基于51單片機(jī)的閉環(huán)控制附帶源程序文件

1、電氣技術(shù)研究生課程設(shè)計報告題 目 基于 51 單片機(jī)的直流電機(jī) PID 調(diào)速系統(tǒng)學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院專業(yè)班級車輛工程學(xué)號3學(xué)生木飛指導(dǎo)教師完成日期2017 年 01 月 12 日1 引言1.1 研究對象介紹1.2 選題的目的和意義直流電動機(jī)具有良好的起動、 制動性能， 宜于在大圍平滑調(diào)速， 在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 從控制的角度來看， 直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 早期直流電 動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)， 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(fù)雜， 功能單一， 而且系統(tǒng)非常不靈活、 調(diào)試?yán)щy， 阻礙了直流

2、電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 和應(yīng)用圍的推廣。2 設(shè)計原理、方法及概述2.1 設(shè)計原理及方法直流電動機(jī)根據(jù)勵磁方式不同，直流電動機(jī)分為自勵和他勵兩 種類型。不同勵磁方式的直流電動機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。 但是對 于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式： n=U/Cc -TR/CrCc其中：U電壓； R勵磁繞組本身的電阻； 每極磁通 (Wb)；Cc電勢常數(shù)； Cr轉(zhuǎn)矩常量。由上式可知， 直流電機(jī)的速度控制既可采用電樞控制 法，改變電樞回路電阻，也可采用磁場控制法。對于要求在一定圍無 級平滑調(diào)速系統(tǒng)來說， 以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。 改變電阻 只能是有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但是調(diào)速圍不大，往 往只

3、是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小圍的減弱升速。 因此，自動控制的直流調(diào)速往往以變壓調(diào)速為主。本文主要研究了利用 MCS-51系列單片機(jī)，通過 PWM方式控制 直流電機(jī)調(diào)速的方法。 PWM控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng) 好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式， 也是人們研究 的熱點。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限， 結(jié)合 現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為 PWM控制技術(shù) 發(fā)展的主要方向之一。2.2 設(shè)計總概述以直流電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)， 實現(xiàn)對直流電動機(jī)的平滑調(diào)速， 并通過單 片機(jī)控制速度的

4、變化。 本文所研究的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由硬件 和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，它 主要為軟件提供程序運行的平臺。 而軟件部分， 是對硬件端口所體現(xiàn) 的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功 能，達(dá)到控制器自動對電機(jī)速度的有效控制。 但是此設(shè)計中電機(jī)只需 要正轉(zhuǎn)，所以相對來說簡單點。3 硬件設(shè)計3.1 8051 單片機(jī)簡介AT89C52是一個低電壓，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù) 存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存

5、儲技術(shù)生 產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令系統(tǒng)，片置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元， AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AT89C52有 40個引腳， 32個外部雙向輸入 / 輸出(I/O) 端口，同 時含 2個外中斷口， 3個 16位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通 信口， 2 個讀寫口線， AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以 在線編程。 其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起， 特別是 可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。部分功能如下：1) 8kB可反復(fù)擦寫 (大于 1000次)Flash ROM;2) 32 個雙

6、向 I/O 口;3) 256x8bit 部 RAM;4) 3 個 16 位可編程定時 / 計數(shù)器中斷 ;5) 時鐘頻率 0-24MHz;6) 2個串行中斷，可編程 UART串行通道 ;（7）2個外部中斷源，共 8 個中斷源 ;（8） 2 個讀寫中斷口線， 3 級加密位 ;3.2 直流電機(jī)設(shè)計中采用直流電機(jī)， 自帶高精度的磁編碼器， 性能介紹如圖一所示，接線說明如圖二所示：性能介紹圖一接線圖二3.3 L298N恒壓恒流橋式 2A驅(qū)動芯片 L298N，簡稱 H橋。 L298是 SGS公司 的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。 可

7、以方便的驅(qū)動兩個直流電機(jī)， 或一個兩相步進(jìn) 電機(jī)。L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)， 也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)， 輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直 接用單片機(jī)的 IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯電平信號 VSS，VSS可接 457 V 電壓。 4 腳 VS接電源電壓， VS電壓圍 VIH 為 2546 V。輸出電 流可達(dá) 25 A ，可驅(qū)動電感性負(fù)載。 1腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別 單獨引出以便接入電流采樣電阻， 形成電流傳感信號。 L298 可驅(qū)動 2 個電動機(jī)， OUT1，OUT2和 OUT3，OUT4之間可

8、分別接電動機(jī)，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。 5，7，10， 12 腳接輸入控制電平， 控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 EnA，EnB接控制使能端， 控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。 L298 芯片驅(qū)動電路圖如下：圖 1 L298 芯片驅(qū)動電路圖3.4 系統(tǒng)總體電路圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件， 電位器和顯示器是用來實現(xiàn) 人機(jī)交換功能，其過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中， 并且通過控制器顯示到顯示器上。 在運行過程中控制器產(chǎn)生 PWM脈沖 送到電機(jī)驅(qū)動電路中， 經(jīng)過放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速， 同時利用速度 檢測模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中， 控制器經(jīng)過數(shù)字 PID 運算后改 變 PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機(jī)

9、轉(zhuǎn)速實時控制的目的。圖 1 系統(tǒng)方案框圖4 軟件設(shè)計4.1 PID 算法PI 調(diào)節(jié)器是電力拖動自動控制中最常用的的一種，在微機(jī)數(shù)字 控制系統(tǒng)中， 當(dāng)采樣頻率足夠高時， 可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè) 計，然后再離散化，得到數(shù)字控制器的算法。PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)如 4.1 式所示：WPI (s) Kp s 1(4.1 )若輸入誤差函數(shù)為 e(t), 輸出函數(shù)為 u(t), 則 e(t) 和 u(t) 的關(guān)系時域表達(dá)式可寫成 ：u(t) Kpe(t) Ki e(t)dt(4.2 )式子中 K p 為比例系數(shù)， Ki 1 為比例系數(shù)。將式 4.2 轉(zhuǎn)化為差分方程，得到數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器的表達(dá)式，其第

10、 k 拍 k輸出為 ：u(k) Kpe(k) KiTsam e(i)(4.3 )i1式中 Tsam 為采樣周期。 增量式算法只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計算出輸出值。 增量式 PI 調(diào)節(jié)器算法為： u(k) u(k 1) Kpe(k) e(k 1) KiTsame(k) (4.4 )在控制系統(tǒng)中，常需要對調(diào)節(jié)器的輸出實施限幅。在數(shù)字控制 算法中，要對 u 限幅，只需要在程序中設(shè)置限幅值。不考慮限幅時， 位置式和增量式兩種算法完全等同，考慮限幅時，則兩者略有差異。 增量式 PI 調(diào)節(jié)器算法只需要輸出限幅，而位置式算法必須同時設(shè)置 積分限幅和輸出限幅。若沒有積分限幅，積分項可能很大，將產(chǎn)生較 大

11、的退飽和超調(diào)。算法模塊如下 ：int e=0,e1=0,e2=0;float uk=0,uk1=0.0,duk=0.0;/PID 輸出值float kp=5,ki=1.5,kd=0.9;/PID 控制系數(shù) 上面是初始化部分void PIDControl() /PID 偏差計算e=temp-num;/ 變量 temp 是 AD 采集過來的值， num是通過 M法測出點值duk=(kp*(e-e1)+ki*e+kd*(e-2e1+e2)uk=uk1+duk;out=(int)uk;if(out250)out=100;else if(out=20) /1s 鐘讀取一次轉(zhuǎn)速 ( 2*60ms) EX0

12、 = 0;TR0 = 0; num=Inlpuse; / 計算轉(zhuǎn)速Inlpuse=0;PIDControl();/ 100ms 控制一次Inlpuse=0;EX0 = 1;TR0 = 1;4.3 參數(shù)設(shè)定在程序中修改 PID 調(diào)節(jié)算法中的比例系列、積分系數(shù)和微分系 數(shù)可以得到不同特性的轉(zhuǎn)速曲線。 參數(shù)改變， 轉(zhuǎn)速響應(yīng)的超調(diào)量和調(diào) 整時間發(fā)生變化。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性是一對矛盾， 因此我們必須 選擇一個合適的 PI 參數(shù)。在調(diào)試過程中，當(dāng)令 kp =5、ki =1.5 、kd=0.9 時系統(tǒng)的快速性 和穩(wěn)定性達(dá)到最佳狀態(tài)。4.4 電位器的 AD 采集模塊AD 采集模塊利用是我是直接調(diào)用了開發(fā)板

13、里面的程序，這個 模塊可以也可以自己制作。我用的 XPT2046是一款 4 線制電阻式觸 摸屏控制器，含 12位分辨率 125KHz轉(zhuǎn)換速率逐步逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器。 此芯片支持從 1.5V到 5.2V的低電壓 I/O 接口。 XPT2046能通過執(zhí)行 兩次 A/D 轉(zhuǎn)換查出被按屏幕位置， 除此之外， 還可以測量加在觸摸屏 上的壓力。主要特性如下：1）工 作電壓圍為 1.5V到 5.25V2）支 持 1.5V-5.25V的數(shù)字 I/O 口（3）建 2.5V 參考電壓（ 4）建結(jié)溫測量功能（5）觸摸壓力測量，具有自動省電功能（6）采用 3線制 SPI通信接口 程序見最后的程序清單。5 課題總結(jié)

14、從課題選定開始，先是看了一遍課本以及網(wǎng)上找了對應(yīng)的論文， 然后看了老師發(fā)的試驗資料以及各個元器件的原理和用法， 最后把硬 件焊接起來，然后想如何測測速，如何給定，如何用 PID 進(jìn)行控制， 最后如何通過 PID 去控制 PWM的占空比。在調(diào)試的過程中遇到一個很 簡單和致命的問題， 就是我用的開發(fā)板和 L298N開始的時候沒有共接 地導(dǎo)致調(diào)速一直失敗， 最后通過用示波器觀測 PWM輸出的波形發(fā)現(xiàn)了 問題，當(dāng)真正的實現(xiàn)調(diào)速的時候感覺很好， 終于通過自己的努力完成 了一項有點技術(shù)含量的事情。繼續(xù)加油。全部程序如下：對于程序，每個讀者的 I/0 口或者用的 ad 采集 方式不一樣，程序可能不同， 但是

15、解決閉環(huán)問題的核心是讀取給定值 用 AD 轉(zhuǎn)換，讀取測速值用外部中斷和定時器中段， PWM輸出也用一 個定時器。#includereg51.h#includeXPT2046.h/- 定義使用的 IO-/#define GPIO_DIG P0sbit PWM=P10;int e=0,e1=0,e2=0;/PID 偏float uk=0,uk1=0.0,duk=0.0;/PID 輸出值float kp=5,ki=1.5,kd=0.9;/PID控制系數(shù)int out=0;sbit IN2=P11;/- 定義一個全局變量 -/unsigned int value,timer1;uint num;uin

16、t Inlpuse=0,num=0;/ 脈沖計數(shù)單元uint temp,count,temp1;unsigned int time=0;sbit zhongduan=P32;sbit LSA=P22;sbit LSB=P23;sbit LSC=P24;/- 定義全局變量 -/ unsigned char code DIG_CODE17= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/0 、1、2、3、4、5、6、7、 8、9、A、b、C、d、E、F 的顯示碼uchar Disp

17、layData8;/用來存放要顯示的 8 位數(shù)的值void DigDisplay(void);void PIDControl() /PID偏差計算e=temp-num; duk=(kp*(e-e1)+ki*e+kd*(e-2e1+e2)uk=uk1+duk;out=(int)uk;if(out250)out=100;else if(out5; /temp 的變化圍在 0-250 之間void DigDisplay(void)unsigned char i;unsigned int j;DisplayData7=DIG_CODEnum%10000/1000;DisplayData6=DIG_CO

18、DEnum%1000/100;DisplayData5=DIG_CODEnum%100/10;DisplayData4=DIG_CODEnum%10/1;DisplayData3=DIG_CODEtemp%10000/1000;DisplayData2=DIG_CODEtemp%1000/100;DisplayData1=DIG_CODEtemp%100/10;DisplayData0=DIG_CODEtemp%10/1;for(i=0;i=20) /1s 鐘讀取一次轉(zhuǎn)速 ( 2*60ms) EX0 = 0;TR0 = 0; num=Inlpuse; / 計算轉(zhuǎn)速Inlpuse=0;PIDCo

19、ntrol();/ 100ms 控制一次 Inlpuse=0;EX0 = 1;TR0 = 1;void T1_time() interrupt 3/計時 100us*100=10ms=100Hzcount1+;if(count1 = 100) count1 = 0;/ 占空比if(count1 value) pwm = 1; else pwm = 0;void SystemInit()TMOD = 0x21; 工作方式 2( 自動重裝初值 )TH0 = 0x3c;TL0 = 0xb0;TH1 = 0x9c;TL1 = 0x9c;EA = 1;ET0 = 1;ET1 = 1;EX0 = 1;IT

20、0 = 1;TR1 = 1;TR0 = 1; / 設(shè)定時器 0 為工作方式/ 設(shè)定 50ms 一次中斷/ 設(shè)定 100us 一次中斷/ 開總中斷/ 開定時器 0 中斷/ 開定時器 1 中斷/ 開外部中斷 0/ 啟動下降沿觸發(fā)有效/ 啟動定時器 1/ 啟動定時器 01, 定時器 1 為void main()SystemInit(); while(1) DigDisplay();spi 通信方式，AD 采集模塊：（這一部分程序只是 AD 采集模塊，用的芯片是 XPT2046，用 最后改變電位器可以改變 temp 的值，這部分程序讀者可以自己解決， ） #ifndef_XPT2046_H_#define _XPT2046_H_ /- 包含頭文件 -/ #include#include /- 重定義關(guān)鍵詞 -/#ifndef uchar#define uchar unsigned char #endif#ifndef uint#define uint unsigned int #endif #ifndef ulong#define ulong unsigned long #endif/- 定義使用的 IO 口 -