[畢業(yè)設(shè)計(jì)]基于單片機(jī)和PID算法的直流電機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)(原創(chuàng))

1、湖南電子電氣網(wǎng) 1 摘要在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制占有至關(guān)重要的作用，其控制算法和手段有很多，模擬PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，并且參數(shù)整定方便，能夠滿足一般控制的要求，但由于在模擬 PID 控制系統(tǒng)中，參數(shù)一旦整定好后，在整個(gè)控制過(guò)程中都是固定不變的，而在實(shí)際中，由于現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)參數(shù)、溫度等條件發(fā)生變化，使系統(tǒng)很難達(dá)到最佳的控制效果，因此采用模擬 PID 控制器難以獲得滿意的控制效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能控制理論的發(fā)展，數(shù)字 PID 技術(shù)漸漸發(fā)展起來(lái)，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模擬 PID 所完成的控制任務(wù)，而且具備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用面越來(lái)越廣。電

2、子畢業(yè)設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)以上面提到的數(shù)字 PID 為基本控制算法，以 AT89S51 單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字 PID 算法控制的 PWM 脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時(shí)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，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采 12864LCD 顯示器作為顯示部件，通過(guò) 44 鍵盤設(shè)置 P、I、D、V 四個(gè)參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動(dòng)后可以通過(guò)顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間。該系統(tǒng)控制精度高，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。關(guān)鍵詞：數(shù)字 PID；PWM 脈沖；占空比；無(wú)靜差調(diào)節(jié)湖南電子電氣網(wǎng) 2Abstract In the motion co

3、ntrol system,the control of electromotors rotate speed is of great importance,there are a lot of speed control arithmetics and methods ,the analog PID control is one of the earliest developed control policies which has formed typical structure ,its parametric setting is convenient and its easy to me

4、et normal controls demand,but as the whole control process is fixed once the parameter has been set while practically the changes of those conditions like the system parameters and temperature of the environment prohibit the system from reaching its best control effect,so the analog PID controller b

5、arely has satisfied effect.With the development of computer technology and intelligent control theory ,the digital PID technology is thriving which can achieve the analog PIDs control tasks and consists of many advantages like flexible control arithmetics and high reliability,it is widely used now.

6、This design is based on the digital PID mentioned above as basic control arithmetic and AT89S51 SCM as control core,the system produces PWM impulse whose duty ratio is controlled by digital PID arithmetic to make sure the running of direct current machines rotate speed.Meanwhile,the design uses phot

7、oelectric sensor to transduce the electromotor speed into impulse frequency and feed it back to SCM,this process implements rotate speeds closed loop control to attain the purpose of rotate speeds astatic modulation.In this system, the 12864LCD is used as display unit , the 44 keyboard sets those fo

8、ur parameters P、I、D、V and obverse and reverse control,after starting up,the display unit shows the electromotors current rotate speed and runtime.The system has great control precision and anti-jamming capability. Keywords： digital PID；PWM impulse；dutyfactor；astatic modulation 前言21 世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)日新月異，科技的進(jìn)步

9、帶動(dòng)了控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已進(jìn)入高速發(fā)展的信息時(shí)代，控制技術(shù)成為當(dāng)今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應(yīng)用工程等各個(gè)領(lǐng)域。控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。其控制系統(tǒng)包括控制器傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口執(zhí)行機(jī)構(gòu)、加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量、經(jīng)過(guò)傳感器、變送器、通過(guò)輸入接口送到控制湖南電子電氣網(wǎng) 3器。不同的控制系統(tǒng)、傳感器變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器已經(jīng)很多，產(chǎn)

10、品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。受益于數(shù)十年來(lái)全球經(jīng)濟(jì)高速成長(zhǎng)所獲得的 PID 控制成果,在中國(guó)市場(chǎng)，一大批機(jī)器設(shè)備制造商正處于蓬勃發(fā)展階段，除滿足本土市場(chǎng)龐大的機(jī)器設(shè)備需求外，走向國(guó)際市場(chǎng)，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)也成為現(xiàn)實(shí)需求。在應(yīng)用方面，這種控制技術(shù)已經(jīng)滲透到了醫(yī)療、汽車制造、鐵道運(yùn)輸、航天航空、鋼鐵生產(chǎn)、物流配送、飲料生產(chǎn)等多個(gè)方面。但是由于中國(guó)科技落后，為此，我們需要更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)、掌握與應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)與解決方案，以提升設(shè)備性能、檔次與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在國(guó)外，尤其在運(yùn)動(dòng)控制及過(guò)程控制方面 PID 控制技術(shù)的應(yīng)用更是越來(lái)越廣泛和深入。隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)生活舒適性的追求將越來(lái)越高，PID 控制

11、技術(shù)作為一項(xiàng)具有發(fā)展前景和影響力的新技術(shù)，正越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的高度重視。PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制的。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方

12、式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error） 。在積分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)

13、在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。因此在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中 PID 控制技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，是機(jī)器人等高技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，它可以對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制管理，使其符合相應(yīng)的控制要求。被廣泛應(yīng)用于汽車制造、醫(yī)療、鐵道運(yùn)輸、航天航空、鋼鐵生產(chǎn)等領(lǐng)域，并受到各行各業(yè)地重視。其中電機(jī)速度的控制在運(yùn)動(dòng)控制理論中占有至關(guān)重要的作用，本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用數(shù)字 PID 算法，利用 PWM 調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)

14、電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。隨著社會(huì)的發(fā)展用戶湖南電子電氣網(wǎng) 4對(duì)其性能提出了越來(lái)越高的要求，借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能控制已經(jīng)深入到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，各種新技術(shù)的應(yīng)用也大大提高了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，高頻化、交流化和網(wǎng)絡(luò)化成為今后的發(fā)展方向。本次設(shè)計(jì)主要研究的是 PID 控制技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，縱所周知運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)最主要的控制對(duì)象是電機(jī)，在不同的生產(chǎn)過(guò)程中，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)要滿足生產(chǎn)要求，其中電機(jī)速度的控制在占有至關(guān)重要的作用，因此本次設(shè)計(jì)主要是利用 PID 控制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。其設(shè)計(jì)思路為：以 AT89S51 單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比受 PID 算法控制的 PWM 脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)直

15、流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時(shí)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(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采 12864LCD 顯示器作為顯示部件，通過(guò) 44 鍵盤設(shè)置 P、I、D、V 四個(gè)參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動(dòng)后通過(guò)顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、速度檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊。軟件部分采用 C 語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)為：可移植性強(qiáng)、算法容易實(shí)現(xiàn)、修改及調(diào)試方便、易讀等。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：（1）優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動(dòng)控制，誤差補(bǔ)償；（2）使用光電傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖頻率，比較精確的反映

16、出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分的控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的；（3）使用光電耦合器將主電路和控制電路利用光隔開(kāi)，使系統(tǒng)更加安全可靠；（4）12864LCD 顯示模塊提供一個(gè)人機(jī)對(duì)話界面，并實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間； （5）利用 Proteus 軟件進(jìn)行系統(tǒng)整體仿真，從而進(jìn)一步驗(yàn)證電路和程序的正確性，避免不必要的損失；（6）采用數(shù)字 PID 算法，利用軟件實(shí)現(xiàn)控制，具有更改靈活，節(jié)約硬件等優(yōu)點(diǎn)；（7）系統(tǒng)性能指標(biāo)：超調(diào)量8；調(diào)節(jié)時(shí)間4s；轉(zhuǎn)速誤差1r/min。湖南電子電氣網(wǎng) 5比 例微 分積 分執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)象r(t)+-+u(t)c(t)e(t)1 PID

17、 算法及 PWM 控制技術(shù)簡(jiǎn)介1.1 PID 算法控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(jìn)行的控制，稱為 PID 控制。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，PID 控制能夠滿足相當(dāng)多工業(yè)對(duì)象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。下面分別介紹模擬 PID、數(shù)字 PID 及其參數(shù)整定方法。1.1.1 模擬 PID在模擬控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制，常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 1.1 所示，系統(tǒng)由模擬 PID 調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制對(duì)象組成。 圖 1.

18、1 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖湖南電子電氣網(wǎng) 6PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的控制偏差： )(tr)(tc= （1.1）)(te)(tr)(tc將偏差的比例、積分、微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為 PID 調(diào)節(jié)器。在實(shí)際應(yīng)用中，常根據(jù)對(duì)象的特征和控制要求，將 P、I、D 基本控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)組合，以達(dá)到對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行有效控制的目的。例如，P 調(diào)節(jié)器，PI 調(diào)節(jié)器，PID 調(diào)節(jié)器等。模擬 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 （1.2）)()(1)()(0dttdeTdtteTteKtuDtIp式中，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)，為微分時(shí)間常數(shù)。PK

19、ITDT簡(jiǎn)單的說(shuō)，PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào),偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn))(te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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)；ITIT（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。由式 1.2 可得，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 （1.3）)11 ()()()(STSTKSESUSDDIP由于本設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字 PID 算法，所

20、以對(duì)于模擬 PID 只做此簡(jiǎn)要介紹。1.1.2 數(shù)字 PID在 DDC 系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)取代了模擬器件，控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)是由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是計(jì)算機(jī)算法的設(shè)計(jì)。由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字量，不能對(duì)連續(xù)的控制算式直接進(jìn)行運(yùn)算，故在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，首先必須對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行離散化的算法設(shè)計(jì)。為將模擬 PID 控制規(guī)律按式（1.2）離散化，我們把圖 1.1 中、在)(tr)(te)(tu)(tc第 n 次采樣的數(shù)據(jù)分別用、表示，于是式（1.1）變?yōu)?：)(nr)(ne)(nu)(nc= （1.4）)(ne)(nr)(nc當(dāng)采樣周期 T 很小時(shí)可以用 T 近似代替，可用近

21、似代替，“積分”用dt)(tde) 1()(nene“求和”近似代替，即可作如下近似湖南電子電氣網(wǎng) 7 （1.5）Tnenedttde) 1()()( （1.6）tniTiedtte01)()(這樣，式（1.2）便可離散化以下差分方程 （1.7）01)1()()()()(uneneTTneTTneKnuniDIP上式中是偏差為零時(shí)的初值,上式中的第一項(xiàng)起比例控制作用,稱為比例（P）項(xiàng),即 0u)(nuP （1.8）)()(neKnuPp第二項(xiàng)起積分控制作用,稱為積分（I）項(xiàng)即)(nuI （1.9）niIPIieTTKnu1)()(第三項(xiàng)起微分控制作用,稱為微分（D）項(xiàng)即)(nuD （1.10）

22、)1()()(neneTTKnuDPD這三種作用可單獨(dú)使用(微分作用一般不單獨(dú)使用)或合并使用,常用的組合有:P 控制: （1.11）0)()(ununuPPI 控制: （1.12）0)()()(unununuIP PD 控制: （1.13）0)()()(unununuDPPID 控制: （1.14）0)()()()(ununununuDIP式（1.7）的輸出量為全量輸出,它對(duì)于被控對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)每次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)到的)(nu位置。因此,式（1.7）又稱為位置型 PID 算式。由（1.7）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠?不僅要占用較)(ie多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，為

23、此對(duì)式（1.7）進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)式（1.7）不難看出 u(n-1)的表達(dá)式，即 011)2() 1()() 1() 1(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.15）將式（1.7）和式（1.15）相減，即得數(shù)字 PID 增量型控制算式為) 1()()(nununu （1.16）)2() 1(2)()()1()(neneneKneKneneKDIP 從上式可得數(shù)字 PID 位置型?控制算式為湖南電子電氣網(wǎng) 8PID位置算法控制器被控對(duì)象r(t)+-e(t)uc(t)PID增量算法控制器被控對(duì)象r(t)+-e(t)uc(t) )(nu0)2() 1(2)()()1()(uneneneKneK

24、neneKDIP（1.17）式中： 稱為比例增益；PK 稱為積分系數(shù)；IPITTKK 稱為微分系數(shù)1。TTKKDPD數(shù)字 PID 位置型示意圖和數(shù)字 PID 增量型示意圖分別如圖 1.2 和 1.3 所示：圖 1.2 數(shù)字 PID 位置型控制示意圖 圖 1.3 數(shù)字 PID 增量型控制示意圖1.1.3 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過(guò)程的要求來(lái)考慮。一般來(lái)說(shuō)，要求被控過(guò)程是穩(wěn)定的，能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過(guò)大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求是很困難的，必須根

25、據(jù)具體過(guò)程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計(jì)算法和工程整定法兩種。用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過(guò)程中一般較難做到。因此，實(shí)際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點(diǎn)就是整定參數(shù)時(shí)不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單易行。當(dāng)然，這是一種近似的方法，有時(shí)可能略嫌粗糙，但相當(dāng)適用，可解決一般實(shí)際問(wèn)題。下面介紹兩種常用的簡(jiǎn)易工程整定法。（1）擴(kuò)充臨界比例度法這種方法適用于有自平衡特性的被控對(duì)象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：湖南電子電氣網(wǎng) 9選擇一個(gè)足夠小的采樣周期，具體地說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯

26、后時(shí)間的十分之一以下。用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時(shí)，去掉積分作用和微分作用，使調(diào)節(jié)器成為純比例調(diào)節(jié)器，逐漸減小比例度（）直至系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，記PK/1下此時(shí)的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。KkT選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將 DDC 的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u(píng)價(jià)函數(shù)通常用誤差平方面積表示。02)(te 控制度 （1.18）模擬)()(0202dttedtteDDC實(shí)際應(yīng)用中并不需要計(jì)算出兩個(gè)誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。通常，當(dāng)控制度為 1.05 時(shí)，就可以認(rèn)為 DDC 與模擬控制效果相當(dāng)；當(dāng)控制度為 2

27、.0 時(shí)，DDC 比模擬控制效果差。根據(jù)選定的控制度，查表 1.1 求得 T、的值1。PKITDT表 1.1 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)（2）經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法是靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)工藝的熟悉程度，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線，來(lái)調(diào)整P、I、D 三者參數(shù)的大小的，具體操作可按以下口訣進(jìn)行：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降；控制度控制規(guī)律TPKITDT1.05PI0.03KT0.53K0.88KT1.05PID0.014KT0.63K0.49KT0.14KT1.20PI0.05KT

28、0.49K0.91KT1.20PID0.043KT0.047K0.47KT0.16KT1.50PI0.14KT0.42K0.99KT1.50PID0.09KT0.34K0.43KT0.20KT2.00PI0.22KT0.36K1.05KT2.00PID0.16KT0.27K0.40KT0.22KT湖南電子電氣網(wǎng) 10曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)；動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)。下面以 PID 調(diào)節(jié)器為例，具體說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟：讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實(shí)際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，由小到大IKDK改變比例系數(shù)，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過(guò)程，

29、直到獲得滿意的控制過(guò)程為止。PK取比例系數(shù)為當(dāng)前的值乘以 0.83，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍PKIK變化，直至求得滿意的控制過(guò)程。積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過(guò)程有無(wú)改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)IKPK整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)，力求改善控制PKIK過(guò)程。如此反復(fù)試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。PKIK引入適當(dāng)?shù)膶?shí)際微分系數(shù)和實(shí)際微分時(shí)間，此時(shí)可適當(dāng)增大比例系數(shù)和積分DKDTPK系數(shù)。和前述步驟相同，微分時(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過(guò)程滿意為止。IKPID 參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來(lái)確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一

30、般 P 可在 10以上,I 在（3、10）之間,D 在 1 左右。小慣量如：一個(gè)小電機(jī)閉環(huán)控制，一般 P 在（1、10）之間,I 在（0、5）之間,D 在（0.1、1）之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正。1.2 PWM 脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。1.2.1 PWM 控制的基本原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形

31、基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖 1.4 中 a、b、c 所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，其中圖 1.4 的 a 為矩形脈沖，圖1.4 的 b 為三角脈沖，圖 1.4 的 c 為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于 1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)槿鐖D 1.4 的 d 所示的單位脈沖函數(shù)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)渡函數(shù)。)(tf(t)0tf(t)0t0tf(t)0tf(t)0t0t a bcd湖南電子電氣網(wǎng) 11abcdabii(t)i(t)e(t)RL0圖 1.4 形狀不同而沖量相

32、同的各種窄脈沖圖 1.5a 的電路是一個(gè)具體的例子。圖中為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖 1.4 的)(tea、b、c、d 所示，為電路的輸入。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的 R-L 電路上，設(shè)其電流為電路的輸出。圖 1.5b 給出了不同窄波時(shí)的響應(yīng)波形。從波形可以看出，在的)(ti)(ti)(ti上升段，脈沖形狀不同時(shí)的形狀也略有不同，但其下降段幾乎完全相同。脈沖越窄，各)(ti波形的差異也越小。如果周期性的施加上述脈沖，則響應(yīng)也是周期性的。用傅立葉)(ti)(ti級(jí)數(shù)分解后將可看出，各在低頻段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同2。)(ti 圖 1.5 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形1.2.2

33、直流電機(jī)的 PWM 控制技術(shù)直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵(lì)磁磁通和改變電樞回路電阻。針對(duì)三種調(diào)速方法，都有各自的特點(diǎn)，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但這種方法的調(diào)速范圍不大，一般都是配合變壓調(diào)速使用。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)中，都是以變壓調(diào)速

34、為主。其中，在變壓調(diào)速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)兩種。直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn)：由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍寬。同樣，由于開(kāi)關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得很寬的頻帶；開(kāi)關(guān)器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此主電路損耗小、裝置效率高；直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因?yàn)橹绷?PWM 調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點(diǎn)，并且隨著電力電子器件開(kāi)關(guān)性能的不斷提高，直流脈寬調(diào)制( PWM) 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的迅

35、猛發(fā)展傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字電路已被大規(guī)模集成電路所取代，這就使得數(shù)湖南電子電氣網(wǎng) 12U(t)0tTt0UU(t)0tTt0U2T2t03T3t04t0nT (n+1)t0字調(diào)制技術(shù)成為可能。目前，在該領(lǐng)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)。電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向之一。采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、操作維護(hù)方便,電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平，靜動(dòng)態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動(dòng)的要求。下面主要介紹直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)。根據(jù) PWM 控制的基本原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加在慣性負(fù)載兩端的 P

36、WM 脈沖與相等時(shí)間內(nèi)沖量相等的直流電加在負(fù)載上的電壓等效，那么如果在短時(shí)間 T 內(nèi)脈沖寬度為,幅值為 U，0t由圖 1.6 可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為： 圖 1.6 PWM 脈沖，若令，即為占空比，則上式可化為： TUtU00Tt0 (U 為脈沖幅值) （1.19）UU0若 PWM 脈沖為如圖 1.7 所示周期性矩形脈沖，那么與此脈沖等效的直流電壓的計(jì)算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） （1.20）UTUtnTUntU000圖 1.7 周期性 PWM 矩形脈沖由式 1.20 可知，要改變等效直流電壓的大小，可以通過(guò)改變脈沖幅值 U 和占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值

37、一般是恒定的，所以通常通過(guò)控制占空比的大小實(shí)現(xiàn)等湖南電子電氣網(wǎng) 13效直流電壓在 0U 之間任意調(diào)節(jié)，從而達(dá)到利用 PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。2 設(shè)計(jì)方案與論證2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方框圖如圖 2.1 所示。圖中控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過(guò)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(guò)控制器顯示到顯示器上。在運(yùn)行過(guò)程中控制器產(chǎn)生 PWM 脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)湖南電子電氣網(wǎng) 14鍵盤模塊控制器模塊顯示模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)速度檢測(cè)模塊PWM脈沖電路中，經(jīng)過(guò)放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用速度檢測(cè)模

38、塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過(guò)數(shù)字 PID 運(yùn)算后改變 PWM 脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制的目的。圖 2.1 系統(tǒng)方案框圖2.2 控制器模塊設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)于控制器的選擇有以下三種方案。方案一：采用 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編輯門列陣）作為系統(tǒng)的控制器，F(xiàn)PGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能3，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

39、式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。通過(guò)輸入模塊將參數(shù)輸入給FPGA，F(xiàn)PGA 通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制 PWM 脈沖的占空比，但是由于本次設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間要求不高，F(xiàn)PGA 的高速處理的優(yōu)勢(shì)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(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。方案二：采用 AT89S51 作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S51 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制4。相對(duì)于 FPGA 來(lái)說(shuō)，它的芯片引腳少，在硬件很容易實(shí)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(diǎn)

40、，在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。方案三：采用傳統(tǒng)的 AT89C51 單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心。它和 AT89S51 一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低,使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是它的頻率較低、運(yùn)算速度慢， RAM、ROM 空間小等缺點(diǎn)。本題目在確定圓周坐標(biāo)值時(shí)?，需要進(jìn)行大量的運(yùn)算。若采用89C51 需要做 RAM，ROM 來(lái)擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。湖南電子電氣網(wǎng) 15綜合上述三種方案比較，采用 AT89S51 作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，可以滿足設(shè)計(jì)要求。因此在本次設(shè)計(jì)選用方案二。2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)的主要目的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

41、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(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、易實(shí)現(xiàn)，但由于在驅(qū)動(dòng)電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復(fù)雜、抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中可靠性是一個(gè)非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。方案二：采用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，例如 L298N、L297N 等電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，由于它內(nèi)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?cè)趹?yīng)用時(shí)只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動(dòng)能力等問(wèn)題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好。設(shè)計(jì)者不需要對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)考慮很多，可將重點(diǎn)放在算法實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)中，大大

42、的提高了工作效率?；谏鲜隼碚摲治龊蛯?shí)際情況，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用方案二。2.4 速度采集模塊設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中需要將設(shè)定與當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)方案以下三種：方案一：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(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，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(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè)。方案二：采用對(duì)射式光電傳感器。其檢測(cè)方式為：發(fā)射器和接受器相互對(duì)射安裝，發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接受器，當(dāng)測(cè)物擋住光束時(shí)，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)

43、，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。方案三：采用測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。該方案的實(shí)現(xiàn)原理是將測(cè)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(dòng)時(shí)，帶動(dòng)測(cè)速電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因此測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生大小隨直流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(jì)沒(méi)有采用此方案。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(cè)速原理基本相同都是將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖的頻率進(jìn)行測(cè)量，但考慮到市場(chǎng)中的霍爾元件比較難買，而且成本也比湖南電子電氣網(wǎng) 16較高，所以綜合考慮在設(shè)計(jì)中選用第二種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.5 顯示模塊設(shè)計(jì)方案在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對(duì)參數(shù)、工作

44、方式以及電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的顯示，因此在整個(gè)系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)一個(gè)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(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，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(jiǎn)單。但由于在此次設(shè)計(jì)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(jì)任務(wù)，不宜采用。方案二：采用 1602LCD 液晶顯示器，該顯示器控制方法簡(jiǎn)單，功率低、硬件電路簡(jiǎn)單、可對(duì)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(duì)于需要顯示大量參數(shù)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不宜

45、采用。方案三：采用 12864LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動(dòng)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(duì)漢字和字符進(jìn)行顯示。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，顯示模塊選用方案三。2.6 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進(jìn)行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定以及電機(jī)起停的控制，因此鍵盤在整個(gè)系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案：方案一：采用獨(dú)立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)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(huì)影響其它按鍵上的輸入狀態(tài)。但是由于獨(dú)立式鍵盤每個(gè)按鍵需要占用一根輸入口線，所以在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O 口浪費(fèi)

46、大，故此鍵盤只適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。方案二：采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點(diǎn)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(diǎn)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(gè)按鍵nm的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合。但此種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜6。根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，對(duì)軟件的運(yùn)行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.7 電源模塊設(shè)計(jì)方案電源是任何系統(tǒng)能否運(yùn)行的能量來(lái)源，無(wú)論那種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對(duì)于該模塊考慮一下兩種方案。湖南電子電氣網(wǎng) 17方案一：通過(guò)電阻分壓的形式將整流后的電

47、壓分別降為控制芯片和電機(jī)運(yùn)行所需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡(jiǎn)單，但對(duì)能量的損耗大，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)同一般不宜采用。方案二：通過(guò)固定芯片對(duì)整流后的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理（如 7812、7805 等），此種方案可靠性、安全性高，對(duì)能源的利用率高，并且電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。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(guò)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）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 實(shí)現(xiàn)；（3）速度采集模塊：采用光電傳感器；（4）顯示模塊： 采用 12864LCD 液晶顯示模塊；（5）鍵盤模塊： 采用標(biāo)

48、準(zhǔn)的 44 矩陣式鍵盤；（6）電源模塊： 采用 7805、7812 芯片實(shí)現(xiàn)。 3 單元電路設(shè)計(jì)3.1 硬件資源分配本系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配見(jiàn)圖 3.1 所示。采用 AT89S51 單片機(jī)作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊作為電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，通過(guò) AT89S51 的 P3.3 口將電脈沖信號(hào)送入單片機(jī)處理，L298作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，利用 12864LCD 顯示器和 44 鍵盤作為人機(jī)接口。P0.0P0.712864LCD顯示模塊P2.7P2.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊P2.0P0.5544鍵盤P1.0P1.3P1.4P1.744L0L3H0H3P3.2/INT0AT89S51P3.3/INT1電機(jī)轉(zhuǎn)速

49、檢測(cè)四輸入與門湖南電子電氣網(wǎng) 18A1A2SE N111Y 121Y 23Vs41A 151E N61A 27GN D8Vcc92A 1102A 2122E N112Y 1132Y 214SE N215U5L298ND4D3D1D2C1020FC920F+5V+12V+12VR1470R25KR45KR3470R5470MG 1P2.7P2.6P2.5U7C20.33FC60.33FVin1GND2+5V3U47805Vin1GND2+12V3U37812C30.1FC70.1F+5v+12v1234U6C820FC53300FC420FC13300F12J1220V圖 3.1 系統(tǒng)電路連接及

50、硬件資源分配圖3.2 電源電路設(shè)計(jì)電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。在本系統(tǒng)中直流電機(jī)需要 12V電源，而單片機(jī)、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 3.2 所示。圖 3.2 電源電路3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)，只有引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊才能保證電機(jī)按照控制要求運(yùn)行，在這里選用 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片是由四個(gè)大功率晶體管組成的 H 橋電路構(gòu)成，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通

51、和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整輸入脈沖的占空比，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEA 和 SENSEB?）用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻，Vss 接邏輯控制的電源。Vs 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN1-IN4 輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制 H 橋的開(kāi)與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB 引腳則為使能控制端，用來(lái)輸入 PWM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。其電路如圖 3.3 所示，利用兩個(gè)光電耦合器將單片機(jī)的 I/O 與驅(qū)動(dòng)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 的選通端7，使電機(jī)在 PWM 脈沖的控制下正常運(yùn)行，其中四個(gè)二極管對(duì)芯片起

52、保護(hù)作用。湖南電子電氣網(wǎng) 19圖 3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.4 電機(jī)速度采集電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中由于要將電機(jī)本次采樣的速度與上次采樣的速度進(jìn)行比較，通過(guò)偏差進(jìn)行 PID運(yùn)算，因此速度采集電路是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用了比較常見(jiàn)的光電測(cè)速方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具體做法是將電機(jī)軸上固定一圓盤，且其邊緣上有 N 個(gè)等分凹槽如圖 3.5（a）所示，在圓盤的一側(cè)固定一個(gè)發(fā)光二極管，其位置對(duì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止，電路如圖 3.4（b）所示，從圖中可以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在 P3

53、.3 的輸出端就會(huì)產(chǎn)生 N 個(gè)低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來(lái)計(jì)算電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速了。例如當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，P3.3 將輸出如圖 3.5 所示的脈沖，若知道一段時(shí)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?。 (a) (b)圖 3.4 電機(jī)速度采集方案圓盤 光敏三極管發(fā)光二極管+5VP3.3470200R1R2湖南電子電氣網(wǎng) 20VSSVDDVORSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2/RSTVEEAK1234567891011121314151617181920P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.

54、78RST9P3.0/RX D10P3.1/TX D11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GN D20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728RSEN29ALE30EA31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40U189S511234567891011121314151617181920LCDPO T110KR710KR847+5C15220F123456789RN

55、 85K+5v+5v+5vP2.5P2.6P2.7圖 3.5 傳感器輸出脈沖波形3.5 顯示電路設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求要對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)和電機(jī)運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較多，而且需要漢字顯示，在這里選用12864 液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及12864 全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成漢字（1616）顯示和圖形顯示共有 20 個(gè)引腳8，其引腳名稱及引腳編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 3.6，引腳功能如表 3.1 所示。 圖 3.6 12864LCD 引腳分布表 3.1 12864 液晶顯示模塊引腳功能引腳符

56、號(hào)引 腳 功 能引腳符 號(hào)引 腳 功 能1VSS電源地15CS1CS1=1 芯片選擇左邊 64*64 點(diǎn)2VDD電源正+5V16CS2CS2=1 芯片選擇右邊 64*64 點(diǎn)3VO液晶顯示驅(qū)動(dòng)電源17/RST復(fù)位（低電平有效）4RSH：數(shù)據(jù)輸入；L：指令碼輸入18VEELCD 驅(qū)動(dòng)負(fù)電源5R/WH：數(shù)據(jù)讀取；L：數(shù)據(jù)寫入19A背光電源（+）6E使能信號(hào)。20K背光電源（-）7-14DB0-DB7數(shù)據(jù)線有些型號(hào)的模塊 19、20 腳為空腳12864 液晶顯示器與單片機(jī)的連接電路如圖 3.7 所示：湖南電子電氣網(wǎng) 210123456789傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳H0H1H2H3L0L1L2L3圖

57、 3.7 顯示模塊電路圖3.6 鍵盤電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中使用了 44 鍵盤用以實(shí)現(xiàn)對(duì) P、I、D 三個(gè)參數(shù)和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的設(shè)定，以及對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理圖如圖 4.8 所示。圖中 L0L3 為44 鍵盤的列信號(hào)，H0H3 為 44 鍵盤的行信號(hào)。在本系統(tǒng)中，用 P1.0P1.3 連接鍵盤的列信號(hào) L0L3；用 P0.4P0.7 連接鍵盤的行信號(hào) H0H39。按照要求設(shè)計(jì)操作面板如圖 3.8 所示：湖南電子電氣網(wǎng) 220)2() 1(2)()()1()(uneneneKneKneneKDIP圖 3.8 鍵盤模塊鍵盤操作說(shuō)明：在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，12864LCD 將

58、顯示開(kāi)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(shí)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(dòng)鍵啟動(dòng)系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中可按下相應(yīng)鍵對(duì)電機(jī)進(jìn)行暫停、繼續(xù)、停止運(yùn)行的控制。4 軟件設(shè)計(jì)4.1 算法實(shí)現(xiàn)4.1.1 PID 算法本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心算法為 PID 算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差，對(duì)偏差進(jìn)行 P、I、D 運(yùn))(ne算最終利用運(yùn)算結(jié)果控制 PWM 脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)10，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。其運(yùn)算公式為：)(nu因此要想實(shí)現(xiàn) PID 控制在單片機(jī)就必須存在上

59、述算法，其程序流程如圖 4.1 所示。4.1.2 電機(jī)速度采集算法本系統(tǒng)中電機(jī)速度采集是一個(gè)非常重要的部分，它的精度直接影響到整個(gè)控制的精度。在設(shè)計(jì)中采用了光電傳感器做為測(cè)速裝置，其計(jì)算公式為： v= r/min60tNn計(jì)算e(n)計(jì)算KIe(n)計(jì)算KP(e(n)-e(n-1)計(jì)算KD(e(n)-2e(n-1)+e(n-2)計(jì)算u(n)計(jì)算u(n)u(n-1)e(n-1)e(n-2)e(n)e(n-1)u(n)u(n-1)返回圖4.1PID程序流程湖南電子電氣網(wǎng) 23開(kāi)始初始化調(diào)用清屏子程序開(kāi)始界面顯示設(shè)置鍵按下？調(diào)用清屏子程序設(shè)置界面顯示根據(jù)設(shè)置計(jì)算參數(shù)啟動(dòng)鍵按下？調(diào)用清屏子程序電機(jī)運(yùn)行

60、狀態(tài)顯示PWM脈沖輸出YNYNt=0.5s?計(jì)算r=n/120計(jì)算v=(r/0.5)*60返回NY從這里可以看出速度 v 的誤差主要是由圓盤邊緣上的凹槽數(shù)的多少?zèng)Q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(jì)中取凹槽數(shù) N 為 120，采樣時(shí)間 t 為 0.5s，則速度計(jì)算具體程序流程如圖 4.2 所示。 圖 4.2 測(cè)速程序流程4.2 程序流程 4.2.1 主流程圖在一個(gè)完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)的，所以在該系統(tǒng)中軟件部分是非常重要的，按照要求和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程設(shè)計(jì)出主程序流程如圖 4.3 所示。湖南電子電氣網(wǎng) 24延時(shí)去抖動(dòng)P1口低四位置1讀P1口低四位數(shù)據(jù)到KE