PID控制直流電機(jī)速度

1、西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）0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。

2、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)西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1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)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)

3、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(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)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)

4、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)

5、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(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（Stea

6、dy-state error）。在積分控制中，控制器的輸出與輸入偏差信號(hào)的積分成正西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2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)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

7、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)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(lái)越高的要求，借

8、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)

9、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；西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3（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(wú)

10、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）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。西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4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)

11、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1.1 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)(tr)(tc控制偏

12、差： = )(te)(tr)(tc（1.1）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)()(0dttdeTdtteTteKtuDtIp（1.2）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)。PKITDT西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5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，

13、調(diào))(te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(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 )11 ()()()(STSTKSESUSDDIP（1.3）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。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

14、。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、)(tr)(te、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、表示，于是式)(tu)(tc)(nr)(ne)(nu)(nc（1.1）變?yōu)?：= )(ne)(nr)(nc（1.4）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，dt)(tde) 1()(nene“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 Tnenedttde) 1()()(（1.5） tniTiedtte01

15、)()(（1.6）西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6這樣，式（1.2）便可離散化以下差分方程 01)1()()()()(uneneTTneTTneKnuniDIP（1.7）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)0u,即 )(nuP )()(neKnuPp（1.8）第二項(xiàng)起積分控制作用,稱為積分（I）項(xiàng)即)(nuI niIPIieTTKnu1)()(（1.9）第三項(xiàng)起微分控制作用,稱為微分（D）項(xiàng)即)(nuD )1()()(neneTTKnuDPD（1.10）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: 0)()(unun

16、uP（1.11）PI控制: 0)()()(unununuIP（1.12） PD控制: 0)()()(unununuDP（1.13）PID控制: 0)()()()(ununununuDIP（1.14）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))(nu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?不)(ie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）不難看出u(n-1)的表達(dá)式，即西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7PID位置算法控制器被控對(duì)象r(t)+

17、-e(t)uc(t)PID增量算法控制器被控對(duì)象r(t)+-e(t)uc(t) 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 )2() 1(2)()()1()(neneneKneKneneKDIP（1.16） 從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為 )(nu0)2() 1(2)()()1()(uneneneKneKneneKDIP（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)

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(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)控制西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8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(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)

19、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：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)PK/

20、1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。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02)(te示。 控制度 模擬)()(0202dttedtteDDC（1.18）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。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)控制度控制規(guī)律TPKITDT1.05PI0.03

21、KT0.53K0.88KT西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9（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；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，IKDK由小到大改變

22、比例系數(shù)，讓擾動(dòng)信號(hào)作階躍變化，觀察控制過(guò)程，直到獲得滿PK意的控制過(guò)程為止。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PKIK動(dòng)信號(hào)作階躍變化，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IKPK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PK數(shù)，力求改善控制過(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IKPK數(shù)為止。IK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)DKDT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(guò)PKIK程滿意為止。PID參數(shù)是根據(jù)控制對(duì)象的慣

23、量來(lái)確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一1.05PID0.014KT0.63K0.49KT0.14KT1.20PI0.05KT0.49K0.91KT1.20PID0.043KT0.047K0.47KT0.16KT1.50PI0.14KT0.42K0.99KT1.50PID0.09KT0.34K0.43KT0.20KT2.00PI0.22KT0.36K1.05KT2.00PID0.16KT0.27K0.40KT0.22KT西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10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

24、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

25、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D1.4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)。)(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(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。)(ti)(ti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)(ti)(ti

26、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(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)(ti)(ti段的特性非常接近，僅在高頻段有所不同2。f(t)0tf(t)0t0tf(t)0tf(t)0t0t a bcd西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11abcdabii(t)i(t)e(t)RL0 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

27、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)

28、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。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)。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

29、、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)。西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12U(t)0tTt0UU(t)0tTt0U2T2t03T3t04t0nT (n+1)t0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1.6可求得此時(shí)間內(nèi)脈沖的等效直流電壓為：0t 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

30、) UU0（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 （為矩形脈沖占空比） UTUtnTUntU000（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(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。西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）132 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

31、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)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。西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）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

32、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)

33、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)，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，R

34、OM來(lái)擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）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)

35、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?；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)，

36、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)，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)沒有采用此方案。

37、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)中的霍爾元件比西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16較難買，而且成本也比較高，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)

38、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

39、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)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nm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

40、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)。西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）172.7 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。方案一：通過(guò)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(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

41、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)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

42、塊，利用12864LCD顯示器和44鍵盤作為人機(jī)接口。西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18U7C20.33FC60.33FVin1GND2+5V3U47805Vin1GND2+12V3U37812C30.1FC70.1F+5v+12v1234U6C820FC53300FC420FC13300F12J1220V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(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

43、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(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（SENSEAP0.0P0.712864LCD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

44、.3/INT1電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)四輸入與門西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19A1A2SE N111Y 121Y 23Vs41A 151E N61A 27GN D8Vcc92A 1102A 2122E N112Y 1132Y 214SE N215U5L298ND4D3D1D2C1020FC920F+5V+12V+12VR1470R25KR45KR3470R5470MG 1P2.7P2.6P2.5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

45、，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，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

46、，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P3.3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。西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20VSSVDDVORSR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7CS1CS2/RSTVEEAK12345678910111213141

47、51617181920 (a) (b)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(guò)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 號(hào)引 腳

48、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圓盤 光敏三極管發(fā)光二極管+5VP3.3470200R1R2西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RX D10P3.1/TX D11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GN D20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728RSEN29ALE30EA31

49、P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40U189S511234567891011121314151617181920LCDPO T110KR710KR847+5C15220F123456789RN 85K+5v+5v+5vP2.5P2.6P2.7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?。籐：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

50、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：圖3.7 顯示模塊電路圖西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）220123456789傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳H0H1H2H3L0L1L2L33.6 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

51、示：圖3.8 鍵盤模塊鍵盤操作說(shuō)明：在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，12864LCD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。西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）230)2() 1(2)()()1()(uneneneKneKneneKDIPt=0.5s?計(jì)算r=n/120計(jì)算v=(r/0.5)*60返回NY4 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

52、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))(ne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(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

53、.5s，則速度計(jì)算具體程序流程如圖4.2所示。 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程序流程西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24開始初始化調(diào)用清屏子程序開始界面顯示設(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)行狀態(tài)顯示PWM脈沖輸出YNYN 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

54、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。圖4.3 主程序流程4.2.2 鍵盤程序程序流程西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）25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KEYLKEYL、KEYH相與為KEYP1口高四位置1讀P1口高四位數(shù)據(jù)到KEYHKEY=0XEE ?KEY=0XEB ?KEY=0XED ?KEY=0XE7 ?KEY=0XDE ?KEY=0XDD ?KEY=0XDB ?KEY=0XD7 ?KEY=0XBD ?KEY=0XBE ?KEY=0XBB ?KEY=0XB7 ?KEY=0X7E ?KEY=0X7D ?KEY=0X7B

55、?KEY=0X77 ?數(shù)字鍵0數(shù)字鍵1數(shù)字鍵2數(shù)字鍵3數(shù)字鍵4數(shù)字鍵5數(shù)字鍵6數(shù)字鍵7數(shù)字鍵8數(shù)字鍵9正/反功能鍵暫停功能鍵繼續(xù)功能鍵啟動(dòng)功能鍵停止功能鍵設(shè)置功能鍵RETIYNNNNNNNNNNNNNNNNYYYYYYYYYYYYYYY 鍵盤中斷程序是用來(lái)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。 西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）26脈沖計(jì)數(shù)時(shí)間0.5s?速度計(jì)算PID運(yùn)算顯示數(shù)據(jù)刷新定時(shí)器T0賦初值RETI各變量重新賦值YN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T0中斷子程序是用來(lái)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

56、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12864LCD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(shuō)明，下面介紹12864LCD的相關(guān)指令。（1）讀取狀態(tài)字當(dāng)R/W=1，D/I=0時(shí)，在E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D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB001BUSY0ONOFFRST0000西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）27讀出狀態(tài)字判斷BUSY是否為“0” 。若不為“0” ，則計(jì)算機(jī)需

57、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）范圍內(nèi)，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(yè)面地址設(shè)置 D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00010111Page（07）頁(yè)面地址是DDRAM的行地址。8行為一頁(yè)，DDRAM共64行即8頁(yè)，DB2-DB0表示0-7頁(yè)

58、。（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(yè)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)器的單元內(nèi)。操作完成后列地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加一。 西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）28（7）讀顯示數(shù)據(jù) D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB011顯 示 數(shù) 據(jù)該操作

59、將12864模塊中的DDRAM存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)單位中的內(nèi)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。圖4.6 顯示程序流程4.3 系統(tǒng)Proteus仿真4.3.1 Proteus軟件簡(jiǎn)介Proteus是英國(guó)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，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

60、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(guò)程。以下為本系統(tǒng)在Protues中的仿真流程：初始化循環(huán)次數(shù)j2 ?寫入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)i16？設(shè)置顯示起始頁(yè)、起始列調(diào)用寫入數(shù)據(jù)子程序j=j+1;i=0i=i+1RETIYNNY初始化循環(huán)次數(shù)j2 ?寫入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)i8？設(shè)置顯示起始頁(yè)、起始列調(diào)用寫入數(shù)據(jù)子程序j=j+1;i=0i=i+1RETIYNNYa) 寫入16*16漢字程序流程b)寫入8*16數(shù)字西安科技大學(xué)電控學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）29（1）新建文件：打開Protues點(diǎn)File，在彈出的下拉菜單中選擇New Design，在彈出的圖幅選擇對(duì)話框中選Default。（2）設(shè)置編輯環(huán)