PID控制直流電機(jī)速度

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)展起來的控制策略之一，長期以來形成了典型的結(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)控制過程中都是固定不變的， 而在實(shí)際中， 由于現(xiàn)場的系統(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，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

2、越來越廣。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)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采 12804LCD顯示器作為顯示部件，通過 4M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；無靜差調(diào)節(jié).、八、一前言21 世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)日新月異，科技的進(jìn)步帶動(dòng)了控制技術(shù)

3、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?？刂评碚摰陌l(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)過傳感器、變送 器、通過輸入接口送到控制器。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，

4、產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到 了廣泛的應(yīng)用。受益于數(shù)十年來全球經(jīng)濟(jì)高速成長所獲得的 PID 控制成果 , 在中國市場，一大批 機(jī)器設(shè)備制造商正處于蓬勃發(fā)展階段， 除滿足本土市場龐大的機(jī)器設(shè)備需求外， 走向 國際市場，參與國際競爭也成為現(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、檔次與市場競爭力。在國外，尤其在運(yùn)動(dòng)控制及過 程控制方面 PID 控制技術(shù)的應(yīng)用更是越來越廣泛和深入。隨著科技的進(jìn)步，人們

5、對(duì) 生活舒適性的追求將越來越高， PID 控制技術(shù)作為一項(xiàng)具有發(fā)展前景和影響力的新 技術(shù)，正越來越受到國外各行業(yè)的高度重視。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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)場調(diào)試來確定，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，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(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)

6、偏 差的比例、積分、微分進(jìn)行控制的。比例控制是一種最簡單的控制方式。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)誤差的或簡稱有差系統(tǒng) （System with Steady-state Erro）r 。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

7、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)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(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（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

8、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)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。隨著社會(huì)的發(fā)展用戶對(duì)其性能提出了越來越高的要 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

9、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)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采 128W4LCD顯示器作為顯示部件，通過 4M 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(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

10、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，使系統(tǒng)更加安全可靠；(4) 128x 64LCD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

11、指標(biāo)：超調(diào)量 8；調(diào)節(jié)時(shí)間 4s；轉(zhuǎn)速誤差1r/min 。1 PID算法及PWM控制技術(shù)簡介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)

12、器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制對(duì)象組成。圖1.1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成的控 制偏差：e(t) = r(t) c(t)(1.1)將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(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 tde(t)u(t) Kpe(t) e(t)dt Td (1.2)TI 0dt式中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，T

13、d為微分時(shí)間常數(shù)。簡單的說，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)e(t),偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)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(qiáng)弱取決于 積分時(shí)間常數(shù)T , Ti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(hào)的變化趨勢(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)d(s)ES由于本設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字 PID算法，所以對(duì)于模擬PID只做此簡要介

14、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 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r(t)、e(t)、u(t)、 c(t)在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用r(n)、e(n)、u(n)、c(n)表示，于是式(1.1) 變?yōu)椋篹(n) =r( n) c(n)(1.4)當(dāng)采樣周期T很小時(shí)dt可以用T近似代替，de(t)可用e(n) e(n 1)近似代替

15、，“積 分”用“求和”近似代替，即可作如下近似(1.5)(1.6)de(t) e(n) e(n 1)dtTtn0e(t)dt e(i)Ti 1這樣，式(1.2)便可離散化以下差分方程u(n)Kpe (n)TTie(n)i 1e( n) e(n 1)u°(1.7)上式中U。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)Up(n),即Up(n) Kpe(n)(1.8)第二項(xiàng)起積分控制作用，稱為積分(I )項(xiàng)U (n)即ui(n)KpTie(i)i 1(1.9)第三項(xiàng)起微分控制作用，稱為微分（D）項(xiàng)Ud（n）即(1.10)Ud（ n）KpTDe （n） e（n 1）這三

16、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：u(n)up(n)uo(1.11)PI控制：u(n)up( n)ui( n)uo(1.12)PD控制：u(n)up( n)ud( n)uo(1.13)PID控制：u(n)up( n)ui (n)ud(n) uo(1.14)式（1.7）的輸出量u （ n ）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頴（i）,不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，為此對(duì)式（1.7）進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)式（1.7）

17、不難看出U（n-1）的表達(dá)式,u(n 1) KPe(n1)壬爲(wèi)n)l| i 1¥【e(n 1) e(n 2)Uo( 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u(n) u(n)u(n 1)KPe (n)e(n 1)Qe(n) K°e(n) 2e(n 1) e(n 2)(1.16)從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為即u(n) Kpe(n) e(n 1)Kie(n) K°e(n) 2e(n 1) e(n 2) u。( 1.17)式中：Kp稱為比例增益;KiKp 稱為積分系數(shù)；TiK d K p稱為微分系數(shù)。數(shù)字PID位置型示意圖和數(shù)

18、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)具體過程的要求來考慮。一般來說，要求被控 過程是穩(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)要很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，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)

19、模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。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)際問題。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法。(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： 選擇一個(gè)足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(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(1/Kp )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

20、下此時(shí)的臨界比例度K及系統(tǒng)的臨界振蕩周期Tk。 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2 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o e (t)表示。0 (t ) dt DDC控制度二(1.18)20 e (t)dt模擬實(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2.0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、Kp、Td的值。表1.1擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律TKpT|Td1.05PI0.03Tk0.

21、53 k0.88Tk1.05PID0.014Tk0.63 k0.49Tk0.14Tk1.20PI0.05Tk0.49 k0.91Tk1.20PID0.043Tk0.047 K0.47Tk0.16Tk1.50PI0.14Tk0.42 k0.99Tk1.50PID0.09Tk0.34 K0.43Tk0.20Tk2.00PI0.22Tk0.36 k1.05Tk2.00PID0.16Tk0.27 k0.40Tk0.22Tk（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，參考測量值跟蹤與設(shè)定值曲 線，來調(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

22、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； 曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長； 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來； 動(dòng)差大來波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長。下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗(yàn)法的整定步驟： 讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)Ki =0，實(shí)際微分系數(shù)Kd =0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行， 由小到大改變比例系數(shù)心，讓擾動(dòng)信號(hào)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)K|，同樣讓擾動(dòng)信號(hào)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)

23、Kp ,觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(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)Ki， 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?shí)際微分系數(shù) Kd和實(shí)際微分時(shí)間Td，此時(shí)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(shí)間的整定也需反復(fù)調(diào)整，直到控制過 程滿意為止。PID參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣量來確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一 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

24、現(xiàn)場調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正。1.2 PWM脈沖控制技術(shù)PWM（ Pulse Width Modulatio n）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來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。這里所說的效果基本相同， 是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 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

25、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D1.4的d所示的單位脈沖函數(shù)（t）時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。f(t)f(t)f(t)f(t)圖1.4形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖1.5a的電路是一個(gè)具體的例子。圖中e(t)為窄脈沖，其形狀和面積分別如圖1.4的a、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i(t)為電路的輸出。圖1.5b給出了不同窄波時(shí)i(t)的響應(yīng)波形。 從波形可以看出，在i(t)的上升段，脈沖形狀不同時(shí)i(t)的

26、形狀也略有不同，但其 下降段幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)波形的差異也越小。如果周期性的施加上 述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅立葉級(jí)數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同2i(t) Rab圖1.5沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形1.2.2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)速圍廣，過載能力大，能 承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自 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： 調(diào)節(jié)電樞供

27、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)速圍寬。同樣，由于開關(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

28、；開關(guān)器件只工作在開關(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)橹绷鱌WM調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點(diǎn)，并且隨著電力電子器件開關(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)字調(diào)制技術(shù)成為可能。目前，在該領(lǐng)域部分應(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

29、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)間加在慣性負(fù)載兩端的 PWM脈沖與 相等時(shí)間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脈沖寬度 為to ,幅值為U，由圖1.6可求得此時(shí)間脈沖的等效直流電壓為：圖1.6 PWM脈沖to UtoUo t，若令 t，即為占空比，則上式可化為：Uo U （ U為脈沖幅值）（1.19）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.nt0U t0U門Uo-U（ 為矩形脈沖占空比）（1.20）nT T圖 1.7 周期性 P

30、WM 矩形 脈沖由式 1.20可知，要改變等效直流電壓的大小， 可以通過改變脈沖幅值 U 和占空 比 來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制占 空比 的大小實(shí)現(xiàn)等效直流電壓在 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，鍵盤和顯示器用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能， 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(yùn)行過程中控制器產(chǎn)生 PWM脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)

31、速，同時(shí)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(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。顯示模塊圖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)場可編輯門列陣）作為系統(tǒng)的控制器， FPGA可以實(shí) 現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，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

32、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(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制 核心。通過輸入模塊將參數(shù)輸入給 FPGA，F(xiàn)PGA通過程序設(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 來說，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

33、、 技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，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 來擴(kuò)展其存空間，其硬件工作量 必然大大增多。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

34、， 因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路， 這種方法結(jié)構(gòu)簡單， 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(yīng)用時(shí)只需考 慮到芯片的硬件連接、 驅(qū)動(dòng)能力等問題就可以了， 所以此種方案的電路設(shè)計(jì)簡單、 抗 干擾能力強(qiáng)、 可靠性好。 設(shè)計(jì)者不需要對(duì)硬件電

35、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)?5，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(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測。方案二：采用對(duì)射式光電傳感器。 其檢測方式為： 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

36、受器， 當(dāng)測物擋住光束時(shí)， 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(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測量。方案三： 采用測速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。 該方案的實(shí)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(dòng)時(shí)， 帶動(dòng)測速電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)， 因 此測速發(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，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)行測量， 但考慮到市場中的霍爾元件比較難 買，而且成本也比較高，所以綜合考慮在設(shè)計(jì)中選

37、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單，功率低、硬件 電路簡單、可對(duì)字符

38、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)來說不宜采用。方案三：采用12804LCD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

39、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)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(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m n個(gè)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(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

40、否運(yùn)行的能量來源， 無論那種電力系統(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。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(yùn)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(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

41、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12804LCD液晶顯示模塊；（5） 鍵盤模塊：采用標(biāo)準(zhǔn)的4M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圖 3.1所示。采用AT89S51單片機(jī)作為核心 器件，轉(zhuǎn)速檢測模塊作為電機(jī)轉(zhuǎn)速測量裝置，通過 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 128W4LCD顯示器和 4 乂4鍵盤作為人機(jī)接口。圖3.1系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖3.2電源電路設(shè)計(jì)電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)

42、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U4+5v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(dòng)機(jī)

43、轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（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(dòng)電源。IN1-IN4輸 入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，用來控制H橋的開與關(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，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)芯片起保護(hù)作用。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，

44、通過偏差進(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 比較常見的光電測速方法來實(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P3.3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

45、道一段時(shí)間t傳感 器輸出的低脈沖數(shù)為n，則電機(jī)轉(zhuǎn)速v=r/s。發(fā)光二極管圓盤光敏三極管圖3.4電機(jī)速度采集方案圖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， 在這里選用12804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12804全點(diǎn)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(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。/ kaVRsCBBDBDBD

46、BeWroVS 丿2 95 4 3 |2 1 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1圖3.6 128W4LCD引腳分布表3.112864液晶顯示模塊引腳功能引腳符號(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128 >64液

47、晶顯示器與單片機(jī)的連接電路如圖 3.7所示:圖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 4M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4乂4鍵盤的列信號(hào)，H0H3為4M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：圖3.8鍵盤模塊鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，128&4LCD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(shí)按 1、2、3、4進(jìn)入

48、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 e(n)，對(duì)偏差進(jìn) 行P、I、D運(yùn)算最終利用運(yùn)算結(jié)果控制 PWM脈沖的 占空比來實(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：u(n) Kpe(n) e(n 1) Kgn)心&n)2e(n 1) e(n 2) u0因此要想實(shí)現(xiàn)PID控制在單片機(jī)就必

49、須存在上述算法， 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 電傳感器做為測速裝置，其計(jì)算公式為：vn60 r/minN t圖4.1PID程序流程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圖4.2測速程序流程為0.5s,則速度計(jì)算具體程序流程如圖 4.2所示。4.2程序流程4.2.1主流程圖在一個(gè)完整的系統(tǒng)中,中軟件部分是非常重要的,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) 按

50、照要求和系統(tǒng)運(yùn)行過程設(shè)計(jì)出主程序流程如圖4.3所示。圖4.3主程序流程4.2.2鍵盤程序程序流程鍵盤中斷程序是用來設(shè)在系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)和控制系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)，其程序流程圖如圖4.4所示。延時(shí)去抖動(dòng)P1 口低四位置讀P1 口低四位數(shù)據(jù)到 KEYLP1 口高四位置YYYYYYYYYYYYYYYYKEYL、KEYH 相與為 KEY讀P1 口高四位數(shù)據(jù)到 KEYH王KEY=0XEE ?KEY=OXED ?KEY=0XEB ?KEY=0XE7 ?KEY=0XDE ?KEY=0XDD ?KEY=0XDB ?KEY=0XD7 ?KEY=0XBE ?KEY=0XBD ?KEY=OXBB ?KEY=0X7E

51、?KEY=0X7D ?KEY=0X77 ?KEY=0XB7 ?KEY=0X7B ?RETI圖4.4鍵盤程序流程4.2.3定時(shí)程序流程在本系統(tǒng)中定時(shí)器TO中斷子程序是用來控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間和進(jìn)行速度計(jì)算和PID運(yùn)算，其程序流程如圖4.5所示。圖4.5定時(shí)程序流程4.2.4顯示程序流程顯示模塊是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的重要部分，在這里選用128W4LCD顯示器可實(shí)現(xiàn)對(duì)漢字和字符的顯示，該顯示器的引腳功能在上面已經(jīng)做了說明，下面介紹 128W4LCD的相關(guān)指令。(1)讀取狀態(tài)字D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB001BUSY0ON / OFFRST0000當(dāng)R/W=1，D/I=0時(shí)，在E

52、信號(hào)為高的作用下，狀態(tài)分別輸出到數(shù)據(jù)總線上。 狀態(tài)字是了解模塊當(dāng)前工作狀態(tài)的唯一的信息渠道，在每次對(duì)模塊操作之前，都要讀出狀態(tài)字判斷BUSY是否為“0”若不為“ 0”則計(jì)算機(jī)需要等待，直至BUSY =0 為止。(2)顯示開關(guān)設(shè)置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000011111DD=1 ：開顯示；D=0關(guān)顯示(3)顯示起始行設(shè)置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011顯示起始行(063)指令表中DB5DB0為顯示起始行的地址，取值在03FH (164行)圍, 它規(guī)定了顯示屏上最頂一行所對(duì)應(yīng)的顯示存儲(chǔ)器的行地址。(4)頁面地址設(shè)置D/IR/

53、WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00010111Page(07)頁面地址是DDRAM 的行地址。8行為一頁，DDRAM 共64行即8頁,DB2-DB0 表示 0-7 頁。(5)列地址設(shè)置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00001Yaddress (063)列地址是DDRAM 的列地址。共64列，DB5-DB0取不同值得到0- 3FH(1-64)，代表某一頁面上的某一單元地址，列地址計(jì)數(shù)器在每一次讀/寫數(shù)據(jù)后它將自動(dòng)加一。(6)寫顯示數(shù)據(jù)D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB010顯示數(shù)據(jù)該操作將8位數(shù)據(jù)寫入先前已確定的顯示存儲(chǔ)器的單

54、元。操作完成后列地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加一。(7)讀顯示數(shù)據(jù)D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB011顯示數(shù)據(jù)該操作將12864模塊中的DDRAM存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)單位中的容讀出，然后列地址 計(jì)數(shù)器自動(dòng)加一。根據(jù)上面指令結(jié)合系統(tǒng)要實(shí)行的功能，其顯示子程序流程如圖4.6所示。初始化循環(huán)次數(shù)j = 2 ?初始化循環(huán)次數(shù)j = 2 ?N設(shè)置顯示起始頁、起始列j=j+1;i=0設(shè)置顯示起始頁、起始列j=j+1;i=0N丫寫入數(shù)據(jù)字'、節(jié)數(shù) i = 16?-N調(diào)用寫入數(shù)調(diào)用寫入數(shù)據(jù)子程序據(jù)子程序±*i=i+11i=i+1RETI :b)寫入8*16數(shù)字a)寫入16*16漢字程序流程圖4.6顯示程序流程4.3系統(tǒng)Proteus仿真4.3.1 Proteus軟件簡介Proteus是英國Labcenter electronics公司研發(fā)的EDA設(shè)計(jì)軟件， 是一個(gè) 基于ProSPICE混合模型仿真器的