直流電機畢業(yè)設計

1、摘要 在運動控制系統(tǒng)中，電機轉速控制占有至關重要的作用，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構， 并且參數整定方便，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，由于現場的 系統(tǒng)參數、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。隨著計算機技術與智能控制理論的發(fā)展，數 字pid技術漸漸發(fā)展起來，它不僅能夠實現模擬pid所完成的控制任務，而且具 備控制算法靈活、可靠性高等優(yōu)點，應用面越來越廣。 本設計以上面提到的數

2、字pid為基本控制算法，以at89s51單片機為控制核 心，產生占空比受數字pid算法控制的pwm脈沖實現對直流電機轉速的控制。 同時利用光電傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，實現轉速閉環(huán)控 制，達到轉速無靜差調節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采12864lcd顯示器作為顯示部件， 通過44鍵盤設置p、i、d、v四個參數和正反轉控制，啟動后可以通過顯示部 件了解電機當前的轉速和運行時間。該系統(tǒng)控制精度高，具有很強的抗干擾能力。 關鍵詞：數字pid；pwm脈沖；占空比；無靜差調節(jié) abstract in the motion control system,the control of electr

3、omotors 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 meet normal controls demand,but as t

4、he 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 barely has satisfied effect.with th

5、e 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. this design is based on the digita

6、l 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 photoelectric sensor to transduce the

7、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 four parameters p、i、d、v and obverse

8、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，科學技術日新月異，科技的進步帶動了控制技術的發(fā)展，現代控制 設備的性能和結構發(fā)生了翻天覆地的變化

9、。我們已進入高速發(fā)展的信息時代，控制 技術成為當今科技的主流之一，廣泛深入到研究和應用工程等各個領域。 控制理論的發(fā)展經歷了古典控制理論、現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)行機構輸入輸出接口?？刂破鞯妮?出經過輸出接口執(zhí)行機構、加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量、經過傳感器、 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控制器已經很多，產品已在工程實際 中得到了廣泛的應用。 受益于數十年來全球經濟高速成長所獲得的

10、pid控制成果,在中國市場，一大 批機器設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備需求外， 走向國際市場，參與國際競爭也成為現實需求。在應用方面，這種控制技術已經滲 透到了醫(yī)療、汽車制造、鐵道運輸、航天航空、鋼鐵生產、物流配送、飲料生產等 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習、掌握與應用 先進的控制技術與解決方案，以提升設備性能、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控制技術的應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控制技術作為一項具有發(fā)展前 景和影響力的新技術，正越來越受到國內外各行業(yè)

11、的高度重視。 pid控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可 靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一當被控對象的結構和參數不能完全掌 握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的 結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用pid控制技術最為方便。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 數時，最適合用pid控制技術。實際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據 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系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)

12、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，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

13、信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。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，減少調節(jié)時間。因此在運動控制 系統(tǒng)中pid控制技術應用更為廣泛，是機器人等高技術領域的技術基礎，它可以對 運動部件的位置、速度等進行實時控制管理，使其符合相應的控制要求。被廣泛應 用于汽車制造、醫(yī)療、鐵道運輸、航天航空、鋼鐵生產等領域，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重要的作用，本設計主要應 用數字pid算法，利用pwm調制技術實現電機轉速的控制。隨著社會的發(fā)展用 戶對其性能提出了越來越高

14、的要求，借助于數字和網絡技術的智能控制已經深入到 運動控制系統(tǒng)的各個方面，各種新技術的應用也大大提高了運動控制系統(tǒng)的性能， 高頻化、交流化和網絡化成為今后的發(fā)展方向。 本次設計主要研究的是pid控制技術在運動控制領域中的應用，縱所周知運動 控制系統(tǒng)最主要的控制對象是電機，在不同的生產過程中，電機的運行狀態(tài)要滿足 生產要求，其中電機速度的控制在占有至關重要的作用，因此本次設計主要是利用 pid控制技術對直流電機轉速的控制。其設計思路為：以at89s51單片機為控制 核心，產生占空比受pid算法控制的pwm脈沖實現對直流電機轉速的控制。同 時利用光電傳感器將電機速度轉換成脈沖頻率反饋到單片機中，構

15、成轉速閉環(huán)控制 系統(tǒng)，達到轉速無靜差調節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采12864lcd顯示器作為顯示部件， 通過44鍵盤設置p、i、d、v四個參數和正反轉控制，啟動后通過顯示部件了 解電機當前的轉速和運行時間。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機驅動 模塊、控制模塊、速度檢測模塊、人機交互模塊。軟件部分采用c語言進行程序設 計，其優(yōu)點為：可移植性強、算法容易實現、修改及調試方便、易讀等。 本次設計系統(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速轉換為脈沖頻率，比較精確的反映出電機的轉 速，從而與設定值進行比較產生偏差，實現比例、積分、微分的控制，達到

16、轉速無 靜差調節(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）12864lcd顯示模塊提供一個人機對話界面，并實時顯示電機運行速 度和運行時間； （5）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； （6）采用數字pid算法，利用軟件實現控制，具有更改靈活，節(jié)約硬件等優(yōu)點； （7）系統(tǒng)性能指標：超調量8； 調節(jié)時間4s； 轉速誤差1r/min。 比 例 微 分 積 分執(zhí)行機構對象 r(t) + - + + u(t)c(t)e(t) 1 pid算法及pwm控制技術簡介 1.1 pid算法 控制算法是微機化控

17、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。目前提出的控制算法有很多。根據偏差的比例（p）、積分（i）、 微分（d）進行的控制，稱為pid控制。實際經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，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。 下面分別介紹模擬pid、數字pid及其參數整定方法。 1.1.1 模擬pid 在模擬控制系統(tǒng)中，調節(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調節(jié)器、執(zhí)行機構及控制對象組成。 圖1.1 模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖 pid調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，它根據給定值與實際輸出值

18、構成的)(tr)(tc 控制偏差： = )(te)(tr)(tc （1.1） 將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制，故稱 為pid調節(jié)器。在實際應用中，常根據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調節(jié)器， pi調節(jié)器，pid調節(jié)器等。 模擬pid調節(jié)器的控制規(guī)律為 )( )( 1 )()( 0dt tde tdtte t tektu d t i p （1.2） 式中，為比例系數，為積分時間常數，為微分時間常數。 p k i t d t 簡單的說，pid調節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是： （1）比例環(huán)節(jié)：即

19、時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產生，調)(te 節(jié)器立即產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，越大，積分作用越弱，反之則越強； i t i t （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，減少調節(jié)時間。 由式1.2可得，模擬pid調節(jié)器的傳遞函數為 ) 1 1 ( )( )( )(st st k se su sd d i p （1.3） 由于本設計主要采用數字pid算法，所以對于模擬pid只做此簡要介紹

20、。 1.1.2 數字pid 在ddc系統(tǒng)中，用計算機取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現是由計算機軟件 來完成的。因此，系統(tǒng)中數字控制的設計，實際上是計算機算法的設計。 由于計算機只能識別數字量，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、)(tr)(te 、在第n次采樣的數據分別用、表示，于是式)(tu)(tc)(nr)(ne)(nu)(nc （1.1）變?yōu)?： = )(ne)(nr)(nc （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，dt)(tde) 1()(n

21、ene “積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 t nene dt tde) 1()()( （1.5） t n i tiedtte 0 1 )()( （1.6） 這樣，式（1.2）便可離散化以下差分方程 0 1 )1()()()()(unene t t ne t t neknu n i d i p （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 0 u ,即 )(nup )()(neknu pp （1.8） 第二項起積分控制作用,稱為積分（i）項即)(nui n i i pi ie t t knu 1 )()( （1.9） 第三項起微分控制作用,稱為微

22、分（d）項即)(nud )1()()(nene t t knu d pd （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: 0 )()(ununu p （1.11） pi控制: 0 )()()(unununu ip （1.12） pd控制: 0 )()()(unununu dp （1.13） pid控制: 0 )()()()(ununununu dip （1.14） 式（1.7）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構每次采樣時)(nu 刻應達到的位置。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

23、是因為要累加偏差,不)(ie 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。 根據式（1.7）不難看出u(n-1)的表達式，即 0 1 1 )2() 1()() 1() 1(unene t t ne t t neknu n i d i p （1.15） pid 位置算法 控制器被控對象 r(t) + - e(t)uc(t) pid 增量算法 控制器被控對象 r(t) + - e(t)uc(t) 將式（1.7）和式（1.15）相減，即得數字pid增量型控制算式為 ) 1()()(nununu )2() 1(2)()()1()(nenenekneknenek dip （1

24、.16） 從上式可得數字pid位置型?控制算式為 )(nu 0 )2() 1(2)()()1()(unenenekneknenek dip （1.17） 式中： 稱為比例增益； p k 稱為積分系數； i pi t t kk 稱為微分系數1。 t t kk d pd 數字pid位置型示意圖和數字pid增量型示意圖分別如圖1.2和1.3所示： 圖1.2 數字pid位置型控制示意圖 圖1.3 數字pid增量型控制示意圖 1.1.3 數字pid參數整定方法 如何選擇控制算法的參數，要根據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，超調量小，在不同干擾下系

25、統(tǒng)輸出應能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數發(fā)生變化時控制 應保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是很困難的，必須根據具體過程的要 求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。 pid調節(jié)器的參數整定方法有很多，但可歸結為理論計算法和工程整定法兩種。 用理論計算法設計調節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數學模型，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 整定參數時不依賴對象的數學模型，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

26、于有自平衡特性的被控對象。使用這種方法整定數字調節(jié)器參數 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，去掉積分作用和微分作用，使調節(jié)器 成為純比例調節(jié)器，逐漸減小比例度（）直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應 p k/1 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。 k k t 選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調節(jié)器為基準，將ddc的控制效果與模 擬調節(jié)器的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u價函數通常用誤差平方面積表 0 2 )(te 示。 控制度 模擬 )( )( 0 2 0 2 dtte dtte

27、ddc （1.18） 實際應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。 根據選定的控制度，查表1.1求得t、的值1。 p k i t d t 表1.1 擴充臨界比例度法整定參數 控制度控制規(guī)律t p k i t d t 1.05pi0.03 k t0.53 k 0.88 k t 1.05pid0.014 k t0.63 k 0.49 k t0.14 k t 1.20pi0.05 k t0.49 k 0.91 k t （2） 經驗法 經驗法是 靠工作人員的 經

28、驗及對工藝 的熟悉程度， 參考測量值跟蹤與設定值曲 線，來調整p、i、d三者參數的大小的，具體操作可按以下口訣進行： 參數整定找最佳，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； 曲線偏離回復慢，積分時間往下降； 曲線波動周期長，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，微分時間應加長。 下面以pid調節(jié)器為例，具體說明經驗法的整定步驟： 讓調節(jié)器參數積分系數=0，實際微分系數=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行， i k d k 由小到大改變比例系數，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿 p

29、k 意的控制過程為止。 取比例系數為當前的值乘以0.83，由小到大增加積分系數，同樣讓擾 p k i k 動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。 積分系數保持不變，改變比例系數，觀察控制過程有無改善，如有改 i k p k 善則繼續(xù)調整，直到滿意為止。否則，將原比例系數增大一些，再調整積分系 p k 數，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數和積分系 i k p k 數為止。 i k 引入適當的實際微分系數和實際微分時間，此時可適當增大比例系數 d k d t 和積分系數。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調整，直到控制過 p k i k 程滿意為止。 pid參數是根據

30、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) 1.20pid0.043 k t0.047 k 0.47 k t0.16 k t 1.50pi0.14 k t0.42 k 0.99 k t 1.50pid0.09 k t0.34 k 0.43 k t0.20 k t 2.00pi0.22 k t0.36 k 1.05 k t 2.00pid0.16 k t0.27 k 0.40 k t0.22 k t a b c d ab i i(t) i(t) e(t) r l 0 控制，一般p在（1、10）之間,i在

31、（0、5）之間,d在（0.1、1）之間,具體 參數要在現場調試時進行修正。 1.2 pwm脈沖控制技術 pwm(pulse width modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即 通過對一系列脈沖的寬度進行調制，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重要的結論：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

32、 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 位脈沖函數時，環(huán)節(jié)的響應即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數。)(t 圖1.4 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖1.5a的電路是一個具體的例子。圖中為窄脈沖，其形狀和面積分別如)(te 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，設其電流為電路的輸出。圖1.5b給出了不同窄波時的響應波形。)(ti)(ti 從波形可以看出，在的上升段

33、，脈沖形狀不同時的形狀也略有不同，但其)(ti)(ti 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)(ti 述脈沖，則響應也是周期性的。用傅立葉級數分解后將可看出，各在低頻)(ti)(ti 段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同2。 f(t) 0 t f(t) 0 t 0 t f(t) 0 t f(t) 0 t 0 t a b c d 圖1.5 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 1.2.2 直流電機的pwm控制技術 直流電動機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便，調速范圍廣，過載能力大， 能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無級快速起動、制動和反轉；能滿足生產過 程自動化系統(tǒng)

34、各種不同的特殊運行要求，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動 系統(tǒng)領域中得到了廣泛的應用。 直流電動機的轉速調節(jié)主要有三種方法直流電動機的轉速調節(jié)主要有三種方法：調節(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速只能實現有級調速，減弱磁通雖然能夠平滑調速，但這 種方法的調速范圍不大，一般都是配合變壓調速使用。所以在直流調速系統(tǒng)中，都 是以變壓調速為主。其中，在變壓調速系統(tǒng)中，大體上又可分為可控整流式調速系 統(tǒng)和直流pwm調速系統(tǒng)兩種。直流pwm調速系統(tǒng)與可控整流式調速系統(tǒng)相比 有下列優(yōu)點：由于pwm調速系統(tǒng)的開關

35、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、調速范圍寬。同樣，由于開關頻 率高,快速響應特性好,動態(tài)抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關器件只工作 在開關狀態(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 功率因數比相控整流器高。正因為直流pwm調速系統(tǒng)有以上優(yōu)點，并且隨著電力 電子器件開關性能的不斷提高，直流脈寬調制( pwm) 技術得到了飛速的發(fā)展。 隨著科學技術的迅猛發(fā)展傳統(tǒng)的模擬和數字電路已被大規(guī)模集成電路所取代， 這就使得數字調制技術成為可能。目前，在該領域中大部分應用的是數字脈寬調制 技術。電動機調速系統(tǒng)采用微機實現數字化控制

36、，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。 采用微機控制后，整個調速系統(tǒng)實現全數字化，并且結構簡單、可靠性高、操作維 護方便,電動機穩(wěn)態(tài)運轉時轉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)生產中高性能電氣傳動的要求。下面主要介紹直流電機pwm調速系統(tǒng)的算 法實現。 u(t) 0ttt0 u u(t) 0ttt0 u 2t2t03t3t04t0nt (n+1)t0 根據pwm控制的基本原理可知，一段時間內加在慣性負載兩端的pwm脈 沖與相等時間內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 脈沖寬度為,幅值為u，由圖1.6可求得此時間內脈沖的等效直流電壓為： 0 t 圖1.6 p

37、wm脈沖 ，若令，即為占空比，則上式可化為： t ut u 0 0 t t0 (u為脈沖幅值) uu 0 （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 壓的計算方法與上述相同，即 （為矩形脈沖占空比） u t ut nt unt u 00 0 （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，因為在實際系統(tǒng)設計中脈沖幅值一般是恒定的，所以通常通過控制 占空比的大小實現等效直流電壓在0u之間任意調節(jié)，從而達到利用pwm 控制技術實現對直流電機轉速進行調節(jié)的目的。 2 設計方

38、案與論證 2.1 系統(tǒng)設計方案 根據系統(tǒng)設計的任務和要求，設計系統(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人機交互功能，其中通過鍵盤將需要設 置的參數和狀態(tài)輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上。在運行過程中 控制器產生pwm脈沖送到電機驅動電路中，經過放大后控制直流電機轉速，同時 利用速度檢測模塊將當前轉速反饋到控制器中，控制器經過數字pid運算后改變 pwm脈沖的占空比，實現電機轉速實時控制的目的。 鍵盤模塊控制器模塊 顯示模塊 電機驅動模塊直流電機 速度檢測模塊 pwm脈沖 圖2.1 系統(tǒng)方案框圖 2.2 控制器模塊設計方案 根據設計任務，控制器

39、主要用于產生占空比受數字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（現場可編輯門列陣）作為系統(tǒng)的控制器，fpga可以實 現各種復雜的邏輯功能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，并且可應用eda軟件仿真、調試，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輸入給fpga，fpga通過程序設計控制 pwm脈沖的占空比，但是由于本次設計對數據處理的時間要求不高，fpg

40、a的高 速處理的優(yōu)勢得不到充分體現，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雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。 方案二：采用at89s51作為系統(tǒng)控制的方案。at89s51單片機算術運算功 能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制4。相對于 fpga來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現。并且它還具有功耗低、體積小、 技術成熟和成本低等優(yōu)點，在各個領域中應用廣泛。 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 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，但是它的 頻率較低、運算速度

41、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據并控制電 機運動較為簡單，可以滿足設計要求。因此在本次設計選用方案二。 2.3 電機驅動模塊設計方案 本次設計的主要目的是控制電機的轉速，因此電機驅動模塊是必不可少，其方 案有一下兩種。 方案一：采用大功率晶體管組合電路構成驅動電路，這種方法結構簡單，成本 低、易實現，但由于在驅動電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復雜、 抗干擾能力差、可靠性下降，我們知道在

42、實際的生產實踐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：采用專用的電機驅動芯片，例如l298n、l297n等電機驅動芯片， 由于它內部已經考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應用時只 需考慮到芯片的硬件連接、驅動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設計簡 單、抗干擾能力強、可靠性好。設計者不需要對硬件電路設計考慮很多，可將重點 放在算法實現和軟件設計中，大大的提高了工作效率。 基于上述理論分析和實際情況，電機驅動模塊選用方案二。 2.4 速度采集模塊設計方案 本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調節(jié)過程中需要將設定與當前實際轉速進行比較， 速度采集模塊就是為完成

43、這樣功能而設計的，其設計方案以下三種： 方案一：采用霍爾集成片。該器件內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，金屬板發(fā)生橫向導通5，因此可以在電機上安裝磁片，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，傳感器輸出產生變化以指示 被測物被檢測到。通過脈沖計數，對速度進行測量。 方案三：采用測速發(fā)電機對直流電機轉速進行測量。該方案的實現原理是將測 速發(fā)電機固定在直流電機的軸上，當直流電機轉動時，帶動測速電機的軸一起轉動， 因此測速發(fā)電

44、機會產生大小隨直流電機轉速大小變化的感應電動勢，因此精度比較 高，但由于該方案的安裝比較復雜、成本也比較高，在本次設計沒有采用此方案。 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 相同都是將電機轉速轉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，所以綜合考慮在設計中選用第二種方案進行設計。 2.5 顯示模塊設計方案 在電機轉速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要對參數、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)中必須設計一個顯示模塊，考慮有三種方案： 方案一：使用七段數碼管（led）顯示。數碼管具有亮度高、工作電壓低、功 耗小、易于集成、驅

45、動簡單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點，并且它可采用bcd編碼 顯示數字，編程容易，硬件電路調試簡單。但由于在此次設計中需要設定的參數種 類多，而且有些需要進行漢字和字符的顯示，所以使用led顯示器不能完成設計 任務，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的系統(tǒng)來說不宜采用。 方案三：采用12864lcd液晶顯示器，該顯示器功率低，驅動方法和硬件連 接電路較上面兩種方案復雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。 根據本次設計的設計要求，顯示模塊選

46、用方案三。 2.6 鍵盤模塊設計方案 在電機轉速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進行參數的輸入、工作方式的設定以及 電機起停的控制，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。按鍵設置在行、列線的交叉點上，利用這種矩

47、陣結構只需m根行線和n根列線 就可組成個按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數量較多的場合。但此nm 種鍵盤的軟件結構較為復雜6。 根據上面兩種方案的論述，由于本次設計的系統(tǒng)硬件連接比較復雜，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計。 2.7 電源模塊設計方案 電源是任何系統(tǒng)能否運行的能量來源，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運行所 需的電壓，此種方案原理和硬件電路連接都比較簡單，但對能量的損耗大，在實際 應用系統(tǒng)同一般不宜采用。 方案二：通過固定芯片對整流后的電壓進行降壓

48、、穩(wěn)壓處理（如7812、7805 等），此種方案可靠性、安全性高，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實現。 根據系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。 經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； （2）電機驅動模塊：采用直流電機驅動芯片l298n實現； （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： 采用標準的44矩陣式鍵盤； （6）電源模塊： 采用7805、7812芯片實現。 3 單元電路設計 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at89

49、s51單片機作為核 心器件，轉速檢測模塊作為電機轉速測量裝置，通過at89s51的p3.3口將電脈 u7 c2 0.33f c6 0.33f vin 1 gnd 2 +5v 3 u4 7805 vin 1 gnd 2 +12v 3 u3 7812 c3 0.1f c7 0.1f +5v +12v 1 2 3 4 u6 c8 20f c5 3300f c4 20f c1 3300f 1 2 j1 220v 沖信號送入單片機處理，l298作為直流電機的驅動模塊，利用12864lcd顯示 器和44鍵盤作為人機接口。 圖3.1 系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配圖 3.2 電源電路設計 電源是整個系統(tǒng)的能量來

50、源，它直接關系到系統(tǒng)能否運行。在本系統(tǒng)中直流電 機需要12v電源，而單片機、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 電機驅動電路設計 驅動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的i/o口不能直接 驅動電機，只有引入電機驅動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用 l298n電機驅動芯片驅動電機，該芯片是由四個大功率晶體管組成的h橋電路構 p0.0p0.7 12864lcd 顯示模塊 p2.7 p2.6 電機驅動模塊 p2.0p0.5 5 4

51、4鍵盤 p1.0p1.3 p1.4p1.7 4 4 l0l3 h0h3 p3.2/int0 at89s51 p3.3/int1 電機 轉速檢測 四輸入與門 a1 a2 se n1 1 1y 1 2 1y 2 3 vs 4 1a 1 5 1e n 6 1a 2 7 gn d 8 vcc 9 2a 1 10 2a 2 12 2e n 11 2y 1 13 2y 2 14 se n2 15 u5 l298n d4 d3 d1 d2 c10 20f c9 20f +5v +12v +12v r1 470 r2 5k r4 5k r3 470 r5 470 mg 1 p2.7 p2.6 p2.5 成，四

52、個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開 關狀態(tài)，通過調整輸入脈沖的占空比，調整電動機轉速。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為電機驅動 電源。in1-in4輸入引腳為標準ttl 邏輯電平信號，用來控制h橋的開與關即實 現電機的正反轉，ena、enb?引腳則為使能控制端，用來輸入pwm信號實現電 機調速。其電路如圖3.3所示，利用兩個光電耦合器將單片機的i/o與驅動電路進 行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機產生的pwm脈沖控制l298n的選通端7， 使電機在pwm脈沖的控制下正常運行，其中四個二極管對芯片起

53、保護作用。 圖3.3 電機驅動電路 3.4 電機速度采集電路設計 在本系統(tǒng)中由于要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。本次設計中應用 了比較常見的光電測速方法來實現，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3.5（a）所示，在圓盤的一側固定一個發(fā)光二極管，其 位置對準凹槽處，在另一側和發(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每轉一圈在p3.3 的輸出端就

54、會產生n個低電平。這樣就可根據低電平的數量來計算電機此時轉速了。 例如當電機以一定的轉速運行時，p3.3將輸出如圖3.5所示的脈沖，若知道一段時 間t內傳感器輸出的低脈沖數為n，則電機轉速v=r/s?。 vss vdd vo rs r/w e db0 db1 db2 db3 db4 db5 db6 db7 cs1 cs2 /rst vee a k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 (a) (b) 圖3.4 電機速度采集方案 圖3.5 傳感器輸出脈沖波形 3.5 顯示電路設計 根據設計要求要對系統(tǒng)各項參數和電機運行狀態(tài)進行顯示，

55、因此在電路中加入 顯示模塊是非常必要的。在系統(tǒng)運行過程中需要顯示的數據比較多，而且需要漢字 顯示，在這里選用12864液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點陣液晶顯示器, 主要由行驅動器/列驅動器及12864全點陣液晶顯示器組成，可完成漢字 （1616）顯示和 圖形顯示共有20個引腳8，其引腳名稱及引腳編號的對應關系如圖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 號引 腳 功 能引腳符 號引 腳 功 能 1vss電源地15cs1cs1=1芯片選擇左邊64*64 圓盤 光敏三極管發(fā)光二極管 +5v p3.3 470 200

56、 r1r2 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0/rx d 10 p3.1/tx d 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 gn d 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 rsen 29 ale 30 ea 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p

57、0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 u1 89s51 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 lcd po t1 10k r7 10k r8 47 +5 c15 220f 1 2 3 4 5 6 7 8 9 rn 85k +5v +5v +5v p2.5 p2.6 p2.7 點 2vdd電源正+5v16cs2 cs2=1芯片選擇右邊64*64 點 3vo液晶顯示驅動電源17/rst復位（低電平有效） 4rs h：數據輸入； l：指令碼輸入 18veelcd驅動負電源 5 r/w

58、 h：數據讀??； l：數據寫入 19a背光電源（+） 6e 使能信號。 20k背光電源（-） 7-14db0-db7數據線有些型號的模塊19、20腳為空腳 12864液晶顯示器與單片機的連接電路如圖3.7所示： 圖3.7 顯示模塊電路圖 0123 4567 89 傳傳傳傳傳 傳傳傳傳傳傳傳傳 h0 h1 h2 h3 l0 l1 l2 l3 3.6 鍵盤電路設計 根據設計需求，本系統(tǒng)中使用了44鍵盤用以實現對p、i、d三個參數和電 機正反轉的設定，以及對電機啟動、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理圖如圖 4.8所示。圖中l(wèi)0l3為44鍵盤的列信號，h0h3為44鍵盤的行信號。 在本系統(tǒng)中，用p1

59、.0p1.3連接鍵盤的列信號l0l3；用p0.4p0.7連接鍵盤 的行信號h0h39。按照要求設計操作面板如圖3.8所示： 圖3.8 鍵盤模塊 鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運行時，12864lcd將顯示開機界面，若按下設 置鍵顯示屏進入參數設置界面，此時按1、2、3、4進入相應參數的設置的狀態(tài)， 輸入相應的數字即可完成該參數的設置，待所有量設置完成后按正/反控制鍵設置正 反轉，最后按啟動鍵啟動系統(tǒng)，在運行過程中可按下相應鍵對電機進行暫停、繼續(xù)、 停止運行的控制。 0 )2() 1(2 )()()1()( unene nekneknenek dip t=0.5s? 計算r=n/120 計算v=(r/

60、0.5)*60 返回 n y 4 軟件設計 4.1 算法實現 4.1.1 pid算法 本系統(tǒng)設計的核心算法為pid算法，它根據本次 采樣的數據與設定值進行比較得出偏差，對偏差進)(ne 行p、i、d運算最終利用運算結果控制pwm脈沖的 占空比來實現對加在電機兩端電壓的調節(jié)10，進而控制 電機轉速。其運算公式為： )(nu 因此要想實現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。 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。在設計中采用了光 電傳感器做為測速裝置，其計算公式為： v= r/min 60 tn n