基于PID控制的單片機調(diào)速系統(tǒng)

1、洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）基于PID控制的單片機調(diào)速系統(tǒng)摘 要在運動控制系統(tǒng)中，電機轉(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，在整個控制過程中都是固定不變的，而在實際中，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。隨著計算機技術(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)

2、點，應(yīng)用面越來越廣。 本設(shè)計以上面提到的數(shù)字PID為基本控制算法，以AT89C52單片機為控制核心，產(chǎn)生占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM脈沖實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。同時利用光電傳感器將電機速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機中，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，達到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采用7289作為顯示部件，通過4×4鍵盤設(shè)置P、I、D、V四個參數(shù)轉(zhuǎn)控制，啟動后可以通過顯示部件了解電機當前的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)控制精度高，具有很強的抗干擾能力。關(guān)鍵詞：PID，PWM脈沖，占空比，無靜差調(diào)節(jié)MCU Speed Control Cystem Cased on PID ABSTRACTIn the mo

3、tion control system,the control of electromotor's 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 it

4、's easy to meet normal control's demand , but as the whole control process isfixed 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

5、analog PID controller barely has satisfied effect.With the development of computer technology and intelligent control theory ,the digital PID technology is thriving which can achieve the analog PID's control tasks and consists of many advantages like flexible control arithmetics and high reliabi

6、lity,it is widely used now. This design is based on the digital PID mentioned above as basic control arithmetic and AT89C52 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 machine's rotate spe

7、ed.Meanwhile,the design uses photoelectric sensor to transduce the electromotor speed into impulse frequency and feed it back to SCM,this process implements rotate speed's closed loop control to attain the purpose of rotate speed's astatic modulation.In this system, the 7289 is used as displ

8、ay unit , the 4×4 keyboard sets those four parameters P、I、D、V and reverse control,the display unit shows the electromotor's current rotate speed .The system has great control precision and anti-jamming capability.KEY WORDS: Digital PID，PWM impulse，Dutyfactor，Astaticmodulation13目錄前言1第1章 PID算

9、法及PWM控制技術(shù)簡介41.1 PID算法41.1.1 模擬PID41.1.2 數(shù)字PID51.1.3 數(shù)字PID參數(shù)整定方法81.2 PWM脈沖控制技術(shù)101.2.1 PWM控制的基本原理111.2.2 直流電機的PWM控制技術(shù)12第2章 設(shè)計方案與論證152.1 系統(tǒng)設(shè)計方案152.2 控制器模塊設(shè)計方案162.3電機驅(qū)動模塊設(shè)計方案162.4速度采集模塊設(shè)計方案172.5顯示模塊設(shè)計方案182.6鍵盤模塊設(shè)計方案18第3章 單元電路設(shè)計203.1 電機電路設(shè)計203.1.1 電機驅(qū)動電路設(shè)計203.1.2 電機速度采集電路設(shè)計203.2 顯示電路設(shè)計213.3 鍵盤電路設(shè)計22第4章 軟

10、件設(shè)計244.1 算法實現(xiàn)244.1.1 PID算法244.1.2 電機速度采集算法254.2 程序流程圖254.2.1 主流程圖254.2.2 鍵盤程序程序流程264.2.3 顯示程序流程274.2.4 延時程序流程圖32第5章 系統(tǒng)PROTEUS仿真與測試分析335.1 Proteus軟件簡介335.2 系統(tǒng)的分析與調(diào)試35結(jié)論38謝 辭39參考文獻40附錄41外文資料翻譯51前言21世紀，科學(xué)技術(shù)日新月異，科技的進步帶動了控制技術(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。我們已進入高速發(fā)展的信息時代，控制技術(shù)成為當今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應(yīng)用工程等各個領(lǐng)域。 控制理

11、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階段。其控制系統(tǒng)包括控制器傳感器變送器執(zhí)行機構(gòu)輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口執(zhí)行機構(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)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用。 受益于數(shù)十年來全球經(jīng)濟高速成長所獲得PID控制成果,在中國市場，一大批機器設(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器設(shè)備需求外，走向國際市場，參與國

12、際競爭也成為現(xiàn)實需求。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、鐵道運輸、航天航空、鋼鐵生產(chǎn)、物流配送、飲料生產(chǎn)等多個方面。但是由于中國科技落后，為此，我們需要更進一步的學(xué)習(xí)、掌握與應(yīng)用先進的控制技術(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，尤其在運動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。隨著科技的進步，人們對生活舒適性的追求將越來越高，PID控制技術(shù)作為一項具有發(fā)展前景和影響力的新技術(shù)，正越來越受到國內(nèi)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)之一當被控對象的結(jié)構(gòu)

13、和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。實際中也有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成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(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的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差

14、，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，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的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，

15、減少調(diào)節(jié)時間。因此在運動控制系統(tǒng)中PID控制技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，是機器人等高技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，它可以對運動部件的位置、速度等進行實時控制管理，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。其中電機速度的控制在運動控制理論中占有至關(guān)重要的作用，本設(shè)計主要應(yīng)用數(shù)字PID算法，利用PWM調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。隨著社會的發(fā)展用戶對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)深入到運動控制系統(tǒng)的各個方面，各種新技術(shù)的應(yīng)用也大大提高了運動控制系統(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)計主要研究的是P

16、ID控制技術(shù)在運動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，縱所周知運動控制系統(tǒng)最主要的控制對象是電機，在不同的生產(chǎn)過程中，電機的運行狀態(tài)要滿足生產(chǎn)要求，其中電機速度的控制在占有至關(guān)重要的作用，因此本次設(shè)計主要是利用PID控制技術(shù)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。其設(shè)計思路為:以AT89C52單片機為控制核心，產(chǎn)生占空比受PID算法控制的PWM脈沖實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的控制。同時利用光電傳感器將電機速度轉(zhuǎn)換成脈沖頻率反饋到單片機中，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，達到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采7289顯示模塊作為顯示部件，通過4×4鍵盤設(shè)置P、I、D、V四個參數(shù)，啟動后通過顯示部件了解電機當前的轉(zhuǎn)速。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括

17、：電機驅(qū)動模塊、控制模塊、速度檢測模塊。軟件部分采用C語言進行程序設(shè)計，其優(yōu)點為：可移植性強、算法容易實現(xiàn)、修改及調(diào)試方便、易讀等。 本次設(shè)計系統(tǒng)的主要特點： （1）優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動控制，誤差補償； （2）使用光電傳感器將電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖頻率，比較精確的反映出電機的轉(zhuǎn)速，從而與設(shè)定值進行比較產(chǎn)生偏差，實現(xiàn)比例、積分、微分的控制，達到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的；（3）7289顯示模塊顯示電機運行速度和輸入時的速度；（4）利用Proteus軟件進行系統(tǒng)整體仿真，從而進一步驗證電路和程序的正確性，避免不必要的損失；（5）采用數(shù)字PID算法，利用軟件實現(xiàn)控制，具有更改靈活，節(jié)約硬件等優(yōu)點；（6

18、）系統(tǒng)性能指標：超調(diào)量8； 調(diào)節(jié)時間4s； 轉(zhuǎn)速誤差±1r/min。 第1章 PID算法及PWM控制技術(shù)簡介1.1 PID算法控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(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）進行的控制，稱為PID控制1。實際經(jīng)驗和理論分析都表明，PID控制能夠滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，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PID2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

19、，系統(tǒng)由模擬PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)及控制對象組成3。 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)給定值與實際輸出值構(gòu)成的控制偏差： （1.1）將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制，故稱為PID調(diào)節(jié)器。在實際應(yīng)用中，常根據(jù)對象的特征和控制要求，將P、I、D基本控制規(guī)律進行適當組合，以達到對被控對象進行有效控制的目的。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）式中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(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)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏

20、差信號,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。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強；（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。由式1.2可得，模擬PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 （1.3）由于本設(shè)計主要采用數(shù)字PID算法，所以對于模擬PID只做此簡要介紹。1.1.2 數(shù)字PID在DDC系統(tǒng)中，用計算機取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機軟件來完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設(shè)計，實際上是計算機

21、算法的設(shè)計。由于計算機只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進行運算，故在計算機控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進行離散化的算法設(shè)計。為將模擬PID控制規(guī)律按式（1.2）離散化，我們把圖1.1中、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、表示，于是式（1.1）變?yōu)椋?（1.4）當采樣周期T很小時可以用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 （1.5） （1.6） 這樣，式（1.2）便可離散化以下差分方程 （1.7）上式中是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例（P）項,即 （1.8）第二項起積分控制作用,稱為積分（I）項即 （1.9） 第三項起微分控制作用,稱為

22、微分（D）項即 （1.10） 這三種作用可單獨使用(微分作用一般不單獨使用)或合并使用,常用的組合有:P控制: （1.11）PI控制: （1.12）PD控制: （1.13）PID控制: （1.14）式（1.7）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達到的位置。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，這是因為要累加偏差,不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（1.7）進行改進。根據(jù)式（1.7）不難看出u(n-1)的表達式，即 （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 （1.16

23、）從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為 （1.17）式中：稱為比例增益；稱為積分系數(shù)；稱為微分系數(shù)。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)生變化時控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是很困難的，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。P

24、ID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設(shè)計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學(xué)模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點就是整定參數(shù)時不依賴對象的數(shù)學(xué)模型，簡單易行。當然，這是一種近似的方法，有時可能略嫌粗糙，但相當適用，可解決一般實際問題。下面介紹兩種常用的簡易工程整定法。（1）擴充臨界比例度法這種方法適用于有自平衡特性的被控對象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：選擇一個足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時，去掉積分作用

25、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)對階躍輸入的響應(yīng)達到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準，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價函數(shù)通常用誤差平方面積表示。 （1.18）實際應(yīng)用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。通常，當控制度為1.05時，就可以認為DDC與模擬控制效果相當；當控制度為2.0時，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。表1-1 擴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.

26、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)驗法經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗及對工藝的熟悉程度，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，積分時間往下降；曲

27、線波動周期長，積分時間再加長；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長。下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動信號作階躍變化，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)為當前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。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

28、止。引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù)和實際微分時間，此時可適當增大比例系數(shù)和積分系數(shù)。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復(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：一個小電機閉環(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)場調(diào)試時進行修正。1.2 PWM脈沖控制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)4。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）5。1.2.1

29、 PWM控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結(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，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，當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。當窄脈沖變?yōu)槿鐖D1-4的d所示的單位脈沖函數(shù)時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。圖1-4 形狀不

30、同而沖量相同的各種窄脈沖圖1-5a的電路是一個具體的例子。圖中為窄脈沖，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)其電流為電路的輸出。圖1-5b給出了不同窄波時的響應(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 直流電機的PWM控制技術(shù)直流電動機6具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范

31、圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通和改變電樞回路電阻。針對三種調(diào)速方法，都有各自的特點，也存在一定的缺陷。例如改變電樞回路電阻調(diào)速只能實現(xiàn)有級調(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

32、流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點：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,動態(tài)抗干擾能力強，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，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。正因為直流PWM調(diào)速系統(tǒng)有以上優(yōu)點，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7( 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)域中大部分應(yīng)用的是數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)

33、。電動機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。采用微機控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，并且結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作維護方便,電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平，靜動態(tài)各項指標均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。下面主要介紹直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)的算法實現(xiàn)。根據(jù)PWM控制的基本原理可知，一段時間內(nèi)加在慣性負載兩端的PWM脈沖與相等時間內(nèi)沖量相等的直流電加在負載上的電壓等效，那么如果在短時間T內(nèi)脈沖寬度為，幅值為U，由圖1-6可求得此時間內(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： （U為脈沖幅值) （1.19）若PWM脈沖

34、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算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） （1.20）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，可以通過改變脈沖幅值U和占空比來實現(xiàn)，因為在實際系統(tǒng)設(shè)計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現(xiàn)等效直流電壓在0U之間任意調(diào)節(jié)，從而達到利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的目的。第2章 設(shè)計方案與論證2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和要求，設(shè)計系統(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現(xiàn)人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到

35、單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中控制器產(chǎn)生PWM脈沖送到電機驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng)過數(shù)字PID運算后改變PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速實時控制的目的10。圖2-1 系統(tǒng)方案框圖系統(tǒng)各模塊采用的方案如下：1、控制器模塊： 采用AT89C52單片機8；2、電機驅(qū)動模塊：采用直流電機驅(qū)動芯片ULN2003實現(xiàn)；3、速度采集模塊：采用光電傳感器；4、顯示模塊：    采用7289顯示模塊；5、鍵盤模塊：    采用標準的4×4矩陣式鍵盤；2

36、.2 控制器模塊設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計任務(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，并對電機當前速度進行采集處理，根據(jù)算法得出當前所需輸出的占空比脈沖。對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，F(xiàn)PGA可以實現(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，易于進行功能控制。FPGA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)模實時系統(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)計控制PWM脈沖的占空比，但是由于本次設(shè)計對數(shù)據(jù)處

37、理的時間要求不高，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，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。方案二：采用AT89C52作為系統(tǒng)控制的方案。AT89C52單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。相對于FPGA來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現(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，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。方案三：采用傳統(tǒng)的AT89C51單片機作為運動物體的控制中心。它和AT89C52一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低,使用簡單等特點，但是它的頻率較低、運算

38、速度慢， RAM、ROM空間小等缺點。本題目在確定圓周坐標值時，需要進行大量的運算。若采用89C51需要做RAM，ROM來擴展其內(nèi)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AT89C529作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機運動較為簡單，可以滿足設(shè)計要求。因此在本次設(shè)計選用方案二。2.3電機驅(qū)動模塊設(shè)計方案本次設(shè)計的主要目的是控制電機的轉(zhuǎn)速，因此電機驅(qū)動模塊是必不可少，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)動電路，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易實現(xiàn)，但由于在驅(qū)動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，我們知道在實際的生產(chǎn)實踐

39、過程中可靠性是一個非常重要的方面。因此此中方案不宜采用。 方案二：采用專用的電機驅(qū)動芯片，例如ULN2003等電機驅(qū)動芯片，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，所以我們在應(yīng)用時只需考慮到芯片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大的提高了工作效率。 基于上述理論分析和實際情況，電機驅(qū)動模塊選用方案二。2.4速度采集模塊設(shè)計方案 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)定與當前實際轉(zhuǎn)速進行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計的，其設(shè)計方案以下三種：

40、 方案一：采用霍爾集成片10。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成。當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)ǎ虼丝梢栽陔姍C上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進行電機速度的檢測。 方案二：采用對射式光電傳感器。其檢測方式為：發(fā)射器和接受器相互對射安裝，發(fā)射器的光直接對準接受器，當測物擋住光束時，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測物被檢測到。通過脈沖計數(shù)，對速度進行測量。 方案三：采用測速發(fā)電機對直流電機轉(zhuǎn)速進行測量11。該方案的實現(xiàn)原理是將測速發(fā)電機固定在直流電機的軸上，當直流電機轉(zhuǎn)動時，帶動測速電機的軸一起轉(zhuǎn)動，因此測速發(fā)電機會產(chǎn)生大小隨直流電機轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動

41、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轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖的頻率進行測量，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)計中選用第二種方案進行設(shè)計。2.5顯示模塊設(shè)計方案 在電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對參數(shù)、工作方式以及電機當前運行狀態(tài)的顯示，因此在整個系統(tǒng)中必須設(shè)計一個顯示模塊，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)動簡單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點，并且它可采用BCD編碼顯示

42、數(shù)字，編程容易，硬件電路調(diào)試簡單。 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、可對字符進行顯示，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128×64LCD液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件連接電路較上面兩種方案復(fù)雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。 根據(jù)本次設(shè)計的設(shè)計要求，應(yīng)該選擇顯示模塊選用方案三。但是由于本此設(shè)計的單片機帶有7289顯示芯片。也就選擇了方案一。 2.6鍵盤模塊設(shè)計方案 在電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定以及電機

43、起停的控制，因此鍵盤在整個系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案： 方案一：采用獨立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實現(xiàn)簡單，并且各按鍵相互獨立，每個按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。按鍵的工作狀態(tài)不會影響其它按鍵上的輸入狀態(tài)。但是由于獨立式鍵盤每個按鍵需要占用一根輸入口線，所以在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費大，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n×m個按鍵的鍵盤，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

44、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。 根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件連接比較復(fù)雜，對軟件的運行速度要求不高，所以采用方案二矩陣式鍵盤進行設(shè)計。18洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第3章 單元電路設(shè)計3.1 電機電路設(shè)計本此設(shè)計的電機電路包括電機的驅(qū)動和電機的速度測試兩個模塊組成并將兩個模塊連接到中控AT89C5211。 3.1.1 電機驅(qū)動電路設(shè)計直流電機的驅(qū)動使用PWM脈沖來控制的，但是由于單片機的I/O口輸出電流和電壓達不到直流電機的要求。因此設(shè)計采用了ULN2003芯片來驅(qū)動電機，并通過單片機來控制ULN2003的一個端口就可以控制PWM波的電壓了。3.1.2 電機速度采集電路設(shè)計在本系統(tǒng)中由于要

45、將電機本次采樣的速度與上次采樣的速度進行比較，通過偏差進行PID運算，因此速度采集電路是整個系統(tǒng)不可缺少的部分。本次設(shè)計中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn)，其具體做法是將電機軸上固定一圓盤，且其邊緣上有N個等分凹槽如圖3-1（a）所示，在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管，其位置對準凹槽處，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，如果電動機轉(zhuǎn)到凹槽處時，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3-1（b）所示，從圖中可以得出電機每轉(zhuǎn)一圈在P3.3的輸出端就會產(chǎn)生N個低電平。這樣就可根據(jù)低電平的數(shù)量來計算電機此時轉(zhuǎn)速了。例如當電機以一定的轉(zhuǎn)速運行時，P

46、3.5將輸出如圖3-2所示的脈沖，若知道一段時間t內(nèi)傳感器輸出的低脈沖數(shù)為n，則電機轉(zhuǎn)速。 （a） （b） 圖3-1 電機速度采集方案圖3-2 傳感器輸出脈沖波形3.2 顯示電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求要對系統(tǒng)各項參數(shù)和電機運行狀態(tài)進行顯示，因此在電路中加入顯示模塊是非常必要的。由于本次設(shè)計用的單片機帶有ZLG7289就采用了ZLG7289的顯示功能。 ZLG7289B 是廣州周立功單片機12發(fā)展有限公司自行設(shè)計的數(shù)碼管顯示驅(qū)動及鍵盤掃描 管理芯片，可直接驅(qū)動8 位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立LED），同時還可以掃描管理多達64只按鍵。ZLG7289內(nèi)部含有顯示譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，并

47、同時具有2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱閃爍左移右移段尋址等。ZLG7289管腳圖如圖3-3所示。 ZLG7289B 采用SPI 串行總線與微控制器接口，僅占用少數(shù)幾根I/O 口線。利用片選信號，多片ZLG7289B 還可以并接在一起使用，能夠方便地實現(xiàn)多于8 位的顯示或多于64只按鍵的應(yīng)用13。圖3-3 ZGL7289引腳圖3.3 鍵盤電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)中使用了4×4鍵盤用以實現(xiàn)對P、I、D三個參數(shù)和電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定，其電路原理圖如圖3-4所示。圖中DP、SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG為4×4鍵盤的行信號，KC1、KC2為4×4鍵

48、盤的列信號。按照要求設(shè)計操作面板如圖3-4所示。21 第4章 軟件設(shè)計4.1 算法實現(xiàn)4.1.1 PID算法本系統(tǒng)設(shè)計的核心算法為PID算法，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較得出偏差，對偏差進行P、I、D運算最終利用運算結(jié)果控制PWM脈沖的占空比來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調(diào)節(jié)，進而控制電機轉(zhuǎn)速。其運算公式為：因此要想實現(xiàn)PID控制在單片機就必須存在上述算法，其程序流程如圖4-1所示。 圖4-1 PID程序流程圖 4.1.2 電機速度采集算法本系統(tǒng)中電機速度采集是一個非常重要的部分，它的精度直接影響到整個控制的精度。在設(shè)計中采用了光電傳感器做為測速裝置，其計算公式為： 從這里可以看出速度v的

49、誤差主要是由圓盤邊緣上的凹槽數(shù)的多少決定的，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)計中取凹槽數(shù)N為10，采樣時間t為0.1s，則速度計算具體程序流程如圖4-2所示。圖4-2 測速程序流程4.2 程序流程圖4.2.1 主流程圖在一個完整的系統(tǒng)中，只有硬件部分是不能完成相應(yīng)設(shè)計任務(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)運行過程設(shè)計出主程序流程如圖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)進入相應(yīng)的運行狀態(tài)，其程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4 鍵盤程序流程4.2.3 顯示程序流程顯示模塊是實現(xiàn)人機對話的重要部分，

50、在這里選用ZLG7289控制的數(shù)碼管可實現(xiàn)電機輸入和實際轉(zhuǎn)速，該器件的引腳功能在上面已經(jīng)做了說明，下面介紹7289的顯示相關(guān)指令。1. 純指令(1)復(fù)位清除指令 D7D6D5D4D3D2D1D010100100當ZLG7289A 收到該指令后將所有的顯示清除所有設(shè)置執(zhí)行該指令后芯片所處的狀態(tài)與系統(tǒng)上電后所處的狀態(tài)一樣。 (2)測試指令 D7D6D5D4D3D2D1D010111111該指令使所有的LED 全部點亮并處于閃爍狀態(tài)主要用于測試。(3)左移指令D7D6D5D4D3D2D1D010100001使所有的顯示自右向左（從第1 位向第8 位）移動一位（包括處于消隱狀態(tài)的顯示位），但對各位所設(shè)

51、置的消隱及閃爍屬性不變移動后最右邊一位為空（無顯示）例如原顯示為：12345678其中第2位“2”和第4位“4”為閃爍顯示執(zhí)行了左移指令后顯示變?yōu)椋?345678第2位“3”和第4位“5”為閃爍顯示。(4)右移指令D7D6D5D4D3D2D1D010100000與左移指令類似，但所做移動為自左向右（從第8 位向第1 位）移動，移動后最左邊一位為空。(5)循環(huán)左移指令D7D6D5D4D3D2D1D010100011與左移指令類似，不同之處在于移動后原最左邊一位（第8位)的內(nèi)容顯示于最右位(第1位) 在上例中,執(zhí)行完循環(huán)左移指令后的顯示為：23456781第2位“3”和第4位“5”為閃爍顯示。 (6)循環(huán)右移指令 D7D6D5D4D3D2D1D010100010與循環(huán)左移指令類似，但移動方向相反。帶有數(shù)據(jù)的指令（1）下載數(shù)據(jù)且按方式0譯碼D7D6D5D4D3D2D1D010000D7D6D5D4D3D2D1D0DPXXX X=無影響命令由二個字節(jié)組成 前半部分為指令，其中 、 為位地址，體分配如下表4-1(顯示