畢業(yè)設(shè)計基于FuzzyPI控制的直流電機系統(tǒng)的研究

1、重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)論文編 號： 審定成績： 重慶郵電大學(xué)畢業(yè)論文設(shè)計（論文）題目：基于fuzzy-pi控制的直流電機系統(tǒng)的研究學(xué) 院 名 稱 ：自 動 化學(xué) 生 姓 名 ：鄧 鵬專 業(yè) ：電氣工程及其自動化班 級 ：0830905學(xué) 號 ：2009214826指 導(dǎo) 教 師 ：馮 輝 宗答辯組 負(fù)責(zé)人 ：填表時間：二一三年 五月重慶郵電大學(xué)教務(wù)處制59摘 要在當(dāng)代社會，電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，對電機的調(diào)速特性的要求就顯得特別高，同時對電機轉(zhuǎn)速的測量也提出了更高的要求。在國外，這類調(diào)速系統(tǒng)的價格是十分昂貴的；而在國內(nèi)的同類型的產(chǎn)品性能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及人家，要求也達(dá)不到一個絕

2、對穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，設(shè)計一個性能良好的直流電機調(diào)速系統(tǒng)，對于當(dāng)代的社會生產(chǎn)特別是工業(yè)方面就具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文設(shè)計了一種以stc12c5410ad單片機作為主控制器，以普通pi和模糊pi兩種控制算法來控制電機，使用霍爾傳感器進(jìn)行測量，以lcd來顯示的直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。首先對模糊pi控制作了簡單的介紹，構(gòu)建直流電機調(diào)速系統(tǒng)的模型。本系統(tǒng)采用集成霍爾傳感器敏感速率信號，具有頻率響應(yīng)快，抗干擾能力強等特點。文章介紹了霍爾傳感器的工作原理，闡述了霍爾傳感器測速系統(tǒng)的工作過程，利用脈沖計數(shù)法實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速的測量，通過lcd直觀地顯示電機的轉(zhuǎn)速值。實現(xiàn)對直流電機的良好調(diào)速性能。結(jié)合硬件電路設(shè)計，

3、采用模塊化方法進(jìn)行了軟件設(shè)計。編制了電機轉(zhuǎn)速的測量設(shè)計了測量模塊、轉(zhuǎn)速模塊、顯示模塊等的c51程序，來表明基于模糊pi控制的直流電機調(diào)速方案是可行的，并且有較好的發(fā)展前景。【關(guān)鍵詞】單片機 電機轉(zhuǎn)速測量 模糊pi 霍爾傳感器 液晶顯示 abstractin contemporary society, the motor is widely used. as production technology continues to develop and improve, we have higher requirements about the characteristics of the mot

4、or speed control, and we have higher requirements about the measurement of the motor speed, too.in other countries, this type of speed control system is very expensive. in china, the performances of the same type of product are far worse than other countries. and it is hard to reach an absolutely st

5、able state. therefore, designing a good performance dc motor speed control system has a very important practical influence to the modern society of china. this paper presents a dc motor speed measurement system which using stc12c5410ad as the main controller, using ordinary pi and fuzzy-pi two kinds

6、 algorithms to control the motor, using a hall sensor to measure, the lcd displays the dc motor speed. firstly, we make a brief introduction about fuzzy-pi, and build a dc motor speed control system model. the system uses integrated hall sensor as the measure part. it has fast frequency response, an

7、ti-interference ability and other characteristics. this paper introduces the working principle of the hall sensor, hall sensor speed system elaborated the working process, the use of pulse counting method to achieve the speed measurement, through the lcd visually display the motor speed value. to ac

8、hieve good speed performance dc motor, we combine with hardware circuit design, modular software design methods. prepared the motor speed measurement design measurement modules, speed module, display module, etc. c51 procedure, to indicate that fuzzy pi control dc motor speed control scheme is feasi

9、ble and has good prospects for development.【key words】 microcontroller motor speed measurement fuzzy pi hall sensor lcd 目 錄前 言1第一章 緒論2 第一節(jié) 引言2第二節(jié) 本章小結(jié)3第二章 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計4 第一節(jié) 常見算法簡介4第二節(jié) 模糊pi控制52.3.1 模糊pi背景介紹52.3.2 模糊pi理論分析6第三節(jié) 直流電機調(diào)速原理6第四節(jié) 無刷直流電機7第五節(jié) 本章小結(jié)8第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計.10 第一節(jié) 電路原理設(shè)計.10第二節(jié) 主要元器件介紹.11 3.2.1單

10、片機stc12c5410ad11 3.2.2顯示電路lcd1602.13 3.2.3霍爾傳感器測速模塊.183.2.4 l298驅(qū)動芯片.183.2.5 鍵盤電路.19第三節(jié) 本章小結(jié)19第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計.20第一節(jié) 軟件設(shè)計總體方案204.1.1 主程序設(shè)計總體思路.214.1.2 模糊pi.214.1.3 pwm功能配置.224.1.4 顯示程序設(shè)計23 4.1.5 中斷程序設(shè)計 244.1.6 轉(zhuǎn)速程序設(shè)計254.1.7 鍵盤設(shè)計26第二節(jié) 本章小結(jié)26第五章 結(jié)果及分析.28 第一節(jié) 結(jié)果及其分析.28第二節(jié) 本章小結(jié).30結(jié) 論.31致 謝.32參考文獻(xiàn) 33附 錄 35 前 言

11、隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，大家以及整個社會對自動化的需求也是越來越高，依賴性也是越來越強。其中控制算法就是集中的一個良好體現(xiàn)。pid調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)較為成熟、應(yīng)用比較廣泛的一種調(diào)節(jié)方式，其調(diào)節(jié)的實質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運算，它的運算結(jié)果用于對輸出的控制。pid控制算法在相當(dāng)多的控制領(lǐng)域的應(yīng)用中都取得了比較滿意的效果。pid控制算法的種類很多，根據(jù)其應(yīng)用場合不同，對算法的要求也有所不同。本文主要通過對主要pid算法存在的問題進(jìn)行分析并對pid控制算法進(jìn)行改進(jìn)。模糊pi調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)控制中的一種更加有效的控制方法。模糊pi控制是基于規(guī)則

12、的一種智能控制方式，它不依賴于被控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，特別適合于對具有多輸入多輸出的強耦合性、參數(shù)的時變性和嚴(yán)重的非線性與不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)的控制，控制的方法較為簡單，魯棒性更好。當(dāng)然無刷直流電動機的應(yīng)用領(lǐng)域也是在逐步的擴大。正是由于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動控制理論等方面理論和實踐知識的快速發(fā)展,無刷直流電機得到了前所未有的迅速推廣。當(dāng)無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)用于要求調(diào)速性能、控制精度等很多需求較高的場合時，比如精密電子儀器設(shè)備、深海潛水、機器人控制、航天航空設(shè)備等方面的場合時,無刷直流電機系統(tǒng)調(diào)速的快速性、穩(wěn)定性以及魯棒性就成為了衡量它們性能好壞的一些非常重要也十分關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)。 對于這個

13、畢業(yè)設(shè)計系統(tǒng)，我在分析無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了整個無刷直流電機控制系統(tǒng)的模型，采用一種新型的模糊pi控制方法，在無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流控制采用滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速的測量通過霍爾測速元件，而轉(zhuǎn)速控制通過采用普通pi控制和模糊控制相結(jié)合的方法來實現(xiàn)，通過對結(jié)果的分析來證實：這種新型的模糊pi智能控制方法響應(yīng)快、無超調(diào)、魯棒性強、抗干擾能力好，較傳統(tǒng)pi控制具有更好的動、靜態(tài)特性。第一章 緒論第一節(jié) 引言現(xiàn)代化的建設(shè)離不開機械，而機械運轉(zhuǎn)的動力很多是由電機提供的，這主要包括了直流電機和交流電機兩種，雖然交流電機的發(fā)展將最終取代直流電機，但直流電機還將在很長一段時間里一直占據(jù)

14、重要地位。直流電動機具有良好的啟動和制動性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在很多的需要調(diào)速的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電機都占有主要地位。1.1.1 直流電機調(diào)速方法 根據(jù)直流電機調(diào)速方程：右公式可知，可以通過三種方法來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速：1、 調(diào)節(jié)電樞電壓。2、 調(diào)節(jié)電樞回路電阻。3、 減弱勵磁磁通。對于要求在一定范圍呢?zé)o極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。1.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展因為直流電機調(diào)速主要采用調(diào)壓調(diào)速，電機電樞電壓需要有專門的可控盒子里電源，所以，以可控直流電源的發(fā)展可把直流電機分為三個階段：旋轉(zhuǎn)變流機組；靜止式可控整流器；直流斬波器或脈沖寬度調(diào)制變換器。20世

15、紀(jì)60年代以前官方使用的是旋轉(zhuǎn)變流機組，由交流電動機拖動直流發(fā)電機實現(xiàn)變流，給需要調(diào)速的直流電機供電，調(diào)節(jié)的勵磁電流即可改變輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。靜止式變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)最開始時時有的是閘流管整流器的離子拖動系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點，而且還大大縮短了相應(yīng)時間，但閘流管容量小，維護(hù)麻煩。到了20世紀(jì)70年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了全控型器件。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成各種脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)電路，簡稱脈寬調(diào)制變換器。雙極性控制的橋式可逆pwm變換器有以下優(yōu)點：1、 電流連續(xù)2、 可使電機在4象限運行3、 電機停止是有微震電流，能消

16、除靜摩擦死去=區(qū)。4、 低速平穩(wěn)性好。5、 低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖任然較寬，有利于保證器件的可靠性雙極性控制的橋式可逆pwm變換器在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。80年代以后，以晶閘管為功率開關(guān)器件的斬波調(diào)壓調(diào)速器以其無級、高效、節(jié)能而得到大力推廣。1.1.3直流調(diào)速系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀我國從60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，用于中、小功率的晶閘管直流調(diào)速裝置已作為標(biāo)準(zhǔn)化，系列化通用產(chǎn)品批量生產(chǎn)，用于大功率的產(chǎn)品也

17、開始在某些大型機械上應(yīng)用。晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟各部門得到廣泛的應(yīng)用。隨著各種新型控制期間的發(fā)展，直流電動機晶閘管調(diào)速系統(tǒng)除向大功率發(fā)展外，正在實現(xiàn)控制單元標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、小型化。對某些中小功率裝置，正在做到使電動機課控制設(shè)備組合一體化。國外主要電氣公司如abb公司、西門子公司、aeg公司、三菱公司等，均已開發(fā)出全數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。我國關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有：綜合性最優(yōu)控制、補償pid控制，很少將模糊控制等智能技術(shù)應(yīng)用于其中。隨著新型電力半導(dǎo)體器件mosfetigbt等的發(fā)展，開關(guān)器件具有了開關(guān)速度快、驅(qū)動簡單和可自關(guān)斷等優(yōu)點

18、，克服了晶閘管的主要缺點。我國直流調(diào)速整向前發(fā)展。第二節(jié) 本章小結(jié)本章節(jié)主要對直流電機調(diào)速系統(tǒng)做了一個簡要的介紹，包括我們常用到的一些調(diào)速方法，電機調(diào)速系統(tǒng)的整個發(fā)展的大致情況，以及就目前而言，國內(nèi)和國外的直流電機調(diào)速的一些進(jìn)步性的突破與發(fā)展情況做了一些介紹。第二章 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計該系統(tǒng)是以stc12c5410ad單片機作為主控制器，通過普通pi控制算法和模糊pi兩種控制算法來控制電機，通過比較兩種控制算法的優(yōu)劣，來體現(xiàn)模糊pi控制算法的優(yōu)越性。該系統(tǒng)是使用霍爾傳感器來對直流電機的速度進(jìn)行測量，通過lcd1602來顯示的直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用集成霍爾傳感器敏感速率信號，具有頻率

19、響應(yīng)快，抗干擾能力強等特點。結(jié)合硬件電路設(shè)計，采用模塊化方法進(jìn)行了軟件設(shè)計。編制了電機轉(zhuǎn)速的測量設(shè)計了測量模塊、轉(zhuǎn)速模塊、顯示模塊等的c51程序，來表明基于模糊pi控制的直流電機調(diào)速方案是可行的，并且有較好的發(fā)展前景。第一節(jié) pi算法在工程設(shè)計運用工程中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律是：比例、積分、微分控制，簡稱pid控制。pid控制器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便因而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。對于pid算法可以選擇的功能有：1、比例控制規(guī)律p：采用p控制規(guī)律的顯著優(yōu)點是克服擾動影響的能力比較強，它經(jīng)常用于輸出值較快，但輸出值不能夠穩(wěn)定在一個有效的數(shù)字上。雖然能有效的克服擾動的影響，

20、但往往還是會有余差出現(xiàn)。它適用于控制要求不高、控制通道滯后較小、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差、負(fù)荷變化不大的場合。  2、比例積分控制規(guī)律(pi)：在工程中，比例積分控制規(guī)律應(yīng)用往往是最為廣泛的一種控制規(guī)律。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于被控參數(shù)不允許有余差、控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、的場合。對于pid算法，可以選擇的功能有（1）加速的動態(tài)過程在這個算法之中，基于p和i的正負(fù)符合有如下的關(guān)系：相同的符號的條件是當(dāng)被控制的量一直偏離于給定值；這兩項符號相反的條件是改變給定值方向。接近到一個給定值時，積分作用就不及反號的比例作用大，從而避免了振蕩，這會起到更加有

21、效的控制。然而，被控制量的值小于給定值，p和i的作用是反向的，那么整個控制過程將會減慢很多。要加快啟動的動態(tài)過程，當(dāng)然，我們可以通過定偏差范圍v，當(dāng)偏差e（t）的絕對值小于的時候，我們就正常的調(diào)節(jié)，來縮短起步動態(tài)過程的時間。偏差e（t）的絕對值大于，調(diào)整的方向會自動的趨向去給定值的方向，也可以減少起步動態(tài)過程的時間，從而使整個動態(tài)過程得到更快的控制。（2）濾波器選擇對于該輸入，可以添加一個預(yù)過濾器，訪問的控制算法的一個給定值不發(fā)生突然的變化，但有一定的慣性變量延遲緩沖器。（3）pid增量算法飽和效應(yīng)在增量式的pid算法之中，執(zhí)行元件本身的性質(zhì)是物理的存儲性質(zhì)，遇到一些突發(fā)情況的話，pd的增量部

22、分比較大，往往超過執(zhí)行器的最大允許范圍，整個系統(tǒng)的動態(tài)過程的時間將會變得更長，那么我們?nèi)绾蝸韽浹a呢？我們可以采用累積補償法，通過累積超出額定承受能力以外的部分，把額定范圍之內(nèi)的部分執(zhí)行完之后，再著手于執(zhí)行累積起來的部分，這樣就可以彌補整個動態(tài)過程，從而使得整個動態(tài)過程的時間縮短。當(dāng)被控制對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能夠完全掌握，我們無法得到精確的數(shù)學(xué)模型，采用其他的技術(shù)就難以實現(xiàn)。如果應(yīng)用pid控制技術(shù)，就會分成方便。當(dāng)然pid控制技術(shù)也有它的不足，那就說被控對象通常要呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系，這種方法才能夠得到很好的控制。所以我們就想法在pi算法的基礎(chǔ)上加以改善，來讓系統(tǒng)得到更好的控制，那便是模糊pi控制。

23、第二節(jié) 模糊pi控制模糊pi控制是該系統(tǒng)中運用到的一種關(guān)鍵控制算法，那么到底什么是模糊pi控制算法呢？下面對模糊pi控制做一下簡單的了解。2.2.1 模糊pi背景介紹pi控制算法不但簡單，而且易于調(diào)整參數(shù)，它被廣泛地用于電機雙閉環(huán)控制，但由于該控制是線性控制pi，那么當(dāng)被控對象的非線性特性的時候，設(shè)計將不能夠保持性能，魯棒性也就不能夠達(dá)到令我們十分滿意的效果。因此，在該系統(tǒng)中，我們提出模糊pi控制速度控制回路和閉環(huán)電流控制方法從而達(dá)到令人滿意的效果。令基準(zhǔn)速度的信號和實際速度的反饋信號來做一個有效的進(jìn)行比較，把他們所不同的圓周速度調(diào)節(jié)器的模糊輸入，輸出的基準(zhǔn)電流信號。速度控制器的輸出基準(zhǔn)電流的

24、反饋信號，比較實際的電流值的電流調(diào)節(jié)器的輸入圓周率的周期序列，形成一個pwm的邏輯控制信號的輸出信號，然后再根據(jù)換向邏輯模塊，順序控制設(shè)備來打開電源的開關(guān)，從而控制逆變器輸出電壓的振幅，采用相位電流來充分控制繞組，使逆變器的輸出電流，根據(jù)一個給定的電流變化，穩(wěn)態(tài)的靜態(tài)誤差。2.2.2 模糊pi理論分析要想更清楚的了解模糊pi控制理論，我們必須要充分的了解常規(guī)pid控制算法。因為模糊pi算法就是在普通pi控制算法的基礎(chǔ)上做適當(dāng)修正而形成的。要實現(xiàn)pid算法，必須在硬件上除了要有閉環(huán)控制以外，還得有反饋。比如控制一個電機的轉(zhuǎn)速，就得有一個測量轉(zhuǎn)速的傳感器，并將結(jié)果反饋到控制路線上，下面我以轉(zhuǎn)速控制

25、為例，對pid算法做簡要分析。 pid是比例、積分、微分控制算法的簡稱。但事實上，我們并不是同時運用這三種算法，我們經(jīng)常運用其中的兩種或者是一種。比如可以是pd,pi,甚至只有p算法控制。當(dāng)我以前開始學(xué)自動控制原理的時候，對于閉環(huán)控制的一個最樸素的想法就只有p控制，那就是把當(dāng)前結(jié)果反饋回來，與目標(biāo)量相減，為正的話，就減速，為負(fù)的話就加速。現(xiàn)在知道這只是最簡單的閉環(huán)控制算法。 3，比例(p)、積分(i)、微分(d)控制算法各有作用： 比例，反應(yīng)系統(tǒng)的基本（當(dāng)前）偏差e(t)，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定； 

26、;積分，反應(yīng)系統(tǒng)的累計偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無誤差； 微分，反映系統(tǒng)偏差信號的變化率e(t)-e(t-1)，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是微分對噪聲干擾有放大作用，加強微分對系統(tǒng)抗干擾不利。 積分和微分都不能單獨起作用，必須與比例控制配合。fuzzy-pi實際上就是在常規(guī)pid控制器的基礎(chǔ)上,應(yīng)用fuzzy建立參數(shù)kp、ki與kd同偏差絕對值|e|和偏差變化|ec|間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系:kp=f1 (|e|,|ec|)ki=f2

27、 (|e|,|ec|)kd=f3 (|e|,|ec|)。第三節(jié) 直流電機調(diào)速原理在直流電機轉(zhuǎn)速關(guān)系式中，電機速度只和電壓電流有關(guān)，我們通常都會采用改變電樞電壓的方式來對直流電機的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這里我們常用都就是pwm調(diào)速。脈沖寬度調(diào)制（pwm）是英文“pulse width modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保

28、持恒定。脈沖寬度調(diào)制（pwm）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。pwm信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(on)，要么完全無(off)。電壓或電流源是以一種通(on)或斷(off)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用pwm進(jìn)行編碼。第四節(jié) 無刷直流電機 該系統(tǒng)中的一個非常重要的部分就是無刷直流電機部分，下面就對無刷直流電機座一個簡要的介紹。無刷直流電機是同步電機的一種，也就

29、是說電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(p)影響： n=60* f / p。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子式控制(驅(qū)動器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率 并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子 維持一定的轉(zhuǎn)速。普通直流電機的磁場做定子，給轉(zhuǎn)子通電，所以必須用電刷給轉(zhuǎn)子通電。直流無刷電機正好反過來，定子做成線圈，轉(zhuǎn)子做成永磁體，靠定子磁場吸引轉(zhuǎn)子永磁體旋轉(zhuǎn)，所以不需要給轉(zhuǎn)子通電，也就不需要碳刷了。換相的時候，檢測轉(zhuǎn)

30、子位置，通過電子換向根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體地位置改變定子磁場的方向吸引永磁體旋轉(zhuǎn)。 取消了碳刷，效率高，壽命長，功率-體積比高，噪音小。但是永磁體采用稀土合金制造，成本較高，還需要額外的電子換向器控制，所以成本比直流電機更高。無刷直流電機可以想象成與刷式直流電機截然相反，其中永久磁性在轉(zhuǎn)子上，而繞線在定子上。因此，該電機沒有刷子和換向器，消除了與刷式直流電機產(chǎn)生火花相關(guān)的劣勢。 該電機被稱為直流電機，是因為其線圈通過直流電源驅(qū)動，而直流電源是按預(yù)定順序的形式應(yīng)用到不同的定子線圈。這一過程稱為換向。但是，無刷直流并不恰當(dāng)，因為該電機實際上屬于交流電機。在電路循環(huán)過程中，每個線圈中的電流正負(fù)交替。定子一般

31、是凸極結(jié)構(gòu)，旨在產(chǎn)生梯形反電動勢波形，盡可能符合所應(yīng)用的換向電壓波形。但是實際上很難做到，產(chǎn)生的反電動勢波形通常更像正弦，而非梯形。因此，pmsm 電機使用的許多控制技術(shù)（如場定向控制）同樣適用于無刷直流電機電機。 對 bldc 電機的另一個誤解是關(guān)于其如何驅(qū)動。不同于開環(huán)步進(jìn)應(yīng)用中驅(qū)動的定子線圈決定轉(zhuǎn)子位置，在 bldc 電機中，轉(zhuǎn)子位置決定要驅(qū)動哪個定子線圈。定子磁通矢量位置必須與轉(zhuǎn)子磁通矢量位置保持同步（而非相反），以使電機操作順暢。要實現(xiàn)這一目的，需要了解轉(zhuǎn)子位置來確定要驅(qū)動的定子線圈。現(xiàn)有多種技術(shù)可實現(xiàn)這一目的，但最常用的技術(shù)是使用霍爾效應(yīng)傳感器監(jiān)控轉(zhuǎn)子位置。遺憾的是，這些傳感器及其

32、相關(guān)連接器和線束會增加系統(tǒng)成本，并降低可靠性。為減少這些問題，已有多種技術(shù)開發(fā)出來用于消除這些傳感器，進(jìn)而實現(xiàn)無傳感器操作。多數(shù)技術(shù)依靠在電機旋轉(zhuǎn)時，從定子繞線的反電動勢波形中提取位置信息。但是，依靠反電動勢傳感的技術(shù)在電機旋轉(zhuǎn)緩慢或靜止時便無用武之地，因為此時反電動勢波形很弱或根本不存在。因此，我們不斷開發(fā)新技術(shù)，以在低轉(zhuǎn)速或零轉(zhuǎn)速時從其它信號中獲取轉(zhuǎn)子位置信息。 bldc 電機在效率額定值方面占絕對優(yōu)勢，一般可達(dá)到 95% 左右。當(dāng)前對新非晶合金材料的研究正在將這一數(shù)字推向新高。已有報道稱 100w 范圍內(nèi)效率為 96%。bldc 電機還在爭奪“世界最快電機”之稱，部分電機速度可達(dá)到數(shù)十萬

33、 rpm（其中一項應(yīng)用中已報道 400k rpm）最常用的 bldc 電機拓?fù)涫褂?3 相定子結(jié)構(gòu)。因此，標(biāo)準(zhǔn)的 6 晶體管反向器是最常用的功率級，根據(jù)運行要求（含傳感器與 無傳感器、換向與 正弦、pwm 與 svm 等），有很多方法可驅(qū)動晶體管來達(dá)到所需目標(biāo)，不勝枚舉。這對一般位于微處理器中的 pwm 發(fā)生器的靈活性提出了極高要求。第五節(jié) 本章小結(jié)本章節(jié)著重對直流電機調(diào)速整個系統(tǒng)中運用到的控制算法以及被控對象做簡要的介紹，其中包括了以下幾個部分：常用的一些算法（pi控制算法），模糊pid控制的原理，無刷直流電機工作的相關(guān)原理，了解他們的具體控制算法和被控對象的原理有助于我們來實現(xiàn)讓整個系統(tǒng)得

34、到改善的。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計第一節(jié) 調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計圖2.1中所示的是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的框圖。這個系統(tǒng)是基于stc12c5410ad單片機組成的閉環(huán)實時控制系統(tǒng)的核心，是一個典型的直接數(shù)字控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的速度，速度顯示，并能夠進(jìn)行精確的速度控制?；魻柛咚俨蓸与娐樊a(chǎn)生一個外部中斷是通過發(fā)送脈沖計數(shù)器計數(shù)速度來計算。此速度值與預(yù)置的速度值進(jìn)行比較，所不同的是通過mcu之間的差異進(jìn)行pi運算，得到的控制增量，那么mcu輸出的控制參數(shù)，由pwm電路改變電機兩端的有效電壓，最終達(dá)到速度控制的目的。由pwm波形發(fā)生器和放大器電路的pwm控制器。系統(tǒng)的一部分使用定時器的速度t0，stc

35、12c5410自己ad降低了軟件任務(wù)，從而提高了整個系統(tǒng)的實時控制。 scm提供的控制參數(shù)，改變脈沖的占空比，頻率控制電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。pwm波輸出負(fù)載容量太小，不能直接驅(qū)動電機，所以我們用一個脈沖寬度調(diào)制放大器ln298。圖2.1電機調(diào)速系統(tǒng)框圖第二節(jié) 主要元器件介紹在整個直流電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件中，我們用到的幾個主要的元器件有以下元器件。3.2.1 單片機stc12c5410adstc12c5410單片機所產(chǎn)生的宏觀技術(shù)的單時鐘/機器周期（1t）8051兼容微控制器核心。他是更加先進(jìn)的單片機，它的工作條件和特點有：1。 512字節(jié)的片上ram2。電壓：5.5v-3.4v3。時鐘源：外部高精度

36、晶體/時鐘，內(nèi)部r / c振蕩器4。 spi同步通信口，主模式/從模式5?？撮T狗6。工作溫度范圍:0-75/ -40 - +857。 （4位）pwm / pca（可編程計數(shù)器陣列），也可用于實現(xiàn)四個定時器8。 eprom功能9。 adc，10位分辨率的adc，共8個10。頻率范圍:0-35mhz時4。應(yīng)用空間最大12k字節(jié)11。內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路12。兩個16位定時器/計數(shù)器13。通用異步串行口（uart）14。包含了幾乎所有必要的控制單元模塊，可以看作是在一個芯片上的系統(tǒng)（soc），可以很容易地構(gòu)成了一個典型的控制系統(tǒng)。1、stc12系列單片機的典型結(jié)構(gòu) stc12系

37、列單片機是一個宏觀晶體技術(shù)公司的新的低功耗16位閃存微控制器，其16個中斷，高效的尋址模式，10k大容量閃存，eeprom，a / d轉(zhuǎn)換，硬件乘法器，硬件脈沖寬度調(diào)制控制器（pwm）和其他功能，stc 還是比較強悍的。 60k的 rom， 1k 的 ram 。定時器有 4個。有 10位a/d 。有硬件 pwm 速度也比51系列的單片機有很大幅度的 提高 。 i/0也可以選擇 好幾種工作狀態(tài)，還有就是便宜供貨穩(wěn)定。在線stc12c5412ad10k的容量，是我們在做設(shè)計的時候所需要用到的。2、基本配置 stc12c5412ad單片機除了具有stc12一系列單片它們整體都具有的一些普遍

38、特點外，當(dāng)然，它還有它自己獨有的關(guān)鍵性的一些特點，下面我就對stc12c5412ad單片機的一些基本配置做一下簡單的介紹: 首先是：（1）、flash存儲器 對于單片機來說,你通過外接flash,單片機也一樣可以執(zhí)行外部flash的程序.就看你硬件的設(shè)計了.而有的單片機的內(nèi)部flash也可當(dāng)做eeprom用. stc12c5412ad的flash儲存的大小為l0kb。存儲程序是它的主要功能，下載程序的方式是通過計算機串行接口來實現(xiàn)的，如果程序正在運行的時間段或在進(jìn)行段擦除或者寫的操作，那么這兩個數(shù)據(jù)的存儲能力是同時具備的。閃存的作用體現(xiàn)在很多方面如：1、當(dāng)電源突然斷電，可以

39、起到保護(hù)電路的作用；2、它也可以起到保存程序數(shù)據(jù)的作用，3、我們可以按字或字節(jié)來讀取閃存里面的內(nèi)容。其次是：（2）、脈寬調(diào)節(jié)模式(pwm) stc單片機和51單片機基本上差不多，如果要輸出pwm波進(jìn)行電機調(diào)速的話，可以用兩個定時器產(chǎn)生可變占空比可變周期的pwm波來驅(qū)動主電路定時器1用來控制pwm波的周期定時器2用來控制pwm波的占空比在定時中斷中改變輸出的電平就可產(chǎn)生需要的pwm波可用于所有的pca模塊pmw輸出。輸出頻率取決于pca定時器的時鐘源。由于所有模塊共享pca定時器，所有它們的輸出頻率。stc12c5410ad作為pwm輸出的，直接按照文檔配置相應(yīng)的寄存器就可以了啊。輸出

40、口是固定的pin，在手冊上標(biāo)明為pwmx的就是，x為相應(yīng)的pwm的通道，我用的有4通道，也就是pwm0,pwm1,pwm2,pwm3除此之外還有：（3）、i/o口工作類型設(shè)置 stc12c5412ad的i / o引腳一共有多種，我用的是24個的，其i / o與傳統(tǒng)的i / o是不同的，每個i / o端口可以通過軟件設(shè)置成4種類型的工作，使嘴和通用i / o口的功能重用。 4種類型分別是：漏極開路輸出，僅為輸入（高阻抗），推挽輸出，和準(zhǔn)雙向口（標(biāo)準(zhǔn)8051輸出模式）。為了提高了港口的功能和靈活性，我們可以在對相同的i / o口進(jìn)行操作，再選擇其對應(yīng)要它實現(xiàn)的功能。當(dāng)然，除此之外，這些i

41、 / o端口還可以用一種特殊的模塊stc12c5410ad組合來完成更復(fù)雜的工作。為了可以實現(xiàn)與a / d模塊結(jié)合實現(xiàn)a / d轉(zhuǎn)換，我們可以通過加上捕獲比較模塊的串行通信。此外，stc12c5410ad i / o端口有非常突出的電氣特性，那便是，絕大多數(shù)的i / o口的驅(qū)動能力6毫安，普通的液晶，蜂鳴器都可以直接驅(qū)動，而不需要再添加額外的輔助電路。為了可以方便地與外圍設(shè)備進(jìn)行有效的快速的連接，在很多的端口上都集成內(nèi)部設(shè)置了上拉電阻器來實現(xiàn)這一目標(biāo)。下面就準(zhǔn)雙向口輸出配置做分析：準(zhǔn)雙向口輸出配置標(biāo)準(zhǔn)的話，想寫就寫，想讀就讀，但51單片機的i/o口如果要讀必須先寫1才可以，就因為這個條件在這里

42、，所以稱為“準(zhǔn)”雙向口。準(zhǔn)雙向口輸出類型，由于當(dāng)口線輸出一個為1時驅(qū)動能力很弱的原因，就會推倒允許外部裝置，我們完全可以不用重新配置端口輸出狀態(tài)，可以作為輸入和輸出。然而當(dāng)輸出為低，它的驅(qū)動能力很強，電流就會變得非常大。3個上拉晶體在準(zhǔn)雙向口中就會為不同的需要提供作用。有一個被稱為“弱”上拉的上拉晶體管是三個上拉晶體管中的其中一個，當(dāng)端口寄存器是1和引腳本身也是開放1:00。那么這個上拉提供準(zhǔn)雙向輸出電流的主要來源就是來自于1。如果一個引腳是由一個外部設(shè)備的產(chǎn)量下降，低，弱上拉和“極弱上拉”的體上，為了是外部設(shè)備有足夠的電流能力使得腳電壓低于閾值電壓，可以通過以強拉該引腳為低的方法來實現(xiàn)該過程

43、。（4）、 ad模數(shù)轉(zhuǎn)換寄存器 stc12c5412ad單片機的p1口（p1.7-p1.0），8通道10位高速a/ d轉(zhuǎn)換器，stc12c5410ad系列12位精度的a / d轉(zhuǎn)換，速度可以達(dá)到100khz的a / d轉(zhuǎn)換端口。 8電壓輸入型a / d的功能有很多，可完成頻譜檢測，溫度檢測，按鍵掃描，電池電壓檢測。在上電復(fù)位p1口是弱上拉輸入a / d端口的i / o端口，可通過軟件設(shè)置，在任何路8路a / d轉(zhuǎn)換，而不可以繼續(xù)使用作為i / o端口使用。通過這種方式，a / d轉(zhuǎn)換和i / o端口，可靈活使用，節(jié)省了時間和軟件。 3.2.2 顯示電路lcd160

44、2對于液晶顯示器，其實我們大家并不陌生，相對于數(shù)碼管來說，它顯示的東西更多更豐富，在很多常見的電子儀器設(shè)備中，我們都可以看到它的影子。當(dāng)然，在于單片機之間的通信之間，我們會通過以下幾種方式來將此應(yīng)用： led數(shù)碼管，液晶顯示器。液晶顯示屏的顯示品質(zhì)相對而言會比較高，之所以會比較高的原因是因為在液晶顯示器上的每個單位點上接收到的信號一直保持一種固定的色彩和亮度，而不像普通陰極射線管顯示器（crt）那樣，需要不斷地一遍又一遍地刷新使之得到顯示。因此，液晶顯示器的質(zhì)量非常高。第二，液晶顯示器會讓數(shù)字，微處理器系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作也會變得更加的方便。第三，顯示面積比同樣的傳統(tǒng)顯示器要輕得多，那

45、是因為狀態(tài)的液晶顯示是通過顯示器上的液晶分子的電極來實現(xiàn)的，讓顯示的內(nèi)容更加豐富。與此同時，相對于其他的普通顯示器而言，其內(nèi)部的電極和驅(qū)動器ic才是液晶顯示器的功耗主要消耗場所，因此它會更加有效，效率更高，消耗更小。1、液晶顯示原理物理性能的液晶是液晶顯示所采用的的液晶，它的具體原理是用一個電壓來控制其顯示區(qū)域，其中示出一個電信號的，從而讓需要顯示的內(nèi)容得到顯示。液晶顯示裝置的特點有很多，比如：適用性廣，它適用于直接驅(qū)動大規(guī)模的基礎(chǔ)電路，材料輕便，薄是它的另一個主要的特征，當(dāng)然，它顯示的畫面也可以非常多元化，色彩豐富絢麗。（1）、線段的顯示由液晶顯示器（lcd）的單位的m×n個圖象的

46、形式，假設(shè)lcd顯示器有64行，每128，每一個對應(yīng)于一個8字節(jié)的8，它由每行16字節(jié)，共16×8= 128點，64×16在屏幕上的顯示部分和顯示出來的ram區(qū)與1024個字節(jié)相對應(yīng)，顯示屏上的位置相對應(yīng)的亮與暗是源于每個字節(jié)的內(nèi)容的值來控制。舉例說明：ram000h - 00fh16字節(jié)的內(nèi)容就決定了在液晶顯示屏幕上第一行的區(qū)域。（2）、字符的顯示要想在液晶顯示屏幕上顯示出一個字符來，其實是一個相對而言比較復(fù)雜的過程，為撒這樣子說呢？其原因就是要從8×8點陣中去找到并顯示在液晶顯示屏幕上的顯示區(qū)所對應(yīng)的數(shù)字，但也讓每個wordthe部分字符不同的位是“0”， “

47、1”，. “0”表示的是不亮，“1”表示的是亮通過這樣的規(guī)定一下亮另一些不亮，從而來構(gòu)成一個我們想要它顯示的字符。（3）、漢字的顯示要想在液晶顯示器上顯示一個漢字，就要用到顯示中國常用字顯卡，預(yù)裝顯示中國漢字點陣碼（字模提取軟件）從電腦中提取，每個字符占32b，分為左，右兩半，每16b，左邊是1,35.正確的顯示中文字符可以找出顯示ram的地址對應(yīng)2,4,6.根據(jù)數(shù)量的行和列，每行的列的數(shù)目，在lcd顯示器上，光標(biāo)的建立，發(fā)送的的第一字節(jié)，光標(biāo)在地址上的逐步增加.得到一個完整的中文字符，直到32b被顯示在液晶顯示屏上。2、1602字符型lcd簡介所謂字符型液晶，就是用于顯示模塊是一個用來顯示數(shù)

48、字，特殊符號，字母等與字符型相關(guān)的液晶顯示.那么字符型常用到的模塊是相對而言比較多樣的一種顯示，常用16*1,16*2,20*40*2行2等模塊。3、lcd1602的參數(shù)及引腳lcd1602分為背光和無背光兩種，大多數(shù)基本控制器hd44780，比較背光無背光厚，帶或不帶背光中的應(yīng)用并沒有什么區(qū)別.lcd1602主要參數(shù)： 顯示容量：16×2個字符； 芯片工作電壓：4.55.5v； 工作電流：2.0ma(5.0v)； 模塊最佳工作電壓：5.0v； 字符尺寸：2.95×4.35(w×h)mm。引腳功能說明：lcd1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口

49、，各引腳接口說明如表2.2.1所示：表2.2.1 lcd1602引腳接口說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1vss電源地9d2數(shù)據(jù)2vdd電源正極10d3數(shù)據(jù)3vl液晶顯示偏壓11d4數(shù)據(jù)4rs數(shù)據(jù)/命令選擇12d5數(shù)據(jù)5r/w讀/寫選擇13d6數(shù)據(jù)6e使能信號1d7數(shù)據(jù)7d0數(shù)據(jù)15bla背光源正極8d1數(shù)據(jù)16blk背光源負(fù)極第1腳：vss為地電源。2腳：vdd5v電源正極相連。接地針3：vl液晶顯示器的對比度調(diào)整的結(jié)束，連接到正電源最弱的對比度，最高的對比度，對比度過高會產(chǎn)生“鬼影”，使用時，通過一個10k的電位器來調(diào)整對比度。4腳：rs為寄存器選擇，選擇高數(shù)據(jù)寄存器，指令寄存器低。5

50、腳：r / w為讀寫信號線，高讀，寫操作低。當(dāng)rs和r / w為低，可共同書面指示或顯示的地址，當(dāng)rs低r / w為高忙信號，當(dāng)rs高r / w為低數(shù)據(jù)可以寫入可以讀取。引腳6：e端子使能端，當(dāng)e端由高電平跳變低時，液晶模塊執(zhí)行命令。714腳：d0到d7為8位雙向數(shù)據(jù)線。15腳：背光燈的正極。16腳：背光負(fù)。4、lcd1602的指令說明及時序1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表2.2.2所示：表2.2.2 控制指令表序號指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001i/ds4顯示開/關(guān)控制00

51、00001dcb5光標(biāo)或字符移位000001s/cr/l*6置功能00001dlnf*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志或地址01bf計數(shù)器地址10寫數(shù)到cgram或ddram）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從cgram或ddram讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容1602液晶顯示模塊的讀寫操作，屏幕和光標(biāo)的操作都是通過編程指令來實現(xiàn)。（注：高，低）說明1：顯示清晰，腳本01h，光標(biāo)位置復(fù)位到地址00h。說明2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00h。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置i/ d：移動光標(biāo)方向，高層次的右，低的左：所有的文字在屏幕上向左或向右。高表示

52、低電平有效無效。說明4：開關(guān)控制。 d：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低代表性關(guān)閉顯示器c：控制光標(biāo)和關(guān)閉，高表示光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)b：控制光標(biāo)閃爍，閃爍的低不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位s/ c：高移動文本，將光標(biāo)移到低。指令6：功能設(shè)置命令dl：高四個總線低8位巴士n：低單行顯示，高兩行顯示f：低5x7點陣字符顯示，高點陣顯示5×10字符。指令7：字符發(fā)生器ram地址設(shè)置。指令8：ddram地址設(shè)置。說明9：讀忙信號和光標(biāo)地址bf：忙旗高表示忙，模塊不能接收命令或數(shù)據(jù)，如果低電平表示忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。11指令：讀取數(shù)據(jù)。5、lcd1602的ram地址映射下圖是l

53、cd1602的內(nèi)部顯示地址圖2.2.1 lcd1602內(nèi)部顯示地址例如，第二行的第二個字符的地址是41h，41h，所以如果你能直接寫在第二行的第一個字符的位置，將光標(biāo)定位？不這樣做，因為寫入顯示地址msb d7需要一個恒定的高，所以在實際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000001b（41h）千萬b（80h）=11000000b（c0h）。首當(dāng)其沖的是當(dāng)我們在對lcd1602模塊的初始化中來設(shè)置顯示模式的要求，液晶顯示模塊上的字符光標(biāo)就會自動地向右開始移動。只有當(dāng)我們在輸入命令的時候才能去判斷每個lcd模塊是否都是處于一種比較忙碌的可控狀態(tài)。3.2.3 霍爾元件的測速模塊霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體晶片上，其長度為l，寬度為b，厚度為d，當(dāng)它被放置在該磁場的磁感應(yīng)強度b，如果其中的相對側(cè)傳遞