PID直流電機轉(zhuǎn)速控制實驗報告

1、 課程設(shè)計課程名稱計算機控制技術(shù)題目名稱PID直流電機轉(zhuǎn)速控制學生學院專業(yè)班級學號學生姓名指導教師2013年06月17日目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6一、系統(tǒng)總體設(shè)計3 HYPERLINK l bookmark8二、硬件設(shè)計10 HYPERLINK l bookmark10三、軟件設(shè)計16四、結(jié)果分析21 HYPERLINK l bookmark18五、實驗總結(jié)及體會21 HYPERLINK l bookmark20六、附錄22 一、系統(tǒng)總體設(shè)計1.1直流電機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制與閉環(huán)控制的選取對直流電機轉(zhuǎn)速的控制有一般有兩種方式，一種是開壞控制，一種是閉環(huán)

2、控制。開環(huán)控制的優(yōu)點是簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開壞控制能夠保持一定的精度。缺點是精度通常較低，無自動糾偏能力；閉環(huán)控制的優(yōu)點是控制的精度可以達到很高，而且對外界的干擾和系統(tǒng)的參數(shù)變化有很好的抑制作用，且可以通過輸出反饋控制系統(tǒng)的控制過程。缺點是存在穩(wěn)定性，振蕩，超調(diào)等一系列問題，對系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計遠比開環(huán)控制麻煩。經(jīng)過利弊的取舍，本次試驗選擇的是閉環(huán)控制，因為準備應用PID算法控制電機的轉(zhuǎn)速，故而需要有實際轉(zhuǎn)速進行反饋與給定的轉(zhuǎn)速形成對比，進而通過算法輸出PWM波形來控制直流電機。既然選擇了直流電機轉(zhuǎn)速閉壞控制，可根據(jù)反饋機制大概做出其控制模

3、型。12直流電機調(diào)速方式的選取直流無刷電機由電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過開關(guān)線路向電動機定子繞組供電，電動機轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導通或截止，從而控制電動機的轉(zhuǎn)動。在應用實例中，磁極旋轉(zhuǎn)，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關(guān)電路來實現(xiàn)。電機的電樞繞組作成三相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，與轉(zhuǎn)子軸相連的位置傳感器采用霍爾傳感器。3600范圍內(nèi)，兩兩相差1200安裝，共安裝三個。為了提高電機的特性，電機采用二相導通星形三相六狀態(tài)的工作方式。開關(guān)電路采用三相橋式接線方式?；谥绷麟姍C的特性，本次試驗使用的是PW

4、M脈寬調(diào)制方法。脈寬調(diào)制(PWM)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM具有很強的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟等特點。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了PWM技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。PWM對調(diào)速系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定精度等指標比較好;電樞電流的脈動量小，容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬;使用元件少、線路簡單。PWM的原理：理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有

5、慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其占空比與信號的瞬時采樣值成比例。圖1所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個比較器和一個周期為Ts的鋸齒波發(fā)生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數(shù)A,否則輸出0。因此，從圖1中可以看出，比較器輸出一列

6、下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。1.3直流電機測速裝置的選取經(jīng)過查閱了大量資料，發(fā)現(xiàn)目前常用的測速裝置有三種。1.3.1直流測速發(fā)電機測速直流測速發(fā)電機可分為勵磁式和永磁式兩種。勵磁式由勵磁繞組接成他勵，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。由于永磁式不需另加勵磁電源，也不因勵磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，故應用較廣。根據(jù)已學過的直流發(fā)電機的工作原理知，電刷兩端的感應電勢: Ea=Ce巾n=Ken可知電刷兩端的感應電勢與電機的轉(zhuǎn)速成正比。直流發(fā)電機能夠把轉(zhuǎn)速信號換成電勢信號，從而用來測速。自動控制系統(tǒng)對測速發(fā)動機的要求為：1.輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線為線性。2.輸出特性的斜率要大。3.溫度變化對輸出特

7、性的影響要小。4.輸出電壓的波紋要小。5.正反轉(zhuǎn)兩個方向的輸出特性要一致。圖中實線為直流測速發(fā)電機的理想輸出特性，虛線為實際輸出特性，實際特性與要求的線性特性之間存在誤差，且該誤差與負載電阻有關(guān)。直流測速發(fā)電機的優(yōu)點是原理簡單，且在一定范圍內(nèi)能夠滿足系統(tǒng)的需求。缺點是其輸出的是電壓值，如果使用在數(shù)字信號電路里是必須得用AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。而且其需要處于線性區(qū)，但是現(xiàn)實中線性的系統(tǒng)基本上很少，故而現(xiàn)在已經(jīng)不常用。鑒于本實驗使用的是單片機控制系統(tǒng)，故而此測速方式不適用。1.3.2霍爾傳感器測速霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.H

8、all,18551938)于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù),能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。電機每轉(zhuǎn)一圈，每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2脈沖，且其周期與電機轉(zhuǎn)速成反比，因此可以利用霍爾傳感器信號得到電機的實際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短一次速度采樣的時間，可測得任意一相霍爾傳感器的一個正脈沖的寬度，則電機的實際轉(zhuǎn)速為：V二N*30;V:速度R/m

9、inN:每秒采樣的脈沖個數(shù)霍爾傳感器輸出的是脈沖，可以直接將輸出脈沖接入單片機外部計數(shù)器，故而非常簡單實用。1.3.3光電編碼器測速其效果跟霍爾測速一致，但是霍爾元件利用的是電磁產(chǎn)生脈沖,光電編碼器利用的是光產(chǎn)生脈沖。它的原理是通過電動機的轉(zhuǎn)動帶動碼盤的轉(zhuǎn)動，碼盤上有很多縫隙，縫隙每經(jīng)過紅外管一次就會產(chǎn)生一個脈沖，進而直接輸入單片機，經(jīng)過算法處理得到實際轉(zhuǎn)速。經(jīng)過分析，本次試驗選取的是光電碼盤測速。首先是因為同時測量霍爾元件和光電編碼器，發(fā)現(xiàn)光電編碼器的靈敏度更高，且其價格便宜。最關(guān)鍵的是它很好用。1.4系統(tǒng)控制算法的選取控制算法是微機化控制軟件系統(tǒng)的一個重要組成部分，可以說整個系統(tǒng)的控制功能

10、主要由控制算法來實線。所以控制算法的好壞直接決定了這個系統(tǒng)的好壞。根據(jù)偏差的比例(P)、積分1.4.1+o(I)、微分(D)進行控制，稱為PID控制。它能滿足相當多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應用最廣的控制算法。由于是用單片機控制的系統(tǒng)，故而我們采用數(shù)字PID控制。模擬形式離散化形式e(t)=r(t)-c(t)e(n)=r(/7)一c(n)det)e(n)-e(n-1)dTT認)dfXe(i)T=TXe(i)z=01=0模擬PID控制規(guī)律的離散化1.4.2數(shù)字PID控制器的差分方程u(n)=Kp幺(”)+乞殆)+=Up(II)+W,(ll)+WD(/?)+Wo式中up(n)=Kpe(n)稱

11、為比例項u,()=心如)稱為積分項i=0uD(n)=Kpy-e(n)-en-1)稱為微分項1.4.3常用的控制方式1、P控制u(n)=up(n)+uQ2、PI控制()=p()+“/(“)+叫3、PD控制w(/?)=UP(77)+uD()+w04、PID控制u(n)=up(n)+Uj(m)+uD(n)+uQ1.4.4PID算法的兩種類型1、位置型控制一一例如圖5-1-5調(diào)節(jié)閥控制+o()=KpJe(n)+殆)+勒e(n)一e(n-1)I1 后沿抖動前沿抖動按鍵按下前后的波形圖通常我們手動按下鍵然后立即釋放，這個動作中穩(wěn)定閉合的時間超過20mso因此單片機在檢測鍵盤是否按下時都要加上去抖動操作,有

12、專用的去抖動電路，也有專用的去抖動芯片，但通常我們用軟件掩飾的方法就能很容易的解決抖動問題，而沒有必要再添加多余的硬件電路。剛開始想用4*4鍵盤輸入給定速度，但是仔細考慮了一下性價比,經(jīng)過慎重選擇，我拋棄了這個鍵盤，改用3個復位開關(guān)調(diào)節(jié)給定速度。具體過程是：一個復位開關(guān)決定了速度的加，每一次加一定的速度值;還有一個復位開關(guān)見決定了速度的減，每一次減一定的速度值；還有一個復位鍵是用來置零的。加速鍵接在pl.O口上，減速鍵接在P1.1口上。2.5測速模塊設(shè)計本實驗應用的是紅外管輸入脈沖，深色物的紅外反射率因不同的材料而不同，發(fā)射管發(fā)射出紅外線，在材料上反射回來，由接受管接受。當有信號反射回來時輸出

13、低電平，沒有反射時輸出高電平。這個光電編碼器整體是買來的實物，在仿真軟件protues中沒有很合適的仿真物，我用可以直接輸出脈沖的直流電機代替了。買的時候我進行了現(xiàn)場的測試，發(fā)現(xiàn)它非常的靈敏，作為電動機轉(zhuǎn)速的測量綽綽有余了。三、軟件設(shè)計3.1lcdl602顯示軟件設(shè)計部分數(shù)顯管有八位，前四位顯示的是給定速度，后四位現(xiàn)實的是實際測得的轉(zhuǎn)速。假設(shè)前四位數(shù)顯管為管A,后四位為管B,則經(jīng)過分析研究作出數(shù)顯管AB的程序流程圖分別如下：START外部中斷p3.3計數(shù)程序(voidexterO()interrupt0)此外部中斷主要用于對測速產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)。程序流程圖為: # # 定時器0中斷軟件設(shè)計(

14、voidtimerO()interrupt1)定時器0中斷主要用于數(shù)顯管顯示數(shù)值和一定時間間隔內(nèi)對轉(zhuǎn)速進行采樣計算PID控制，初始化中斷時間設(shè)置為2mso程序流程圖為：PWM算法程序設(shè)計(voidPWMOUT()Pwm是通過PID計算出來的偏差來調(diào)整輸出脈沖的寬度還控制電機的轉(zhuǎn)速的。程序流程圖如下：PID控制算法程序設(shè)計(voidPIDControl()當電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值突然改變，或電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時，會引起偏差的階躍，使e增大PID的輸出uk將急劇增加或減小,以至于超過控制量的上下限，電機的轉(zhuǎn)速SPEEDSET雖然不斷上升，但由于控制量受到限制，其增長的速度減慢，偏差E將比正常情況下持續(xù)更

15、長的時間保持在較大的偏差值,該程序主要是把設(shè)定的轉(zhuǎn)速減當前測量得到的轉(zhuǎn)速來計算偏差，從而用PWM輸出方式來確定輸出脈沖的寬度。程序流程圖如下:START求偏差值e給定pid參數(shù)計算duk計算uk 結(jié)果分析這里主要分析的結(jié)果是電機實際的轉(zhuǎn)速實際轉(zhuǎn)速的波形圖:五、實驗總結(jié)及體會通過這次計算機控制技術(shù)的課程設(shè)計，學會了PID控制器和光電測速模塊的設(shè)計與使用，使自己又有了新的知識積累，并鍛煉了動手能力。完成課程設(shè)計的過程中也曾出現(xiàn)很多錯誤，例如測速模塊出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)不精確的現(xiàn)象。六、附錄源程序代碼#includeincludestring.h,typedefunsignedintuint;typedef

16、unsignedcharuchar;sbitPlus_100=P3A3;百位加sbitMinus_100=PlA6;百位減sbitPlus_10=P3A4;sbitMinus_10=PlA7;sbitPlus_l=PlA5;sbitMinus_l=P3A5;十位加十位減個位加個位減sbitDC_motor=P0A2;直流電機的10定義sbitlcd_rs=PlA2;數(shù)據(jù)命令選擇端H數(shù)據(jù)L命令sbitlcd_rw=PlAl；讀寫選擇端H讀操作L寫操作sbitlcden=PlA0;/LCD1602使能端ucharcodetablel=0123456789set:r/min;ucharcodetab

17、le2=0123456789real:r/min;uintset_speed=1800;速度的設(shè)定值uintreal_speed=2800;速度的實際值uintsum=0;轉(zhuǎn)速計算uchari=0;uintcount=0;uintact=O;intPWM=33;inte_k=0,e_k_l=0,e_k_2=0;/PID偏差floatKp=0.8,Ti=0,Td=0;/PID控制系數(shù)floatq0,ql,q2;floatu_change二0;intuk=0,uk1=0;voidPIDControl(void)/PID偏差計算e_k=set_speedreal_speed;u_change=q0*

18、e_k-ql*e_k_l+q2*e_k_2;u_k=(int)u_change+u_k_l;PWM+=u_k/100;訐(PWM100)PWM=100;TOC o 1-5 h zek2=ek1;ekl=ek;ukl=uk;voidtimerO_init(void)一TMOD|=0 x22;定時器0工作方式1TH0=0 xA4;TL0=0 xA4;IP=0 x02;EA=1;ETO=1;TRO=1;定時器1工作方式1voidtimerl_init(void)一TMOD|=0 x22;THl=0 xFD;TLl=0 xFD;PCON=OxOO;SCON=0 x50;IP=0 x02;EA=1;開定

19、時總中斷TR1=1;啟動定時器1voidEXOinit(void)IP=0 x02;ITO=1;指定外部中斷0下降沿觸發(fā)，INTO(P3.2)EXO=1;使能外部中斷EA=1;開總中斷voiddelayms(uintz)/毫秒延時函數(shù)uintx?y;for(x=z;x0;x-)for(y=148;y0;y-);voidwrite_com(ucharcom)/LCD1602寫指令函數(shù)lcd_rs=O;讀寫選擇端H讀操作L寫操作P2=com;送指令給P2delayms(5);lcden=l;delayms(5);lcden=O;voidwrite_data(uchardate)/LCD1602寫數(shù)

20、據(jù)函數(shù)lcd_rs=l;數(shù)據(jù)命令選擇端H數(shù)據(jù)L命令P2=date;送數(shù)據(jù)給P2delayms(5);lcden=l;delayms(5);lcden=O;voidinit()/LCD1602初始化函數(shù)Icden=0;lcd_rw=O;化為旨桑作write_com(0 x38);數(shù)據(jù)接ifwrite_com(OxOf);write_com(0 x06);write_com(0 x01);voidLCD_l(void)一write_com(0 x80);一個字節(jié)處初始化將LCD1602使能端拉低一般液晶都是寫操作故初始設(shè)置16*2顯示，5*7點陣，8位設(shè)置開顯示，光標閃爍寫入一個字符后地址指針加1顯示清屏，數(shù)據(jù)指針清0將數(shù)據(jù)指針指到1602的第一行第for(i=10;i16;i+)write_data(tableli);一i=set_speed/1000;write_data(tableli);i=(set_speed/100)%10;write_data(tableli);i=(set_speed/10)%10;write_data(tableli);i=set_speed%10;write_data(tableli);for(i=16;i22;i+)write_d