基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-精品

XXX學(xué)校XXX屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：系名：專業(yè)：指導(dǎo)教師：2012年6月XXX學(xué)校XXX屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(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，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)利用霍爾傳感器將電機(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)速檢測(cè)目的。在系統(tǒng)中采用LCD1602顯示器作為顯示部件，通過5個(gè)按鍵來實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和加減速控制，啟動(dòng)后可以通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用的是專門的驅(qū)動(dòng)芯片來實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。關(guān)鍵詞：數(shù)字PID,PWM脈沖,直流電機(jī)DCmotorclosed-loopspeedcontrolsystembasedonsingle-chipdesignAbstract：Inthemotioncontrolsystem,thecontrolofelectromotor'srotatespeedisofgreatimportance,therearealotofspeedcontrolarithmeticsandmethods,theanalogPIDcontrolisoneoftheearliestdevelopedcontrolpolicieswhichhasformedtypicalstructure,itsparametricsettingisconvenientandit'seasytomeetnormalcontrol'sdemand,butasthewholecontrolprocessisfixedoncetheparameterhasbeensetwhilepracticallythechangesofthoseconditionslikethesystemparametersandtemperatureoftheenvironmentprohibitthesystemfromreachingitsbestcontroleffect,sotheanalogPIDcontrollerbarelyhassatisfiedeffect.Withthedevelopmentofcomputertechnologyandintelligentcontroltheory,thedigitalPIDtechnologyisthrivingwhichcanachievetheanalogPID'scontroltasksandconsistsofmanyadvantageslikeflexiblecontrolarithmeticsandhighreliability,itiswidelyusednow.ThisdesignisbasedonthedigitalPIDmentionedaboveasbasiccontrolarithmeticandAT89S51SCMascontrolcore,thesystemproducesPWMimpulsewhosedutyratioiscontrolledbydigitalPIDarithmetictomakesuretherunningofdirectcurrentmachine'srotatespeed.AtthesametimeusingHolzersensorswillbeconvertedintopulsefrequencymotorspeedfeedbacktotheMCU,realizethespeedclosed-loopcontrol,toachievespeeddetection.InasystememployingaLCD1602monitorasadisplaypart,throughthe5keystoachievepositiveandaccelerationdecelerationcontrol,canstartthedisplaypartunderstandingthemotorcurrentspeed.Themotordrivepartisusedinspecializeddrivechiptoachievepositivecontrol.Keywords:digitalPID,PWMimpulse,DCmotor第Ⅰ頁共Ⅱ頁目錄1引言…………………………12PID算法及PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介……………22.1PID算法…………………22.1.1模擬PID2.1.2數(shù)字PID………………32.1.3數(shù)字PID參數(shù)整定方法………………52.2PWM脈沖控制技術(shù)……………………….2直流電機(jī)的PWM控制技術(shù)……………103硬件電路設(shè)計(jì)部分………………………123.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案…………123.2控制器模塊設(shè)計(jì)方案…………………123.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案………………123.4電源模塊設(shè)計(jì)方案……………………133.5速度采集設(shè)計(jì)模塊……………………143.6顯示模塊設(shè)計(jì)方案…………………….2LCD4軟件設(shè)計(jì)部分……………174.1驅(qū)動(dòng)電力程序流程……………………174.2直流電機(jī)的中斷鍵盤控制模塊……….2外部中斷擴(kuò)展4.3顯示程序流程圖………………………205系統(tǒng)功能調(diào)試……………215.1Proteus使用…………215.2電路仿真………………22第Ⅱ頁共Ⅱ頁6結(jié)論………………………25附錄A系統(tǒng)總電路圖………………………26附錄B源程序………………27參考文獻(xiàn)……………………35致謝…………………………37第頁共37頁1引言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)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。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)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(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(guó)內(nèi)外各行業(yè)的高度重視。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，眾所周知運(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)利用霍爾傳感器將電機(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)。在系統(tǒng)中采LCD1602顯示器作為顯示部件，通過5個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制和速度預(yù)置功能，啟動(dòng)后可以了解當(dāng)前速度。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。2PID算法及PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介2.1PID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。2.1.1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2.1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2.1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)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的控制偏差:=－（2.1）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（2.2）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)。簡(jiǎn)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),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)，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(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2.2可得，模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為（2.3）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(jiǎn)要介紹。2.1.2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（2.2）離散化，我們把圖2.1中、、、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、、、表示，于是式（2.1）變?yōu)椋?－（2.4）當(dāng)采樣周期T很小時(shí)可以用T近似代替，可用近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似（2.5）（2.6）這樣，式（2.2）便可離散化以下差分方程（2.7）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（2.8）第二項(xiàng)起積分控制作用,稱為積分（I）項(xiàng)即（2.9）第三項(xiàng)起微分控制作用,稱為微分（D）項(xiàng)即（2.10）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:（2.11）PI控制:（2.12）PD控制:（2.13）PID控制:（2.14）式（2.7）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)到的位置。因此,式（2.7）又稱為位置型PID算式。由（2.7）可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠?不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，為此對(duì)式（2.7）進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)式（2.7）不難看出u(n-1)的表達(dá)式，即（2.15）將式（2.7）和式（2.15）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為（2.16）從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為（2.17）式中：稱為比例增益；稱為積分系數(shù)；稱為微分系數(shù)[1]。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2.2和2.3所示：圖2.2數(shù)字PID位置型控制示意圖圖2.3數(shù)字PID增量型控制示意圖2.1.3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)要求是很困難的，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)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(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：①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。②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)，記下此時(shí)的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。③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?？刂贫龋剑?.18）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。④根據(jù)選定的控制度，查表2.1求得T、、、的值表2.1擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律T1.05PI0.030.530.881.05PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.911.20PID0.0430.0470.470.161.50PI0.140.420.991.50PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.052.00PID0.160.270.400.22（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；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；動(dòng)差大來波動(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，由小到大改變比例系數(shù)，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。②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)作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。③積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，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)增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)，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)和積分系數(shù)為止。④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，直到控制過程滿意為止。2.2PWM脈沖控制技術(shù)PWM(PulseWidthModulation)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）。2.2.1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2.4中a、b、c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，其中圖2.4的a為矩形脈沖，圖2.4的b為三角脈沖，圖2.4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D2.4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)的脈沖過渡函數(shù)。圖2.4形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖圖2.5a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2.4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)其電流為電路的輸出。圖2.5b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。 圖2.5沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形2.2.2直流電機(jī)的PWM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)速范圍寬。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；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。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PWM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，由圖2.6可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為：圖2.6PWM脈沖，若令，即為占空比，則上式可化為：(U為脈沖幅值)（2.19）若PWM脈沖為如圖2.7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）（2.20）圖2.7周期性PWM矩形脈沖由式2.20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0～U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。3硬件電路設(shè)計(jì)部分3.1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3.1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。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)速，同時(shí)利用速度檢測(cè)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。圖3.1系統(tǒng)方案框圖3.2控制器模塊設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，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、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。3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案驅(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L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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，大大的提高了工作效率。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)轉(zhuǎn)速。圖3.2驅(qū)動(dòng)電路3.4電源模塊設(shè)計(jì)方案電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來源，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。而本設(shè)計(jì)電源電路采用78系列芯片產(chǎn)生+5V、+12V。電路圖如圖3.3所示：圖3.3電源電路3.5速度采集設(shè)計(jì)模塊速度的采集用霍爾傳感器。通過對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行電機(jī)速度的檢測(cè)。（1）霍爾傳感器的工作原理霍爾開關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個(gè)齒。脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：n=（n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T為輸出方波信號(hào)周期）。（2）測(cè)速電路原理圖圖3.4速度采集電路3.6顯示模塊設(shè)計(jì)方案采用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。3.6.1引腳分布和接口信號(hào)說明(1)引腳分布1602液晶顯示共有16個(gè)引腳，其引腳分布如圖3.5所示。圖3.51602液晶顯示模塊引腳分布(2)引腳功能1602引腳功能如表3.1所示表3.11602引腳功能編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSSVSS為地電源9D2DataI/O2VDDVDD接5V正電源10D3DataI/O3VEE液晶顯示偏壓信號(hào)11D4DataI/O4RS0輸入指令，1輸入數(shù)據(jù)12D5DataI/O5R/W0寫入指令或數(shù)據(jù)，1讀信息13D6DataI/O6E1讀取信息，1→0執(zhí)行指令14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正極8D1DataI/O16BLK背光源負(fù)極3.6.2LCD液晶電路圖3.61602液晶顯示模塊組成4軟件設(shè)計(jì)部分4.1驅(qū)動(dòng)電路程序流程電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是專用的驅(qū)動(dòng)芯片L298，單片機(jī)給驅(qū)動(dòng)芯片輸出脈沖來控制電機(jī)，程序流程圖如下：開始開始初始化初始化設(shè)置周期設(shè)置周期將從鍵盤（中斷）讀取的數(shù)據(jù)送到將從鍵盤（中斷）讀取的數(shù)據(jù)送到TH0中，從而設(shè)計(jì)脈沖count=256?count=256?否count=count+1count=count+1是是給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片輸出脈沖給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片輸出脈沖恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回返回圖4.1定時(shí)中斷服務(wù)流程圖4.2直流電機(jī)的中斷鍵盤控制模塊4.2.1外部中斷設(shè)置（1）外部中斷允許設(shè)置中斷控制寄存器IE的EX0對(duì)應(yīng)INT0，EX1對(duì)應(yīng)INT1，EA為中斷的總開關(guān)，若要開放外部中斷，只要將IE對(duì)應(yīng)的位和總開關(guān)EA置1即可。如：開放外部中斷0的設(shè)置：SETBEX0SETBEA開放外部中斷0和1的設(shè)置：SETBEX0SETBEX1SETBEA（2）外部中斷觸發(fā)方式設(shè)置單片機(jī)外部中斷有兩種觸發(fā)方式，一種是電平觸發(fā)方式，另一種是脈沖觸發(fā)方式，單片機(jī)外部中斷觸發(fā)方式與TCON的IT位有關(guān)。TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0電平觸發(fā)設(shè)置方法：CLRITX，為低電平觸發(fā)方式。脈沖觸發(fā)設(shè)置方法：SETBITX＝1，為脈沖下降沿觸發(fā)方式。在使用外部中斷時(shí)，如果不進(jìn)行設(shè)置，則為電平觸發(fā)方式。（3）外部?jī)?yōu)先級(jí)設(shè)置外部中斷IN0、INT1的中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置是通過設(shè)置IP寄存器實(shí)現(xiàn)的，IP的PX0對(duì)應(yīng)INT0，PX1對(duì)應(yīng)INT1。PX置1為高級(jí)中斷，PX為0為低級(jí)中斷。XXXPSPT1PX1PT0PX04.2.2外部中斷擴(kuò)展在圖4.2為外部中斷擴(kuò)展電路，設(shè)X0、X1、X2、X3、X4為外部警情信號(hào)，X0代表是加速信號(hào)，X0=0表示加速；X1代表減速信號(hào)，X1=0表示減速；X2代表正轉(zhuǎn)信號(hào)，X2=0表示正轉(zhuǎn)；X3代表反轉(zhuǎn)信號(hào)，X3=0表示反轉(zhuǎn)；X4代表停止信號(hào)，X4=0表示停止處理。圖4.2外部中斷擴(kuò)展電路當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有中斷請(qǐng)求時(shí)，響應(yīng)如下中斷服務(wù)流程圖4.3。中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求加速是X0=0加速是X0=0?否否減速是X1=0減速是X1=0?否否是是正轉(zhuǎn)X2=0正轉(zhuǎn)X2=0?否否是是X3=0?反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)否否停止是停止是X4=0?圖4.3中斷服務(wù)流程4.3顯示程序流程圖顯示模塊是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的重要部分，在這里選用LCD1602作為顯示器，其工作流程圖如下所示：開始開始對(duì)對(duì)LCD初始化將已知要提示的內(nèi)容送入將已知要提示的內(nèi)容送入LCD并顯示在第一行設(shè)置電機(jī)的速度是否為0是設(shè)置電機(jī)的速度是否為0是一直等待一直等待否否將讀取的速度和轉(zhuǎn)向送入LCD將讀取的速度和轉(zhuǎn)向送入LCD并使其顯示在第二行是是否有命令輸入是是否有命令輸入否否一直等待一直等待LJMPLJMP圖4.4顯示程序流程圖中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求5系統(tǒng)功能調(diào)試5.1Proteus使用Proteus是英國(guó)Labcenterelectronics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，完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)。Proteus不僅可以做數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐返姆抡?，還可進(jìn)行多種CPU的仿真，涵蓋了51、PIC、AVR、HC11、ARM等處理器，真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)從原理設(shè)計(jì)、電路分析、系統(tǒng)仿真、測(cè)試到PCB板完整的電子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的全過程。以下為本系統(tǒng)在Proteus中的仿真流程：（1）新建文件：打開Proteus點(diǎn)File，在彈出的下拉菜單中選擇NewDesign，在彈出的圖幅選擇對(duì)話框中選Default。（2）設(shè)置編輯環(huán)境：按上述的方法對(duì)Proteus的設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。（3）元器件選?。喊丛O(shè)計(jì)要求，在對(duì)象選擇窗口中點(diǎn)P，彈出Pickdevices對(duì)話框，在Keywords中填寫要選擇的元器件，然后在右邊對(duì)話框中選中要選的元器件，則元器件列在對(duì)象選擇的窗口中如圖5.1所示圖5.1Proteus元器件選取界面（4）程序編譯點(diǎn)菜單Source→Add/RemovesourceFiles”在出現(xiàn)的對(duì)話框如圖5.2中，選擇ASEM51編輯器，將上面的匯編源程序SEKED.ASM添加。再點(diǎn)菜單Source→BuildALL編譯匯編源程序，生成目標(biāo)代碼文件SWLED.HEX圖5.2程序添加界面（5）程序加載在編輯環(huán)境左擊單片機(jī)然后右擊，在彈出的對(duì)話框中將編譯生成的HEX文件加載到芯片中，設(shè)單片機(jī)的時(shí)鐘工作頻率為12MHZ。（6）電路仿真點(diǎn)仿真按鍵，按照前面介紹的系統(tǒng)使用方法進(jìn)行仿真。5.2電路仿真LCD液晶顯示電路的系統(tǒng)仿真與調(diào)試：在Proteus運(yùn)行環(huán)境中首先檢驗(yàn)LCD顯示電路，添加程序，運(yùn)行LCD液晶顯示電路能，系統(tǒng)若運(yùn)行成功將得到如圖5.3。此后在之前的電路基礎(chǔ)之上再拓展帶中斷的獨(dú)立式鍵盤，調(diào)試成功后的電路如圖5.4所示。圖5.3LCD液晶顯示字符初步調(diào)試圖5.4帶中斷控制的LCD液晶顯示調(diào)試用帶中斷的鍵盤來控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的部分電路，如圖5.5。圖5.5用帶中斷的鍵盤來控制的電機(jī)啟動(dòng)目標(biāo)系統(tǒng)，按正轉(zhuǎn)，然后接加速開關(guān)，我們觀察到電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，每按一次加速，電機(jī)的速度都要增加，此時(shí)如果按減速，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速慢慢地減小。同樣按反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鍵也看到同樣的結(jié)果，當(dāng)按停止鍵時(shí)，電機(jī)慢慢停下來，圖5.6是在目的電路剛啟動(dòng)時(shí)未設(shè)置命令之前的狀態(tài)，圖5.7是在正轉(zhuǎn)情況下的仿真結(jié)果，圖5.8是在反轉(zhuǎn)情況下的仿真結(jié)果。圖5.6未按鍵時(shí)的初始狀態(tài)圖5.7電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)圖5.8電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)6結(jié)論本課題的目的在于利用單片機(jī)實(shí)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(duì)控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊、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(jì)，并且利用Protel軟件繪制出電路原理圖。軟件方面利用匯編語言進(jìn)行編程，并且利用Proteus軟件進(jìn)行仿真更加保證了程序的準(zhǔn)確性。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(jì)了電機(jī)調(diào)速電路（原理圖見附錄A）；3、利用匯編語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并通過仿真（源程序見附錄B）。根據(jù)上面論述結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出本次設(shè)計(jì)基本完成了設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。通過此次設(shè)計(jì)，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(jì)及相關(guān)技巧，為今后的工作和學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。附錄A系統(tǒng)總電路圖直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的Protel原理圖附錄B源程序ORG0000HSJMPDISPLAYORG0003HLJMPBUTTON;外部0中斷入口地址ORG000BHLJMPDINGSHI;定時(shí)中斷T0入口地址RSEQUP3.0RWEQUP3.1EEQUP3.4ORG0030H;此次直流電機(jī)的設(shè)計(jì)以LCD字符夜晶的;顯示程序?yàn)橹鞒绦駾ISPLAY:SETBEA;打開中斷總開關(guān)SETBEX0;打開外部中斷0開關(guān)SETBIT0;打開外部中斷0下降沿觸發(fā)MOVTMOD,#01H;設(shè)置定時(shí)工作方式MOVTL0,#0FFH;設(shè)置定時(shí)初值MOVTH0,#0FFHSETBET0;打開定時(shí)中斷T0開關(guān)CLRP0.5CLRP0.6CLRP0.7SETBTR0;定時(shí)器T0開始定時(shí)MOVDPTR,#TAB;夜晶顯示的字符首地址MOVR0,#00H;脈寬的初值MOVR1,#16;"SETSPEEDPLEASE"的字符個(gè)數(shù)MOVR3,#00HMOVR4,#00HLP9:LCALLCHUSHILP2:ACALLBUSYMOVA,#00HMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AACALLDATASINCDPTRDJNZR1,LP2LP3:CJNER3,#00H,LP4CJNER4,#00H,LP4SJMPLP3LP4:MOVR7,#00H;中斷的標(biāo)志MOVR5,#09H;CURRENT:的字符個(gè)數(shù)ACALLBUSYMOVP1,#0C0HACALLENABLEMOVDPTR,#MMTABACALLBUSYLP5:MOVA,#00HMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AINCDPTRACALLDATASACALLBUSYDJNZR5,LP5MOVDPTR,#STABMOVA,R2MOVP1,AACALLDATASACALLBUSYMOVA,R3;顯示速度的十位MOVCA,@A+DPTRMOVP1,AACALLDATASACALLBUSYMOVA,R4;顯示速度的個(gè)位MOVCA,@A+DPTRMOVP1,AACALLDATAS;使夜晶始終顯示當(dāng)前電機(jī)的速度LP8:CJNER7,#00H,LP7;速度不變時(shí)等待LJMPLP8;速度變時(shí)重新讀入速度LP7:SJMPLP4CHUSHI:;使夜晶顯示的一些初始設(shè)置ACALLBUSYMOVP1,#00000001B;清屏并光標(biāo)復(fù)位ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#00111000B;設(shè)置顯示模式:8位2行5×7點(diǎn)陣ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#00001111B;顯示器開、光標(biāo)開、光標(biāo)允許閃爍ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#00000110B;文字不動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#80H;寫入顯示起始地址ACALLENABLERETENABLE:;寫入控制命令的子程序SETBECLRRSCLRRWCLRERETDATAS:;寫入數(shù)據(jù)子程序SETBESETBRSCLRRWCLRERETBUSY:;準(zhǔn)備寫入數(shù)據(jù)CLREMOVP1,#0FFHCLRRSSETBRWSETBEJBP1.7,BUSYRETORG2000HDINGSHI:;定時(shí)中斷服務(wù)程序CPLP0.7JNBP0.7,Z1;周期一定MOVA,#0FFHSUBBA,R0MOVTH0,ASETBTR0RETIZ1:MOVTH0,R0;脈寬SETBTR0RETIBUTTON:;從控制鍵盤中讀取操作命令PUSHACCCLREX0CLREAINCR7;MOVA,#0FFHMOVP2,AMOVA,P2JNBACC.0,AA0JNBACC.1,KK0JNBACC.2,ZZJNBACC.3,FFJNBACC.4,WW0AJMPQQAA0:CJNER0,#0FFH,AA1;加速操作AJMPQQAA1:MOVA,R0ADDA,#5MOVR0,AAJMPQQKK0:CJNER0,#00,MM;減速操作AJMPQQMM:MOVA,R0SUBBA,#5MOVR0,AAJMPQQQQ:MOVA,R0MOVB,#5DIVABMOVB,#10DIVABMOVR3,AMOVR4,BSETBEX0LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEAPOPACCRETIZZ:SETBP0.5;正轉(zhuǎn)操作CLRP0.6MOVR2,#2BH;正轉(zhuǎn)標(biāo)志"+"LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEX0SETBEAPOPACCRETIFF:CLRP0.5;反轉(zhuǎn)操作SETBP0.6MOVR2,#2DH;反轉(zhuǎn)標(biāo)志"-"LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEX0SETBEAPOPACCRETIWW0:CLRP0.5;停止操作CLRP0.6LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEX0SETBEAPOPACCRETIDELAY:;延時(shí)子程序MOVR5,#0E0HMM0:MOVR6,#30HMM1:DJNZR6,MM1DJNZR5,MM0RETTAB:DB53H,45H,54H,20HDB53H,50H,45H,45H;"SETSPEEDPLEASE"代碼DB44H,20H,50H,4CHDB45H,41H,53H,45HSTAB:DB30H,31H,32H,33HDB34H,35H,36H,37H;"0,1,2,3,4,5,6,7"代碼DB38H,39H,41H,42H;"8,9,A,B,C,D,E,F"DB43H,44H,45H,46HMMTAB:DB43H,4FH,52H,52HDB45H,4EH,54H,20H