少決定的 為了減少系統(tǒng)誤差應(yīng)盡量提高凹槽的數(shù)量 在本次設(shè) 計中取凹槽數(shù)N 為100 采樣時間t為O 5S 則速度計算具體程序流程如圖4 5 下 T 0 5s 計算 r n 60 0 5 計算 v r 0 5 60 Y N 返回 開始 圖4 5 測速程序流程圖 4 4 程序流程圖 1 鑒于對涉及系統(tǒng)的要求和面對 對象時能夠方便的使用 特在每次需 要重新的顯示時需要重新刷新一次屏 幕現(xiàn)在設(shè)計的主程序流程圖如圖 4 6 2 定時器 T0 的程序流程 圖如圖 4 7 脈沖計數(shù)t 0 5s 計算速度 PID運算 變量賦值 刷新數(shù)據(jù) T0賦值 RET1 Y N 開始 開始 初始化 清屏 設(shè)置鍵按下 設(shè)置鍵 按下 清屏 開始屏幕顯示 啟動鍵 按下 計算參數(shù) 清屏 電機(jī)運行屏幕顯示 PWM脈沖輸出 N Y N Y 圖 4 6 主程序圖 圖 4 7 定時器 T0 的流程圖 3 鍵盤程序控制流程圖 4 8 課程設(shè)計 19 延時去抖 P1口低四位置1 讀P1口低四位數(shù)據(jù)到KEYL P1口高四位置1 讀P1口高四位數(shù)據(jù)到KEYH KEYL KEYH相與為KEY KEY 0XEE KEY 0XED KEY 0XEB KEY 0XE7 KEY 0XDE KEY 0XDD KEY 0XDB KEY 0XD7 KEY 0XBD KEY 0XBE KEY 0XBB KEY 0XB7 KEY 0X7E KEY 0X7D KEY 0X7B KEY 0X77 N N N N N N N N N N N N N N 鍵0 鍵1 鍵2 鍵3 鍵4 鍵5 鍵6 鍵7 鍵8 鍵9 正 反轉(zhuǎn) 暫停 繼續(xù) 啟動 停止 設(shè)置 N N RET1 N Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 圖 4 8 鍵盤程序流程圖 課程設(shè)計 20 4 5 屏幕顯示程序流程圖 對 12864 屏幕工作的情況的簡要介紹 模塊控制芯片提供兩套控制命令 基本指令和擴(kuò)充指令如下 指令表 1 RE 0 基本指令 指令指令碼功能 指令 RSR WD7D6D5D4D3D2D1D0 清除 顯示 0000000001 將 DDRAM 填滿 20H 并且設(shè)定 DDRAM 的地址計數(shù) 器 AC 到 00H 地址 歸位 000000001X 設(shè)定 DDRAM 的地址 計數(shù)器 AC 到 00H 并且將游標(biāo) 移到開頭原點位置 這個指令不改變 DDRAM 的內(nèi)容 顯示 狀態(tài) 開 關(guān) 0000001DCB D 1 整體顯示 ONC 1 游標(biāo) ON B 1 游標(biāo)位置反白允許 進(jìn)入 點設(shè) 定 00000001I D S 指定在數(shù)據(jù)的讀取 與寫入時 設(shè)定游標(biāo) 的移動方向及指定 顯示的移位 游標(biāo) 或顯 示移 位控 制 000001S C R L XX 設(shè)定游標(biāo)的移動與 顯示的移位控制位 這個指令不改變 DDRAM 的內(nèi)容 功能 設(shè)定 00001DLXREXX DL 0 1 4 8 位數(shù) 據(jù) RE 1 擴(kuò)充指令 操作 RE 0 基本指 令操作 設(shè)定 C GRAM 地址 0001AC 5 AC 4 AC 3 AC 2 AC 1 AC 0 設(shè)定 CGRAM 地址 課程設(shè)計 21 設(shè)定 D DRAM 地址 0010AC 5 AC 4 AC 3 AC 2 AC 1 AC 0 設(shè)定 DDRAM 地址 顯示位址 第一行 80H 87H 第二行 90H 97H 讀取 忙標(biāo) 志和 地址 01BFAC 6 AC 5 AC 4 AC 3 AC 2 AC 1 AC 0 讀取忙標(biāo)志 BF 可 以確認(rèn)內(nèi)部動作是 否完成 同時可以讀 出地址計數(shù)器 AC 的值 寫數(shù) 據(jù)到 R AM 10 數(shù)據(jù) 將數(shù)據(jù) D7 D0 寫 入到內(nèi)部的 RAM DDRAM CGRAM IRAM GRAM 讀出 R AM 的 值 11 數(shù)據(jù) 從內(nèi)部 RAM 讀取數(shù) 據(jù) D7 D0 DDRAM CGRAM IRAM GRAM 指令表 2 RE 1 擴(kuò)充指令 指令指令碼功能 指令 RSR WD 7 D6D5D4D3D2D1D0 待命 模式 0000000001 進(jìn)入待命模式 執(zhí)行其他 指令都棵終止待命模式 卷動 地址 開關(guān) 開啟 000000001SR SR 1 允許輸入垂直卷 動地址 SR 0 允許輸入 IRAM 和 CGRAM 地址 反白 選擇 00000001R1R0 選擇 2 行中的任一行作 反白顯示 并可決定反 白與否 初始值 R1R0 00 第一次設(shè)定為 反白顯示 再次設(shè)定變 回正常 睡眠 模式 0000001SLXX SL 0 進(jìn)入睡眠模式 SL 1 脫離睡眠模式 擴(kuò)充 00001CLXREG0CL 0 1 4 8 位數(shù)據(jù) 課程設(shè)計 22 功能 設(shè)定 RE 1 擴(kuò)充指令操作 RE 0 基本指令操作 G 1 0 繪圖開關(guān) 設(shè)定 繪圖 R AM 地 址 001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0 設(shè)定繪圖 RAM 先設(shè)定垂 直 列 地址 AC6AC5 AC 0 再設(shè)定水平 行 地址 A C3AC2AC1AC0 將以上 16 位地址連續(xù)寫入即可 寫入數(shù)據(jù)流程圖如 4 9 初始化 循環(huán)次 數(shù)j 2 設(shè)置顯示起始頁 起始列 J j 1 i 0 寫入數(shù) 據(jù)字節(jié) 數(shù)i 16 調(diào)用寫入數(shù) 據(jù)程序 i i 1 RET1 寫入16 16漢字程序流程圖 初始化 循環(huán)次 數(shù)j 2 設(shè)置顯示起始頁 起始列 J j 1 i 0 寫入數(shù) 據(jù)字節(jié) 數(shù)i 8 調(diào)用寫入數(shù) 據(jù)程序 i i 1 RET1 寫入8 16數(shù)字 Y Y N N N Y Y N 開始 開始 圖 4 9 寫入漢字程序流程圖 4 6 系統(tǒng)的測試與分析系統(tǒng)的測試與分析 1 測試步驟 讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)K 0 實際微分系數(shù)KD 0 控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行 由小到大改變比例系數(shù)Kp讓擾動信號作階躍變化 觀察控制過程 直到獲得滿 意 的控制過程為止 取比例系數(shù)Kp 為當(dāng)前的值乘以0 83 由小到大增加積分系數(shù)Ki 同樣讓擾 動信號作階躍變化 直至求得滿意的控制過程 積分系數(shù)K 保持不變 改變比例系數(shù)Kp觀察控制過程有無改善 如有改善則 課程設(shè)計 23 繼續(xù)調(diào)整 直到滿意為止 否則 將原比例系數(shù)Kp 增大一些 再調(diào)整積分系 數(shù)K 力求改善控制過程 如此反復(fù)試湊 直到找到滿意的比例系數(shù)K p 和積 分系數(shù)Ki為止 引入適當(dāng)?shù)膶嶋H微分系數(shù)Kd的 和實際微分時間Td此時可適當(dāng)增大比例系數(shù)Kp 和積分系數(shù)Ki和前述步驟相同 微分時間的整定也需反復(fù)調(diào)整 直到控制過 程滿意為止 2 系統(tǒng)分析 1 比例環(huán)節(jié) Kp 值的邊取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度 增大Kp 能提高響應(yīng)速 度 減小穩(wěn)態(tài)誤差 但是Kp值過大會產(chǎn)生較大的超調(diào) 甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定減小Kp 可以減小超調(diào) 提高穩(wěn)定性 但Kp過小會減慢響應(yīng)速度 延長調(diào)節(jié)時間 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(qiáng)弱取決 于積分時間常數(shù)T 越大 積分作用越弱 反之則越強(qiáng) 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(diào)節(jié)時間 5 結(jié)論 本課題的目的在于利用單片機(jī)實現(xiàn)PID 算法產(chǎn)生PWM 脈沖來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 到目前為止通過對控制器模塊 電機(jī)驅(qū)動模塊 LCD 顯示棋塊 鍵盤棋塊 數(shù) 字PID 算法等進(jìn)行深入的研究 完成了硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計 并且利用Altium 軟件 繪制出PCB 圖 利用visio畫出各個程序的流程圖 歸納起來主要做了如下幾方面的工作 1 PID算法與PWM控制技術(shù)有機(jī)的結(jié) 合 2 設(shè)計了速度檢測電路 3 利用Altium對PCB板進(jìn)行繪制 根據(jù)上面論述結(jié) 合測試數(shù)據(jù)可以看出本次設(shè)計基本完成了設(shè)計任務(wù)和要求 通過此次設(shè)計 掌握了數(shù)字PID算法的使用及編程方法 學(xué)習(xí)了如何進(jìn)行系 統(tǒng)設(shè)計及相關(guān)技巧 為今后的工作和學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ) 參考文獻(xiàn) 1 孫傳友 測控系統(tǒng)原理與設(shè)計 M 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 2003 160一166 174 課程設(shè)計 24